Similar presentations:
Регистрирующие среды для голографии
1. ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ Лекция № 8 Регистрирующие среды для голографии
лектор: О.В. Андреева2.
Техника голографическогоэксперимента –
регистрирующие среды
3. Применение голографических светочувствительных сред
• Изобразительная голография• Изготовление голограммных оптических
элементов
• Информационные технологии - архивная
голографическая память
4. Типы голограмм в зависимости от характеристик:
Параметрырегистрирующей среды
• схемы регистрации – угол
между
интерферирующими
пучками
• соотношения между Т и d;
• модуляция
оптического
параметра среды;
• характера
изменения
параметров регистрирующей
среды при записи – обратимый
(динамические) и необратимый
(статические голограммы).
• разрешающая способность;
• толщина;
• фотоотклик материала
реверсивные
среды
со
изображением;
среды
и
скрытым
5. Фотоотклик регистрирующей среды
Модуляцияоптического параметра
• коэффициент поглощения ( );
• показатель преломления (n);
• толщина материала (Т);
Тип голограммы
• амплитудная голограмма;
• фазовая голограмма;
• рельефно-фазовая;
6. Техника эксперимента
Требуемыепараметры РС
• Режим
работы
источника
излучения
–
непрерывный,
импульсный
• Выполнение
закона
взаимозаместимости
• Спектральный состав излучения
используемого источника
• Мощность источника излучения;
стабильность
установки
и
отдельных
элементов
схемы
регистрации.
• Спектральная
чувствительность
• Чувствительность
(определяет
экспозиции).
время
7. Основные характеристики регистрирующих сред
ЧувствительностьХарактеристическая кривая
Разрешение
Динамический диапазон
Функция передачи модуляции Частотно-контрастная характеристика
8. Оценка чувствительности регистрирующих сред для голографии
Энергетическая чувствительность:• голографическая чувствительность – Hопт , H1%;
Hопт (ДЭ = max),
H1% (ДЭ = 1%);
!!! Количество энергии монохроматического излучения, необходимое для
достижения ДЭ = N%
• спектральная чувствительность (S );
9. Чувствительность
• В нашей стране под интегральной чувствительностью (S) понимаютвеличину, обратную количеству освещения, которое необходимо для
получения оптической плотности проявленного фотографического
слоя 0,2 сверх вуали.
• S измеряется в единицах ГОСТа и ее величина обратно
пропорциональна экспозиции, необходимой для достижения искомой
плотности.
• Под спектральной чувствительностью понимается величина, обратная
количеству энергии монохроматического излучения, необходимому
для получения оптической плотности проявленного материала,
равной единице, сверх оптической плотности вуали.
10. Экспозиция
Энергетическая экспозиция, Н, –количество энергии излучения, приходящееся на единицу
площади освещаемого участка за период освещения, т.е.
экспонирования;
иначе: произведение энергетической освещенности
(облученности, Е,) на длительность облучения (t).
H=Et
11. Запись голограмм в линейном и нелинейном режиме
• В линейном режиме записи амплитудаголограммы прямо пропорциональна
воздействующей экспозиции
Иначе: амплитуда модуляции оптического параметра в
голограмме прямо пропорциональна плотности
энергии, приходящейся на единицу площади данного
участка регистрирующей среды.
12. Динамический диапазон
• Динамический диапазон регистрирующих средхарактеризует возможность линейной
регистрации сигнала (информации) на данном
материале.
• Эта величина играет важную роль при
регистрации голограмм, так как возможность
линейной регистрации сигнала связана с
правильной (неискаженной) передачей
интерференционной структуры.
13.
Характеристическая кривая CMOS матрицы фотоаппаратаДемонстрация линейной зависимости
фотоотклика среды от экспозиции
13
14. Динамический диапазон регистрирующих сред для голографии
I minD 0,1 lg(
), dB (дБ )
I max
Imin – ограничен уровнем сигнал/шум;
Imax – ограничен уровнем сигнала, при котором можно пренебречь нелинейными
эффектами
При записи одиночных голограмм
При записи наложенных голограмм
динамический диапазон характеризует
информационную емкость регистрирующей среды:
N
M # ДЭi
i 1
15. Зависимость суммарной амплитуды фазовой модуляции наложенных голограмм
Ni=1( 1), ðàä
Зависимость суммарной амплитуды фазовой
модуляции наложенных голограмм
4 N ,
i=1 i
рад
3
2
1
N
i=1Hi, Дж/см
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
10 11 12
Data: B1_
Model: kw
Chi^2 = 0
A
4
B
-4
C
4
D
1
F
0
16. Разрешение
• Разрешение светочувствительного материала (R),как правило, определяется значением
максимальной пространственной частоты
голограммы, которая может быть эффективно
зарегистрирована.
• Разрешение, необходимое для регистрации всех
пространственных частот голограммы должно
быть R ≥ max.
• Разрешение можно оценить по формуле
R ≥ 2nSinθ/λ
17. Разрешение – R, мм -1; ФПК – функция передачи контраста; ЧКХ – частотно-контрастная характеристика;
зависимость амплитудыинтерференционной картины
от пространственной частоты
P
P
P
L
O2 b
2
O0 b O1
РС
1
2
1
d
min sin 0
max sin
R max
b
b2 c2
18. Частотно-контрастная характеристика
Функция передачи модуляции - (частотноконтрастная характеристика)зависимость амплитуды записанной в
регистрирующей среде синусоидальной решетки
от пространственной частоты этой структуры.
ФПМ (ЧКХ) более полно характеризует
регистрирующий материал, чем
предельное значение R.
19. Частотно-контрастная характеристика
1 – Диффен, 2 - фотоматериал20. Основные характеристики регистрирующих сред
• Чувствительность• Разрешение
• Динамический диапазон
• Функция передачи модуляции
21. Регистрирующие среды со скрытым изображением
Инициированные световым воздействиемизменения параметров регистрирующей среды
непосредственно в процессе записи информации
являются незначительными и проявляются в
результате дополнительной обработки
материалов после экспонирования (в процессе
постэкспозиционной обработки).
Регистрирующие среды со скрытым изображением
обладают, как правило, значительно более высокой
чувствительностью и другими возможностями, так как
при постэкспозиционной обработке скрытое
изображение многократно усиливается.
22. Галогенидо-серебрянные регистрирующие среды – среды со скрытым изображением для получения статических голограмм
Процесс получения голограмм• экспонирование;
постэкспозиционная обработка:
• проявление,
• фиксирование,
• отбеливание.
Отличительные особенности:
• высокая чувствительность;
• широта спектральной сенсибилизации;
• разнообразие методов постэкспозиционной обработки;
• высокая разрешающая способность.
23. Что происходит в галогенидосеребряном материале при воздействии излучения?
2AgBr + hy = 2Ag + Br2Особенность - зернистость изображения
Этапы получения изображения:
• Запись информации в виде скрытого изображения
• Усиление скрытого изображения – процесс проявления
фотоматериала в водном растворе проявителя
• Удаление светочувствительных зерен AgBr –
фиксирование материала
• Промывка, сушка, дополнительная обработка
24. Полимерные регистрирующие среды для голографии (Среды со скрытым изображением)
• Фотополимеризующиеся системы (полимерныеслои,
содержащие
компоненты,
полимеризующиеся под действием света);
• Светочувствительные
полимерные
среды
(полимерный каркас + светочувствительное
вещество).
25. Основные требования к материалам для получения объемных статических голограмм (использование в качестве оптических элементов)
высокая разрешающая способность;
большая толщина (мм);
безусадочность;
чувствительность к излучению имеющихся лазеров;
возможность длительного хранения информации;
неизменность параметров в процессе длительной
эксплуатации;
26. Конструирование регистрирующих сред для голографии
Принцип композиционной структуры:жесткий каркас + светочувствительная композиция;
Композиционные материалы на основе пористых стекол.
Пористое стекло – жесткий каркас.
композиция:
• бихромированная желатина
• галоидное серебро + желатина;
• другие химические соединения.
Светочувствительная
Регистрирующие среды на основе пористых стекол по физикомеханическим свойствам близки к свойствам силикатного стекла
и являются безусадочными материалами.
27.
Источники излучениядля работы с материалом на основе ФХ
Лазеры
Рабочее тело
№ λ
Источник накачки
1
440 нм
Гелий-Кадмиевый лазер
2
3
473 нм
458 нм, 488 нм, 514 нм
Твердотельный лазер
Аргоновый лазер
Электрический разряд в
смеси паров
Диод
Электрический разряд
Спектр поглощения ФХ
1
0,9
1
0,8
3
2
3
3
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
400
420
440
460
480
500
520
540
λ ,нм
28. Характеристики материала «Диффен»
Этапы получения голограммы:• Запись информации в виде скрытого
изображения
• Усиление скрытого изображения – прогрев
образца (50 град, 50 часов)
• Преобразование светочувствительных
молекул ФХ в несветочувствительные –
фиксирование материала
29. Полимерные регистрирующие среды для голографии (Среды со скрытым изображением)
• Фотополимеризующиеся системы (полимерныеслои,
содержащие
компоненты,
полимеризующиеся под действием света);
• Светочувствительные
полимерные
среды
(полимерный каркас + светочувствительное
вещество).
30.
запись голограмм на реоксане2. запись голограммы
S +материала:
h S * выход
Sнасыщение
*
1. очувствление
кислородом
3. фиксирование:
кислорода
1
1
3
S3* + O23 S1 + O21*
A + O21* AO2
31. реоксан с постэкспозиционным отбеливанием
1. насыщение материалакислородом
2. запись голограммы
3. удаление кислорода
4. фотообесцвечивание
красителя-сенсибилизатора
32. голограммы в пористом стекле
hv• экспонирование
• проявление,
фиксирование
• травление
• удаление
оболочек
33. фототерморефрактивное стекло
11. образование
центров агрегации
облучение
325 нм
Ce4+
e
Ce3+
2. агрегация,
образование
центров
кристаллизации
2
Ag+
Ago
Ago
(Ago)n
T = 400°C
3. образование
микрокристаллов
NaF
3
FNa+
T = 520oC
(Ago)n
34. формирование голограмм в кристаллах флюорита
1. фотоионизация простых центровокраски
2. диффузия вакансий и электронов
в узлы интер-ференционной
картины
3. образование высокоагреги-
рованных (коллоидных) центров
35. спектральные характеристики голограмм в кристаллах флюорита
1.0D/Dmax
R/Rmax
h, %
0.5
10
0.0
0
300
600
900 ,
нм
D – оптическая плотность, h дифракционная эффективность,
R - рефракция (расчет)
36. Сравнительные характеристики голограмм в неорганических средах
материал, нм
E, Дж/см2
капиллярные
композиты
440-520
10-2 – 1 10-3 -10-1 10 – 103 500ºС
фототерморефрактивное 280-350
стекло
аддитивно
окрашенный
флюорит
300-400
Dnmax
1 - 10
10-3
~1
5×10-5
d, мкм
103
103
–
104
T °C
500ºС
обработка
проявление,
травление
термообработка
запись при
200ºС повышенной
температуре
37. Разработки Государственного Оптического института
• Предложен ряд нетрадиционных подходов к созданиюрегистрирующих сред, возможности которых далеко не
исчерпаны
• Созданы полимерные, неорганические и микрогетерогенные толстослойные регистрирующие материалы,
обеспечивающие долговременную эксплуатацию трехмерных голограмм
• Спектр предложенных материалов позволяет успешно
осуществлять разработку разнообразных практических
приложений голографии
38. Динамические регистрирующие среды
• Регистрирующая среда динамическая – инициированные световымвоздействием изменения параметров регистрирующей среды
происходят непосредственно в процессе записи информации (под
воздействием излучения). Различают: регистрирующая среда
динамическая с нелокальным откликом (фоторефрактивная) –
пространственное распределение фотоиндуцированного показателя
преломления при записи синусоидальной интерференционной
картины сдвинуто по фазе по отношению к распределению
интенсивности в регистрируемой интерференционной картине;
регистрирующая среда динамическая с локальным откликом
(фоторефрактивная) – пространственное распределение
фотоиндуцированного показателя преломления при записи
синусоидальной интерференционной картины синфазно или
противофазно распределению интенсивности в регистрируемой
интерференционной картине.
39. При экспонировании изменяется показатель преломления n.
Фоторефрактивные динамические средыПри экспонировании изменяется показатель преломления
n.
•Фоторефрактивные
кристаллы:
ниобат
лития
ниобат
лития*
танталат
лития
силикат
висмута
германат висмута (Bi12GeO20).
(LiNbO3);
(LiNbO3:F);
(LiTaO3);
(Bi12SiO20);
Динамические
среды
с
бистабильными
примесными центрами – кристалы фторида
кадмия (CdF2)
40. Динамические регистрирующие среды
• Регистрирующая среда динамическая – инициированные световымвоздействием изменения параметров регистрирующей среды
происходят непосредственно в процессе записи информации (под
воздействием излучения). Различают: регистрирующая среда
динамическая с нелокальным откликом (фоторефрактивная) –
пространственное распределение фотоиндуцированного показателя
преломления при записи синусоидальной интерференционной
картины сдвинуто по фазе по отношению к распределению
интенсивности в регистрируемой интерференционной картине;
регистрирующая среда динамическая с локальным откликом
(фоторефрактивная) – пространственное распределение
фотоиндуцированного показателя преломления при записи
синусоидальной интерференционной картины синфазно или
противофазно распределению интенсивности в регистрируемой
интерференционной картине.
41. При экспонировании изменяется показатель преломления n.
Фоторефрактивные динамические средыПри экспонировании изменяется показатель преломления
n.
•Фоторефрактивные
кристаллы:
ниобат
лития
ниобат
лития*
танталат
лития
силикат
висмута
германат висмута (Bi12GeO20).
(LiNbO3);
(LiNbO3:F);
(LiTaO3);
(Bi12SiO20);
Динамические
среды
с
бистабильными
примесными центрами – кристалы фторида
кадмия (CdF2)
42. Литература
1.Суханов В.И.Регистрирующие среды для голографии. В кн.: Физическая энциклопедия, т.4, с.300301, 1994.
2.Барачевский В.А. Светочувствительные регистрирующие среды: применение в голографии. В
кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007,
с.226-240.
3.3D лазерные информационные технологии. Отв.ред.Твердохлеб П.Е., Новосибирск, 2003.
4.Андреева О.В., Бандюк О.В.. Парамонов А.А. и др. Высокоэффективные мультиплексные
голограммы на полимерном материале «Диффен»//Оптич.журнал, 2006, Т.73,№9, С.60-63.
5.Суханов В.И., Вениаминов А.В., Рыскин А.И., Никоноров Н.В. Разработки ГОИ в области объемных
регистрирующих сред для голографии. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник
современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с.262-276.
6. Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи//Оптич. журн. 1994.
№1. С.61-70.
7.Рябова Р.В. и др. Наноматериалы для голографии Российского научного центра «Курчатовский
Институт». В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии.
Сб.трудов, СПб, 2007, с.288-292.
8.Ворзобова Н.Д. Галогенсеребряные материалы для голографической записи импульсным
излучением. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии.
Сб.трудов, СПб, 2007, с.277-281.