С.П.Коноп, А.Н.Малов

Приднестровский университет,

278000 Тирасполь, ул. 25 Октября, 128

Несмотря на то, что на сегодняшний день известно достаточно много голографических регистрирующих сред, слои дихромированной желатины (ДЖ) 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 (д.э.). Попытки замены желатины в галоидосеребрянных эмульсиях на какой-либо другой полимер также пока не привели к серьезным результатам.

Причины уникальности свойств слоев 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 в слое методами электронной микроскопии пока не удались из-за несовершенства методик исследования белковых объектов. С другой стороны, многочисленные результаты [3-5], показывают, что для стабильного получения хороших результатов при записи голограмм на слоях ДЖ необходимо оптимизировать практически все стадии и параметры как операций подготовки слоя, так 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, по-видимому, можно сделать на основании всего массива экспериментальных результатов, состоит в том, что при записи голограмм на слоях ДЖ, одинаково значимы все стадии и операции при поливе слоя, его сущке, при записи, проявлении, сушке и хранении. Факторами, принимаемыми во внимание, оказываются и температура всех растворов, температура и относительная влажность окружающего воздуха и временные интервалы между раз-

личными операциями, не говоря уже о химическом составе обрабатывающих растворов. Равновлияние всех стадий обработки на конечный результат - качество записанной на ДЖ голограммы - обусловило то обстоятельство, что в отличие от галоидосеребрянных эмульсий, где решающей и основной стадией формирования изображения является проявление, в слоях ДЖ обнаружить такой основной стадии пока не удалось [7]. Это привело к отсутствию на современном этапе технологичной методики получения голограмм на слоях ДЖ, и пока эта процедура ближе к области искусства экспериментатора, чем к рутинной фотографической технологии.

Уникальность слоев ДЖ как голографической регистрирующей среды обусловлена, по-видимому, их биоподобной молекулярной и надмолекулярной структурой. Сложная первичная фотохимическая реакция, так до конца и не понятая к настоящему времени, может вызывать различные физические явления в слое ДЖ, что и обуславливает почти идеальную фазовую регистрацию записываемых волновых фронтов. Если относительно первичной фотохимической реакции существует целый ряд соображений [5], то сам механизм формирования изображения на надмолекулярном уровне остается неизвестным. В таблице 1 приведены возможные механизмы формирования фазового изображения в слое ДЖ, предложенные в литературе. В этой же таблице приведены и предположительные методики обработки, выявляющие роль именно данного механизма формирования фазового изображения.

Возможные механизмы формирования фазового изображения

при записи голограмм в слоях ДЖ

Растрескивание слоя при его быстрой дегидратации в процессе проявления [1] так и осталось гипотетическим механизмом не нашедшим достоверного экспериментального доказательства; связывание молекул изопропанола в местах сшивки молекул коллагена фотовозбужденными ионами хрома [8], вероятно, имеет место, но не может полностью объяснить запись фазового рельефа, поскольку голограммы записываются в слое ДЖ и без изопропанола с достижением почти теоретически возможных предельных значений, как это происходит при проявлении парами воды [9] или в самопроявляющихся хромированных коллоидах [10]. Формирование фазового рельефа в ДЖ за счет микровакуолей и микропор [7] и/или перемещения микромолекулярных сегментов молекул коллагена [5] также оставляет непонятным сам

механизм формирования таких структурно-фазовых неоднородностей, в частности, при записи дефектов голографических структур типа дислокаций или их “выходов” на поверхность слоя [11].

Отсутствие резонансного поведения у частотно-контрастной характеристики слоев ДЖ позволяет предположить, что в соответствии с таблицей, при разных пространственных частотах записываемых голограмм реализуются различные механизмы формирования фазового рельефа. Используя современную физическую терминологию [12,13] , можно сказать, что слои ДЖ

обладают существенными фрактальными свойствами, т.е. совокупность молекул коллагена при учете различных режимов обработки образуют множество, для которого размерность Хаусдорфа-Безиковича превышает их топологическую размерность.

Физически фрактальность слоев ДЖ обусловлена, во-первых, сложной структурой молекул коллагена, во-вторых, пористым строением слоя в целом, что позволяет реализовываться различным механизмам формирования фазового изображения (см. таблицу) и, наконец, сложной структурой связанной воды, находящейся в слое. При использовании стандартных методик проявления и обезвоживания слоев ДЖ изопропанолом определенный вклад в фрактальные свойства слоя может вносить и явление возникновения "пальцев" при вытеснении воды изопропанолом [12], что ранее трактовалось как связывание молекул изопропанола в местах экспонирования [8].

Коллагеновые структуры и желатин могут формировать квазижидкокристаллические образования, которые реагируют на слабые электромагнитные поля. Высокая оптическая активность желатина, проявляющаяся в больших значениях среднеквадратичного отклонения локального показателя преломления от его среднего значения, приводит к возникновению очень больших флуктуаций амплитуды поля, которые действительно наблюдаются в случае гладко изменяющейся поверхности волнового фронта и соответствуют наличию каустик и спекл-картин в распределении интенсивности света [13].

В целом, механизм записи оптической информации в слоях ДЖ с учетом фрактальности можно представить следующим образом. Слой ДЖ, имеющий фрактальную структуру из-за биологического происхождения молекул желатина и выражающуюся, в частности, в пористом его строении, при высыхании политого слоя или его сенсибилизации в растворе бихромата аммония удерживает воду в связанном (анизотропном) состоянии. При этом связанная вода также имеет фрактальную. структуру, формирующуюся под действием полей макромолекул коллагена и наиболее отчетливо это может проявляться в желатин-глицериновых самопроявляющихся слоях ДЖ [7,10]. Распределение ионов хрома, обеспечивающих светочувствительность слоя, также повторяет фрактальную структуру воды и желатина. Под действием света в результате первичной фотохимической реакции происходит изменение состояния иона хрома, что может быть описано как перестройка тетраэдрических комплексов хрома в октаэдрические структуры, влекущая за собой изменение состояния связанной воды, что вызывает перемещение макромолекуляр-

ных сегментов коллагена [5] и фазовые переходы молекул коллагена типа "клубок-спираль". Кроме того, обусловленные сильной оптической анизотропией слоя ДЖ большие флуктуации электромагнитного поля - каустики, спекл-картины, дислокации волнового фронта - также вносят дополнительный вклад во фрактализацию записываемой структуры. При проявлении водой по традиционным методикам сшивание соседних молекул в местах максимальной концентрации трехвалентных ионов хрома, что соответствует суммарной фрактальной структуре связанной воды, обусловленной всеми вышеперечисленными факторами, и промодулированной записываемым светораспределением. При дегидратации слоя ДЖ за счет вытеснения воды из трехмерной пористой структуры желатинового слоя "пальцами” изопропанола наряду с формированием дополнительной фрактальной структуры также происходит модуляция структурно-плотностных характеристик среды в соответствии с записываемым светораспределением.

Фрактальные свойства обеспечивают высокое (до 15000 лин/мм) разрешение и дискретность регистрации оптического поля континуальной средой при отсутствии значительных резонансных осцилляций частотно-контрастной характеристики, что и итоге обеспечивает высокое качество записанных на ДЖ голограмм. Поскольку локальная фрактальная размерность оптического фазового рельефа, записанного в слое ДЖ превышает топологическую размерность слоя, то возможно дать новое объяснение старого парадокса о способе записи трехмерного волнового поля в двухмерной регистрирующей среде. Кроме того, фрактальность свойств слоев ДЖ или всего процесса записи и проявления голограмм на них позволяет объяснить возможность регистрации дислокаций волнового фронта, без которых невозможно получать изобразительные голограммы высокого качества.

Таким образом, даже качественный анализ имеющихся экспериментальных данных в рамках фрактальной концепции указывает на возможность согласования различных, ранее считавшихся взаимоисключающимися, механизмов формирования фазового изображения в слоях ДЖ. Следующим необходимым этапом в этом направлении представляется формулировка адекватной математической модели записи оптической информации в хромированных коллоидах.

1. Shankoff T.A. Phase holograms in dichromated gelatin.- Appl.Opt., 1968, v.10, pp.2101-2105.

2. Case S.K. Alferness R. Index modulation and spatial harmonic generation in dichromated gelatin films.- Appl.Phys., 1976, v.10, pp.41-51.

3. Nakashimura M., Inagaki N., Nishimura Y. Highly reproducible holograms of hardened dichromated gelatin processed with HCl.- Jap.J.Appl.Phys., 1975, v.14, pp.377-383.

4. Баженов М.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.- Укр.физ.журнал, 1982, т.27, 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.Барачевского, Л., ФТИ, 1986, с.47-67.

7. Калинкин В.В., Малов А.Н. Хромированные коллоиды в голографии: современное состояние, проблемы и перспективы.// Голография: теоретические и прикладные вопросы. Л., ФТИ, 1988, с.207-217.

8. Meyerhofer D. Phase holograms in dichromated gelatin.- RCA Review, 1972, v.33, pp.110-130.

9. Калинкин В.В., Лосевский Н.Н., Малов А.Н. Характеристики слоев бихромированной желатины при оперативной записи голографической информации.// Применение методов голографии в науке и технике, Л., ФТИ, 1987, с.128-133.

10. Sherstyuk V.P., Malov A.N., Maloletov S.M., Kalinkin V.V. Some principles for formation of self-developing dichromated media.- Proc. SPIE, 1991, v.1238, pp.218-223.

11. 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.

12. Федер Е., Фракталы .- М., Мир, 1991.

13. Фракталы в физике.- М., Мир, 1988.