И ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ характеристик *

Рассматриваются требования, предъявляемые голографической записью к фоторегистрирующим материалам. Определяются и анализируются характеристики, наиболее полно отражающие свойства фоторегистрирующих сред с точки зрения использования в различных приложениях голографии. Описывается голографическая методика, позволяющая проводить всестороннее, комплексное исследование фотоматериалов и приводятся экспериментальные результаты исследования некоторых фоторегистрирующих сред.

1. Роль фоторегистрирующей среды в получении голографического изображения

С момента начала бурного развития голографии (приблизительно с 1964 года после широко известных работ Лейта и Упатниекса) сразу же остро встала проблема фоторегистрирующей среды для голограмм. Это можно объяснить тем, что фоторегистрирующая среда играет существенную роль в процессе получения голографического изображения, и тем, что к ней предъявляются особые требования, более жёсткие, чем в известных ранее методах регистрации изображения. Очевидно, что интерференционная картина, полученная от сложения двух пучков света - опорного и рассеянного объектом - становится голограммой только после её регистрации на каком-либо фоточувствительном материале. Действительно, распределение комплексной

* Лекция прочитана на III Всесоюзной школе по голографии.

- 324 -

где А_o и А - соответственно, амплитуды опорного и сигнального лучей; exp[jx _ox] - фазовая составляющая опорного луча, образующаяся из-за того, что луч падает под некоторым углом q : ;exp[jj ] -фазовая составляющая сигнала, где j - фаза падающего света. Так как фотопластинка реагирует на интенсивность падающего света, то, полагая, что реакция материала пропорциональна интенсивности падающего света, запишем выражение для прозрачности пластинки после проявления:

T = T_о - kI

где I - распределение интенсивности света в плоскости голограммы; Т_о и k - постоянные, определяемые характеристической кривой фотоматериала:

Т = Т_o-kA²_o+kA²-2kA_oAcos(x x-j ) (1)

2. Требования, предъявляемые голографией к фотоматериалам

Прежде всего следует отметить, что структура интерференционной картины, соизмеримая с длиной волны, и необычайно плотная запись информации требуют материалы с предельно высокой разрешающей способностью /2/: до 3-х тысяч линий на мм для обычных голограмм с внеосевым опорным пучком, а в случае регистрации картины стоячих световых воды при голографировании во встречных пучках (по методу

- 325-

Денисюка) - не менее 5000 л/мм на l =0.63мк и для меньших волн ещё выше. Для получения хорошего чёткого реконструированного изображения с низким уровнем шума необходимо, чтобы материалы обладали малым рассеянием света. Разумеется, при выполнении этих требований должна сохраняться достаточная для записи голограмм чувствительность. Более того, требования к чувствительности в голографии приобретают свой определённый смысл. Высокая чувствительность материма позволяет сократить время экспозиции и тем самым в значительной степени снизить требования к вибрационной устойчивости голографической установки.

Для фотоэмульсионных слоев эти требования противоречивы /3/. Высокая чувствительность достигается при размерах зёрен галоидов серебра больше 0,11, но при таких размерах зёрен возрастает рассеяние света, что приводит к высокому уровню шума в реконструированном изображении. С другой стороны, малое рассеяние света и высокое разрешение достигаются при размерах зёрен <<0,1. Для удовлетворения подобных противоречивых требований необходимо совершенствовать методы синтеза голографических фотоэмульсий, либо обращаться к другим, не галоидосеребряным материалам. В настоящее время и то, и другое направлений развиваются параллельно и, судя по целому ряду опубликованных работ как советских авторов, так и зарубежных, можно сказать, что результаты вполне обнадёживающие.

Немаловажным следует считать требование значительной однородности фотоэмульсии и стабильности её характеристик при фотохимической обработке.

- 326 -

3. Характеристики фоторегистрирующих сред, представляющие

Одной из наиболее важных характеристик следует считать дифракционную эффективность голограмм /5/. Под дифракционной эффективностью следует понимать отношение интенсивности света, поступающего в восстановленное изображение, к полному световому потоку, падающему на голограмму. В случае простейших голограмм, которые обычно используются для измерений, за интенсивность восстановленного изображения берется интенсивность 1-го порядка дифракции. Простейшей голограммой можно считать запись картины интерференции двух плоских когерентных световых пучков, падающих симметрично на фоторегистрирующий материал.

- 327 -

того, в голографии интересна не сама микроструктура голограммы, а суммарная передаточная характеристика голографического процесса от объекта до изображения. Поэтому ЧКХ при голографическом подходе лучше всего определять зависимостью /6/ интенсивности простейшего восстановленного изображения от пространственной частоты, т.е. использовать такие же голограммы, как и в случае измерения дифракционной эффективности. В свою очередь, пространственная частота может быть рассчитана из значения угла сходимости интерферирующих лучей по известной формуле

где l _св - длина волны света в свободном пространстве, q _св - угол сходимости пучков света в свободном пространстве.

Следует отметить, что при строгом подходе к написанию формул мы должны были здесь учитывать показатель преломления фоторегистрирующей среды и значения l и q брать не в свободной пространстве, а в среде, т.е. , а q _ср находить из соотношения

- 328-

Таким образом, практически расчёт пространственной частоты в случае, когда лучки падают на пластинку с одной стороны, можно вести без учёта показателя преломления среды. В случае, когда голограмма снимается во встречных пучках, показатель преломления учитывается обязательно. Если восстановленное изображение хорошего качества, что свидетельствует о записи с высоким контрастом картины стоячих волн в глубине слоя, пространственная частота рассчитывается по формуле (3) , где n - показатель преломления записывающей среды, а l - длина волны в свободном пространстве.

Весьма существенной характеристикой фотоматериалов, используемых в голографии, является ориентационная чувствительность, характеризующая материал с точки зрения информативной ёмкости. Эта величина выражает изменение интенсивности восстановленного изображения при повороте голограммы относительно считывающего луча /7/. Полуширина кривой ориентационной чувствительности зависит от плотности амплитудной голограммы, от режима фотохимической обработки и типа проявителя, изменение полуширины кривой ориентационной чувствительности от плотности амплитудной голограммы для фотоэмульсии ПЭ-1 показано в виде кривой (а) на рис.2. При уменьшении плотности голограммы полуширина кривой уменьшается, что объясняется участием большего числа отражающих слоев в формировании изображения. По результатам этих измерений можно рассчитать изменение эффективно работающей глубины (t_эфф) эмульсионного слоя в зависимости от плотности голограммы (кривая d на рис.2), t_эфф рассчитывается по формуле

где l - это волны света, q - угол сходимости, D q - полуширина кривой ориентационной чувствительности и n - показатель преломления. Влияние режима фотообработки и типа проявителя можно проиллюстрировать также на примере ПЭ-1 /6/, у которой полуширина кривой ориентационной чувствительности для проявителя УП-2 шире, чем для голограмм, проявленных в пирогаллоловом проявителе.

Если измерять интенсивность света, дифрагированного под разными углами, взятую в единичной ширине полосы пространственных частот, то она будет достаточно полно характеризовать шумовые свойства (световое рассеяние) фотоматериала. Иногда эту величину удобно измерять в относительных единицах:

- 330 -

Рис. 2.

4. Голографические методы измерения характеристик фоторегистрирующих материалов

При комплексном исследовании фотоматериалов целесообразно производить измерения на универсальной установке /2/, позволяющей при незначительных перестройках производить как запись простейших голограмм, так и измерение всех необходимых характеристик. Схема такой установки представлена на рис.3. Как видно из рисунка, она включает в себя оптический квантовый генератор (ЛГ), коллиматор с точечной диафрагмой, вращающийся столик с исследуемым фотоматериалом, на котором зарегистрирована голограмма (П), сферическую линзу (Л₃), в фокальной плоскости которой размещается калиброванный приёмник с большой чувствительностью (ФП).

- 331 -

Для измерения дифракционной эффективности производится запись ряда голограмм для определённого угла сходимости, экспонированных до разных плотностей.

Можно проиллюстрировать измерение дифракционной эффективности на примере фотоматериалов ПЭ-1 /6/ и Микрат ВРЛ. Голограммы записывались с различными экспозициями при фиксированном времени проявлении. Полученный набор простейших голограмм с плотностями, перекрывающими диапазон плотностей от Д=0,05 до Д=2, используется для измерения дифракционной эффективности. Кривые изменения дифракционной эффективности ПЭ-1 и Микрат ВРЛ в зависимости от плотности амплитудных голограмм показаны на рис.1. Максимальная дифракционная эффективность амплитудных голограмм не превышает, 3¸ 3,7% для пучков, падающих с одной стороны пластинки. и 7% для встречных пучков. При отбеливании голограмм, записанных на фотоэмульсионных материалах, можно достигнуть существенно большей величины - для ПЭ-1 получена дифракционная эффективность около 15%. Ещё большая величина дифракционной эффективности достигается при использовании других типов фоторегистрирующих сред. Например, на

- 332 -

системах полупроводник-металл /8/ - 25%, на хромированной желатине - до 70% /9/. Существуют и другие материалы, позволяющие получить высокие значения дифракционной эффективности.

Для измерения ЧКХ фотоматериалов записывается ряд голограмм, экспонированных и проявленных до плотности, дающей оптимальную дифракционную эффективность на каждой фиксированной пространственной частите. Поскольку оптимальное значение дифракционной эффективности получается, как указывалось выше, при некоторой средней плотности, то в случае измерения характеристик фотоэмульсионных материалов голограммы проявлялись до средней плотности 0,8¸ 0,9 в проявителе УП-2.

На рис.4 приведён ряд ЧКХ различных фоторегистрирующих материалов: двух отечественных фотоэмульсий (ПЭ-1 и Микрат ВРЛ) разработки Госниихимфотопроект, светочувствительных систем полупроводник-металл на основе соединений мышьяка разработки института полупроводников АН УССР, и фотоэмульсии 8Е75 фирмы "Agfa Geveart". Как видно из рисунка, характеристики наших отечественных фотоэмульсионных материалов незначительно уступают одному из лучших зарубежных образцов, а системы полупроводник-металл имеют практически неограниченную разрешающую способность при чувствительности на длине волны l = 0.48¸ 0.51, соизмеримой с чувствительностью фотоэмульсий.

По данному методу измерения ЧКХ для пучков света, падающих с одной стороны фотослоя, предельно достижимая пространственная частота составляет около 3100 л/им. Более высокие, пространственные частоты нужно измерять, очевидно, во встречных пучках. Предельная частота в этом случае рассчитывается по формуле (3) и составляет для материалов с желатиновой основой на длине волны l = 0,63 мк около 5000 л/мм. измерение ЧКХ в промежутке от 3100 л/мм до 5000 л/мм представляет определённые трудности, так как методика измерения таких пространственных частот ещё недостаточно отработана.

- 333-

Рис.4.

проявленные в разных типах проявителей до различных плотностей. Поворачивая голограмму относительно считывающего луча к измеряя интенсивность восстановленного изображения, снимается кривая ориентационной чувствительности для данной голограммы с соответствующей плотностью. Характерный вид кривой показан на рисунке 5. Измеряя полуширину кривой ориентационной чувствительности, строится зависимость этой величины от плотности амплитудных голограмм (рис.2а). По полученным данным, используя формулу (4), определяем глубина эффективно работающего слоя t_эфф эмульсии. Зависимость t_эфф от плотности амплитудных голограмм представлена на рис.2б. Измерения проводились /6/ с помощью голограмм, записанных на фиксированной пространственной частоте. Зависимость t_эфф от пространственной частоты также представляет большой интерес. Как отмечалось выше, пространственная частота определяется углом сходимости между опорным и сигнальным лучами. Очевидно, для каждого материала должны существовать оптимальные углы сходимости, при которых t_эфф наибольшая. При этом наилучшие результаты получаются, если лучи падают на пластинку симметрично относительно нормали. Эффективно работающая толщина слоя зависит также

- 334 -

- 335 -

от коэффициента преломления среды и от толщины материала. Чем толще слой и выше коэффициент преломления, тем больше значение t_эфф и, следовательно, выше информативная ёмкость материма.

Наименьшая полуширина кривой ориентационной чувствительности для Кодак 649 F составляет 10° /7/, что определяет возможность записи не более 18 голограмм на единицу площади пластинки. У материала ПЭ-1 наименьшая полуширина кривой ориентационной чувствительности составляет примерно 3°, что позволяет записывать на единицу площади чувствительного слоя до 60 голограмм.

Количество же голограмм, записываемых на единицу площади фотохромных стекол толщиной от 3 мм и выше, возрастает на 2-3 порядка, так как полуширина кривой ориентационной чувствительности для них составляет единицы минут /7/.

Шумовые свойства фоторегистрирующих сред могут быть определены на той же установке, что и предыдущие характеристики. Для этого схема (рис.3) незначительно перестраивается и приобретает вид, показанный на рис.6. Как видно из рисунка, коллимированный пучок света падает на преобразующую линзу Л₃, за которой в сходящемся пучке устанавливается исследуемая пластинка с впечатанным на неё сенситометрическим клином. Для исключения влияния постоянной составляющей на её пути размещается ловушка (Ц), представляющая собой закрытый цилиндр с небольшим круглым отверстием в торце. Стенки цилиндра покрыты светопоглощающим материалом.

Измерения проводятся в фокальной плоскости преобразующей линзы с помощью фотоумножителя прибора ФМЭ-1. Перед фотоумножителем находится диафрагма с диаметром 0,2 мм, которая определяет ширину полосы измерительного устройства. Сигнал с фотоумножителя после усиления поступает на зеркальный гальванометр типа М-95.

Измерительное устройство предварительно калибруется по прямому лучу с известной интенсивностью ослабленному калиброванными, нейтральными светофильтрами.

- 336-

Измерения интенсивности рассеянного света начинаются от значений пространственной частоты, равных примерно 200¸ 300 л/мм, так как на меньших частотах будет сказываться влияние постоянной составляющей. Максимальная пространственная частота, на которой интенсивность рассеянного света ещё выше собственных шумов приемника, определяет предельную частоту фотоприемника исследуемого излучения. Результаты измерений для ряда плотностей приведены на рис.7. Там же для сравнения показана кривая, характеризующая рассеяние света на чистом стекле пластинки, свободном от эмульсии. Для ПЭ-1 максимальна пространственная частота составляет 900 л/мм при интенсивности светового рассеяния, равной 10^-8 вт.

- 337 -

1. Фоторегистрирующая среда является важным и необходимым элементом в схеме получения голографического изображения.

2. Требования к материалам, используемым в голографии, существенно отличаются от требований к материалам в других, известных ранее способах регистрации изображения. Голографические материалы должны обладать разрешающей способностью, достигающей нескольких тысяч линий на миллиметр, сохраняя при этом высокую чувствительность, иметь малое рассеяние света, однородность светочувствительного слон, стабильность характеристик при фотохимической обработке и обеспечивать высокую дифракционную эффективность голограмм.

5. Особенность требований, предъявляемых голографией к фоторегистрирующим материалам, заставляет совершенствовать методы синтеза фоточувствительных сред и методы измерения их характеристик.

- 338 -

4. Наиболее удобными методами исследовании материалов, используемых в голографии, являются голографические методы.

5, Приведённые характеристики позволяют выбрать оптимальным образом тип фоторегистрирующей среды, фотохимическую обработку и режим записи голограмм для каждого конкретного приложения голографии.

2. В.А.Макеев, Г.А.Соболев. Требования к материалам, используемым в голографии, и голографическое исследование их характеристик. Труды 2-го Европейского симпозиума по применений голографии в науке и технике. Безансон, 1970.

4. И.В.Васильева, Н.И.Кириллов, В.А.Макеев, И.П.Налимов, Г.А.Соболев, Н.М.Фельдшеров. Особомелкозернистые фотоматериалы с концентрированными "прозрачными" эмульсиями и их применение в голографии: Труды МДИТП, 1969.

6. Г.А.Соболев, В.А.Макеев. Труды Международного конгресса по фотонауке. М., 1970.

8. М.Т.Костышин, Е.Р.Красвошенов, В.А.Макеев, Г.А.Соболев. Использование светочувствительных систем полупроводник-металл для голографических исследований. Труды 2-го Европейского симпозиума по применению голографии в науке и технике, Безансон, 1970.

9. T.А.Shаnкоff. Appl.0ptics, 7, 10, 1968.