Рассмотрены физические процессы, влияющие на дифракционную эффективность тонких амплитудных голограмм как при негативной, так и при позитивной их записи. Отмечено, что наибольший выигрыш в дифракционной эффективности (~ 10%) может быть получен при позитивной записи голограмм. Указывается на то, что получение позитивных голограмм наиболее оправдано тогда, когда они записываются: с помощью лазеров с низкой пространственной когерентностью, в условиях повышенного шумового (оптического, теплового, ионизирующего) фона или в условиях повышенной запыленности окружающей среды.

1. Процессы, влияющие на дифракционную эффективность амплитудных голограмм при их негативной записи

Реализация информационных систем интерференционного типа связана с получением высококонтрастной интерференционной картины стоячих волн, образующихся в активной (для данного вида излучения) среде детектора. Наиболее часто, в качестве активной среды, используются эмульсии на основе AgНаℓ. Тонкослойные эмульсии формируют амплитудные голограммы, являющиеся аналогами амплитудных дифракционных решеток.

Основной экспозиционной характеристикой голограммы является ее дифракционная эффективность /1-5/. Если для идеальной решетки (амплитудное пропускание которой подчиняется закону прямоугольной периодической функции) расчетная величина дифракционной эффективности составляет 10,1%, то для синусоидальных решеток она не

превышает 6,25% /6/. Для реальных амплитудных голограмм дифракционная эффективность оказывается еще в 2-3 раза меньшей, чем расчетная - для синусоидальных решеток.

Этот факт может быть легко объяснен, если проанализировать те физические эффекты, которые лежат в основе формирования интерференционной картины при взаимодействии внешнего электромагнитного поля с кристаллами АgНаℓ светочувствительного детектора.

Рис.1. Схема взаимодействия когерентного излучения с кристаллами АgНаℓ при негативной записи амплитудных голограмм:

а - идеальная дифракционная решетка; б -реальная дифракционная решетка; в - переэкспонированная дифракционная решетка.

с кристаллами AgBr, где стрелки определяют пучности стоячих волн, а отсутствие их узлы. Кристаллы AqBr условно обозначены квадратами.

Рис.2. Характеристические кривые (а,б) и зависимость дифракционной эффективности h от логарифма экспозиции (1) при негативной записи голограмм: а - для пучностей; б - для узлов.

участок (область недодержек); прямолинейный участок (область пропорциональных оптических плотностей). Используя эффекты, происходящие при взаимодействии внешнего электромагнитного поля с атомами светочувствительной среды детектора, можно дать исчерпывающее объяснение наличию тех или иных участков характеристической кривой.

рис.2 (кривая I) изображена (схематично) зависимость дифракционной эффективности h тонкой амплитудной голограммы от логарифма экспозиции. На том же рисунке (схематично) изображены кривые зависимости оптической плотности D от логарифма экспозиции отдельно для кристаллов, находящихся под действием пучностей (кривая а) и узлов (кривая б). Из рис.2 видно, что спад дифракционной эффективности, при переходе рабочей точки экспозиции из области недодержек на прямолинейный участок характеристической кривой "а", происходит за счет увеличения оптической плотности кристаллов, находящихся под действием узлов интерферирующего поля.

На рис.1 изображена схема формирования интерференционной картины гонкой амплитудной голограмм при взаимодействии внешнего электромагнитного поля с кристаллами галоидосеребряных эмульсий. На рис.1а изображена схема идеальной дифракционной решетки, коэффициент амплитудного пропускания которой подчиняется закону прямоугольной периодической функции, а дифракционная эффективность составляет величину 10,1%. На рис.1б изображена схема дифракционной решетки, записанной на участке недодержек характеристической кривой. Амплитудный коэффициент пропускания такой решетки подчиняется закону синусоидальной периодической функции, а максимальная дифракционная эффективность ее составляет величину 6,25%. На рис.1в изображена схема дифракционной решетки, записанной на прямолинейном участке характеристической кривой из которой видно, что оптические плотности кристаллов, расположенных в пучностях, сравнялись с оптическими плотностями кристаллов, расположенных в узлах интерферирующего поля. Контраст такой решетки понизился до нуля, следовательно, и дифракционная эффективность ее также понизилась до нуля.

Таким образом, добиться дифракционной эффективности, соответствующей эффективности идеальной дифракционной решетки, при негативной записи голограмм, невозможно из-за того, что при малых экспозициях оптические плотности кристаллов, находящиеся под действием пучностей, лишь немного отличаются от оптической плотности кристаллов, находящихся в узлах (оптическая плотность которых соответствует плотности вуали). Кроме того, оптическая плотность кристаллов, находящихся под действием узлов, повышается (над уровнем

2. Процессы. влияющие на дистракционную эффективность амплитудных голограмм при их позиткваой записи

Как оказалось /7/, при экспозициях, значительно превышающих оптимальные, оптическая плотность галоидосеребряных эмульсий, после достижения максимального значения, начинает убывать (рис.3, кривая а). Участок характеристической кривой, где оптическая плотность с увеличением экспозиции уменьшается, называется областью соляризации.

Так как при записи интерференционной картина стоячих волн одни кристаллы галоидосеребряных эмульсий попадают под действие пучностей, другие - узлов, то и эффекты, происходящие в них, будут различными. На рис.3 приведены отдельно зависимости оптической

а - для пучностей; б,в - для узлов.

плотности D от логарифма экспозиции для кристаллов, находящихся

под действием пучностей (кривая а) и узлов (кривые б,в). Кривая "б" (рис.3) соответствует идеальному случаю, кривая "в" - реальному (с учетом того, что в реальных условиях не выполняется закон взаимозаместимости /7/ и кривая для кристаллов, находящихся под действием узлов, пойдет положе кривой "а"). Из рис.3 видно, что, когда оптическая плотность кристаллов, находящихся под действием пучностей (в области соляризации), будет минимальной, оптическая плотность кристаллов, находящихся под действием, узлов будет максимальной.

На рис.4 приведена схема формирования тонкой амплитудной голограммы при экспонировании в области соляризации характеристической кривой. Из рис.4а видно, что переоблученные кристаллы АgВг , находясь под действием пучностей интерферирующего поля и утратившие способность к восстановлению металлического серебра, не повышают при экспонировании своей оптической плотности. Кристалла, находящиеся под действием узлов и сохранившие способность к восстановлению металлического серебра, увеличивают свою оптическую плотность за счет излучения, рассеянного на соседних кристаллах. При этом контраст может быть повышен в значительных пределах с помощью дополнительной подсветки голограммы некогерентным (активным для кристаллов АgВг) излучением. В этом случае кристаллы, находящиеся под действием пучностей, остаются по-прежнему нечувствительными к дополнительной подсветке и не будет увеличивать свою оптическую плотность. В то время как кристаллы, находящиеся под действием узлов, останутся активными к действию дополнительной некогерентной подсветки и будут увеличивать оптическую плотность (рис.46). Контраст, при этом, может быть повышен настолько (при соответствующем подборе режимов записи и обработки), что дифракционная эффективность может быть приближена к дифракционной эффективности. идеальной дифракционной решетки (рис.4в).

На рис.5 приведены экспериментальные характеристические кривые (а,б) и кривые (I,II) зависимости коэффициента амплитудного пропускания Т от логарифма экспозиции при негативной (а,I)

Рис.4. Схема взаимодействия когерентного излучения с кристаллами AgНаℓ при позитивной записи голограмм:

а - при экспонировании в области соляризации, б - при дополнительной некогерентной подсветке; в - идеальная дифракционная решетка.

и позитивной (б,II) записи, тонких амплитудных голограмм на фотопластинке ВРЛ. Из рисунка видно, что тангенс угла наклона кривой II выше кривой I, т.е. пропускание позитивной голограммы приближается к закону прямоугольной периодической функции.

На рис.6 приведены экспериментальные кривые (I,II,III) зависимости дифракционной эффективности h от логарифма экспозиция для негативного процесса (I), позитивного процесса (II) и позитивного процесса с дополнительной некогеренгной подсветкой (3). На этом же рисунке для сравнения приведены характеристические кривые

Рис.5. Зависимости коэффициента амплитудного пропускания Т (I,II) и оптической плотности D (а,б) материала ВРЛ от логарифма экспозиции:

а, I - для негативной записи;

б, II - для позитивной записи.

Из рис.6 видно, что дифракционная эффективность позитивных голограмм в 1,5 - 2 раза выше дифракционной эффективности - негативных, что не является пределом и при соответствующем (более тонком) подборе режимов экспонирования, дополнительной некогерентной подсветки и последующей обработки, дифракционная эффективность их может быть близкой к эффективности идеальной дифракционной решетки (~ 10%).

3. Области возможного практического приложения позитивной записи амплитудных голограмм

Приближение голографического эксперимента к условиям, близким к производственным, связано с рядом таких факторов как: снижение

Рис.6. Зависимости дифракционной эффективности h (I,II,III) и оптической плотности D (а, б) от логарифма экспозиции для материала ВРЛ:

I, a - для негативной записи;

II, III, б - для позитивной записи.

лазеров, неизбежно ведет к уменьшению длины резонаторной полости, что существенно снижает величину их пространственной когерентности. В этом случае, кроме основной пространственной моды, лазер начинает генерировать коды кратные, каждая из которых будет формировать свою интерференционную картину. При этом контраст интерференционной картины в целом падает. Следует обратить внимание и на то, что импульсные твердотельные лазеры, обладают очень

Аналогичную роль, связанную со снижением контраста интерференционной картины, играют и другие перечисленные факторы: повышенная запыленность, некогерентное паразитное (оптическое, тепловое, ионизирующее) излучение и т.п.. Следовательно, во всех этих случаях общей задачей является повышение контраста записываемых голограмм, успех решения которой сводится к способу обращенной записи голограмм с дополнительной их некогерентной подсветкой. Кроме того, при позитивном процессе записи голограмм существенно снижаются требования к вуалеустойчивости светочувствительного материала, что повышает гарантийный срок его службы.

1. Э.И.Крупицкий, И.С.Барбанель. Теория максимизации дифракционной эффективности тонкослойных амплитудных голограмм, "Оптика и спектроскопия", 33, №. 3, стр.571-578, 1975.

2. М.М.Бутусов, С.Н.Гуляев, В.В.Судариков. Голографическая эффективность и механизмы дифракции света на голограмме, "Квантовая электроника", 2, № 1, стр.13-17, 1975.

3. А.А.Аникин, В.К.Малиновский. Характеристическая кривая и режим записи голограмм, "Квантовая электроника", 2, № 9, стр.2054-2057, 1975.

4. А.В.Алексеев-Попов, И.И.Комиссарова, Г.В.Островская. Исследование интенсивностей волн высших порядков, восстановленных нелинейно зарегистрированной голограммой, "Оптика и спектроскопия", 32, № 6, стр. 1143-1149, 1974.

5. А.А.Ванин, Л.Н.Вагин, В.А.Королев. Сравнительные голографические характеристики высокоразрешающих фотопластинок, в сб. "Регистрирующие среды для голографии, "Наука", Л., стр.69-79, 1975.

6. Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин. Оптическая топография, "Мир", М., стр.686, 1973.

7. К.Миз, Т.Джейкс. Теория фотографического процесса, "Химия", Л., стр.572, 1973.

8. Ю.П.Булатов, Ф.Ф.Гаврилов, Б.В.Шульгин. Условия оптимизации отклика галоидосеребряных эмульсий при записи позитивных голограмм. Материалы IX Всесоюзной школы по голографии, ЛИЯФ, Л., стр.341-346, 1977.