МОДИФИКАЦИЯ
СТРУКТУРЫ ОТБЕЛЕННЫХ
ГОЛОГРАММ
С.Н. Малов, В.Г. Павлинский
Иркутский
филиал Института лазерной физики СО РАН
664033,
г.Иркутск-33, а/я 4038
Обычно
процесс отбеливания направлен на получение голограмм, модулирующих
свет замедлением волнового фронта, а не его ослаблением.
Результатом этого процесса является заметное увеличение
дифракционной эффективности, что важно для многих применений
голографии. Существует при типа процессов отбеливания. Первый
- прямое отбеливание. Он включает в себя преобразование
проявленных зерен металлического серебра в осадки прозрачной
соли, имеющей больший, чем у желатины показатель преломления.
Обычно это галогениды серебра. Второй - обратимое отбеливание,
при котором растворяются проявленные зерна серебра нефиксированной
голограммы, а показатель преломления модулируется непроявленными
монокристаллами галогенида серебра, и третий - поверхностно-рельефное
отбеливание.
Из
всех перечисленных процессов отбеливания наиболее часто
используется прямое отбеливание. В литературе описано очень
много процедур отбеливания, причем большая их часть "находится
на грани современной алхимии" [1].
Сущность
процесса отбеливания с химической точки зрения - окислительно-восстановительная
реакция, при которой проявленные микрокристаллы металлического
серебра амплитудной голограммы окисляются до каких-либо
прозрачных кристаллов соединений серебра, естественно, нерастворимых
в воде.
Некоторые
авторы считают, что отбеливатели, включающие промежуточную
окислительную ступень, почти всегда уменьшают передаточную
функцию модуляции из-за случайной диффузии серебра, и поэтому
рекомендуют прямые отбеливатели, такие, как хлорная или
бромная вода [1]. Процесс отбеливания в них предельно прост,
и описывается следующими уравнениями:
2Ag
+ Br2 ® 2 AgBr
2Ag
+ Cl2 ® 2 AgCl
Кроме
прямых хлорного и бромного отбеливателей следует отметить
прямой йодный отбеливатель, дающий стабильные, не темнеющие
на свету, с исключительно ярким изображением, голограммы
[2,3,4].
Дифракционная
эффективность отбеленных голограмм зависит от разности показателей
преломления желатины (1.53) и прозрачного соединения серебра.
В ряду AgCl, AgBr, AgJ показатель преломления возрастает
и составляет 2.07, 2.22 и 2.25, соответственно. Поэтому
из трех перечисленных отбеливателей прямой йодный дает максимальную
дифракционную эффективность. Но его применение связано с
несколькими проблемами. Во-первых, сам по себе йод нерастворим
в воде, но хорошо растворим в спирте, поэтому в литературе
описан прямой йодный отбеливатель следующего состава [3,4]:
спирт
)метиловый или этиловый) 750 мл
йод
кристаллический 2 - 5 гр
вода до
1000 мл
Такой
отбеливатель обычно повреждает эмульсию и, следовательно,
является значительным источником шумов и ухудшения контраста,
что особенно заметно на незадубленных эмульсиях.
Что
касается йодного отбеливания, то следует отметить, что водный
йодный отбеливатель, используемый нами, очень практичен
и удобен в обращении. Дело в том, что йод, не растворяясь
в воде, очень хорошо растворяется в водном растворе йодистого
калия. Такой отбеливатель, при разумно выбранных концентрациях,
позволяет получать голограммы с высокой дифракционной эффективностью
без повреждения эмульсии:
KJ
+ Jn-1 ® KJn
Поскольку
структура отбеленных голограмм образована из микрокристаллов
соединений серебра, не следует забывать, что все вещества
могут претерпевать химические превращения, и эти соединения
могут быть переведены в другие, с целью увеличения дифракционной
эффективности, уменьшения шумов за счет минимального повреждения
эмульсии в процессе отбеливания. Такие превращения носителя
голографической структуры можно называть модификацией структуры
отбеленных голограмм.
Этот
процесс реализуется за счет различных реакций, таких, как
обменные реакции, протекающие ввиду разности произведений
растворимости различных соединений серебра, окислительно-
восстановительных реакций, а также некоторых других. Например,
если проводить отбеливание дубящим отбеливателем R10 [5],
то структура голограммы будет построена из микрокристаллов
AgCl. Причем окисление проявленных зерен серебра идет в
одну стадию, что минимально влияет на передаточную функ-
цию
модуляции, поскольку в отбеливателе практически мгновенно
протекает реакция:
То
есть само отбеливание идет c участием только хлора. Кроме
этого присутствие соли трехвалентного хрома обуславливает
задубливание эмульсионного слоя, что предотвращает его повреждение
при отбеливании. Такую отбеленную голограмму, носителем
структуры которой является AgCl, можно модифицировать обменной
реакцией, что даст существенное повышение дифракционной
эффективности.
AgCl
+ KJ ® AgJ + KCl
Реакция
протекает ввиду того, что произведение растворимости AgCl
намного выше, чем у AgJ. В результате реакции
модификации мы реализуем положительные стороны прямого дубящего
хлорного отбеливания (не поврежденная эмульсия, низкий уровень
шумов) и йодного отбеливания (высокая дифракционная эффективность).
Так дифракционная эффективность голографической дифракционной
решетки 200 мм-1, отбеленной R10 (значения дифракционных
эффективностей отбеленных голографических решеток получены
как отношение интенсивностей всех восстановленных пучков
к интенсивности восстанавливающего пучка) составляет 31.7%,
тогда как после модификации описанным способом она возрастает
до 76.1%. Для дифракционной решетки 400 мм-1
дифракционная эффективность после отбеливания R10 составляет
14.6%, а после модификации 31.7%.
Относительно
дубящего отбеливания следует отметить, что в области низких
пространственных частот дубление повышает дифракционную
эффективность. Так для дифракционной решетки 200 мм-1
отбеливание бромной водой дает дифракционную эффективность
43.4%, тогда как бромное дубящее отбеливание - 66.6%.
Дубящий
бромный отбеливатель имеет состав, аналогичный отбеливателю
R10, только вместо NaCl в него вводится KBr.
Кроме
того нами испытан дубящий йодный отбеливатель, построенный
по аналогии с отбеливателем R10 и дубящим бромным, который
дает наилучшие результаты по дифракционной эффективности
и потерям на поглощение и рассеяние света. Так для дифракционных
решеток 1000 см-1 он обеспечивает дифракционную
эффективность 17.4%, тогда как не дубящий йодный отбеливатель
- 14.4%, а все остальные отбеливатели обеспечивают дифракционную
эффективность не более 7%.
Кроме
галогенидных отбеливателей в литературе описан процесс отбеливания,
основанный на окислении микрокристаллов проявленного серебра
красной кровяной солью [6,7]
Ag
+ K4[Fe(CN)6] ® Ag4[Fe(CN)6
+ K4[Fe(CN)6].
Этот
процесс дает достаточно хорошие результаты и не повреждает
эмульсию. Уровень шумов при этом не высок. Кроме того, структура
голограммы построена из микрокристаллов Ag4[Fe(CN)6],
которые открывают широкие возможности для модификации
структуры голограммы с помощью окислительно-восстановительных
реакций:
2Ag4[Fe(CN)6]
+ Cl2 ® 2 AgCl + 2Ag3[Fe(CN)6] (1)
2Ag4[Fe(CN)6]
+ Br2 ® 2 AgBr + 2Ag3[Fe(CN)6] (2)
2Ag4[Fe(CN)6]
+ J2 ® 2 AgJ + 2Ag3[Fe(CN)6] (3)
Следует
также отметить, что означенные процессы имеют в свою очередь
различные варианты(с дублением и без него), а полученные
носители структуры голограмм также могут быть далее модифицированы.
Например, процесс (1) может иметь следующее продолжение
в виде:
AgCl
+ Ag3[Fe(CN)6] KJ ®
AgJ + Ag3[Fe(CN)6]
Для
дифракционной решетки 400 мм-1 дифракционная
эффективность для различных стадий реакции составляют 11%
(структура голограммы составлена Ag4[Fe(CN)6]),
7% (структура составлена микрокристаллами Ag3[Fe(CN)6]
и AgCl и 17% (структура голограммы после второй
модификации состоит из зерен Ag4[Fe(CN)6]
и AgJ).
Как
уже отмечалось выше, с помощью модификации удается совместить
положительные стороны различных процессов отбеливания. Так
для дифракционных решеток 200 мм-1 и 400 мм-1
лучшие результаты по потерям света на рассеяние и поглощение
показала методика отбеливания с R10 и последующей модификацией
раствором KJ (19.8% и 32.3%, соответственно). По дифракционной
эффективности этот процесс оказался одним из лучших (см.
таблицу 1).
Кроме
дифракционной эффективности, потерь на рассеяние и поглощение
света существуют и другие характеристики дифракционных решеток.
Варьируя процессы отбеливания и модификации можно получать
и различные соотношения между интенсивностями первого, второго
и третьего порядков дифракции. Также существует возможность
изменять число восстанавливаемых порядков дифракции голографических
дифракцион-
ных
решеток. Так, йодное отбеливание дифракционных решеток 200
мм-1 позволяет восстанавливать до восьми порядков
дифракции как в прошедшем, так и в отраженном свете, а хлорное
отбеливание только до четырех порядков дифракции.
Сравнить
различные процессы отбеливания и модификации для голографических
дифракционных решеток 200 мм-1 можно по таблице
1.
Характеристики
голографических дифракционных решеток 200 мм-1,
полученных с различными отбеливателями и модификаторами
|
Отбелива-тель
|
Модификатор
1
|
Модификатор
2
|
ДЭ1
пор
(%)
|
ДЭ2
пор
(%)
|
ДЭ3
пор
(%)
|
ДЭ4
пор
(%)
|
Потери
(расс.,
погл.)
|
|
R10
Br2
KJn
K3[Fe(CN)6]
R10
K3[Fe(CN)6]
K3[Fe(CN)6]
K3[Fe(CN)6]
K3[Fe(CN)6]
K3[Fe(CN)6]
K3[Fe(CN)6]
|
KJ
Br2
KJn
R10
R10(J)
R10(Br)
R10
|
KJ
|
14.9
19.6
27.6
17
27.6
13.2
25.5
18.1
27.6
24.5
21.3
|
0.85
1.9
8.5
1.3
9.6
0.91
7
1.5
7.4
3.2
2.3
|
0.08
0.2
1.1
0.06
0.85
0.06
0.64
0.08
0.64
0.25
0.1
|
0.08
0.08
0.1
0.06
|
26.9
21.3
21.5
21.7
19.8
20.9
22.4
25.5
20.9
18.6
20.2
|
Как
видно из таблицы, для пропускающих голограмм наилучшие показатели
обеспечивают процессы отбеливания и модификации, в результате
которых носителем структуры голограммы является йодид серебра,
то есть вещество, имеющее максимальный коэффициент преломления
по сравнению с другими солями серебра, ответственными за
построение изображения отбеленными голограммами.
Выводы
1.
Модификация структуры отбеленных голограмм позволяет управлять
характеристиками отбеленных голограмм в нужном экспериментатору
направлении.
2.
Выбором процесса отбеливания и (или) модификации возможно
получение голограмм с наиболее удачными характеристиками
(в определенных пределах).
3.
Йодные отбеливатели и модификаторы позволяют получать голограммы
с максимальной дифракционной эффективностью.
4.
В области низких пространственных частот бромные отбеливатели
приближаются по своим показателям к йодным.
ЛИТЕРАТУРА
1.
С.Бентон. "Фотографические материалы и их обработка"- в
кн."Оптическая голография" пер. с англ./Под ред. Г.Колфилда.-
М.: Мир, 1982 - т.2, с.381-401.
2.
Gross L., частное сообщение, Multiplex Co., San Fransisco,
Calif., 1976.
3.
Kido K., Arai N., Japan kokai., 76-26, 136 (1 March 1976).
4.
McMahon D.H., Mahoney W.T., Appl.Opt., v.9, 1363
(1970).
5.
Russo V., Sottini S., Bleached holograms. Appl.Opt., 1968,
v7, №1, p.202.
6.
Р.Кольер, К. Беркхарт, Л.Лин. Оптическая голография: Пер
с англ./Под ред. Ю.И.Островского.- М.: Мир, 1973, с.299-348.
7.
Burkhardt C.B., Doherty E.T., Appl.Opt., v.8, 2479
(1969).
