МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ “ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ ” КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ В.В. ИЛЬИНА, О.О. АБРАМОВА ФОТОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОЛОГРАФИИ Учебное пособие для студентов специальности 240504 “технология кинофотоматериалов и магнитных носителей ” ВВЕДЕНИЕ Настоящее учебное пособие по существу является дополнением к курсу лекций по дисциплине “Фотографические материалы для голографии“. Пособие предназначено для более углубленного изучения дисциплин, связанных с теорией и практикой получения голографических изображений, изучаемых студентами V курса факультета фотографии и технологии регистрирующих материалов на специализации “Голография”. Данное учебное пособие состоит из трёх разделов, посвящённых, соответственно, галогенидосеребряным высокоразрешающим фотоматериалам для голографии и процессам их обработки, несеребреным светочувствительным материалам для голографии, оптической обработке информации и описанию аппаратуры, используемой для записи голографического изображения. Для адаптации текста к его наиболее полному восприятию, особенно при самостоятельном изучении предмета, в работе представлены сводные таблицы данных, рисунки, графики и схемы; а также список дополнительной литературы, позволяющей более детально ознакомиться с интересующим вопросом. § 1. Галогенидосеребряные высокоразрешающие фотоматериалы для голографии и процессы их обработки Известно, что голограммы можно записывать на самых разнообразных материалах, включая электрооптические кристаллы и термопластичные плёнки, но самыми распространенными среди них по-прежнему являются галогенидосеребряные фотографические материалы благодаря своей надежности, доступности и высокой чувствительности, несмотря на то, что они требуют некоторого времени для обработки и при нормальном использовании не обладают способностью к дополнительной записи или стиранию. Поскольку при записи голограмм используются пространственные частоты, значительно превышающие частоты, регистрируемые в обычной фотографии, то здесь применяются эмульсии очень низкой чувствительности и настолько мелкозернистые, что они практически прозрачны. Такая мелкая зернистость создается сферическими микрокристаллами бромида серебра (с небольшим количеством йодида и некоторыми сенсибилизаторами) диаметром около 30 нанометров и требует экспозиции от 1000 до 3000 эрг/см . Другие, так называемые «голографические», эмульсии могут иметь зерна до 100 нм, и даже обычные мелкозернистые материалы с зернами 500 нм могут использоваться при записи голограмм при малых углах падения опорного пучка или при существенном ограничении энергии лазера и времени экспонирования. Наиболее известные галогенидосеребряные фотографические материалы для голографии изготовляются фирмами «Eastman Kodak Company» в США и «Agfa - Gevaert» в Бельгии. Галогенидосеребряные голографические материалы чаще всего выпускаются на стеклянной (пластинки) или гибкой (плёнки) основе. По сравнению с плёночными основами стекло имеет то преимущество, что оно обладает жёсткостью и прекрасной стабильностью пространственных параметров слоя, на которые не оказывают влияние ни влажность, ни фотографическая обработка. Стекло практически не растяжимо, но легко ломается и бьётся. Однако пластинки склонны к образованию дефектов и непостоянству свойств при изготовлении и, кроме того, их относительно высокая стоимость приводит к тому, что на практике главным образом используют плёночные материалы. В настоящее время применяют исключительно полиэфиры и триацетат целлюлозы, и им обоим присуща значительно большая, чем стеклу нестабильность пространственных характеристик. Полиэфирные пленки являются химически более стойкими к обрабатывающим растворам и механически более прочными по сравнению с ацетатными: они плотнее, крепче, эластичнее, менее подвержены усадке при обработке и меньше подвержены влиянию температуры и влажности при хранении, но их лучепреломление меняет поляризацию проходящего света, так 29 что они реже применяются при записи художественных голограмм и для обработки информации. Галогенидосеребряные фотографические материалы являются значительно более стабильными при хранении, чем большинство других регистрирующих сред, но из-за небольшого размера зёрен голографические материалы оказываются более чувствительными к температуре и времени хранения по сравнению с обычными фотоматериалами. Их лучше всего хранить в холодильнике при температуре не выше С , а перед употреблением медленно нагреть до комнатной температуры в течение нескольких часов. Качество записанного голографического изображения зависит в основном от трёх параметров: условия записи, качество используемого для записи материала и условий его обработки после записи. Считается, что все операции процесса обработки голограмм (проявление, фиксирование, отбеливание, сушка) взаимосвязаны. Стандартным проявителем для голографических материалов является проявитель Кодак D-19: Гидрохинон Метол Сульфит натрия безводный Натрий углекислый Калия бромид Вода дистиллированная 8.0 г 2.0 г 90.0 г 45.0 г 5.0 г до 1.0 л Если эмульсия будет отбеливаться, то её нужно проявлять до оптической плотности Dmax = 1.5 , а если не будет, то до плотности Dmax = 0.8 . Значение получаемой оптической плотности зависит от времени проявления, которое может колебаться в пределах от 1-2 до 6-8 минут, но с увеличением времени проявления растёт роль механизма физического проявления, что приводит к увеличению шума (гранулярности) и снижению максимальной величины дифракционной эффективности. Недостатки физического проявления устраняются при использовании «безсульфитных проявителей». Например, проявителя SM-6 : Фенидон 6.0 г Фосфат натрия двухосновный 28.4 г Аскорбиновая кислота 18.0 г Гидроксид натрия 12.0 г Вода дистиллированная до 1.0 л Процесс фиксирования, в зависимости от ранее выбранного режима обработки, который может иногда вообще исключать фиксирование (получение некоторых видов отражательных голограмм), предусматривает так называемое «быстрое фиксирование», или процесс дубления перед сушкой, проводят с использованием либо недубящих, либо дубящих фиксажей. 29 Обычно это F-24 или SH-1 : Фиксаж F-24 ( недубящий ) Фиксаж SH-1 ( дубящий ) Тиосульфат натрия 240.0 гр. Формальдегид ( 37 % ) 10.0 мл Сульфит натрия б/в 10.0 гр. Карбонат натрия Бисульфит натрия 25.0 гр. (моногидрат) 5.0 гр. Вода до 1.0 литра Вода до 1.0 литра Процесс отбеливания предназначен для получения голограммы, которая модулирует свет замедлением волнового фронта, что приводит к увеличению дифракционной эффективности и, следовательно, яркости восстановленного изображения. Существует три вида отбеливателей : «Прямой объёмный» - преобразует проявленные зёрна металлического серебра в осадки прозрачной диэлектрической соли, имеющей большую поляризуемость , чем желатин. «Обратимый объёмный» - растворяет проявленные зёрна нефиксированной голограммы, при этом средний показатель преломления модулируется непроявленными зёрнами галогенида серебра . Оба этих отбеливателя называются объёмными, так как производимая ими модуляция среднего показателя преломления оказывается распределённой по толщине эмульсии и даёт некоторые эффекты брэгговской селекции, а также обеспечивает высокую дифракционную селективность. «Поверхностно-рельефный» 1.1.Характеристика свойств и требования к высокоразрешающим фотоматериалам для голографии. Фотоматериалы для голографии должны обеспечивать регистрацию в них тонкой интерференционной структуры отображения волнового фронта объектов голографирования. Отсюда следует, что они должны быть особомелкозернистыми и высокоразрешающими при относительно высокой светочувствительности. Ещё в конце Х1Х века было определено, что для осуществления разработанного в тот период способа цветной интерференционной фотографии, являющегося прообразом современной голографии, обычные фотоматериалы непригодны и должны применяться особомелкозернистые, слабоопалесцирующие «беззернистые» (т.е. с зёрнами, не видимыми в обычном микроскопе) фотослои, получившие своё название по фамилии разработчика – липпмановские. Средний диаметр зёрен в таких эмульсиях составляет около 20-30 нм. В современных высокоразрешающих фотоматериалах для голографии средний диаметр эмульсионных зёрен изменяется примерно от 5-10 до 80-90 нм, а их разрешающая способность от 1000-1500 до 500029 10000 лин./мм при светочувствительности, измеряемой от 3-5 до нескольких тысяч см2 /эрг. Для обеспечения высокого качества голографического изображения рассеяние в эмульсионных слоях должно отсутствовать, а для наиболее жёстких условий голографирования во встречных пучках - они вообще должны быть практически прозрачными. Иначе говоря, размер их эмульсионных зёрен должен измеряться несколькими нанометрами, а разрешающая способность должна быть не менее 10000 лин/мм. Поскольку светочувствительность и коэффициент контрастности фотоматериалов закономерно изменяется с изменением их дисперсных характеристик (рис. 1), то между ними должен быть установлен некоторый компромисс, исходящий из достигнутых характеристик для различных типов существующих фотоматериалов для голографии. При этом практическую значимость имеет не общая, а спектральная светочувствительность, соответствующая излучениям используемых лазеров и выражаемая в энергетических единицах (см2 / эрг). На рисунке 1 представлены зависимости коэффициента контрастности () и светочувствительности (S) от средней площади проекции микрокристалла (a). Светочувствительность эмульсионных слоёв прямо пропорциональна среднему объёму микрокристалла: S = Const а3/2, при этом прямолинейность сохраняется до величины микрокристалла, имеющего а 1 мкм2 , а при больших размерах градиент увеличения светочувствительности заметно уменьшается и может даже достичь отрицательных значений из-за увеличенного количества глубинных центров чувствительности в более крупных кристаллах по сравнению с более мелкими, что приводит в итоге к увеличению доли глубинной светочувствительности в общей светочувствительности. Различие МК в эмульсионном слое по светочувствительности отразится на коэффициенте контрастности получаемого изображения. Коэффициент контрастности можно считать мерой однородности зёрен по светочувствительности, и чем больше разброс по светочувствительности МК, тем меньше его величина. Коэффициент контрастности уменьшается с увеличением размера кристаллов, но при постоянном значении коэффициента вариации (дисперсности эмульсии) он остаётся неизменным. Следует отметить, что голографические эмульсии являются монодисперсными и, как уже было сказано ранее, очень мелкозернистыми. 29 S 0.5 1.0 1.5 а , мкм2 Рис. 1. Зависимость светочувствительности S и коэффициента контрастности от площади проекции микрокристалла Нельзя не указать, что фотографическая чувствительность, обычно определяемая по критерию некоторой плотности изображения над вуалью (в том числе и выражаемая в энергетических единицах), не коррелирует связанно с эффективной светочувствительностью фотоматериалов при разных условиях голографирования. Это исходит из того, что так называемая голографическая чувствительность реального материала связана не только с величиной экспозиции, но и одновременно с контрастом получаемых интерференционных полос и дифракционной эффективностью голограммы . Эффективная светочувствительность голографического материала характеризуется также его экспозиционным индексом, представляющим отношение сенситометрической чувствительности к потерям света при голографировании, связанным с дифракционной эффективностью (ДЭ). На практике же удобно пользоваться экспозиционной светочувствительностью, определяемой по экспозиции соответствующей рабочей точки на характеристической кривой (а для голографирования во встречных пучках — в области соляризации). Экспозиционная чувствительность (Hэксп) определяется для максимальной ДЭ восстанавливаемого изображения и не может коррелировать с обычной фотографической чувствительностью (HD вуали + 0.2) (см. табл.1.1). 29 Таблица 1.1 Дифракционная эффективность, экспозиционная чувствительность и фотографическая чувствительность различных голографических материалов , % Hэксп102, Дж/см2 HDв+0.2 , Дж/см2 , нм Слои Айвса 24 3 5 14.5 Слои Валента 24 2 5 16.5 ПЭ-1 (фотопластинки) ПЭ-1 (фотопленка) 12 10 0.3 1.6 1.6 2.5 17.0 20.0 СБРШ-1 6 0.7 5 23.0 Микрат-ВРЛ 7 0.6 20 28.0 ВРЛ (разработка ГосНИИХимФотоПроекта) ВР-2 (разработка ЛИКИ) 7 0.1 0.5 12.0 7 3 3 15.0 Агфа – Геверт 8Е70 8 0.07 0.8 22.0 Наименование фотослоя , нм - полуширина спектрального распределения дифракционной эф- фективности. Поскольку в голографии используются как обычные, так и импульсные лазеры, то при определении эффективной светочувствительности высокоразрешающих фотоматериалов надо учитывать явление невзаимозаместимости. Так как голографическое изображение строится из дифракционных решеток, то их оптимальное качество (четкость штрихов) связывается с применением достаточно контрастных фотоматериалов ( > 3), при этом эффективная светочувствительность повышается в два с лишним раза при увеличении коэффициента контрастности фотоматериала с одним и тем же типом эмульсии с 2.8 до 7.8. Исходя из условий синтеза липпмановских «беззернистых» эмульсий и проведенного сравнительного анализа различных высокоразрешающих голографических материалов, можно заключить, что содержание серебра в них является небольшим. Известно, что при 29 уменьшении серебра в исходной высокоразрешающей эмульсии ДЭ достигает максимального значения (при CAgHal ~ 7 г/л) и некоторой небольшой окраски эмульсионного слоя сенсибилизатором, но при этом светочувствительность несколько понижается. Толщина эмульсионного слоя разных высокоразрешающих фотоматериалов (h) для голографии изменяется примерно от 5 до 20 мкм, но в среднем она обычно составляет около 7—12 мкм. Это связано с тем, что при более толстом эмульсионном слое трудно устранять образующиеся в нем дефекты. Для обеспечения высокого качества голографического изображения важное значение приобретает равномерность наноса эмульсионного слоя на подложку, отсутствие каких-либо загрязнений, пылинок и т. п. Поверхность подложки должна быть плоской. Необходима минимальная усадка эмульсионного слоя после обработки, для чего целесообразно его сильно задубливать. В качестве дубителей голографических эмульсий можно использовать дубители, применяемые в технологии производства обычных кинофотоматериалов широкого назначения и отвечающие следующим требованиям: они должны повышать физико-механические свойства эмульсионных слоёв, не ухудшая при этом фотографические и голографические свойства слоёв и их сохраняемость во времени; не обладать эффектом последующего дубления; не изменять вязкость эмульсии при её выстаивании перед поливом. В настоящее время в качестве дубителей фотографических слоёв на основе желатина наиболее часто используют следующие дубители: 1. Неорганические – соли трёхвалентного хрома (преимущественно ацетат хрома). Недостатками этого типа дубителей являются повышение вязкости эмульсии при её выстаивании перед поливом и раздубливание слоёв при их обработке в щелочных растворах. 2. Органические – альдегидные (формальдегид; глиоксаль; дихлорформилакриловая /мукохлорная/ кислота), акриламидные (гексагидро1,3,5–триакрилаил-триазин /ДУ-801/), эпоксидные ( диглициловый монопропиленхлоридриновый эфир глицерина /ДУ-652/) и азиридиновые. Альдегидные дубители используют только в безаммиачных эмульсиях (к каковым и относятся голографические), так как в щелочной среде усиливаются восстановительные свойства альдегидов и это приводит к вуалированию эмульсии. Акрилаильные дубители используют для дубления и безаммиачных эмульсий, и аммиачных. Азиридиновые - универсальные дубители по отношению к желатину и к ряду синтетических полимеров, которые могут выступать в качестве полных или частичных заменителей желатина. Наиболее распространённым способом дубления желатиновых эмульсий является введение дубителей в эмульсию непосредственно перед поливом, но иногда применяется и так называемый «метод диффузионного дубления», когда дубитель наносится поверх эмульсионного слоя и задубливание происходит вследствие диффузии дубителя непосредственно в слой. 29 1.2.Требуемый и существующий ассортимент высокоразрешающих фотоматериалов для голографии. В настоящее время наиболее полный ассортимент высокоразрешающих фотоматериалов для голографии выпускается фирмой «Агфа—Геверт». Он включает в себя три типа фотоматериалов для голографирования с рубиновым, гелий-неоновым и аргоновым лазерами с наличием для каждого типа трех уровней энергетической светочувствительности и разрешающей способности, равных, по данным фирмы, соответственно (H D = 0.5) = 3; 50 и 200 эрг/см2 и R=1000; 2800 и 3000 лин./мм. Широкое применение, особенно в изобразительной голографии, находят отечественные материалы фирмы «ОАО Компания Славич» (г. Переславль-Залесский, Россия ) : ПФГ - 03, ПФГ- 03М, а также ЛОИ-1 и ЛОИ-2, ПЭ -1- 633 и др. В таблице 1.2 приведена сравнительная характеристика некоторых высокоразрешающих материалов для голографии. Таблица 1.2. Сравнительные фотографические характеристики голографических материалов Наименование SD + 0.85 D0 dср., R макс., опт., фотоматериала мкм лин/мм нм Микрат ВР 2000 4.310-2 610,680 3.6 0.22 0.070 -2 ВР-Э 1.210 490,600 5.5 0.05 0.050 3000 ВР-Л 5.0 0.08 0.050 3000 1.510-2 630 -2 Кодак HR 5.5 0.04 0.040 3000 1.510 560 Агфа - Геверт 1.310-2 520 5.0 0.06 0.050 3000 8Е56 h, мкм 11 10 10 6 9 1.3.Обработка высокоразрешающих материалов для голографии. В соответствии с существующими понятиями о различных процессах обработки кинофотоматериалов, обработка высокоразрешающих фотоматериалов для голографии и готовых голограмм может быть подразделена на три вида: 1) предварительная обработка (до голографирования), 2) обычная (нормальная) и специфическая обработка, 3) обработка готовых голограмм. Предварительная обработка В связи с небольшой светочувствительностью высокоразрешающих фотоматериалов для голографии, на практике (в особенности при голографи29 ровании во встречных пучках) применяется их гиперсенсибилизация перед голографированием обычно в растворах триэтаноламина (ТЭА). Известно, что на светочувствительность эмульсии сильно влияет повышение концентрации в ней ионов брома : чем она выше, тем эмульсия менее чувствительна. Но так как изготовить фотоматериал без избытка ионов брома практически невозможно (иначе материал будет нестабилен во времени), то применяется процесс гиперсенсибилизации, суть которого заключается в удалении избытка брома из слоя перед употреблением фотоматериала. Гиперсенсибилизацию можно проводить разными способами : промывание водой; выдерживание в растворе, содержащем ионы серебра в небольшой концентрации; выдерживание в растворе аммиака или триэтаноламина. Действие триэтаноламина (действие раствора аммиака – аналогично) основано на комплексном связывании его с серебром. Желатин в слое можно рассматривать как полупроницаемую перегородку, пропускающую все ионы, образующиеся при диссоциации бромистого серебра и триэтаноламина, но при этом желатин может адсорбировать гидроксильный ион. В итоге внутри слоя образуется недиффундирующий заряженный отрицательный комплекс из желатина, адсорбировавшего гидроксильный ион, а во внешнем растворе – только свободные диссоциированные ионы. Это приводит к тому, что вследствие постоянной диффузии ионов из раствора в слой и обратно концентрация гидроксильных ионов вне желатина больше, чем внутри, а вследствие этого - концентрация аминокомплекса серебра больше внутри желатинового слоя, чем снаружи, и, следовательно, концентрация брома снаружи больше, чем внутри (рис. 2). При высушивании слоя аминокомплекс серебра распадается и в нём возникает довольно значительный избыток ионов серебра. Это увеличивает светочувствительность слоя, так как ионы серебра принимают участие в построении центров скрытого изображения. Светочувствительность фотоматериала при такой гиперсенсибилизации возрастает в 7 – 10 раз. раствор N ( C2 H4 OH )3 : + ( ОН) - + (ОН) - + (ОН) - N ( C2 H4 )3 3+ Образуется недиффундирующий комплекс серебра Эмульсия (AgBr в желатине): Аg + + Образуется недиффундирующий комплекс с желатиной Br 29 Рис. 1.2. Схема механизма гиперсенсибилизации галогенсеребряной эмульсии раствором триэтаноламина Такой способ предварительной обработки можно использовать с целью улучшения качества применяемых в голографии фотоматериалов. Например, фотопластинки Микрат -ВР, которые применяются только для записи голограмм в попутных пучках из-за относительно большого размера эмульсионного зерна, после обработки в растворе ТЭА могут применяться и для записи голограмм во встречных пучках. Повышение светочувствительности при гиперсенсибилизации в ТЭА разных высокоразрешающих фотоматериалов является различным. Для «прозрачных» фотоматериалов ПЭ-1-633 она увеличивается примерно на один порядок, для фотопластинок Микрат-ВР - в 3-10 раз, для других материалов - ещё меньше. Кроме ТЭА, для гиперсенсибилизации используются и растворы других веществ: раствор аммиака с хлористым серебром, просто раствор аммиака, 0.5%-ный раствор сульфита натрия, 0.5%-ный раствор азотнокислого серебра, 0.5%-ный (водный или спиртовой) раствор уксусной кислоты. Кроме того, известны и другие способы предварительной обработки фотоматериала с целью повышения светочувствительности: применение различных условий засветки фотоматериала до и после его экспонирования (латенсификации), предварительный прогрев фотоматериала и др. К предварительной обработке высокоразрешающих фотоматериалов относится также их выдерживание в атмосфере с нормальными температурой и влажностью, чтобы привести эмульсионный слой фотоматериала в нормальное состояние. Это проводится для того, чтобы регистрируемая тонкая интерференционная структура скрытого голографического изображения по возможности меньше искажалась после проявления видимого изображения. Обычная и специфическая обработка Так как не все голографические материалы являются сильно задубленными, то перед проявлением их бывает полезно предварительно задубливать, для чего можно использовать дубящие растворы, применяемые в обычной фотографии. Задубливание эмульсионного слоя положительно отражается на уменьшении его усадки после обработки. Для улучшения равномерности проявления изображения в голографии, как и в обычной фотографии, его следует проводить с предварительным размачиванием экспонированного фотоматериала в воде. В этом отношении целесообразно применять либо методы двухрастворного проявления (вначале - в растворе проявляющих веществ, затем - в готовом растворе проявителя), либо медленноработающие разбавленные проявители выравнивающего типа, способствующие образованию местных эффектов проявления (бордюра и др.), что должно привести к повышению контраста интерференционных полос. Возможно применение процесса одновременного проявления и фиксирования голо29 грамм. При голографировании в сходящихся пучках высокоразрешающие отечественные и зарубежные фотоматериалы для голографии обычно проявляются в контрастно работающих проявителях УП-2, Д-19, ОРВО-71 или в негативных выравнивающих (мелкозернистых) проявителях (Метинол-У). Имеющийся в некоторых фотоматериалах противоореольный слой обесцвечивается в процессе их обработки. В некоторых случаях после фиксирования и промывки рекомендуется применять непродолжительную обработку проявленного материала в слабом растворе железосинеродистого калия с тиосульфатом натрия или кислом растворе двухромовокислого калия (K2Cr2O7), что улучшает резкость края. Рецептура проявителей представлена в таблице 1.3. Таблица 1.3 Рецептура проявителей Компоненты Метол, г Гидрохинон, г Сульфит натрия б/в, г Сода б/в, г Поташ, г Бромистый калий, г Вода, л УП-2 5 6 40 31 4 до 1 Д-19 2.2 8.8 100 47 5 до 1 ОРВО-71 5 6 40 40 3 до 1 Метинол-У 1.5 6 25 7.75 4 до 1 Увеличение продолжительности проявления высокоразрешающих фотоматериалов позволяет значительно повышать их светочувствительность. При этом надо иметь в виду, что оптимальное качество голограмм и максимальный уровень ДЭ достигаются при некоторых оптимальных условиях проявления при значительно (в несколько раз) увеличенной продолжительности проявления (в некоторых случаях - до 1 часа ). После проявления, промежуточной промывки (в некоторых случаях применяется кислая или кислая дубящая стоп-ванна: 2%-ный раствор уксусной кислоты), затем - фиксирования в свежих кислых, быстроработающих или дубящих фиксажах и, наконец, промывки заканчивается обычная мокрая обработка высокоразрешающих фотоматериалов для голографии. В практике голографии она обычно дополняется различной специфической обработкой, целью которой является уменьшение усадки эмульсионного слоя после обработки, улучшение равномерности его обработки и сушки, что имеет особенно большое значение при записи голограмм во встречных пучках. Влияние усадки эмульсионного слоя после обработки и равномерности его сушки на качество восстанавливаемого изображения особенно сильно 29 сказывается при получении голограмм во встречных пучках. В данном случае обычная усадка эмульсионного слоя вызывает смещение цвета изображения из красного в зеленый, что недопустимо не только при цветном голографировании, но и при обычном голографировании во встречных пучках. Для улучшения сохраняемости голограмм возможно исключение операции фиксирования фотоматериалов и дополнительная обработка слоя в растворе пластифицирующих и гигроскопических веществ (триэтаноламина, глицерина, сорбита и др.), а для улучшения сушки голограмм - обработка в растворах с постоянно повышающейся концентрацией этилового спирта или в изопропиловом спирте и растворах смачивателей. Эти операции могут проводиться как при обычной обработке голограмм, так и с готовыми голограммами, при этом может повышаться их ДЭ. Обработка готовых голограмм Рассмотренные выше методы получения фазовых (отбеленных) и отражательных голограмм, а также обработка в растворах пластифицирующих гигроскопических и поверхностно-активных веществ, в спирте и др. применяются и к готовым голограммам для улучшения их качества и эксплуатационных характеристик. Например, применяются бензоловые ванны для устранения вредного влияния поверхностного отражающего слоя; наносятся тонкие прозрачные лаковые покрытия для стабилизации эмульсионного слоя при хранении голограмм; используется люминесцентное вирирование готовых голограмм для получения стабильного к действию света изображения из салицилата серебра; а также различные процессы усиления, ослабления и тонирования . 1.4.Оценка качества высокоразрешающих фотоматериалов для голографии В настоящее время существует несколько различных методик оценки качества высокоразрешающих фотоматериалов для голографии; в общем виде они могут характеризоваться данными, приведенными в таблице 1.4. Кроме оценки качества непосредственно фотоматериалов для голографии большую важность и практическую значимость имеет контроль процесса обработки высокоразрешающих фотоматериалов для голографии: стабильность получаемых результатов, однородность и оптимальное качество голографического изображения (особенно в условиях его массового получения) просто невозможны без осуществления требуемых регламентами сенситометрических, химических, физико-химических, голографических и других методов контроля обрабатывающих растворов, режимов обработки и всего процесса в целом. 29 Таблица 1.4 Методики оценки качества фотоматериалов для голографии Методики Общесенситометрические Спектросенситометрические Резольвометрические Электронномикроскопические и микроскопические Физико-химические и Физико-механические Голографические Проводимые определения Светочувствительность Коэффициент контрастности Максимальная плотность Уровень вуали и др. Кривая распределения спектральной светочувствительности Разрешающая способность Частотно-контрастная характеристика Размеры эмульсионных зёрен и кривая их распределения, Структура и размеры проявленных зёрен, Структура голографического изображения Содержание в эмульсионном слое серебра и желатина Его толщина и разнотолщинность Задубленность и прочность слоя при обработке Прозрачность и мутность слоя и др. Кривая амплитудного пропускания, ДЭ Шумы и отношение сигнал/шум Усадка эмульсионного слоя Ориентационная чувствительность, практическое испытание и др. §2. Несеребреные светочувствительные материалы для голографии и оптической обработки информации Серьезные ограничения практического осуществления ряда голографических и неголографических систем оптической обработки информации и некоторых других приложений голографии связаны с отсутствием подходящих регистрирующих сред. Поэтому, наряду с задачами создания и совершенствования галогенидосеребряных материалов, необходима разработка новых несеребряных и необычных сред, которые могут различаться по своей химической и физической природе. Регистрирующая среда, пригодная для голографии, должна удовлетворять ряду требований: обеспечивать тождество между объектом и его 29 восстановленным изображением с точки зрения как регистрации, так и восстановления; иметь максимальный коэффициент полезного действия (минимальные энергетические затраты) при записи и восстановлении изображения; обладать эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими применение материалов в конкретных голографических устройствах. В связи с успешным применением в голографии высокоразрешающих галогенидосеребряных фотографических материалов изыскание новых регистрирующих сред направлено в первую очередь на получение материалов с высокой ДЭ и многократностью использования, к тому же обладающих способностью регистрировать и обрабатывать информацию в реальном масштабе времени. То есть для тех областей применения, где галогенидосеребряные материалы малопригодны или вообще неприменимы. Исходя из возможностей применения, все среды условно делятся на 2 группы: обратимые и необратимые, т.е. на материалы с обратимым и необратимым получением голограмм. Первая группа материалов позволяет решать задачи, которые неразрешимы в случае применения галогенидосеребряных материалов (например, оперативные запоминающие устройства, адаптивные системы классификации изображений и т.д.). Вторая группа может рассматриваться как потенциально способная заменить галогенидосеребряные материалы в тех областях, где потребность в них очень велика и, следовательно, их применение экономически нецелесообразно (например, копирование голограмм), а также там, где недостаточна их разрешающая способность и требуется регистрация информации в реальном масштабе времени (например, пространственно-частотный анализ электрических сигналов в оптическом диапазоне). К необратимым регистрирующим средам относятся : фотополимеризационные слои (характеризуются достаточно высокой светочувствительностью и большой дифракционной эффективностью 98%); негативные и позитивные фоторезисты, позволяющие получать тонкие рельефные фазовые голограммы с дифракционной эффективностью до 30%, высоким разрешением и устойчивостью к внешним воздействиям свету, влажности и температуре; слои хромированного желатина, которые обладают высокой светочувствительностью, не зависящей от длины волны записывающего излучения; различные диазотипные материалы; полупроводниковые слои; системы полупроводник-металл; металлические плёнки. Хромированный желатин при экспонировании избирательно задубливается; в результате этого получается слой, состоящий из локальных областей с различной степенью набухания и растворимостью в воде. При обра29 ботке такого слоя тёплой водой на поверхности образуется рельефнофазовая голограмма, обладающая высокими значениями дифракционной эффективности и отношения сигнал / шум. Фоторезисты представляют собой светочувствительные полимерные композиции, в которых, подобно хромированному желатину, под действием света изменяется растворимость в результате химических изменений. В зависимости от того, является ли обрабатываемый фоторезист негативным или позитивным, проявитель с соответствующим растворителем способствует растворению либо освещённого, либо неосвещённого участка. Наличие поверхностного рельефа даёт возможность использовать фоторезисты в качестве печатающих матриц для размножения голограмм ( копирование методом штампования ). Основными характеристиками фоторезистов, используемых в микроэлектронике, радиопромышленности, полиграфии и т.д. являются : светочувствительность, разрешающая способность, контрастность - с одной стороны, и стойкость в условиях обработки подложки (травление, осаждение плёнок, специальная «элионная» обработка), однородность и бездефектность плёнки фоторезиста, нанесённой на обрабатываемую поверхность с другой. Диазотипные материалы основаны на чувствительности различных диазосоединений. Малая чувствительность обуславливает применение этих материалов только для копирования голограмм. Экспонированный материал подвергается сухой обработке . Фотополимеризационные слои - это регистрирующие среды для записи фазовых голограмм. Дифракция света в этих материалах обусловлена деформацией поверхности при низких пространственных частотах (образование поверхностного рельефа) или изменением показателя преломления при высоких пространственных частотах. Максимальную светочувствительность такие материалы имеют в красной области спектра. Главное их преимущество заключается в сухой и быстрой обработке. Фотографическая чувствительность фотополимеров больше чувствительности фоторезистов и фотохромных материалов, но меньше чувствительности галогенидосеребряных эмульсий. К фотополимерам (фотополимеризационным материалам) относятся материалы, полученные из двух или более компонентов и состоящие из двух или более фаз, то есть они являются гетерогенными системами и могут быть разделены на три класса: 1) композиции, состоящие из непрерывной фазы - матрицы и дисперсной фазы, представляющей собой дискретные частицы (матричные дисперсии); 2) композиции с волокнистыми наполнителями; 3) композиции, имеющие скелетную или взаимопроникающую структуру двух или более непрерывных фаз. Полупроводниковые материалы - в основном это материалы, состоящие из двух слоёв: слоя светочувствительного йодистого свинца на слое алюминия. Они способны восстанавливать голограммы в процессе их запи29 си и могут использоваться в разных условиях голографирования. Некоторые параметры перечисленных выше необратимых регистрирующих сред представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 Голографические характеристики необратимых регистрирующих сред Тип материала 1 Фотополимеризационные слои Фоторезисты з ,*) в ,*) S з , 2 мкм мкм Дж/см 2 3 4 , % 5 R, лин/мм 6 0.694 0.458 0.633 0.458 10 -3 0.15 45 30 2 5 Слои хромированной же- 0.488 латины Диазотипные материалы: позитивные негативные везикулярные Системы полупроводникметалл 0.488 Металлические плёнки 0.694 0.633 (2-50)х 10 -3 3390 4 - 0.5 3.0 0.5 - 5 - 1000 600 1000 0.633 0.633 0.2 0.05-1.0 6.0 1000 1000 з , в – длины волн записывающего и восстанавливающего излучения, соответственно. *) К числу обратимых регистрирующих сред в первую очередь относятся фотохромные материалы ( ФХМ ). Обратимое применение поглощения света или цвета регистрирующей средой после экспонирования, происходящее под действием тепла или длинноволновых излучений, называется фотохромизмом, а регистрирующие среды, в которых наблюдается явление фотохромизма, - фотохромными материалами. Органические ФХМ характеризуются различной областью спектральной чувствительности, но примерно одинаковой величиной общей светочувствительности к одному и тому же излучению вне зависимости от природы фотохромизма (спиропираны, салицилиденанилины, тиоиндигоидные или криптоцианиновые красители и др.), различным временем хранения записанной информации и высокой разрешающей способностью. Неорганические ФХМ имеют свойства, близкие к свойствам органических ФХМ, но, в отличие от них, не позволяют получать слои микронной толщины для поточечной записи информации из-за недостаточной концентрации светочувствительных центров. Некоторые параметры органических и неорганиче29 ских ФХМ представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 Голографические характеристики фотохромных материалов (ФХМ ) различного природного происхождения ФХМ 1 Органические ФХМ на основе : Спиропиранов R, з , в , S з , , 2 лин/мм мкм мкм Дж/см % 2 3 4 5 6 хр 7 0.337 0.633 0.1 10 5000 2-салицилиденанилина 0.458 0.458 0.2 0.14 3300 Тиоиндигоидных красителей 0.633 0.633 0.2 0.2 3300 Недели 0.694 0.488 108 0.633 (вт/см2) 0.633 0.2 0.2 0.2 400 2000 10-8 с 0.1 с 0.633 0.633 0.633 0.633 0.633 0.633 1.0 1.0 1.0 2000 2000 3000 Часы Сутки Недели 10 -3 с Криптоцианиновых красителей Флуоресцеина Неорганические ФХМ AgHal стёкла Кристаллы KBr Кристаллы CaF2 / Ce 1.0 2.0 0.2 Минуты 30 час. Кристаллы 0.633 0.633 0.1 10 1000 SrTiO3 / Fe + Co Сравнивая свойства различных ФХМ, следует отметить простоту изготовления органических ФХМ и практически неограниченную цикличность перезаписи информации на большинстве неорганических ФХМ. По своим шумовым и частотно-контрастным характеристикам ФХМ являются идеальными регистрирующими средами для голографии: на них можно записывать информацию с плотностью, близкой к дифракционному пределу. Отсутствие химической обработки для получения голограмм и возможность многократного использования делают их удобными для применения в устройствах обработки информации, работающих в реальном масштабе времени. Недостатком ФХМ является их низкая светочувствительность (10-4 Дж/см 2) Вторым важным, с точки зрения голографии, типом обратимых реги29 стрирующих сред являются электрооптические кристаллы (ЭОК). Практически, ЭОК - единственные из обратимых материалов, обладающие большой скоростью перезаписи информации и высокой дифракционной эффективностью ( до 100 % ). К достоинствам ЭОК можно также отнести высокую разрешающую способность, незначительное светорассеяние, неограниченную цикличность и обратимость процессов записи информации, отсутствие процессов проявления. К недостаткам ЭОК относят малую светочувствительность и низкую термостойкость получаемого изображения. Некоторые параметры электрооптических кристаллов представлены в таблице 2.3. Таблица 2.3 Основные параметры электрооптические кристаллов Электрооптические кристаллы LiNbO3 LiNbO3 ( -облучённый ) з , в , S з , , 2 мкм мкм Дж/см % 0.488 0.488 500 42 0.488 0.488 300 15 BaTiO3 LiNbO3 / Fe 0.488 0.488 0.488 0.488 0.24 1.0 8 40 R, хр лин/мм 1500 Недели 1500 Месяцы 0.3 с 1500 1500 Недели Кроме вышеперечисленных, существует много других обратимых регистрирующих сред для голографии: термопластики и фототермопластики, магнитные плёнки, жидкие кристаллы, поглощающие жидкости и др. Фототермопластические (полупроводниковые) материалы (ФТП - материалы) представляют собой сложную физическую систему, состоящую из трех слоёв: самого термопластика, фотопроводника и прозрачного проводника. Перед экспонированием ФТП - материалы очувствляют путём заряда поверхностного слоя коронным разрядом. При экспонировании образуется скрытое изображение, представляющее собой потенциальный рельеф на поверхности полупроводника. Проявление скрытого изображения происходит под действием тепла с образованием рельефно-фазовой голограммы. При сильном нагреве полученный рельеф стирается, и материал можно использовать повторно. Наиболее важное преимущество термопластиков и фототермопластиков перед другими регистрирующими средами обратимого типа - высокая светочувствительность, приближающаяся к чувствительности галогенидосеребряных материалов. А наиболее важный недостаток - ограниченное время записи информации и невозможность осуществления контроля качества голограмм в процессе их регистрации из-за необходимости нагревания термопластического слоя. Подобный механизм записи голографического изображения применяется и в таких регистрирующих средах как фотопластики. Они также ис29 пользуются для получения фазовых голограмм. Эти материалы имеют многослойную структуру с подложкой из стекла или плёнки Кронар ( лента из полиэтилентерефталата или лавсана ) ; нижняя их сторона покрывается проводящим слоем осаждённых окислов олова или индия, напылённого золота или серебра. На подложку осаждается фотопроводник, например поливинилкарбазол, очувствлённый тринитро-9-флюореном, а в качестве верхнего слоя наносится термопластик. Метод записи на фотопластинках состоит из ряда операций : сначала создаётся однородный электростатический заряд на поверхности термопластика под действием коронного разряда ; этот заряд распределяется между фотопроводящим и термопластическим слоями пропорционально ёмкостям, которые они образуют ; при последующем экспонировании освещённые участки фотопроводника оказываются проводящими, что приводит к изменению напряжения на поверхности слоя в соответствии с изображением. Однако заряд термопластика при экспонировании не меняется; увеличение поверхностного заряда на светлых участках изображения осуществляется перезарядкой поверхности термопластика в однородном электростатическом поле. После этого фотопластик нагревается до температуры размягчения термопластического слоя, что позволяет электростатическим силам деформировать поверхность термопластика, до тех пор, пока эти силы не уравновесятся силами поверхностного натяжения. Образующийся рельеф поверхности закрепляется охлаждением материала, приобретая вид морозного рисунка. Повторный нагрев термопластика до более высокой температуры возвращает фотопластическую плёнку в исходное состояние. Таким образом, на фотопластике можно проводить многократные циклы запись - стирание. Магнитные плёнки обладают большой информационной ёмкостью, высокой скоростью записи и выборки данных, но имеют достаточно низкую дифракционную эффективность. Для регистрации голограмм используют мелкозернистые высокоразрешающие магнитные плёнки двух типов : на основе никеля-железа и на основе марганца-висмута . Жидкие кристаллы обладают низкой разрешающей способностью и значительным светорассеянием - они применяются в основном для получения акустических и микроволновых голограмм, а также в системах вводавывода информации. Запись голограмм в таких средах осуществляется за счёт тепловых эффектов . Растворы криптоцианиновых красителей используются в нестационарной голографии, запись в таких средах также осуществляется за счёт тепловых эффектов. Их параметры представлены в таблице 2.4. Таблица 2.4. Основные параметры некоторых обратимых сред для голографии. Тип материала з , в , S з , мкм мкм дж/см2 R, , лин/м % хр 29 м 6 1 2 3 4 5 Фототермопластические системы с эластомером и 0.633 0.633 10 -4 проводящей жидкостью Фототермопластические системы с поливинилкар- 0.633 0.633 10 -3-10 -5 7-34 базолом Магнитные плёнки 0.694 0.694 3 0.01 Поглощающие жидкости с криптоцианиновыми красителями Жидкокристаллические системы 7 Любое Любое Любое 0.694 0.488 0.15 4.0 - 110 -6 сек 0.488 0.488 10 -6 21.0 40 Любое §3. Аппаратура для записи голографического изображения Выбор элементов голографической системы в первую очередь определяется задачей эксперимента. Голографическая система состоит из лазера; затворов для управления длительностью экспонирования; изолированного стола, обеспечивающего механическую стабильность элементов голографической системы; зеркал; светоделителей; пространственных фильтров; линз и непосредственно регистрирующей среды, на которой получают голографическое изображение. 3.1. Лазеры В научной и прикладной голографии применяются в настоящее время два типа лазеров - твердотельные и газовые. 3.1.1. Твердотельные лазеры Твердотельные лазеры, используемые в голографии, характеризуются высокой степенью пространственной и временной когерентности. Особенно полезной для некоторых целей голографии является способность твердотельного лазера излучать два импульса с коротким промежутком между ними. Высокая степень пространственной когерентности таких лазеров позволяет получить большие голограммы с высоким разрешением, а временная когерентность твердотельного лазера определяет глубину объекта или сцены, которую может обеспечить голограмма. Способность к фор29 мированию двойного импульса существенна также при проведении неразрушающего контроля, анализе напряжения и распространения удара, изучении вибраций и визуализации полёта снаряда в воздухе. Основными элементами твердотельного лазера с оптической накачкой являются цилиндрический лазерный стержень, спиральная или линейная лампа-вспышка, отражатель, обеспечивающий хорошую оптическую связь между лампой-вспышкой и лазерным стержнем, и оптический резонатор, содержащий зеркала с полным и частичным отражением. Внутри резонатора помещаются дополнительные элементы, такие, как модулятор добротности, эталон или диафрагма, для того чтобы управлять временными, спектральными или пространственными выходными характеристиками генератора. Вспомогательное оборудование лазера включает источник питания высокого напряжения, конденсатор для накопления энергии, блок управления лампой-вспышкой и систему водяного охлаждения. В твердотельных лазерах активные атомы лазерной среды внедряются в твердое тело, такое, как кристалл или стекло. Процесс оптической накачки заключается в том, что под действием света, генерируемого лампойвспышкой и поглощаемого активной средой, атомы активной среды переходят со своего основного уровня на возбужденные уровни. При достаточно высокой интенсивности света накачки в лазерной среде достигается инверсия населённостей электронов, которая приводит к накоплению энергии на верхнем лазерном уровне. Оптический резонатор, включающий в себя два противостоящих зеркала, выполняет функцию элемента обратной связи. Если усиление в активной среде превышает общие оптические потери в резонаторе, то происходит излучение лазерного света из генератора. Длительность светового импульса от импульсной лампы обычно составляет 0,5—1 мс. Рубиновый лазер Рубин остается, несомненно, наиболее широко используемым материалом для твердотельных лазеров, применяемых в голографии, главным образом из-за большой энергии выходного излучения и его длины волны. Стержень рубинового лазера изготавливается из искусственного сапфира Al2O3 , в который вводится примесь Сr2O3 в количестве 0,05 вес.%. Замена небольшого количества ионов А13+ на ионы Сr3+ приводит к окрашиванию вещества в ярко-розовый цвет. Действие лазера является результатом возбуждения ионов светом накачки. Рубиновый лазер излучает свет с длиной волны 0,6943 мкм. Nd : YAG - лазер Алюмоиттриевый гранат с примесью неодима ( Nd : YAG ) обладает сочетанием свойств, исключительно благоприятных для работы лазера. В частности, кубическая структура кристалла YAG особенно способствует суже29 нию ширины линии флуоресценции, что приводит к высокому коэффициенту усиления и низкому порогу срабатывания лазера. Излучение лазера происходит на переходе с длиной волны 1,064 мкм. С точки зрения применения в голографии, преимущества Nd : YAG - лазеры сравнимы с рубиновыми, а именно - более эффективное действие и способность к высокой скорости повторения импульсов излучения сводятся на нет двумя главными недостатками: в режиме модулированной добротности Nd : YAG - лазер не способен генерировать такую большую энергию, как рубиновый лазер, и выходное излучение лазера является инфракрасным. Для того, чтобы можно было применять Nd : YAG - лазер в голографии, длину волны его излучения следует уменьшить до 0,530 мкм с помощью генератора гармоник, помещаемого на выходе. В Nd : YAG - лазере удвоения частоты излучения можно достичь, используя температуроуправляемый кристалл арсенатодейтериевого цезия (СD*А) или некоторые другие нелинейные кристаллы. Обычно КПД такого преобразования составляет от 20 до 40 %. Максимальная выходная энергия излучения Nd : YAG - лазера на наибольшей удвоенной частоте почти на два порядка ниже энергии излучения больших рубиновых лазеров, сравнимых по спектральным и пространственным параметрам излучения. С другой стороны, в рубиновом лазере максимальная скорость повторения импульсов ограничена величиной 1 импульс/с, тогда как Nd : YAG – лазер обеспечивает скорость повторения 50 импульс/с. Однако более низкие выходные характеристики Nd : YAG – лазера в сочетании с тем, что он требует дополнительного генератора гармоник, делают Nd : YAG – лазер плохим конкурентом рубинового лазера в области голографии. 3.1.2. Газовые лазеры Газовые лазеры – наиболее простые и широко используемые источники света для формирования голограмм и восстановления их изображения. Свойства газовых лазеров, связанные с голографией, за исключением длины волны излучения, как правило, определяются не лазерной средой, а объёмом резонатора. С точки зрения голографии, наиболее важным свойством газовых лазеров является когерентность лазерного излучения. По сравнению с остальными типами лазеров, газовые лазеры обеспечивают наилучшие характеристики когерентности. Для голографии также представляют интерес такие характеристики газовых лазеров, как диапазон длин волн генерации и выходная мощность излучения лазера. Наиболее распространены следующие газовые лазеры: гелий-неоновый лазер, ионный аргоновый лазер, ионный криптоновый лазер, а также гелий–кадмиевый лазер (который, однако, используется крайне редко). Сравнение параметров некоторых газовых лазеров приведено в таблице 3.1. 29 Таблица 3.1 Сравнение параметров газовых лазеров Параметры Длина волны излучения, нм Мощность выходного излучения, мВт Длина лазерной головки, см Потребляемая мощность, Вт Оптические шумы, % Стабильность амплитуды излучения, % Стабильность расходимости пучка, мкрад / ºС Срок службы трубки, час Охлаждение Приблизительная стоимость, $ He-Ne–лазер 632.8 50 Ar - лазер 514.5 100 Kr – лазер 647.1 50 200 450 1 5 70 2700 1 2 70 2700 1 2 10 15 15 6000 Воздух 8 000 5000 Вода 10 000 5000 Вода 10 000 3.2. Затворы Для управления длительностью экспонирования пригодны как ручные, так и электронные затворы. Если должным образом следить за плотностью получаемой голограммы, то затворы необходимо применять совместно с измерителем интенсивности света. После того как голографическая установка создана, для повторного получения голограмм вполне достаточно простого отсчета времени экспонирования ручным затвором. Электронные затворы дороже, но они дают существенно большие возможности для управления экспозициями. Они могут измерять интенсивности пучков и позволяют управлять экспозицией автоматически, путем интегрирования значений энергии во время экспонирования. 3.3. Изолированный стол В голографии предъявляются высокие требования к механической стабильности элементов голографической системы и всей системы в целом во время экспонирования. Это очевидно из того факта, что голограмма представляет собой записанную на материал интерференционную картину. Если во время экспонирования относительная фаза между объектным и опорным пучками изменится на величину , то интерференционные линии перекроются и интерференционная картина разрушится. 29 Существует большое разнообразие конструкций изолированных столов — от столов в виде ящика с песком до гранитных столов на пневматической изоляции. Различают два класса вибраций: высокочастотные, которые поглощаются «мертвыми» материалами, такими, как дерево, песок и т. п., и низкочастотные вибрации, поглощаемые изоляцией стола от окружающей обстановки. Для изоляции применяют пористый упаковочный материал, пневматические цилиндры и внутренние трубы. Для получения обычных голограмм типа дисплеев вполне достаточно более дешевых столов в виде ящика с песком. Высококачественная голография требует применения специальных поверхностей на пневматических подставках. Чтобы проверить устойчивость любой поверхности, на нее устанавливают простой интерферометр и наблюдают интерференционные линии при различных амплитудах и периодах движения. 3.4. Зеркала Требования к зеркалам очень просты. Отражающая поверхность зеркала всегда должна быть фронтальной (передней), незагрязненной и хорошего качества, так чтобы в волновой фронт не вводить дополнительных дифракционных картин. Необходимость регулировки положения каждой зеркальной поверхности определяется требованиями конкретного эксперимента. 3.5. Светоделители Светоделителем может быть либо поверхность стекла, либо устройство, обладающее изменяющейся в широком диапазоне плотностью. Изменением угла наклона стеклянной пластинки можно в небольших пределах управлять проходящей и отраженной составляющими пучка. Если плоское стекло обеспечивает вполне удовлетворительное управление интенсивностями пучков, то нет необходимости применять более дорогие типы светоделителей. Но если требуется более точная регулировка интенсивности, то для этого случая подойдут выпускаемые промышленностью светоделители с полупрозрачным вращающимся зеркалом, у которого коэффициенты пропускания и отражения изменяются по окружности. Их можно автоматизировать, используя привод типа «кабестан» или шаговый двигатель. Хорошее качество пучка дают двулучепреломляющие кристаллы, перед которыми помещают вращаемые полуволновые пластинки, однако при этом нужно тщательно следить за ориентацией поляризации. Другой полезной разновидностью светоделителя являются фотополимерные дифракционные решетки, которые изготавливают голографическим способом. 3.6. Пространственный фильтр 29 Хотя голограммы можно изготовить без применения пространственной фильтрации, их качество будет недостаточно хорошим. Пространственный фильтр необходим и для формирования восстановленного изображения хорошего качества и обязателен при получении количественных характеристик в голографии. Пространственный фильтр состоит из положительной линзы (обычно это объектив микроскопа) и точечной диафрагмы, расположенной в фокальной точке линзы. Через это точечное отверстие пройдет только та часть световой волны, которая распространяется параллельно оптической оси. Всякий свет, идущий непараллельно-оптической оси (обусловленный рассеянием на пыли, поперечными модами лазерного излучения и т. п.), будет блокироваться и не пройдет через точечную диафрагму. 3.7. Линзы Первоначально линзы использовались для расширения лазерного пучка. Следовательно, главное требование в этом случае заключается в том, чтобы как положительные, так и отрицательные линзы имели по возможности малое фокусное расстояние для достижения заданного расширения пучка на кратчайшем расстоянии. Иногда расширение объектного пучка можно получить за счет рассеивателя. §4. Методы записи голографического изображения В зависимости от выбранного метода голографирования могут быть получены амплитудные фазовые голограммы, в которых восстанавливаемое изображение рассматривается на просвет (пропускающие голограммы), и амплитудные фазовые голограммы, в которых изображение рассматривается при отражении от них света (отражательные голограммы). Можно также получать фазовые пропускающие и фазовые отражательные голограммы, в которых происходит пространственная модуляция фазы регистрируемых стоячих волн за счёт применения коэффициента преломления регистрирующей среды или отражения света от рельефных отражательных голограмм. А также возможно получение голограмм с «крестообразными» дифракционными решётками, в которых изображение можно рассматривать и на отражение, и на просвет. В настоящее время существует и описано большое число разнообразных способов голографирования. Вместе с тем все они базируются на основных схемах получения пропускающих и отражательных голограмм, первоначально разработанных и описанных Габором, Литтом, Упатниексом и Денисюком. 4.1. Голографирование прозрачных (фазовых) объектов по Габору 29 Голографирование прозрачных (фазовых) объектов по способу Габора предполагает двухступенчатый процесс формирования изображения. Первая ступень – это фотографическая запись интерференционной картины, образованной объектной волной в зоне дифракции Френеля и опорной волной (рис. 4.1). лазер линза фотопластинка объект Рис. 4.1. Запись изображения Вторая ступень – восстановление записанного на голограмме изображения объекта путём освещения голограммы репликой опорной волны (рис. 4.2). Восстановленное таким образом изображение обладает трёхмерными свойствами исходного объекта, а его качество зависит от угла между опорной волной и волной, продифрагировавшей на объекте. действительное изображение лазер линза мнимое изображение голограмма Рис. 4.2. Восстановление изображения Недостатком данного способа голографирования является то, что при восстановлении полученных голограмм (рис.4.2) образующиеся мнимое и действительное изображения вместе с лучами нулевого порядка находятся на одной оси– получаются так называемые «осевые голограммы». Это вызывает взаимные помехи, обуславливающие недостаточное качество восстанавливаемых изображений. Именно этот недостаток привёл к тому, что приведённая схема голографирования не получила широкого распространения. 29 4.2. Способ голографирования во встречных пучках по Денисюку Голографирование объектов по способу Денисюка так же, как и по способу Габора, предполагает двухступенчатый процесс формирования изображения. Первая ступень – это фотографическая запись интерференционной картины (рис 4.3), но, в отличие от способа записи Габора, интерференционная картина образована опорной волной и волновым полем, создаваемым отраженными от объекта лучами. То есть предполагается, что проводится голографирование диффузно отражающего объекта. объект лазер линза фотопластинка Рис. 4.3. Запись изображения Вторая ступень – восстановление записанного на голограмме изображения объекта путём освещения голограммы репликой опорной волны (рис.4.4). Денисюк использует при восстановлении изображения внеосевую опорную волну, представляющую собой несущую волну, модулированную информацией об объекте. мнимое изображение действительное изображение голограмма линза 2 линза 1 лазер 29 Рис. 4.4. Восстановление изображения Эти голограммы также создают при восстановлении два сопряжённых изображения (действительное и мнимое) и фоновый шум; однако два восстановленных изображения, каждое из которых может быть сфокусировано в своей плоскости, оказываются пространственно разделёнными. Благодаря этому получаются восстановленные изображения хорошего качества, без взаимных помех действительного и мнимого изображений при их восстановлении. Приведённая схема может видоизменяться с различным разделением исходного лазерного света, идущего на освещение объекта и используемого в качестве опорного луча. Для достижения оптимальных результатов важное значение имеет необходимый подбор соотношений интенсивности света в опорном и объектном лучах для конкретных условий голографирования. Голографирование в сходящихся пучках в различных видоизменениях получило широкое развитие и распространение. Получаемые голограммы могут восстанавливаться не только лазерным светом, но и светом ртутной лампы с соответствующим фильтром. ЛИТЕРАТУРА. 1. Регистрирующие среды для голографии/Под ред. Н.И. Кириллова.Л.: Наука, 1975. 2. Оптическая голография/Пер. с англ., в двух томах;Под ред. Генри Колфилда.- М.: Мир, 1982. 3. Картужанский А.Л. Несеребряные фотографические процессы. – М.: Химия, 1984. 4. Кириллов Н.И. Высокоразрешающие материалы для голографии и процессы их обработки. – М.: Наука, 1979. 5. Гаева Г.Л. Физикохимия светочувствительных слоев: Текст лекций.Л.: изд. ЛИКИ, 1985. 6. Основы технологии светочувствительных материалов/Под ред. В.И. Шеберстова.- М.: Химия, 1977. 29
