Узкополосный селектор на основе отражательной фазовой трехмерной голограммы

 

Изобретение относится к голографии. Сущность изобретения: узкополосный селектор на основе отражательной фазовой трехмерной голограммы записывается на среде с постэкспозиционным усилением за счет диффузионного перемещения молекул, что обеспечивает расширение диапазона спектральной селективности и увеличение спектрального коэффициента отражения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к трехмерной голографии с глубокой записью, способам получения высокоэффективных фазовых голограмм и практической реализации идей голографии.

Изобретение может быть использовано для разработки приборов обнаружения и выделения слабых лазерных потоков на фоне широкополосного излучения, устройств мульти-демультиплексирования в волоконно-оптических линиях связи и создания высокоразрешающих спектральных приборов.

Известен узкополосный голографический спектральный селектор, представляющий собой объемную фазовую голограмму, зарегистрированную во встречных пучках [1] на среде, в основе действия которой лежит реакция сенсибилизированного фотоокисления антраценовых соединений в полимере [2] Такой селектор обладает следующими недостатками. Из-за динамических эффектов, вызванных явлением нестационарного энергообмена, толстослойная отражательная решетка формируется с переменным по толщине пространственным периодом, вследствие чего максимальный коэффициент отражения селектора далек от единицы не более 0,7 на длине волны записи непосредственно после экспонирования. Необходимость пропитки регистрирующей среды кислородом перед записью голограммы и дегазации в процессе ее фиксирования накладывают ограничения на диапазон толщин селекторов, следовательно и на диапазон спектральных селективностей. Увеличение толщины ведет к квадратичному росту времени обработки, которое становится неприемлемо велико при толщине более 2-3 мм (селективность порядка 1 А). Тонкие (менее 0,5 мм) образцы, напротив, слишком быстро утрачивают светочувствительность из-за выхода кислорода. При дегазации в процессе фиксирования из-за неравномерной усадки полимера происходит снижение отражательной способности селектора и уширение контура спектральной и угловой селективности. Реальная величина коэффициента отражения таких селекторов в процессе эксплуатации не превышает 0,3 на длине волны 532 нм (вторая гармоника Nd-лазера) при записи на 514 нм. Падение отражательной способности происходит также из-за диффузионного перемешивания молекул антраценового соединения и его фотооксида. Существенным недостатком селектора является низкое отношение полезного сигнала к шумовому, что является следствием нелинейного усиления шумов регистрирующего слоя и формирующей оптики в процессе записи.

Известен способ уменьшения интенсивности побочных максимумов в контуре угловой и спектральной селективности узкополосного голографического спектрального селектора, заключающийся в том, что отражательную голограмму записывают в сильнопоглощающих слоях регистрирующей среды. При этом удается уменьшить интенсивность побочных максимумов в несколько раз.

Данный способ имеет следующие недостатки. Использование сильнопоглощающих слоев снижает диапазон применения селекторов, в частности из-за больших потерь на поглощение он не может быть использован на длине волны записи. Не удается подавить полностью интенсивность побочных максимумов.

Цель изобретения состоит в увеличении спектрального коэффициента отражения, расширении диапазона спектральной селективности и повышении стабильности узкополосных селекторов, полном устранении побочных максимумов в контурах спектральной и угловой селективности селекторов, увеличении отношения сигнал/шум спектральных селекторов.

На фиг. 1 показаны контуры спектральной селективности голографических селектора-прототипа (1) и селектора, записанного на среде с хиноновым соединением (2); на фиг. 2 контуры узловой селективности голографических селекторов, записанных на среде с равномерным (3) и диффузионным (4) распределением фотохимически активных молекул; на фиг. 3 представлен рост дифракционной эффективности (5) и шума (6) в процессе записи отражательной голограммы; на фиг. 4 показаны кривые кинетики усиления голографических решеток с пространственными частотами 4500 лин/мм (7, 8) и 300 лин/мм (9, 10) при температуре 50^о (8, 10) и 75^о (7, 9).

Цель достигается тем, что голографический спектральный селектор записывается на среде, допускающей постэкспозиционное усилие за счет диффузионного перемешивания молекул. В регистрирующей среде, на которой записывается селектор, фотохимически активные молекулы распределены неравномерно по толщине за счет их диффузии. Запись селектора ведется в реальном масштабе времени до эффективности не выше 20% а далее за счет выбора температурно-временного режима, производится селективное усиление основной (высокой) пространственной частоты.

П р и м е р 1. Голографический селектор, взятый за прототип, изготовлен в реальном масштабе времени, т. е. непосредст- венно при экспонировании когерентным светом. Следствием такого режима записи является искажение изофазных поверхностей и неравномерность их расположения по толщине (непостоянство пространственного периода). Отсюда в свою очередь проистекает уширение контура спектральной селективности (фиг. 1, кривая 1) и тот факт, что коэффициент отражения селектора не превышает значения, равного 0,7.

По мере выхода кислорода из полимера в постэкспозиционный период происходит деформация структуры селектора, что приводит к падению отражательной способности и искажению контура селективности [3] В постэкспозиционный период вследствие диффузионных процессов в полимере, которым подвержены низкомолекулярные органические соединения антрацен и его фотооксид, формирующие отражательную голограмму, происходит дальнейшее уменьшение отражательной способности селектора.

П р и м е р 2. Изготовлены также селекторы на регистрирующих средах, представляющих собой раствор хинонового соединения в стеклообразном полимере (таблица). Начальная эффективность селектора также не превышает 60-70% Однако в постэкспозиционный период происходит не падение отражательной способности, а ее рост до значения, близкого к единице (фиг. 1, кривая 2). Уширение контура имеет место при записи до высоких начальных эффективностей.

Существенное сужение контура спектральной селективности предлагаемого спектрального селектора достигается за счет увеличения толщины, контур сужается пропорционально росту толщины. Так, для толщины слоя 30 мкм полуширина контура спектральной селективности составила 80 , для 0,5 мм 5 , для 2 мм 1 , для 7 мм 0,4 . Теоретически предельных ограничений на возможность сужения контура селективности не существует, однако на практике ограничения накладываются физическими параметрами записывающей лазерной техники, а именно длиной когерентности записывающего излучения и расходимостью лазерного пучка.

Максимальная толщина селекторов определяется растворимостью фотоактивной компоненты в полимере, которая не превышает 20 мас. что соответствует минимальной толщине 30 мкм, на которой может быть получен коэффициент отражения не менее 90% Дальнейшее уменьшение толщины ведет к падению коэффициента отражения селектора.

П р и м е р 3. На селекторах, изготовленных на регистрирующих слоях с равномерным распределением концентраций фотоактивных соединений (примеры 1 и 2), снимались угловые зависимости коэффициента отражения. Характерной особенностью этих зависимостей является наличие побочных максимумов (фиг. 2, кривая 3 для примера 2). Аналогичная картина имеет место и для спектральной зависимости [4] Наличие побочных максимумов приводит к уширению реального контура селективности селекторов и тем самым к ухудшению характеристик систем на их основе. В соответствии с описанием изобретения, взятого за прототип, был изготовлен селектор на среде с фенантренхиноном, в котором за счет большого поглощения на длине волны записи (пропускание слоя менее 20%) интенсивность побочных максимумов уменьшилась в 6 раз.

П р и м е р 4. Голографические селекторы изготавливались на регистрирующих слоях, в которых распределение концентраций фотоактивного вещества замещенного или незамещенного фенантренхинона имело следующий вид.

C(x,t) erf+erf где С(х, t) текущая концентрация фенантренхинона; С_о его начальная концентрация; l исходная толщина регистрирующего слоя.

Это распределение получается при повышенных температурах за счет диффузии рабочего вещества из образца толщиной l с равномерным распределением концентрации в прилегающие слои чистого полимера. Угловые зависимости коэффициента отражения данных селекторов представлены на фиг. 2 (кривая 4). Побочные максимумы практически отсутствуют, по крайней мере их интенсивность уменьшена более чем на три порядка и не превосходит шумов регистрирующей аппаратуры.

П р и м е р 5. Запись голограммы в реальном масштабе времени до высокой дифракционной эффективности вызывает лавинообразное усиление начального шума рассеяния на формирующей оптике и регистрирующей среде [5] При эффективностях не выше 20% этот эффект практически незаметен (фиг. 3). Использование режима диффузионного усиления позволяет одновременно с получением высокоэффективных селекторов повысить отношение сигнал/шум благодаря различию в скоростях роста решеток различных пространственных частот (собственно селектору соответствуют частоты в несколько тысяч линий на миллиметр, а шуму сотни линий). По семейству кинетик, соответствующему конкретному режиму усиления (фиг. 4), следует выбрать время, за которое селектор успел усилиться, а шумовые решетки нет. Реальность высказанных соображений подтверждается следующим: две отражательные голограммы записаны до начальной эффективности 15-17% далее проводилось усиление первой в течение 4 сут при 50^оС, а второй в течение 20 сут при 70^оС. Эффективность полученных селекторов составила 91 и 87% а отношения сигнал/шум соответственно 180 и 30 при начальном 150. Запись голограммы до эффективности 30% с последующим усилением при 50^оС (4 сут) дала эффективность 92% при отношении сигнал/шум 100.

Формула изобретения

1. УЗКОПОЛОСНЫЙ СЕЛЕКТОР НА ОСНОВЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ ТРЕХМЕРНОЙ ГОЛОГРАММЫ, представляющий собой объемную отражательную фазовую решетку, отличающийся тем, что селектор выполнен на регистрирующей среде, допускающей постэкспозиционное усиление за счет диффузионного перемешивания непрореагировавшего в ходе записи фотоактивного соединения.

2. Селектор по п.1, отличающийся тем, что селектор выполнен на регистрирующем слое с диффузионно распределенным по толщине фотоактивным соединением.

3. Селектор по п.1, отличающийся тем, что селектор записывают до эффективности не более 20% а затем с помощью выбора температурно-временного режима производят селективное усиление решетки основной (высокой) пространственной частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5