ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ МАЛОШУМЯЩИХ ГОЛОГРАММ МЕТОДОМ ОБРАБОТКИ ФОТОЭМУЛЬСИЙ УФ-ИЗЛУЧЕНИЕМ

С.Н.Гуляев, К.К.Алимов, М.М.Бутусов

Рассмотрена методика получения рельефно фазовых голограмм на фотоматериалах,связанная с .обработкой обычных амплитудных голограмм УФ-излучением и последующим удалением серебряного изображения. Показана возможность получения высокоэффективных, малошумящих голограмм на фотоматериалах,имеющих малую толщину фото эмульсионного слоя. Приведены результаты экспериментальных исследований для некоторых высокоразрешающих фотоэмульсий.

Увеличение дифракционной эффективности голограмм, записанных на фотоэмульсиях, связано с переводом амплитудного серебряного изображения в фазовое. Такой результат может быть получен, например, с помощью отбеливания, однако при этом возникают шумы, связанные с рассеянием светя на микрокристаллах солей серебра. Кроме того, отбеленные голограммы обладают низкой стабильностью по отношению к воздействию света.

Существуют и другие методы-, позволяющие получать фазовые голограмму с малыми шумами и высокой стабильностью. Подобные методы связаны с удалением серебра из фотоэмульсии и записью изображения на задублённом желатине. Применяя различные способы дубления желатина, удается получить объемные /1/ и тонкие рельефно-фазовые голограммы /2/.

Большой интерес представляет собой метод создания голограмм, использующий обработку фотоэмульсией коротковолновым УФ-излучением /3,4/. Этот метод основан на свойстве желатиновых слоев

- 86 -

изменять свою толщину при облучении УФ-излучением и последующей обработке в воде⁵'. Количество анергии УФ-излучения, поглощенного различными участками желатинового слоя, определяется оптической плотностью серебряного изображения, которое создается в эмульсии за счет обычных операций проявлений и фиксирования.

Не проявленные участки фотоэмульсии поглощают УФ-иэлучение более интенсивно и после обработки в воде и сутки приобретают меньшую толщину по'сравнению с участками, где УФ-излучение экранизируется серебряным изображением. Таким образом, голографическая информация записывается на фотоматериале в виде поверхностно то рельефа. Процесс получения голограммы можно разделить на следующие этапы:

1) экспозиция когерентным лазерным светом (при соотношении интенсивностей пучков R = 1);

2) проявление (5мин в проявителе типа УП-2М), промывка;

3) фиксирование, промывка и сушка;

4) засветка УФ-излучением в течение 40 минут на расстоянии 5-10 см от ртутной лампы ДРТ-220;

5) отбеливание (в 2% растворе СuСℓ₂), промывка;

6) фиксирование, промывка;

7) сушка.

Операции 5), 6) вводятся в обработку для того, чтобы удалить серебряное изображение из объема фотоэмульсии.

На рис.1 представлены зависимости высоты рельефа h на поверхности фотоэмульсии от экспозиции лазерным светом Е для различных типов фотоматериалов. Предельные величины высот поверхностного рельефа находятся в диапазоне 1,1 - 1,5 мкм, что позволяет получать голограммы с высокой яркостью восстановленного изображения, так как. максимум дифракционной эффективности (33,8%) для рельефно-фазовых голограмм с квазисинусоидальным профилем рельефа теоретически достигается при h » l для желатина с показателем преломления n » 1,5 (где l - - длина волны лазерного излучения /6/).

Анализ зависимости дифракционной эффективности h и высоты рельефа h от экспозиции Е (рис.2) показывает, что максимум

- 87 -

дифракционной эффективности действительно соответствует высоте рельефа, примерно равной длине волны когерентного излучения l = 0,63 мкм оказывается почти вдвое меньшей теоретического значения (рис.2).

Рис.1. Зависимость высоты поверхностного рельефа k от экспозиции голограммы лазерным светом Е.

Рпс.2. Фотоэмульсия Микрат ВР-Л. Пространственная частота u » 150мм^-1. 1 - h(E), 2 - h (Е), 3 - h (Е) для голограммы, помещенной в иммерсию.

- 88 -

Такое расхождение модно объяснить наличием двукратного поглощения освещающего пучка в фотоматериале Микрат ВР-Л вследствие остаточной вуали.

Применение других фотографических материалов (Kodak HR Agfa-Gevaert Millimask, CPБШ), обладающих: меньшим остаточным поглощением, чем Микрат ВР-Л, позволило получить дифракционную эффективность до 26%.

Как показывает эксперимент, влияние внутренних изменений показателя преломления на дифракционную эффективность исследуемых голограмм весьма незначительно. Это подтверждается, во-первых, отсутствием Брэгговских максимумов на угловых зависимостях дифракционной эффективности при пространственной частоте, u » 1000 мм^-1 - во-вторых, сильным снижением дифракционной эффективности при помещении голограммы в иммерсию (кривая 3, рис.2).

В процессе исследований возникает вопрос о реальной толщины слоя топографического фотоматериала, дающий вклад в образование поверхностного рельефа. Можно предположить,что УФ-излучение поглощается в толщине эмульсии по закону Бугера;

W = W₀e^-kx (1)

где Х координатная ось, нормальная к поверхности голограммы, k - константа поглощения УФ-лучей. Энергию dW, поглощенную элементарным слоем желатина dx можно записать так:

dW = -kW₀e^-kxdx (2)

Если предположить, что сокращение желатинового слоя dh пропорционально поглощенной энергии УФ-излучения, то получаем:

dh = gdW = gkW₀e^-kxdx (3)

Интегрируя выражение (3), мы получим значение высоты поверхностного рельефа h после обработки УФ-излучением слоя с начальной толщиной h_Н.

(4)

- 89 -

Если h_H ® ¥ , то высота поверхностного рельефа h стремится к конечной величине h_max = -gW₀, определяемой временем засветки слоя УФ-излучением.

На рис.3 приведены экспериментальные зависимости h(h_H) для желатиновых слоев разной толщины, нанесенных на стеклянную подложку.

Рис.3. Экспериментальные зависимости высоты поверхностного k от начальной толщины желатинового слоя h(h_Н). Кривая 1 - незадубленный желатин. Кривые 2,3 - желатин, задубленный в растворе алюмокалиевых квасцов с концентрацией 50 г/л и 100 г/л, соответственно.

Из рисунка видно, что при увеличении начальной толщины желатинового слоя зависимость h(h_H) стабилизируется (кривая 1), что подтверждает приведенные выше рассуждения. Предварительное химическое дубление .желатина в растворе алюмокалиевых квасцов с концентрациями 50 г/л и 100 г/л (кривые 2 и 3,соответственно) несколько снижает величину поверхностного рельефа.

Исходя из уравнения (4), можно ввести понятие эффективной толщины фотоэмульсии h_эфф, сокращение которых дает 90% величины поверхностного рельефа.

h_эфф = -ℓn0,1/k (5)

- 90 -

Экспериментальные измерения поглощения УФ-лучей для фотослоя Agfa-Gevaert Millimask дают значения k = 0,6 мкм^-1, h_эфф =3,3 мкм.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что исходная толщина голографического фотослоя, необходимая для получения высоких дифракционных эффективностей,может быть очень небольшой и достигать 0,4 - 0,7 мкм, так как при таких исходных толщинах желатин будет трафиться до подложки (кривая 1, рис.3).

Нам удалось получить голограммы с дифракционной эффективностью около 25% на фотослое с толщиной d = 1,8 мкм (эмульсия СРБШ).

Вследствие того, что в образовании голограммы принимает участие лишь небольшой поверхностный слой фотоматериала, отпадает необходимость проявления фотослоя по всей толщине. На рис.4 представлены зависимости дифракционной эффективности амплитудных голограмм от экспозиции h _а(Е) (рис.4а), а также зависимости высоты поверхностного рельефа h_Ф (рис.4б) и дифракционной эффективности h_Ф (рие.4в) фазовых голограмм, обработанных УФ-излучением от экспозиции Е для фотоматериала Микрат ВР-Л.

а) б)

в)

Рис.4.

- 91 -

Время проявления изменялось в пределах от 5 мин до 5 сек. После проявления пластинки быстро помещались в фиксирующий раствор. При малых временах проявления серебряное изображение образовалось лишь в узком приповерхностном слое фотоматериала, что приводило к уменьшению контраста амплитудного изображения и сильному падению дифракционной эффективности амплитудной голограммы (рис.4а). Однако величина поверхностного рельефа на голограмме после обработки УФ-излучением получалась достаточно большой, что позволило получить дифракционную эффективность не ниже, а даже выше, чем при обычном времени проявления 5 мин (рис.4в). Возможной причиной некоторого повышения дифракционной эффективности явилось то, что остаточная вуаль фотоматериала существенно снизилась при малых временах проявления.

Фазовые голограммы, изготавливаемые с помощью обработки УФ-излучением должны обладать относительно малым, уровнем шума, так как серебряное изображение при обработке полностью удаляется из фотоэмульсионного слоя. Рис.5 иллюстрирует зависимость величины отношения интенсивности рассеянного света к интенсивности падающего пучка Ф от экспозиции Е для фотоматериала Микрат ВР-Л.

Рис.5.

- 92 -

Представленные на рис.5 кривые относятся к следующим способам обработки фотоэмульсионного слоя:

1. Обработка, связанная с получением обычного амплитудного изображения.

2. Обработка УФ-излучением с последующим удалением серебряного изображения. Время проявления Т = 5 мин.

3. Отбеливание серебряного изображения в отбеливателе R - 10.

4. Обработка УФ-излучением с последующим удалением серебряного изображения. Время проявления Т = 5 сек.

Жирными точками на кривых приблизительно отмечены области экспозиций, при которых дифракционные эффективности голограмм принимают максимальное значение. Как видно на рис.5, обработка фотослоя УФ-излучением не вносит существенного увеличения шумов рассеяния в отличие, например, от метода отбеливания (кривая 3, рис.5).

Рис.6 иллюстрирует зависимость отношения сигнал/шум в восстановленном с голограммы изображении от экспозиции лазерным светом Е.

Рис.6. 1 - Амплитудные голограммы h _max = 0,5%,

2 - фазовые отбеленные голограммы (отбеливатель R-IO) h _max = 10%.

3 - Рельефно-фазовые голограммы, обработанные УФ-излученим h _mах = 2%.

- 93 -

Голограммы записывались при соотношении предметного и опорного пучка R = 1/3 и средней пространственной частоте интерференционной картины u = 450 лин^-1. На оси ординат отложены значения экспозиций Е₁, E₂, Е₃, соответствующие максимальным дифракционным эффективностям h _mах. Для различных типов голограмм. Видно, что рельефно-фазовые голограммы обладают наибольшим соотношением сигнал/шум, что позволяет получать при помощи них голографическое изображение высокого качества.

Разрешающая способность рельефно-фазовых голограмм, обработанных УФ-излучением, изучалась нами с помощью записи голографических дифракционных решеток при соотношении пучков R = 1, для диапазона пространственных частот u =0-1000 лин^-1. Результаты, представленные на рис.7, показали, что для используемых фотоэмульсий наблюдается резкий спад разрешающей способности в области пространственных частот 200-350 мм^-1, хотя исходные амплитудные решетки в этой области имеют достаточно высокий контраст. Этот результат, по-видимому, объясняется сглаживанием поверхностного рельефа вследствие горизонтального смещения участков желатина, которое вызвано силами, возникающими при сушке мокрого коллоида /7/.

Для повышения разрешающей способности рельефно-фазовых голограмм, обработанных УФ-излучением, можно предложить два способа.

1. Использование фотослоя со сверхмалой толщиной d =0,4 -0,7 мкм. При этом желатин в засвеченных участках будет травиться до стекла и поперечные смещения участков желатина будут затруднены.

2. Применение обработки, не связанной с помещением фотоэмульсии в водные растворы, например, травление желатина пучком заряженных частиц.

Проведенные нами исследования позволяют заключить следующее:

1. Обработка фотоэмульсий УФ-излученнем позволяет получать тонкие рельефно-фазовые голограммы с высокой дифракционной эффективностью.

2. Эффективная толщина фото эмульсионного слоя, принимающего участие в образовании поверхностного рельефа, невелика, что связано с

- 94 -

сильным поголощением энергии УФ-излучения в верхних слоях желатина.

Рис.7. Зависимости дифракционной эффективности h от пространственной частоты u для фотоэмульсии с разными толщинами d.

d = 1,8 мкм CPБШ; d= 5,2 мкм Kodak HR;

d = 5,3 мкм Agfa-Gevaert Millimask; d= 17,2 мкм Микрат ВР-Л.

Показано, что голограммы с высокой дифракционной эффективностью можно получить на фотоэмульсионных слоях со сверхмалой толщиной d= 0,4 - 0,7 мкм.

3. Максимальная величина дифракционной эффективности рельефно -фазовых голограмм определяется остаточной вуалью используемого фотоматериала.

4. Разрешающая способность рельефно-фазовых голограмм ограничивается процессами, возникающими при обработке и сушке фотоэмульсии и составляет сотни лин/мин.

5. Голограммы, записанные исследованным методом, обладают малым уровнем щума, что позволяет получать с помощью них голографическое

- 95 -

изображение высокого качества.

Таким образом, в работе показана возможность создания тонкой регистрирующей среда на основе фотоэмульсий, подобной фоторезисту, но сохраняющей удобства и преимущества фотоматериалов.

Литература

1. K.S.Pennington, J.S.Harper, F.P.Laming, Appl.Phys.Letts, v 18, N 3, 80 (1971).

2. J.N.Altman, Appl.Opt., v 5, N 10 (1966),

3. J.S. Harper, F.P.Laming, K.S.Penington, Великобритания, акц. заявки № 1330729, 1973.

4. М.И.Бутусов, С.Н.Гуляев. Сб. "Оптическая голография и ее применение в промышленности", стр.36, Л., ЛДНТП,1976.

5. H.Brintzinger, K.Maurer, Colloid Z, 41, 46 (1927).

6. Р.Кольер, К.Берккарт, Л.Лин. "Оптическая голография", стр.258, 328, М., "Мир", 1973.

7. Н.М.Smith, J.Opt.Soc.Amer, v 58, 533 (1968).