Влияние температуры и влажности окружающей среды на параметры объемных пропускающих голограмм, зарегистрированных на полимерной среде Диффен Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕМНЫХ ПРОПУСКАЮЩИХ ГОЛОГРАММ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ НА ПОЛИМЕРНОЙ СРЕДЕ ДИФФЕН О.В. Андреева, Н.В. Мирошникова, В.Т. Прокопенко,

Разработка фазовой среды на полиметилметакрилатной основе перспективна с точки зрения использования ее для исследований в области голографии с глубокой записью. В ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" на основе объемных пропускающих голограмм, зарегистрированных в материале ДИФФЕН [1], получены узкополосные селекторы лазерного излучения.

Особенностью объемных фазовых голограмм является высокая дифракционная эффективность, достигающая 100 %. Такие решетки характеризуются высокой угловой и спектральной селективностью.

Объектом исследования в настоящей работе являются объемные трехмерные пропускающие голограммы, зарегистрированные на полимерном материале ДИФФЕН -полиметилметакрилате (ПММА) с органическим красителем фенантренхиноном (ФХ) [1, 2]. В рамках исследования изучается влияние температуры и влажности окружающей среды на параметры объемных пропускающих голограмм.

Основными параметрами, характеризующими свойства голограмм, являются дифракционная эффективность (п), фазовая модуляция ф1, анизотропия дифференциального показателя преломления и угловая селективность. Фазовая модуляция определяет эффективность голограммы, а анизотропия - механические изменения в образце и неравномерность оптических свойств. Определение величин фазовой модуляции ф1 и анизотропии дифференциального показателя преломления до производится по измеренным значениям дифракционной эффективности при двух ортогональных направлениях поляризации падающего излучения: если колебания электрического вектора Е в падающем на объемную пропускающую голограмму пучке происходит в направлении, перпендикулярном плоскости распространения нулевого и дифрагированого световых пучков за голограммой, оценивается п±, а если колебания вектора Е происходит в направлении, параллельном плоскости распространения нулевого и дифрагированого световых пучков за голограммой, то оценивается П||.

График зависимости дифракционной эффективности пропускающих голограмм от величины фазовой модуляции носит осциллирующий характер (рис. 1).

п

к = 0

к = 1

к = 2

-> ф1

0

0,5п

п

1,5п

Рис. 1. Зависимость дифракционной эффективности от фазовой модуляции

показателя преломления

П = Вт ф1, при этом

(1)

ф7 = кп ± агс8т((п)1/2), (2)

где к = 0, 1, 2, 3... При знаке "-" на контуре угловой селективности 1д (9) характерно наличие максимума в центре главного лепестка, при знаке "+" - минимума.

Однозначное определение ф; по измеренным значениям п может быть осуществлено с помощью сопоставления формы и параметров контура спектрально-углового распределения интенсивности дифрагированного пучка исследуемых голограмм /д(9) с рассчитанными теоретически по формулам Когельника [3]. Для конкретизации величины ф; была использована ее зависимость от поляризации падающего на голограмму излучения [4]. При этом отношение величин фазовых модуляций голограммы для ТМ и ТЕ поляризованных излучений определяется углом между пучками 0-го и 1-го порядков дифракции в среде (9) и описывается как ф; /ф; = соб(9).

Для голограмм с ф1 < п / 2

ф/'11 = агс8т((п±, ||)1/2) / п, рад. (3)

Для голограмм с ф1 > п / 2

ф/,у = п - агс8т((п±, ||)1/2) / п, рад. (4)

Для изотропной среды анизотропия рассчитывается по формуле Чо = (ф// ф;" ) сов(9). (5)

Полиметилметакрилат (ПММА) гигроскопичен. Теоретически установлено, что при впитывании образцом определенного процента влаги от своей массы показатель преломления п, угол между нулевым 1о и дифрагированным 1д пучками за голограммой (90) и угол Брэгга (9бр) изменяется в третьем знаке (см. таблицу). Изменение показателя преломления образца пропорционально изменению объема веществ, входящих в его состав:

п' = (¥1 П1 + V П2) / (V + ¥2), (6)

где ¥1 и п1, ¥2 и п2 - объем и показатель преломления воды и полимерного материала, соответственно. Так как изменение объема среды при впитывании влаги берется в процентном отношении, то показатель преломления можно рассчитать следующим образом:

П = (¥1 т + ¥2 П2) / 1. (7)

При расчете [5] использовались следующие параметры: период дифракционной решетки ё = 1,568 мкм, длина волны в вакууме = 633 нм, угол наклона изофазных поверхностей к нормали Ф = 7,83 град.

9о = 1Р + 1"'р = агсв1п[п' Б1п(агсв1п (Аю / 2 ё т) - Ф)] +

+ агсв1п[п' бш(Ф + агс8т(^0 / 2 ё п'))], (8)

9бр = (агсБт (^о / 2 ё т). (9)

Изменения таких параметров, как период и частота, настолько малы, что не нуждаются в рассмотрении в рамках данного иследования.

Таблица. Характеристики объемной пропускающей голограммы, зарегистрированной на ПММА при впитывании влаги

Впитываемая Показатель 9бр, рад. 9о,рад.

влага, % преломления

0 1,4887 0,1360 0,41154

1 1,4871 0,1362 0,41152

2 1,4855 0,1363 0,41150

3 1,4839 0,1364 0,41148

4 1,4823 0,1366 0,41146

5 1,4807 0,1367 0,41144

В настоящей работе при изменении влажности окружающей среды изучаются зажатые между стеклами образцы, а при изменении температуры - зажатые и заполимеризованные между стеклами образцы. На исследуемых образцах зарегистрированы голограммы, имеющие различную фазовую модуляцию.

Схема и методика проведения эксперимента описана в работе [6]. Принцип действия исследуемого делителя лазерного пучка по амплитуде показан на рис. 2.

—

—

1пад — е0

шш

\

1о

Рис. 2. Принцип действия делителя лазерного пучка

Расчет дифракционной эффективности п^,!! в данной работе производится по формуле

П = (1вне БРЭГГА - 1брэгга) / 1вне БРЭГГА, (10)

где 1БРЕГГА, 1ВНЕ БРЭГГА - интенсивность нулевого пучка при установке исследуемой голограммы под углом Брэгга к падающему излучению и при отклонении от угла Брэгга, соответственно.

Типичные зависимости п при двух ортогональных состояниях поляризации от времени измерения при проведении эксперимента с изменением влажности окружающей среды приведены на рис. 3.

64

62

60

ь4 58 -

О

56

54

52

50 П

■ ДЭ перп.

■ ДЭ парал.

■ ДЭ перп. стаб.

■ ДЭ парал. стаб.

100

1;изм., мин.

Рис. 3. Влияние изменения влажности окружающей среды на дифракционную эффективность п объемных пропускающих голограмм

I

д

Дифракционная эффективность, как видно из рис. 3, в течение 1 час возвращается к стабильному значению. Зависимости ф 0 и ч0 от времени измерения показали, что эти величины отклоняются от стабильного значения в пределах погрешности, т. е. не оказывают влияния на результаты эксперимента.

Типичные зависимости п^,11 при изменении температуры окружающей среды приведены на рис. 4.

65 64 -63 ; 62 61 # 60 59 Н 58 57 56 55

20

40

Шзм., мин.

60

80

♦ ДЭ перп. ■ ДЭ парал. -А- ДЭ перп. стаб. -♦— ДЭ парал. стаб.

Рис. 4. Влияние изменения температуры окружающей среды на дифракционную эффективность п объемных пропускающих голограмм

Температурные колебания не оказывают влияния на параметры объемных пропускающих голограмм, что наглядно показано на рис.4.

Погрешность измерения дифракционной эффективности не превышает в данном эксперименте 2 % (при доверительной вероятности 90 %). Погрешность фазовой модуляции 3 %, анизотропии 4 %.

При сравнении экспериментальных контуров угловой селективности с теоретическими, рассчитанными по формулам Когельника [3], выяснилось, что экспериментальные контуры нельзя полностью описать, используя формулы Когельника для равномерной по глубине голограммы (см. рис. 5). Это говорит о том, что в объеме образца присутствуют неоднородности амплитуды модуляции показателя преломления голограммы по глубине. Об этом свидетельствует отличие формы и размеров боковых лепестков экспериментальных контуров от аналогичных характеристик равномерной голограммы.

В данной работе проведены измерения и анализ зависимостей дифракционной эффективности, фазовой модуляции и анизотропии показателя преломления при изменении температуры и влажности окружающей среды от времени измерения для пропускающих объемных голограмм, зарегистрированных на полимерном материале ДИФФЕН. Установлено:

• изменение температуры окружающей среды в диапазоне 20-50 °С не влияет на параметры объемных пропускающих голограмм;

изменение влажности окружающей среды в диапазоне 80-100 % также не приводит к изменению параметров объемных пропускающих голограмм, если голограмму выдержать в стабильном состоянии в течение часа.

_ Теорет. контур — Эксперим. контур

8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

отклонение от угла Брэгга, *0,0001 рад.

Рис. 5. Сравнение контуров угловой селективности

Приведенные экспериментальные данные о регистрирующем полимерном материале ДИФФЕН получены впервые и будут использованы при дальнейшей разработке голографических оптических элементов.

Литература

1. Вениаминов А.В., Гончаров В.Ф., Попов А.П. Усиление голограмм за счет диффузной деструкции противофазных периодических структур // Опт. и спектр. 1991. Т.70. Вып. 4. С. 864-869.

2. Андреева О.В., Бандюк О.В., Парамонов А.А., Черкасов А.С., Гаврилюк Е.Р., Андреев П.В. Объемные пропускающие голограммы в полимерной среде с фенантренхиноном (в печати).

3. Kogelnik H. Couple wave theory for thick hologram gratings // Bell. Syst. Tech. Journ.

4. Андреева О.В., Корзинин Ю.Л., Назаров В.Н., Гаврилюк Е.Р., Курсакова А.М. Дифракционная эффективность серебросодержащих голограмм на пористых стеклах в красной и ИК областях спектра // Оптич. журн. 1997. Т. 64. № 4. С. 142-146.

5. Мирошникова Н.В., Ялукова О.М., Андреева О.В. Дисперсия показателя преломления объемных голографических решеток на основе ПММА в видимой области спектра (см. данный сборник).

6. Мирошникова Н.В., Андреева О.В. Методика измерения дифракционной эффективности объемных пропускающих голограмм при изменении температуры и влажности окружающей среды (см. данный сборник).

48. 1969.