МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОПИЙ ГОЛОГРАММ

К.С.Мустафин

Известные способы копирований голограмм, изготовленных на фотопластинках или фотоплёнках, основаны на использовании в той или иной модификации либо техники фотографического копирования, либо интерференционной техники.

Данная лекция посвящена анализу этих способов, а также описанию нового способа копирования голограмм.

Однако этот способ оказался пригодыш дчя копирования лишь низкочастотных голограми и, несмотря на применение специальной

Частотная ограниченность, присущая фотографическому копированию, преодолена в методах, основанных на использовании интерференционной техники /3-5/. Для получения копий голограмм было предложено использовать деиствительное или мнимое изображение, восстановленное с голограммы-оригинала, путём его регистрации на фотопластинке с использованием вспомогательного референтного пучка. Такой способ может быть назван и голографическим копированием /2/, так как для получения копии в данном случае необходимо провести, ни сути дела, вторичное голографирование объекта, восстановленного с голограммы-оригинала. Очевидно, здесь фотоплёнка и голограмма-оригинал должны быть установлены на вполне определённом расстоянии друг от друга и под соответствующим углом к референтному пучку.

Однако, как показано в /7/, при интерференционном копировании нет необходимости в разделении мнимого и действительного изображений объекта и референтного пучка в плоскости копирования, т.е. зазор между копией и голограммой-оригиналом может быть сделан малым. Не нужен и отдельный опорный пучок, так как в качестве него можно использовать свет, прошедший через голограмму-оригинал (нулевой порядок).

Техника копирования весьма проста и сводится к получению обычного контактного отпечатка с голограммы-оригинала с той лишь разницей, что используется монохроматический копирующий пучок. При этом требование малости зазора между оригиналом и копией некритично и практически не влияет на предельную разрешающую способность метода.

Распределение интенсивности в плоскости копии описывается следующим уравнением /7/:

(1)

Общим основным недостатком, присущим всем интерференционным методам копирования, является возрастание уровня фона в процессе копирования, что приводит к существенному уменьшению от-

ношения сигнал/шум и, как следствие этого, к снижению предельного разрешения голограммы-копии.

, (2)

Использование этого эффекта образования рельефа на поверхности фотоэмульсионного слоя и лежит в основе описываемого ниже способа копирования голограмм, во многом аналогичного процессу получения реплик дифракционных решёток /12/.

Методика копирования голограмм состоит в следующем. Эмульсионный слой голограммы, служащей матрицей, заполняется жидкой синтетической смолой холодного отвердения (например, полиэфирной) и покрывается стеклянной пластинкой. После отвердения смолы, протекающего при комнатной температуре, матрица отделяется от подложки, а смола с отпечатком на ней рельефа голограммы остаётся на стекле. Это обеспечивается предварительной обработкой подложки адгезионным веществом - спиртовым раствором метакрилатметилтриэтаксилана. Свободное отделение оригинала от сформированной копии голограммы достигается предварительной обработкой поверхности матрицы антиадгезионным веществом - диметилдихлорсиланом.

Полученный таким образом отпечаток может также служить негативной матрицей для получения большого количества идентичных копий. Изготовленные из синтетических смол копии имеют повышенную стойкость, надёжны в эксплуатации. Кроме того, синтетические смолы оптически более однородны, чем желатиновый слой, в них нет рассеивающих центров, подобных зёрнам фотоэмульсионного слоя, и поэтому отношение сигнал/шум в изображении, восстановленном с такой копии, заметно выше, чем с голограммы-оригинала. Так, например, при голографировании на фотопластинках типа "Микрат-ВР" и фотоплёнках "Микрат-300" этот выигрыш и отношении сигнал/шум достигает 5÷10 раз.

Следует отметить, что на голограммах-оригиналах после копирования никаких заметных дефектов, связанных с процессом копирования, не было обнаружено.

теоретическую, что свидетельствует о низком отношении сигнал/шум интерференционных копий.

оригиналов (для "Микрат-300" s_опт ~ 0,5 и для "Микрат-ВР" s_опт ~ 0,85).

Из приведённых на рис.2 данных видно, что дифракционная эффективность копий с плёнок "Микрат-300" выше, чем соответствующих оригиналов практически во всём диапазоне рабочих частот и с пластинок "Микрат-ВР" лишь в области низких частот (до ν ~ 50 мм^-1 ). Для обоих типов фотоэмульсии кривые d(ν) κопий имеют резкий спад при низких частотах и более пологий при высоких. Характерно, что при низких частотах (10-20 мм^-1 ) копии имеют высокую дифракционную эффективность (~30%).

При таких пространственных частотах, соответствующих углам голографирования ~1°, возможно проведение ряда интересных экспериментов с использованием методов голографической интерферометрии, например, излучение слабых оптических неоднородностей может оказаться полезным для практики и то, что при малых углах голографирования увеличивается доля световой энергии, дифрагирующей в высшие порядки, измерения показывают, что распределение энергии по дифракционным порядкам, например в случае "Микрат-300" на частоте ν~ 20 мм^-1 и s ~ 0,7, следующее:

Абсолютное значение d(ν) копии существенно зависит от экспозиции, при которой получен оригинал.

Рис.3а,б иллюстрирует зависимость дифракционной эффективности от логарифма экспозиции lgН при ν₀=120 мм для "Микрат-300" и ν₀=300 мм^-1 для "Микрат-ВР". Как видно из рисунка, оптимальные экспозиции Н_опт копий в обоих случаях больше, чем Н_опт - оригиналов, однако в олучае "Микрат-ВР" это различие

более значительно. Из рис.3а видно, что при возрастании экспозиции до lgh~0,6 функция d(ν₀,lgh) - как оригинала, так и копии, изменяется практически одинаково и что даже при оптимальной для оригинала экспозиции фазовая составляюащя вносит заметныи вклад в дифракционную эффективность оригинала. При дальнейшем увеличении экспозиции наблюдается сспад кривой d вначале оригинала, а затем и копии. Спад этой кривой для копии можно объяснить возрастанием роли рассеяния в фотоэмульсионном слое оригинала.

.У отличие от "Микрат-300", как видно из рис.3б, при использовании фотопластинок "Микрат-ВР'' дифракционная эффективностьость копии достигает максицума при значительно большей плотности почернения (s~7,5). Однако для обоих типов фотоэмульсии имеет место соответствие между ходом кривой почернения s(lgН) и левой ветвью кривой d(lgh).

Данные рис.2 и 3 согласуются с результатами работ /14,15/ по исследованию рельефа фотоэмульсионного слоя. В /15/ установлено, в частности, что высота рельефа сильно зависит от пространственной частоты: принимает максимальное значение при ( d- толдина фотослоя), спадая вначале быстро, а затем плавно с дальнейшим её увеличением. В /14/ показано, что при низких частотах (ν~20 μм^-1) высота рельефа фотоэмульсии

типа Кодак-649 f проявленной в проявителе Кодак hrp, составляет величину 1 мкм при плотности почернения s= 4. В /15/ найдено, что высота рельефа приблизительно линейно зависит от плотности почернения во всей исследованном диапазоне частот (0÷150 мм^-1). В нашем случае-высота рельефа фазовой копии, измеренная с помощью интерференционного микроскопа при ν=320 мм^-1 и оптимальной для копии плотности почернения равна ~0,15 мкм. Следует отметить (с учётом данных /14-18/), что выбранные нами условия съёмки и проявления фотопластин были далеко не оптимальными и поэтому можно ожидать, что дальнейшая разработка рельефно-фазового метода копирования приведёт к повышению К П Д копий.

3. Применение рельефно-фазовых копий голограмм

Изложенный в § 2 метод копирования полезен не только тем, что позволяет получать в большом количестве высококачественные копии с голограмм, изготовленных на основе фотоэмульсионных материалов, но такие и тем, что может служить источником дополнительной ценной информации, например, при исследовании характеристик фотоэмульсионных слоев. Так, данные, аналогичные приведённым на рис.2 и 3, можно использовать для оценки искажений вносимых в ЧКХ^* фотоэмульсий рельефом и руководствоваться ими при разработке новых голографических фотоматериалов. Иллюстрацией к сказанному служит такие и рис.4, на котором представлена частотная зависимость относительной дифракционной эффективности отбеленных голограмм, изготовленных на фотопластинками "Микрат-ВР" (кривая 1) и рельефно-фазовых копий, снятых с этих же отбеленных голограмм (кривая 2).

Отбеливание производилось в растворе красной кровяной соли /17/ до полного просветления фотопластинок. Из сравнения обеих кривых видно, что роль рельефа с увеличением частоты снижается и, начиная с ν~100 мм^-1, основной вклад в суммарную эффективность отбеленных указанным выше способом голограмм вносит "объёмная" фазовая составляющая модуляции, определяемая разностью оптических путей в минимумах и максимумах зарегистрированной интерференционной картины.

Следует отметить, что в настоящее время известно множество различных способов получения фазовых голограмм, в одних из которых преобладающую роль играет рельеф, образующийся на поверхности фотослоя, в других - изменение коэффициента преломления в толще фотоэмульсии соответственно распределению освещённости при экспонировании /8,14,15,17/. Применением специальных методик обработки фотопластин удается существенно повысить дифракционную эффективность и предельное разрешение фазовых голограмм /18,19/. Однако высокая чувствительность таких голограмм к изменению температуры и влажности воздуха, подверженность усадкам и т.п. ограничивает область их применения.

В связи с этим большой практический интерес представляет рельефно-фазовое копирование таких голограмм. При успешном решении этой задачи открывается возможность их широкого применения в оптическом приборостроении. Действительно, по механической прочности, долговечности, возможности многократной промывки рельефно-фазовые голограммы-копии значительно превосходят голограммы, изготовленные на фотоэмульсионных материалах и могут быть использованы в качестве оптических элементов ряда приборов и установок, эксплуатируемых в производственных условиях. Открывается, например, возможность с помощью таких голограмм корректировать частотно-контрастные характеристики некоторых оптических систем, поскольку в диапазоне частот 0-100 мм^-1 можно в больших пределах варьировать- вид ЧКХ рельефно-фазовых голограмм путём подбора соответствующих фотоэмульсий и условий их проявления /15/.

Анализ результатов измерений зависимости дифракционной эффективности d рельефно-фазовых копий от пространственной частоты ν для различных типов фотоэмульсий показывает,что вклад рельефа в d(ν) голограмм более значителен при съёмках на сравнительно низкоразрешаюцих фотоматериалах (например, типа "Микрат-300'' или типа КН). Возможно, именно этим обстоятельством и обусловлено так называемое "сверхразрешение" крупнозеленистых фотоэмульсий в голографии /20/. Действительно, измерение функции распределения эмульсионных кристаллов по размерам низкоразрешающих фотоэмульсий свидетельствует о наличии и в этом случае значительного количества зёрен малого размера /21/. Поскольку рельеф формируется верхним слоем фотоэмульсии, то, очевидно, вероятность размытия регистрируемой интерференционной картины за счёт крупных зёрен значительно меньше в верхнем слое, чем во всём объёме. Отоюда следует, что рельеф таких фотослоёв более высокочувствителен, чем сама эмульсия при использовании её в проходящем свете.

Русск.перев. Заруб.радиоалектр., № 10, 131(1966)

5. Французский патент, кл. 0.3 с № l508967, 1966.

6. У.Н.Денисюк. Опт. и спектр., 15, вып.4, 522 (1963).

7. d.В.Вrumm. appl.optics, 5, 1946, 1966.

12. А.М.Нижин, И.Д.Торбин, Ф.А.Митина. ЖПС, 11, 327 (1960)

16. В.П.Микулин. Фоторецептурный справочник. Искусство, М., 1963.