CC BY
15
УДК: 535.417; 681.787.6; 778.38
ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Евгений Федорович Пен
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-21-29, e-mail: pen@iae.nsk.su
Владимир Владимирович Шелковников
Новосибирский институт органической химии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 9, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (383)330-89-96, e-mail: vsh@nioch.nsc.ru
Представлены результаты исследований дифракционных и спектральных свойств одиночных и комбинированных объемных пропускающих и отражательных голографических решеток с учетом физико-химических особенностей фотополимерных материалов.
Ключевые слова: оптическая голография, фотополимерные материалы, дифракционные и спектральные свойства голографических элементов.
FEATURES OF OPTICAL PROPERTIES OF HOLOGRAPHIC STRUCTURES BASED ON PHOTOPOLYMER MATERIALS
Evgeny F. Pen
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)333-21-29, e-mail: pen@iae.nsk.su
Vladimir V. Shelkovnikov
Novosibirsk Institute of organic chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 9, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)330-89-96, e-mail: vsh@nioch.nsc.ru
The results of investigations of the diffraction and spectral properties of single and cascaded volume transmission and reflective holographic gratings are presented taking into account the physic and chemical features of photopolymer materials.
Key words: optical holography, photopolymer materials, diffraction and spectral properties of holographic elements.
Введение
Голографические фотополимерные материалы (ФПМ) обладают привлекательной совокупностью свойств и характеристик, таких как отсутствие мокрых процессов обработки, высокая дифракционная эффективность (ДЭ), низкие потери света, хорошая сохранность и устойчивость к воздействию вредных внешних факторов. В настоящее время ФПМ уже стали коммерческим продуктом [1], пригодным для широкого круга практических применений [1-3].
Вместе с тем ФПМ имеют специфические свойства, обусловленные внутренними физико-химическими процессами. Во-первых, это диффузионный механизм фотополимеризации [4], определяющий эффекты динамической записи и экспозиционные характеристики ФПМ, в частности, образование шумовых решеток, нарушение закона взаимозаместимости и др.; во-вторых, существенной является так называемая эффективная усадка фотополимера [5, 6], приводящая к нарушению брэгговских условий при восстановлении голограмм.
Цель данной работы - исследование дифракционных и спектральных свойств одиночных и комбинированных объемных пропускающих и отражательных голографических решеток с учетом особенностей ФПМ.
Обсуждение результатов экспериментов
Голограммы на основе ФПМ относятся к классу объемных, и должны формировать лишь первый порядок дифракции. Однако нами и другими авторами экспериментально обнаружены высокие порядки брэгговской дифракции на объемных пропускающих решетках [7]. Данный факт объясняется тем, что профиль периодического распределения показателя преломления в этих решетках существенно отличается от синусоидального вида картины засветки в силу нелинейной зависимости ДЭ решеток от интенсивности засветки, большой разницы скоростей диффузии мономера и фотополимеризации, а также насыщения изменения показателя преломления с ростом энергии засветки [1].
К сожалению, экспериментальные исследования, относящиеся к регистрации высоких порядков дифракции отражательных голограмм, крайне малочисленны. Вероятно, это связано со сложностью подобных экспериментов, поскольку необходимо получить объемные отражательные решетки с широким диапазоном их периодов и зафиксировать спектральные отклики, как основных решеток, так и значительно удаленных друг от друга гармоник.
Нам удалось решить эти задачи с помощью специально разработанной го-лографической установки и спектрофотометра SHIMADZU UV/VIS 2501 PC с двойным монохроматором. На рис. 1 представлен спектр пропускания одной из исследованных решеток.
Хорошо видны узкие провалы, обусловленные брэгговским отражением света, причем наряду с отражением (рефлексом), соответствующим основной решетке, отмеченным цифрой 1, присутствуют рефлексы, принадлежащие ее второй и третьей гармоникам. В результате обработки экспериментальных данных, установлено, что длина волны рефлекса основной решетки ~ 904 нм, ширина контура ЛЯ[ ~ 8 нм (на уровне 50% от его глубины), ДЭ составляет П1Г~50 %; для второй гармоники - Я2 ~ 457 нм, ЛЯ2 ~ 4 нм, и — 17 %; для третьей - Я3 ~ 313 нм, ЛЯ3 ~ 1 нм и n3r - 3 %.
100 SS 90-|
ГС s
ig 80-1
о >
о 70-ср
x 60-<u
50^
m
§ 40.
300 400 500 600 700 800 900 Длина волны, нм
Рис. 1. Спектр пропускания объемной отражательной решетки: 1 - рефлекс основной решетки; 2 и 3 - рефлексы второй и третьей гармоник
Отметим, что экспериментальные значения длин волн указанных рефлексов Xr отличаются от расчетных Xr, которые могут быть найдены по формулам, приведенным в [6]. Эти отличия обусловлены, в частности, изменениями условий брэгговской дифракции, связывающих период объемной отражательной решетки Л, показатель преломления n и длину волны рефлекса соотношением
Xr = Лx2n . (1)
Такие изменения возникают в процессе записи решеток и пост-обработки ФПМ из-за вышеупомянутой эффективной усадки фотополимера SeffectIve, учитывающей как уменьшение его толщины T (геометрическая усадка), так и увеличение среднего значения n . Геометрическая усадка AT / T, достигающая 0.01-0.02 [2, 6], приводит к пропорциональному уменьшению периода решетки, и, следовательно, к сдвигу рефлекса в коротковолновую область спектра, а увеличение показателя преломления фотополимера An / n, составляющее 0.005-0.01 [2], вызывает сдвиг рефлекса, наоборот, в длинноволновую область.
Очевидно, что отношения Xr /Xr для рефлексов основной решетки и ее гармоник должны быть одинаковыми, поскольку независимо от периода решетки справедливо выражение
Xr / Xr = Seffectlve = Г1 + An/n) x(1- AT/T). (2)
Вместе с тем расчеты показывают, что при длине волны лазера Л= 633 нм и показателе преломления ФПМ n =1.5, период основной решетки равен
305.4 нм, длина волны ее рефлекса - X = 916 нм, а второй и третьей гармоник - 458 нм и 305 нм. В таком случае соотношения экспериментальных и рас-
четных значений указанных рефлексов оказываются неодинаковыми и равными 0.9869; 0.9978; 1.0262 соответственно.
Для устранения этой нестыковки обратим внимание, что, согласно формуле (1), расчет длины волны рефлекса решетки должен проводиться с учетом дисперсии показателя преломления ФПМ п( 1), т.е. его зависимости от длины волны наблюдения. Необходимые нам данные для ФПМ приведены в [2], где видно (с экстраполяцией), что в интервале длин волн 300-900 нм среднее значение показателя преломления изменяется от 1.545 до 1.490 и заметно отличается от ранее принятого нами постоянного значения п=1.5. Необходимое уточнение дало новые расчетные значения для решетки: 1 =910 нм, 12г =460 нм
и 13г =315 нм, с которыми экспериментальные данные соотносятся как 0.9934,
0.9935 и 0.9936, т.е. практически одинаково.
Таким образом, адекватное объяснение отличий экспериментальных и расчетных значений длин волн исследуемых рефлексов заключается в учете как эффективной усадки ФПМ, так и дисперсии его показателя преломления.
Свойства одиночных объемных пропускающих и отражательных гологра-фических решеток к настоящему времени уже хорошо изучены. Менее исследованы слоистые структуры, состоящие из нескольких таких решеток, разделенных оптически однородными слоями, и обладающие особыми свойствами, обусловленными интерференцией волн, восстановленных из каждой решетки, что дает возможность управления видом угловой или спектральной селективности [8]. Подобные структуры могут быть использованы при создании элементов мультиплексоров/демультиплексоров в оптических линиях связи [9].
Схема одной из исследованных нами структур изображена на рис. 2, где УН01 и УН02 - две объемные отражательные решетки, разделенные стеклянной пластиной Ь. Длина волны лазерного излучения, а также значения углов падения пучков К и £ относительно поверхности ФПМ определяют период образующейся решетки, а значит, и резонансную длину волны спектрального отклика при ее облучении белым светом.
УНО!
УН02
Я
Рис. 2. Схема слоистой голографической отражательной структуры
По существу эти структуры являются аналогами классического интерферометра Фабри-Перо [10]. Особенности состоят лишь в свойствах зеркал резонатора, в качестве которых используются отражательные голографические брэгговские решетки. В свою очередь оптические, и в частности, спектральные свойства этих решеток зависят от характеристик ФПМ.
На рис. 3 приведены экспериментальные данные спектра пропускания этой структуры с толщиной промежуточного слоя Ь = 175 мкм, сформированной с использованием Не-№ лазера.
с
о
С
100 90
80-
70 60 50 40 30 20
10 04
Рис. 3: а) график спектра пропускания слоистой структуры; б) вид интерференционной картины, являющейся пространственным
аналогом спектра пропускания
На рис. 3, а хорошо виден глубокий провал пропускания центрального лепестка контура спектрального отклика, а также множество локальных спектральных полос пропускания как в области центрального, так и боковых лепестков, их период оказался равным ~ 6.5 А0. С учетом потерь света на поглощение в слое фотополимера коэффициент отражения голографических решеток составлял ~ 80%. На рис. 3, б представлена картина интерференции когерентного света, проходящего через исследуемую слоистую структуру аналогично интерферометру Фабри-Перо.
В целом эксперимент подтвердил ожидаемый эффект интерференционного взаимодействия волн, формируемых двумя брэгговскими решетками. Вместе с тем отметим отличия экспериментальных и расчетных данных, полученных путем использования модели многослойной системы тонких диэлектрических пленок [10]. Видно, что спектр несимметричен, боковые лепестки сглажены либо отсутствуют, пропускание локальных полос в области центрального лепестка мало. Эти отличия связаны с несовершенствами исследуемых структур двух видов: а) - поглощением света в ФПМ, паразитными переотражениями и дру-
гими шумами в оптической системе; б) - специфическими искажениями внутренней пространственной структуры голографических решеток, такими как изменение амплитуды модуляции показателя преломления из-за различной энергии засветки по глубине решетки и нарушение периодичности решетки вследствие усадки толщины ФПМ в процессе записи и постобработки голограмм [8].
Заключение
Дифракционные и спектральные характеристики голографических структур на основе ФПМ могут значительно отличаться от проектных параметров из-за влияния специфических свойств этих материалов, в частности, диффузионные процессы и нелинейность фото-отклика приводят к образованию высоких порядков дифракции, а усадка - к нарушению брэгговских условий угловой или спектральной селективности пропускающих и отражательных решеток.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Friedrich-Karl Bruder, Thomas Facke and Thomas Rolle. The Chemistry and Physics of Bayfol HX Film Holographic Photopolymer // Polymers. - 2017. - 9 (10). - P. 472-494.
2. Friedrich-Karl Bruder, Hyungseok Bang, Thomas Facke et al. Precision Holographic Optical Elements in Bayfol HX Photopolymer // Proc. of SPIE. - 2016. - 9771. - P. 977103_1-21.
3. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acrylamide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. - 2014. - 53. - P. 1343353.
4. Zhao G. and Mouroulis P. Diffusion model of hologram formation in dry photopolymer materials // Journal of Modern Optics. - 1994. - 41(10). - P. 1929-1939.
5. Stevenson Sylvia H., Steijn Kirk W. A Method for Characterization of Film Thickness and Refractive Index in Volume Holographic Materials // Proc. of SPIE. - 1995. - 2405. - P. 88-97.
6. Пен Е.Ф., Зарубин И.А., Шелковников В.В., Васильев Е.В. Методика определения параметров усадки голографических фотополимерных материалов // Автометрия. - 2016. -№1. -.С. 60-69.
7. Friedrich-Karl Bruder, Thomas Facke, Rainer Hagen, Dennis Honel, Enrico Orselli, et al. Second harmonics HOE recording in Bayfol HX // Proc. of SPIE. - 2015. - 9508. - P. 95080G_1-13.
8. Пен Е.Ф., Родионов М.Ю. Свойства многослойных неоднородных голографических структур // Квантовая электроника. - 2010. - 40 (10). - С. 919 - 924.
9. Dexing Yang, Haibin Wang, Xiarui Guo, et al. Wavelength demultiplexing with layered multiple Bragg gratings in LiNbO3:Fe crystal //Appl. Opt. - 2007. - 46, No. 23. - P. 5604 - 5607.
10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. : НАУКА, 1970. - 856 с.
REFERENCES
1. Friedrich-Karl Bruder, Thomas Facke and Thomas Rolle. The Chemistry and Physics of Bayfol HX Film Holographic Photopolymer // Polymers. - 2017. - 9 (10). - P. 472-494.
2. Friedrich-Karl Bruder, Hyungseok Bang, Thomas Facke et al. Precision Holographic Optical Elements in Bayfol HX Photopolymer // Proc. of SPIE. - 2016. - 9771. - P. 977103_1-21.
3. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acrylamide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. - 2014. - 53. - P. 1343.
4. Zhao G. and Mouroulis P. Diffusion model of hologram formation in dry photopolymer materials // Journal of Modern Optics. - 1994. - 41(10). - P. 1929-1939.
5. Stevenson Sylvia H., Steijn Kirk W. A Method for Characterization of Film Thickness and Refractive Index in Volume Holographic Materials // Proc. of SPIE. - 1995. - 2405. - P. 88-97.
6. Pen E. F., Zarubin I. A., Shelkovnikov V. V., and Vasil'ev E. V.. Method for Determining the Shrinkage Parameters of Holographic Photopolymer Materials // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2016. - Vol. 52, No. 1. - PP. 49-56.
7. Friedrich-Karl Bruder, Thomas Facke, Rainer Hagen, Dennis Honel, Enrico Orselli, et al. Second harmonics HOE recording in Bayfol HX // Proc. of SPIE. - 2015. - 9508. - P. 95080G_1-13.
8. Pen E. F., Rodionov M. Yu. Properties of multilayer nonuniform holographic structures // QUANTUM ELECTRON - 2010 - 40(10) - P. 919-924.
9. Dexing Yang, Haibin Wang, Xiarui Guo, et al. Wavelength demultiplexing with layered multiple Bragg gratings in LiNbO3:Fe crystal //Appl. Opt. - 2007. - 46, No. 23. - P. 5604 - 5607.
10. Born M., Wolf E. Principles of optics. 7-th edition. - Cambridge University Press, 1999. - 936 p.
© Е. Ф. Пен, В. В. Шелковников, 2018
