Media-security

хромированные коллоиды в ГоЛографии: современное

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

В.В.Калинкин, А.Н.Малов

Рассматриваются проблемы голографической записи информации в слоях хромированных коллоидов, таких как желатина и крахмал. Предлагается модель для объяснения влияния относительной влажности окружающей среды на процесс регистрации голограмм в таких средах. Приводятся экспериментальные результаты по проявлению слоев хромированных коллоидов парами воды, а также способ реализации режима "самопроявления" для таких регистрирующих сред.

Несмотря на то, что на сегодняшний день известно достаточно много голографических регистрирующих сред, слои дихромированной желатины остаются вне конкуренции, поскольку позволяют получать высокоэффективные голограммы с очень низким уровнем шумов. Попытки замены желатины на другие коллоиды, например, крахмал или поливиниловый спирт, не привели к успеху: либо из-за высокого уровня светорассеяния в слое, либо из-за низкого значения дифракционной эффективности. Заметим, что и попытки замены желатины в галоидосеребряных эмульсиях на какой-либо другой полимер также пока не привели к серьезным результатам.

Причины уникальности слоев дихромированной желатины (ДЖ) для записи голограмм остаются до сих пор неясными. Эта неясность усугубляется и незнанием механизма записи оптической информации в ДЖ. Гипотезы об образовании микротрещин /1/ или ансамбля микропустот /2/ пока не нашли достоверного экспериментального обоснования. Попытки увидеть структурные изменения слоя методами электронной микроскопии пока не удались из-за

- 208 -

несовершенства методик для исследования белковых объектов. С другой стороны, многочисленные результаты, опубликованные в литературе /3-5/, показывают, что для стабильного получения хороших результатов при записи голограмм на ДЖ необходимо оптимизировать практически все стадии и параметры как операций подготовки слоя, так и записи, и проявления. Ситуация становится еще более запутанной, если учесть, что различные партии желатины могут значительно отличаться своими характеристиками, а проблема стандартизации желатины пока еще не решена /6/. Единственный вывод, который можно сделать после изучения огромного массива публикаций по слоям ДЖ и собственных экспериментов состоит в том, что при записи голограмм на слоях ДЖ, по-видимому, одинаково значимы все стадии и операции при поливе слоя, его сушке, при записи, проявлении, сушке и хранения. Факторами, принимаемыми во внимание, оказываются и температура всех растворов, температура и относительная влажность окружающего воздуха, и временные интервалы между различными операциями, не говоря уже о химическом составе обрабатываемых растворов. Равновлияние всех стадий обработки на конечный результат - качество записанной на ДЖ голограммы - обусловило то обстоятельство, где решающей и основной стадией формирования изобретения является проявление, в слоях ДЖ обнаружить такой основной стадии пока не удалось. Это и привело к отсутствию на современном этапе технологичной методики получения голограмм на слоях ДЖ, пока это скорее ближе к области искусства экспериментатора, чем к рутинной фотографической процедуре.

Очевидно, что существует две возможности для реализации технологии массового производства голограмм на слоях ДЖ. Первая из них - оптимизация всех операций получения голограмм по отдельности и всего процесса в целом. Но этот путь требует больших комплексных исследований и пока нереален в силу отсутствия, как отмечалось выше, стандартов по желатину. Сама желатина представляет собой статистически сложную среду. Молекулы ее способны к фазовым переходам в диапазоне комнатных температур, да к тому же слой ДЖ является по крайней мере многослойной системой, причем каждый компонент этой системы помимо разных фазовых

- 209 -

состояний (клубок, спираль) может иметь и разные уровни задубленности /7/. Другая и более реальная возможность записи голограмм на слоях ДЖ состоит в использовании принципа обратной связи, который был реализован для стадии записи голографических решеток способом контроля дифракционной эффективности (д.э.) скрытого изображения, формирующегося в слое ДЖ /8,9/. Такой подход позволяет контролировать непосредственно результат записи с неявным учетом свойств данного конкретного слоя ДЖ.

Современные взгляды на процесс записи оптического изображения в слоях ДЖ характеризуются крайней противоречивостыо /5,7/

Поскольку желатина по своему составу очень сложна, в ней могут происходить фазовые переходы, молекулы имеют большой по абсолютному значению и по разбросу молекулярный вес, сложную структуру, свойства слоя сильно зависят от способа его приготовления, то слой ДЖ имеет высокую степень многообразия и может откликаться на различные световые воздействия, что и обеспечивает большой динамический диапазон такой регистрирующей среды. Это проявляется, в частности, в возможности записи большого количества наложенных голограмм /10/. Крахмал и поливиниловый спирт имеют в этом смысле более простые свойства, что, по-видимому, и не позволило их использовать столь же широко, как и желатину. Сложность ДЖ как объекта исследования не позволила создать удовлетворительного теоретического описания ее и не позволяет надеяться на это в будущем. Возможно, видимо, только какое-то обобщенное описание процесса записи голограмм в слоях ДЖ, может быть, в термодинамических терминах, хотя реально, на практике, значительную роль играют неравновесные ситуации при обработке слоя, например, быстрая сушка в горячем изопропаноле.

Поскольку уровень шумов при записи на слоях ДЖ очень низок, то дефекты слоя, если они возникают, оказывают заметное влияние на качество оптического изображения. Можно выделить три типа шумов, возникающих в голограммах на слоях ДЖ. Наиболее известный из них - так называемая "изморозь" - матовый налет, появляющийся на поверхности слоя, после завершения обработки. Этот дефект возникает из-за слабой задубленности поверхности слоя ДЖ

- 210 -

и температурных перепадов между различными стадиями обработки голограммы. "Изморозь" достаточно эффективно устраняется поддубливанием слоя перед проявлением /10/. Вообще говоря "изморозь" по своим свойствам схожа с фотографической вуалью, поскольку, чем меньше "изморозь" (т.е. чем лучше задублен слой), тем ниже светочувствительность слоя. На "изморози" достаточно эффективно была реализована запись фотографий Липпмана /11/.

Другой вид дефектов, на который впервые обращено внимание в /7/, связан с "выходами" голографических структур на поверхность слоя. Под этим понимается то, что источниками поверхностных дефектов являются места пересечения плоскостей интерференционных максимумов записываемой голографической структуры с поверхностного слоя. Для описания таких дефектов, видимо, применима концепция Шанкова /1/ о микротрещинах. Скорее всего, при записи плоских голограмм регистрация оптической информации происходит по данному механизму, а в случае записи объемных голограмм или голограмм Денисюка места выхода голографических структур, образованных паразитными пере отражениям и когерентного света, служат источниками мешающего светорассеяния.

Третий вид дефектов - это так называемое "молоко" - образование на одном участке или по всей голограмме сильно светорассеивающего слоя, похожего на молочное стекло, причем этот дефект не поверхностный. Причины образования таких дефектов не вполне ясны, но чаще всего они возникают на слабозадубленных слоях ДЖ при резких перепадах температур обрабатывающих растворов. Возможно, что своим происхождением "молоко" обязано вариациям уровня задубленности желатина по толще слоя и тому, что эти вариации, возникающие на стадии приготовления эмульсии, относительно сильнее проявляются именно при низком уровне задубленности всего слоя в целом. Косвенное подтверждение этого предположения можно найти в том факте, что при быстром фиксировании галоидосеребряных эмульсий со слабозадубленной желатиной может происходить разрыв слоя желатины продуктами фиксирования микрокристалла галоидного серебра. Заметим, что именно возрастающая дефектность слоя ДЖ при снижении уровня задубленности слоя затрудняет повышение

- 211 -

светочувствительности слоев хромированных коллоидов. По результатам исследований систем хромированных коллоидов можно выделить следующие пути их развития. Первый из них - это применение методик проявления либо приготовление слоев, в максимальной степени нивелирующих различия между индивидуальными по свойствам партиями желатины. В той или иной степени такая нивелировка осуществляется повышением общей задубленности слоя. Такие методики известны - это использование сильно задубленных слоев ДЖ с последующим проявлением в соляной кислоте либо в щелочи, либо в кипящем изопропаноле, либо с отмыванием фазового рельефа в горячей воде /3,12,13/. Использование таких "жестких" по своему воздействию на слой методик приводит либо к значительному снижению светочувствительности (по сравнению со слабо задубленными слоями), либо к росту уровня шумов, но при этом значительно возрастает воспроизводимость результатов.

Другим направлением исследований систем хромированных коллоидов для голографии является, конечно, поиск новых коллоидных соединений и очувствляющих реагентов, изучение для этих целей привитых сополимеров желатины, стандартизация сортов желатины по их составу, оптимизация режимов проявления, т.е. тот классический путь, который уже прошли галоидосеребряные эмульсии.

В /2/ отмечалось значительное различие голографических характеристик и степени воспроизводимости результатов для тонких и толстых слоев ДЖ. Систематически эта проблема не исследовалась. Можно предположить, что определенные перспективы связаны с использованием многослойных систем ДЖ. Так, например, наличие высокоэадубленного слоя (тонкого) на поверхности слоя ДЖ может затруднить образование "изморози" и дефектов, связанных с выходом голографической структуры на поверхность, что может улучшить качество изображения, восстановленного с объемной голограммой. Наличие высокозадубленного подслоя желатины на стеклянной подложке улучшит адгезию всего слоя и будет препятствовать возникновению эффекта ретикуляции, часто появляющемуся при проявлении слабозадубленных слоев желатина.

- 212 -

Поскольку запись оптической информации на слоях ДЖ предполагает наличие в слое как одного из необходимых компонентов воды, то естественно было попробовать введение воды не из водяной ванны, а с помощью паров воды. Такие попытки были предприняты в /4,14/, где экспонированные слои помещались в атмосферу с повышенной относительной влажностью и наблюдалось значительное (до 10 раз) повышение дифракционной эффективности скрытого изображения. Это послужило основой для применения слоев ДЖ как регистрирующей среды реального времени.

Желатиновая эмульсия образуется в результате студенения золя, когда изолированные молекулы собираются вместе, образуя ячеистую структуру /15/. В процессе поглощения водяных паров желатиновым слоем можно выделить две стадии: 1) первичное поглощение на внутренних поверхностях желатины, обусловленное аминогруппами (приводящее, видимо, к образованию центров конденсации) и 2) последующее поглощение вследствие конденсации водяных паров в пустотах внутри структуры слоя /15/. Кроме того, поглощение воды сухим желатиновым слоем обусловливается главным образом силами поверхностного натяжения, зависящими от капиллярной структуры геля, и подобно смачиванию порошков /15/. Прямым подтверждением наличия пористой структуры является существование гистерезиса в зависимости между количеством влаги, поглощаемой сухой желатиной и относительной влажностью атмосферы /15, рис.30/. В соответствии с рекомендациями с ИЮПАК этот гистерезис может быть отнесен к петлям типа Н₁ или Н₃, что позволяет предположить наличие микропористости или щелевидных пор /16/. Получить кривую адсобции для системы газ-слой желатины методами, например, гелиевой порометрии достаточно сложно, что может быть связано с изменением пористой структуры желатины под действием паров воды вследствие ее набухания, что, в свою очередь, может менять размер и структуру пор. Конечно, прямое доказательство существования пор в слоях ДЖ может быть получено только методами электронной микроскопии, но как это сделать пока не известно.

Пористая структура слоя ДЖ позволила реализовать проявление слоя без стадии "мокрой" обработки при помощи подачи водяных

- 213 -

паров, имеющих более высокую температуру, чем слой, прямо на проявляемый участок слоя ДЖ /17/. В /18/ показано, что проявление происходит за счет того, что сконденсировавшаяся в слое вода приводит к дифференциальному набуханию слоя, что и формирует фазовый рельеф, соответствующий распределению интенсивности регистрируемого излучения. Установившееся значение дифракционной эффективности проявленной голограммы определяется относительной влажностью окружающего воздуха, свойствами желатинового слоя (степенью его эадубленности) и энергии экспозиции. Понятно, что при такой методике проявления в слое ДЖ остается только то количество воды, которое может удержать сам слой, а "лишняя" вода, образовавшаяся в результате конденсации пара на слое, испаряется. Таким образом, полученная в результате записи плоская голограмма будет иметь характеристики, определяемые свойствами желатина и энергией экспозиции. Такая "саморегуляция" позволяет надеяться, что характеристики проявленной паром голограммы будут достаточно однозначно связаны с характеристиками проявленной обычным способом голограммы на ДЖ на этом же слое. Поэтому дальнейшее изучение механизма проявления ДЖ парами воды может, в частности, дать экспрессную тест-методику для определения конечного качества голограммы без полного проведения операций "мокрого" проявления.

Несмотря на то, что при проявлении парами воды слоев ДЖ удается реализовать ряд голографических и интерферометрических операций реального времени /17/, недостаточная разрешающая способность (до 200 л/мм) такой методики (обусловленная тем, что фазовый рельеф формируется за счет дифференциального набухания слоев) ограничивает, конечно, область применения слоев. Поэтому актуальной является задача повышения разрешающей способности. Ее можно решить различными способами. Первый из них - это уменьшение толщины слоя ДЖ до значений около 1 мкм, что позволяет (теоретически) достичь разрешающей способности до 1000 л/мм. Однако, на этом пути есть и большие технологические сложности, связанные как с поливом таких тонких слоев, так и с их проявлением парами воды. Другой путь - это предварительное структурирование

- 214 -

или организация всего слоя ДЖ. Реализовать его можно следующим образом: на слое ДЖ голографически записывается двумерная высокочастотная дифракционная решетка, которая проявляется обычным образом. После проявления такая решетка вновь сенсибилизируется бихроматом аммония и используется как регистрирующая среда, проявляемая парами воды. В этом случае посредством записи мы производим дискретизацию обычно континуальной среды, какой является слой ДЖ. Грубо можно представить, что запись будет происходить по "точкам", ограниченным задубленными "барьерами" желатины, сформировавшимися при предварительном структурировании слоя посредством записи решетки. Конечно, последствия такой "дискретной" записи будут не очень хорошими - снижение светочувствительности, появление шумов дискретизации, рост уровня дефектов и т.д. Поэтому более привлекательным вариантом было бы повышение разрешающей способности без "дискретизации" слоя. Единственный способ сделать это состоит в том, чтобы лишить слой возможности набухания по толщине. Тогда вариации набухания слоя при проявлении будут вынуждены реализовываться в виде структурно-плоскостных изменений в самом слое. Это требует создания "сэндвичевых" структур, т.е. размещения желатинового слоя между, например, двумя стеклянными подложками, что исключает возможность проявления парами воды.

На положительное решение проблемы повышения разрешающей способности слоев ДЖ, работающих в реальном масштабе времени, позволяет надеяться недавно реализованный нами совместно с Н.Ф.Валаном и Н.Н.Лосевским режим самопроявления глицериново-коллоидных хромированных эмульсий. В самом первом приближении можно считать, что введение глицерина способствует удержанию молекул воды в слое в количестве, достаточном для проявления при его экспонировании. Использование таких самопроявляющихся систем позволило получить при записи плоских голографических решеток дифракционную эффективность до 30%. Необходимо отметить, что механизм записи в таких эмульсиях пока не исследован, что и затрудняет определение перспектив их применения.

Дальнейшее развитие работ и исследование по хромированным коллоидам определяется возможностями их применений на практике.

- 215 -

Хорошо известным и успешным применением слоев ДЖ является изобразительная голография, в частности, изготовление голографических сувениров. Оно, однако, сдерживается отсутствием приемлемой для промышленности по степени воспроизводимости методики получения голограмм Денисюка.

Решение этой проблемы возможно на пути создания методики экспресс-контроля слоев ДЖ путем проявления парами воды либо по величине скрытого изображения на стадии экспонирования, как отмечалось выше. Необходимость массового выпуска изобразительных голограмм с неизбежностью требует роботизации процессов подготовки и проявления слоев ДЖ и стадии записи голограмм. Возможность создания такой роботизированной установки для изготовления голографических сувениров в настоящее время изучается в Исследовательском центре Научно-технического центра Волжского автозавода.

Возможности оперативного контроля методами голографической интерферометрии могут быть значительно расширены при исследовании хромированных коллоидов, работающих в оперативном режиме Либо при проявлении парами воды, либо при самопроявлении. Можно отметить, что хромированный крахмал, работающий в общих чертах по тому же механизму, что и ДЖ, может быть нанесен, практически на любую подложку, поскольку по своим свойствам он является не чем иным, как клейстером с соответствующей величиной адгезии. Это может позволить реализовать новые методики контроля изделий и объектов в отличие от способа накладных голограмм.

Таким образом, несмотря на то, что светочувствительность хромированной желатины открыта в 1852г. Фоксом Тальботом, механизм работы хромированных коллоидов остается до сих пор неясным, а в силу этого и их применение на практике пока не вышло из стен лаборатории.

Авторы благодарят за плодотворные обсуждения Ю.В.Кузилина, Н.Н.Лосевского и В.П.Шерстюка.

- 216 -

Л и те р а т у р а

1. shankoff Т.a. phase holograms in dichomated gelatin.-appl.opt., 1968, 10, pp.2101-2105.

2. case s.k., alfernes r. jndex modulation and spatial harmonic generation in dichromated gelatin films,- appl.phys. 1976, 10, n 1, р.41-51.

3. nakashimura m., jnagaki Т., niehmura y. highly neproducible hologram of hardened dichromated gelatin proceesed with hc1.-jap.j.appl. phys. 1975, 14, n 3, pp.377-383.

4. Баженов b.Ю., Бурыкин Н.М., Васнецов М.В., Волков С.С., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Исследование процессов образования объемных фазовых голограмм в слоях бихромированной желатины. - Украинский физический журнал. 1982. 27, №1. С.30-36.

5. Крюков А.И., Шерстюк В.П., Дилунг И.И. Фотоперенос электрона и его прикладные аспекты. - Киев. Наукова Думка, 1982.

6. Измайлова В.Н., Соболев Г.А., Соболева С.Б., Ямпольская Г.П., Туловская З.Д. Процесс структурообразования в слоях бихромированной желатины для регистрации голограмм. // Материалы и устройства для регистрации голограмм. Под ред. В.А. Барачаевского, ЛФТИ. Л. 1986, С.47-67.

7. Кузилин Ю.Е. Факторы, определяющие воспроизводимость параметров голографической структуры контрнаправленных голограмм на БХЖ. // v Всесоюзная конференция по голографии .Рига. 1985. Т.1. С.111-112.

8. Соболев Г.А., Гирина М.Г. Когерентно-оптический контроль фотопроцесса в голографии. - Техника кино и телевидения, 1973. №6. С.19-22.

9. Ерко А.И., Малов А.Н. Запись голограмм в слоях дихромировапного желатина с контролем по скрытому изображению. -Труды ЛПИ. 1979. №366. С.107-110.

- 217 -

10. Кольер Р., Берхарт К., Лин Л. Оптическая голография. -m., Мир, 1972 .

11. Согоконь А.Б. Обработка изображений с использованием липпмановской фотографии. // Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов. М.ВНИИОФИ, 1987. С.193.

12. Ерко А.И., Малов А.Н. Оптимизация параметров обработки слоев дихромированной желатины для записи оптической информации. - Препринт ИФТТ АН СССР, Черноголовка, 1979.

13. Балан Н.Ф., Калинкин В.В., Лосевский Н.Н. Роль режимов очувствления и проявления при голографической записи мультиплицирующих элементов на дихромированной желатине. // Оптическая запись и обработка информации. Под ред. В.А.Сойфера, Куйбышев. КуАИ. 1986. С.78-84.

14. calixto s., lessard r. real-time holography with undeveloped dichromated gelatin films.-appl.opt. 1984, 23. pp.1989-1994.

15. Миз К. Теория фотографического процесса.- М-Л., Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1949г.

16. Грег С., Синг К. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость. -m., Мир, 1984г.

17. Балан Н.Ф., Калинкин В.В., Лосевский Н.Н., Малов А.Н. Слои дихромированной желатины как голографическая регистрирующая среда, работающая в реальном времени. // v Всесоюзная конференция по голографии. Рига, 1985. Т.11. С.400-401.

18. Балан Н.Ф., Калинкин В.В., Лосевский Н.Н., Малов А.Н. Оперативная коррекция и дозапись голограмм в слоях бихромированной желатины. // Материалы и устройства для регистрации голограмм. Под ред. В.А.Барачевского, ЛФТИ, Л., 1986, С.68-78.