Способ записи наложенных объемных голограмм в активированном красителем желатиновом геле

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ЗАПИСИ НАЛОЖЕННЫХ ОБЪЕМНЫХ ГОЛОГРАММ В АКТИВИРОВАННОМ КРАСИТЕЛЕМ ЖЕЛАТИНОВОМ ГЕЛЕ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Эфендиев Терлан Шаид оглы Катаркевич Василий Михайлович Рубинов Анатолий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ записи наложенных объемных голограмм в активированном красителем желатиновом геле, включающий последовательную запись через заданный временной интервал заданного числаобъемных голограмм путем облучения одной и той же зоны образца указанного геля двумя сходящимися когерентными световыми пучками с поворотом образца на заданный угол после записи каждой голограммы, отличающийся тем, что площадьуказанной зоны выбирают исходя из условия/ 10, где- площадь всей рабочей поверхности образца, запись каждой голограммы осуществляют при дозе облучения, обеспечивающей получение максимального значения ее дифракционной эффективности, а указанный временной интервал выбирают с обеспечением восстановления концентрации молекул красителя в указанной зоне до уровня, близкого к исходному, за счет их диффузии из необлученного объема образца. 17413 1 2013.08.30 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что запись голограмм осуществляют путем облучения образца излучением 2-й гармоники наносекундного АИГ 3-лазера с длиной волны 532 нм. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве указанного геля используют водно-желатиновый раствор родамина 6 Ж с концентрацией красителя 0,12 мг/г при концентрации желатина 0,1 г/г. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве указанного образца используют образец с толщиной рабочего слоя 1,1 мм. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанный временной интервал выбирают не меньшим 19 ч. Изобретение относится к объемной (трехмерной) голографии и может быть использовано при разработке устройств памяти со сверхвысокой плотностью, голографических оптических элементов (светоделители, высокоселективные зеркала, полосовые фильтры,мультиплексоры/демультиплексоры и т.п.), фотонных кристаллов, многочастотных лазеров со стационарной распределенной обратной связью (РОС). Благодаря высокоселективным свойствам объемных голографических решеток, в одном и том же объеме светочувствительной среды возможна запись целого ряда голограмм(наложенных голограмм) и их последующее независимое считывание. Полученная таким образом сложная голограмма называется мультиплексной. Известен способ мультиплексной записи голограмм в толстослойном самопроявляющемся светочувствительном материале 1. Недостатком такого способа является весьма малое время существования записанных мультиплексных голограмм, которое составляет несколько часов. Ближайшим техническим решением к предлагаемому является способ углового мультиплексирования при записи наложенных голограмм в толстослойной самопроявляющейся светочувствительной среде - желатиновом геле, активированном красителем 2. Запись стационарных фазовых объемных голограмм в таком материале осуществляется в результате образования фотосшивок продуктов фотораспада молекул красителя с желатиновой сеткой в области максимумов интенсивности интерференционного поля записывающего излучения. При таком способе одну и ту же зону образца светочувствительного материала последовательно подвергают облучению с помощью двух сходящихся под фиксированным углом 2 когерентных световых пучков с длиной волны 3 при различной его ориентации относительно сформированного интерференционного поля с пространственным периодом 3,(1) 2 соответствующим значению периода записываемых голографических решеток. При этом после акта записи каждой из отдельных голограмм кювету со светочувствительной средой разворачивают на определенный угол 20,5 (где 0,5 - угловая селективность голограммы) вокруг оси, перпендикулярной плоскости падения записывающих пучков, после чего практически сразу же осуществляют запись следующей голограммы. С целью получения серии наложенных голограмм со сходными значениями дифракционной эффективности дозу облучения светочувствительной среды при записи каждой последующей голограммы увеличивают. При этом завершение записи последней голограммы в серии сопровождается практически полным фотообесцвечиванием молекул красителя в зоне облучения. Полученные таким способом мультиплексные голограммы характеризуются продолжительным временем жизни, которое составляет несколько месяцев. Недостатком такого способа является невысокое значение дифракционной эффективности наложенных голограмм, составляющих мультиплексную голограмму, по сравнению 2 17413 1 2013.08.30 с дифракционной эффективностью одиночных голографических решеток, записываемых в такой среде. Целью настоящего изобретения является повышение дифракционной эффективности наложенных объемных голограмм, записываемых в активированном красителем желатиновом геле. Поставленная цель достигается следующим образом. Способ записи наложенных объемных голограмм в активированном красителем желатиновом геле включает последовательную запись через заданный временной интервал заданного числаобъемных голограмм путем облучения одной и той же зоны образца указанного геля двумя сходящимися когерентными световыми пучками с поворотом образца на заданный угол после записи каждой голограммы. Площадьуказанной зоны выбирают исходя из условия/10,(2) где- площадь всей рабочей поверхности образца, запись каждой голограммы осуществляют при дозе облучения, обеспечивающей получение максимального значения ее дифракционной эффективности, а временной интервал выбирают с обеспечением концентрации молекул красителя до уровня, близкого к исходному, за счет диффузии молекул красителя из необлученного объема образца. Запись голограмм осуществляют путем облучения образца излучением 2-й гармоники наносекундного АИГ 3-лазера с длиной волны 532 нм. В качестве указанного геля используют водно-желатиновый раствор родамина 6 Ж с концентрацией красителя 0,12 мг/г при концентрации желатина 0,1 г/г. В качестве указанного образца используют образец с толщиной рабочего слоя 1,1 мм. Указанный временной интервал выбирают не меньшим 19 ч. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема записи наложенных голограмм с использованием метода углового мультиплексирования, где 3 - длина волны записывающего излучения 2 - угол схождения записывающих пучков- пространственный период интерференционного поля записывающего излучения- шаг углового сканирования кюветы при последовательной записи наложенных голограмм- порядковый номер голограммы- количество наложенных голограмм в мультиплексной голограмме на фиг. 2 показаны заполненная активированным красителем желатиновым гелем плоскопараллельная оптическая кювета 1 с толщиной слоя , рабочей поверхностью 2 и зоной облучения 3 на фиг. 3 показаны спектры поглощения водно-желатинового раствора родамина 6 Ж(толщина слоя 1,1 мм, концентрация красителя 0,12 мг/г, концентрация желатина 0,1 г/г) в экспонируемой зоне до (кривая 1) и после (кривая 2) записи мультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм, полученной по известному способу на фиг. 4 показана угловая зависимость дифракционной эффективностимультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм с пространственным периодом 5 мкм, записанной по известному способу на фиг. 5 показана угловая зависимость дифракционной эффективностиодиночной объемной голограммы с пространственным периодом 5 мкм, записанной при дозе облучения светочувствительной среды, обеспечивающей получение максимального (насыщенного) значения ее дифракционной эффективностина фиг. 6 показаны спектры поглощения водно-желатинового раствора родамина 6 Ж(толщина слоя 1,1 мм, исходная концентрация красителя 0,12 мг/г, концентрация жела 3 17413 1 2013.08.30 тина 0,1 г/г) в зоне с записанной одиночной голограммой (кривая 1) и в необлученной зоне (кривая 2) через 19 ч после завершения записи на фиг. 7 показаны спектры поглощения водно-желатинового раствора родамина 6 Ж(толщина слоя 1,1 мм, исходная концентрация красителя 0,12 мг/г, концентрация желатина 0,1 г/г) в зоне с двумя записанными голограммами (кривая 1) и в необлученной зоне(кривая 2) сразу же после завершения записи второй голограммы на фиг. 8 показаны спектры поглощения водно-желатинового раствора родамина 6 Ж(толщина слоя 1,1 мм, исходная концентрация красителя 0,12 мг/г, концентрация желатина 0,1 г/г) в зоне с двумя записанными голограммами (кривая 1) и в необлученной зоне(кривая 2) через трое суток после завершения записи второй голограммы на фиг. 9 показаны спектры поглощения водно-желатинового раствора родамина 6 Ж(толщина слоя 1,1 мм, исходная концентрация красителя 0,12 мг/г, концентрация желатина 0,1 г/г) в зоне с тремя записанными голограммами (кривая 1) и в необлученной зоне(кривая 2) сразу же после завершения записи третьей голограммы на фиг. 10 показана угловая зависимость дифракционной эффективностимультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм с пространственным периодом 5 мкм, записанной по предложенному способу. Запись мультиплексной голограммы по предложенному способу осуществляют следующим образом. Вначале в зоне гелевого раствора красителя 3 (фиг. 2), размеры которой выбирают на основании условия 2, записывают одиночную объемную голографическую решетку при дозе облучения, обеспечивающей получение максимального (насыщенного) значения ее дифракционной эффективности и приводящей к практически полному фотообесцвечиванию молекул красителя. Затем кювету со светочувствительной средой разворачивают на угол 20,5 вокруг оси, перпендикулярной плоскости падения записывающих пучков (фиг. 1), и оставляют в таком положении на время, необходимое для восстановления концентрации молекул красителя в зоне раствора с записанной голограммой за счет их диффузии из необлученных зон. Аналогичная последовательность операций повторяется при записи второй и всех последующих голограмм в одной и той же зоне светочувствительного материала. При использовании предложенного способа (в предположении, что завершение записи каждой голограммы сопровождается полным фотообесцвечиванием молекул красителя в облученной зоне, а их последующая диффузия приводит к выравниванию концентрации на всей площади рабочей поверхности светочувствительного материала) значение концентрации молекул красителя в зоне облучения перед записью -й голограммы может быть рассчитано следующим образом 101,(3)10 где 0 - исходное значение концентрации красителя в гелевом растворе. Оценки с помощью выражения 3 показывают, что, например, в случае записи мультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм, значения концентрации красителя в зоне облучения перед записью 2-й и 3-й голографических решеток составят 20,970 и 30,930 соответственно, т.е. незначительно отличаются от концентрации красителя в исходном растворе. Таким образом, при использовании предложенного способа запись 2-й и последующих наложенных голограмм осуществляют при стартовых значениях концентрации красителя,близких к концентрации исходного раствора, т.е. условия их записи лишь незначительно отличаются от условий записи одиночной (первой в серии наложенных) высокоэффективной голограммы. Это должно приводить к получению значительно более высоких значений их дифракционной эффективности по сравнению со случаем записи аналогичного количества наложенных голограмм при использовании известного способа. 4 17413 1 2013.08.30 Для демонстрации возможностей предложенного способа осуществлена запись наложенных голограмм в приготовленном по ранее отработанной технологии 3 и помещенном в герметичную плоскопараллельную стеклянную оптическую кювету (фиг. 2) водножелатиновом растворе родамина 6 Ж с концентрацией красителя 0,12 мг/г при концентрации желатина 0,1 г/г. Толщина рабочего слоя кюветы составляла 1,1 мм при площади рабочей поверхности 2,25 см 2. Спектр поглощения данного светочувствительного материала приведен на фиг. 3 (кривая 1). В качестве записывающего использовалось излучение 2-й гармоники (532 нм, область максимума спектра поглощения геля (фиг. 3 наносекундного АИГ 3-лазера с длительностью импульсов 0,517 н, работавшего с частотой следования импульсов 50 Гц. Среднее значение плотности энергии импульсов записывающего излучения составляло 50 мДж/см 2. В условиях описываемого эксперимента угол схождения пучков записи в воздухе был равен 26, что, в соответствии с 1, обеспечивало формирование пространственных решеток с периодом 5 мкм. В процессе записи голограммы считывались пучком излучения одномодового -лазера (632,8 нм), которое не поглощается светочувствительной средой (фиг. 3). Дифракционная эффективность записываемой решетки определялась с помощью выражения,(4)0 где- интенсивность дифрагированного пучка, 0 - интенсивность прямо прошедшего пучка. Осуществлена запись фазовой объемной мультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм, как с применением способа-прототипа, так и предлагаемым способом. С этой целью плоскопараллельная кювета с гелевым раствором красителя устанавливалась на юстировочном столике, снабженном механизмом разворота вокруг вертикальной оси с шагом перестройки в одну угловую минуту. Положение кюветы на юстировочном столике подбиралось таким, чтобы при всех используемых при записи наложенных голограмм углах ее разворота вокруг вертикальной оси оба интерферирующих пучка с точностью не ниже 0,01 см перекрывались в одном и том же месте рабочей поверхности светочувствительной среды. При этом соблюдалось условие, чтобы угол разворота кюветы при переходе от записи одной наложенной голограммы к последующей как минимум в два раза превышал значение угловой селективности отдельной голограммы(т.е.,20,5), обеспечивая, таким образом, возможность последующего их независимого считывания. Диаметр зоны облучения гелевого раствора красителя во всех случаях составлял 0,3 см (0,07 см 2) (фиг. 2). На фиг. 3 представлена угловая зависимость дифракционной эффективности мультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм, записанной при использовании способа-прототипа. Запись первой решетки осуществлялась при перпендикулярном падении одного из интерферирующих пучков на поверхность светочувствительной среды. При этом шаг углового сканирования кюветы при переходе от записи одной наложенной голограммы к другой составлял 100 при временном интервале между актами записи в несколько минут. Доза облучения раствора Е при записи первой, второй и третьей наложенных голограмм составила 25, 30 и 89 Дж/см 2 соответственно. Из фиг. 3 видно, что при суммарной дозе облучения гелевого раствора красителя 144 Дж/см 2, сопровождающей запись мультиплексной голограммы, значение его оптической плотности (а следовательно, и концентрации молекул красителя) в зоне записи решеток уменьшилось примерно в 5 раз. При этом средние значения дифракционной эффективности и угловой селективности наложенных голограмм в данном случае составляют 10,2 и 0,518,7 соответственно. 17413 1 2013.08.30 Результаты измерений угловой зависимости дифракционной эффективности первой наложенной голограммы, записанной в активированном красителем желатиновом геле при использовании предложенного способа, представлены на фиг. 5. Доза облучения гелевого раствора красителя в этом случае составила 147 Дж/см 2, что практически совпадает с суммарной дозой облучения светочувствительной среды при записи тройной мультиплексной голограммы с использованием способа-прототипа (Е 144 Дж/см 2). Из фиг. 5 видно, что дифракционная эффективность одиночной решетки составляет 192 при угловой селективности 0,518,5. Измерения спектров поглощения гелевого раствора красителя в экспонируемой зоне, проведенные до и после записи голограммы, показали их практически полное совпадение со спектрами, приведенными на фиг. 3. При этом,как показали исследования, спектры поглощения геля в необлученных зонах совпадали со спектром поглощения зоны с решеткой до ее записи (т.е. с кривой 1 на фиг. 3). На фиг. 6 приведены спектры поглощения гелевого раствора родамина 6 Ж в зоне с записанной решеткой (кривая 1) и в необлученной зоне (кривая 2), измеренные через 19 часов после записи голограммы. Видно, что вследствие малости площади зоны облучения относительно площади поперечного сечения кюветы (/0,03) диффузия молекул красителя в водно-желатиновом геле привела к восстановлению его концентрации в области записи голограммы до уровня, который лишь незначительно отличается от исходного. При этом оптическая плотность раствора в необлученных областях практически не уменьшилась. Результаты измерений дифракционной эффективности голографической решетки, проведенные после диффузионного восстановления концентрации красителя в зоне ее записи в геле (через 19 ч после записи), показали, что ее значение несколько уменьшилось, составляя 185 . В указанных условиях была осуществлена запись второй голограммы в зоне геля с записанной решеткой. Запись второй решетки осуществлялась при дозе облучения раствора 353 Дж/см 2, что обеспечивало получение максимально возможного значения ее дифракционной эффективности 288 . Интересно отметить,что после завершения записи второй решетки значение дифракционной эффективности первой оставалось неизменным (т.е. 185). Спектры поглощения гелевого раствора родамина 6 Ж в зоне записи двух решеток (кривая 1) и в необлученной зоне (кривая 2), измеренные сразу же после завершения записи второй решетки, представлены на фиг. 7. Спектры поглощения этих же зон раствора, измеренные через трое суток непосредственно перед записью третьей наложенной голограммы, приведены на фиг. 8. Значения дифракционной эффективности ранее записанных голограмм, измеренные непосредственно перед записью третьей решетки, составили 168 и 277 для первой и второй решеток соответственно. Запись третьей решетки была осуществлена при дозе облучения раствора 550 Дж/см 2. При этом значение ее дифракционной эффективности составило 379 . Спектры поглощения гелевого раствора красителя в зоне с тремя записанными голограммами и в необлученной зоне, зарегистрированные сразу же после завершения записи третьей решетки, представлены на фиг. 9. Следует отметить, что после записи третьей решетки значения дифракционной эффективности ранее записанныхголограмм оставались неизменными. Однако по истечении суток после завершения процесса записи мультиплексной голограммы значения дифракционной эффективности наложенных голограмм уменьшились в 1,05-1,1 раза (фиг. 10). Из полученных в эксперименте данных по угловой зависимости дифракционной эффективности мультиплексной голограммы, состоящей из трех наложенных голограмм(фиг. 10), записанной по предлагаемому способу, следует, что среднее значение дифракционной эффективности наложенных голограмм составляет 68 . Следовательно, благодаря использованию диффузии молекул красителя в желатиновом геле для восстановления его концентрации в зоне записи мультиплексной голограммы достигнуто увеличение среднего значения дифракционной эффективности наложенных голограмм примерно в 6,7 раза. 17413 1 2013.08.30 Из приведенных на фиг. 9 спектров поглощения гелевого раствора родамина 6 Ж, измеренных после завершения записи третьей решетки, видно, что остаточной концентрации красителя в геле достаточно для осуществления записи еще большего количества наложенных голограмм. Источники информации 1. Денисюк Ю.Н., Ганжерли Н.М., Черных Д.Ф. Мультиплексирование спекл-голограмм во встречных пучках в толстослойном бихромированном желатине // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26. -9. - С. 25-30. 2. Эфендиев Т.Ш., Катаркевич В.М., Рубинов А.Н., Лесникович А.И., Воробьева С.А.,Семенова Е.М. Мультиплексная запись глубоких объемных голограмм в активированном красителем желатиновом геле Сборник научн. трудовмеждунар. конф. Лазерная физика и оптические технологии (ЛФиОТ 2008). - Минск, 2008. - С. 241-244. 3. Эфендиев Т.Ш., Катаркевич В.М., Рубинов А.Н. Запись объемных голограмм в водножелатиновом геле, активированном красителем // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32. -21. С. 62-68. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.