Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Неупокоева Анна Валерьевна

Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина
<
Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина
>

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Неупокоева Анна Валерьевна. Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.21 Иркутск, 2006 158 с. РГБ ОД, 61:06-1/526

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Голографические регистрирующие среды на основе желатина 14

1.1. Желатин как фотографический материал 14

1.2. Свойства желатина 16

1.2. Роль воды в формировании структуры эмульсионного слоя на основе ДЖ 20

1.2. Модификация структуры ДЖ 24

1.2. Механизм записи голограмм в регистрирующих слоях на основе дихромированного желатина 27

1.2. Сенсибилизация эмульсий на основе ДЖ к излучению красной области спектра 33

1.2. Выводы по первой главе 37

ГЛАВА 2. Временные параметры нелинейной фотохимической реакции при регистрации голограмм в сухих слоях ДЖ 39

2.1. Модуляционная характеристика скрытого изображения при различной интенсивности записывающего излучения 40

2.2. Временные параметры записи скрытого изображения 43

2.3. Выводы по второй главе 47

ГЛАВА 3. Экспозиционные характеристики слоев дж при проявлении парами воды 48

3.1. Методика изготовления слоев и записи голограмм 49

3.2. Проявление парами воды 51

3.3. ДЭ тест-голограмм при различных режимах записи и проявления 53

3.4. Вейвлет-анализ изменений ДЭ 58

3.5. Выводы по третьей главе 62

ГЛАВА 4. Фотоиндуцированные изменения оптических характеристик самопроявляющихся слоев ДЖ 63

4.1. Кинетика фотоиндуцированного изменения коэффициента пропускания слоев СПДЖ 63

4.2. Кинетика коллимированного коэффициента пропускания слоев ДЖ 65

4.3. Влияние интенсивности излучения на скорость изменений коллимированного коэффициента пропускания слоев ДЖ 81

4.4. Влияние состава эмульсии на параметры фотохимической реакции 92

4.5. Кинетика фотохимической реакции в слоях самопроявляющегося дихромированного желатина при режиме прерывистого освещения 103

4.6. Выводы по четвертой главе 111

ГЛАВА 5. Влияние инфракрасного лазерного отжига на оптические свойства самопроявляющихся слоев ДЖ 113

5.1.Механизм действия лазерного отжига 114

5.2. Изменение временных характеристик фотохимической реакции при применении различных режимов отжига 121

5.3.Выводы по пятой главе 141

Заключение 143

Список использованных источников и

Литературы 147

Введение к работе

Актуальность темы связана с широким применением в оптической технологии устройств и полимерных материалов и с необходимостью управления их оптическими и голографическими свойствами. Голограммы, зарегистрированные в светочувствительных слоях толщиной порядка миллиметров, имеют ряд свойств, которые могут быть широко использованы в разработке оптических элементов современных устройств оптических информационных процессоров, в системах оптической памяти с мультиплексной записью информации и т.д. Вместе с тем надо отметить, что несмотря на длительное время существования голографии, реально для записи используются двумерные слои или пленки, а процесс регистрации существенно трехмерных голограмм пока недостаточно изучен и теоретически и, особенно, экспериментально в связи с отсутствием надежных и недорогих объемных регистрирующих сред.

В современных голографических исследованиях также необходимы самопроявляющиеся регистрирующие среды для записи голограмм - это голографическая и спекл-интерферометрия, оптическая обработка изображений, динамическая голография. Для получения таких голограмм оказываются непригодными большинство известных регистрирующих сред, поскольку при их обработке, как правило, происходит изменение структуры слоев по толщине за счет, например, усадки в фотоэмульсиях.

Одним из наиболее перспективных материалов подобного рода является дихромированный желатин (ДЖ). Данный материал обеспечивает при записи фазовых голограмм предельно высокое значение дифракционной эффективности (ДЭ), низкий уровень шумов, высокую разрешающую способность, дешев и доступен. Фотохимические реакции, приводящие к структурированию биологических полимеров типа желатина, лежат в основе процессов формирования голограмм и рельефных изображений. Регистрирующие среды на основе хромированных коллоидов (ХК) и, в частности дихромированного желатина (ДЖ), нашли широкое применение для записи высококачественных изобразительных голограмм, создания элементов компьютерной и интегральной оптики. В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в понимании природы процессов, происходящих при формировании голограмм в ХК и ДЖ, реализованы режимы самопроявления и проявления парами воды, исследованы фотоиндуцированные и фазоструктурные изменения слоев ХК и ДЖ. Сравнительно недавно предложено использование слоев ДЖ большой толщины для регистрации оптической информации в режиме самопроявления (СПДЖ), что является перспективным для решения ряда голографических задач. В то же время актуальными остаются проблемы повышения светочувствительности, расширения области спектральной чувствительности подобных материалов, повышения воспроизводимости результатов и достижения стабильности параметров при хранении голограмм.

Рассмотрение процесса структурообразования в ДЖ является очень актуальным в связи со сложностью его структуры, с необходимостью управления свойствами и качеством на различных стадиях изготовления. Большую роль при этом играет глубокое понимание механизмов превращения вещества на различных уровнях его структурной организации под влиянием разных факторов, выделение главных факторов изменения и управляемых ими параметров, знание способов избирательного действия и контроля параметров превращений. Характер превращений в биоподобных материалах, каковым является и желатин, зависит от устойчивости и восприимчивости их к тепловым и межмолекулярным взаимодействиям, действию излучения, химически активных компонент. При проведении исследования необходимо учитывать свойства составляющих, возможную химическую активность промежуточных продуктов превращений, пространственную структуру.

Следует отметить, что традиционные дифракционные и электронно-микроскопические, а также спектроскопические методы, успешно применяемые при исследовании кристаллических твердых тел, для таких материалов зачастую оказываются малоэффективными и малоинформативными.

Механизмы светочу вствительности самопроявляющихся хромированных систем такие, как фотохимические и фотофизические процессы, обуславливающие светочувствительность, пока еще не изучены до конца.

Недавние исследования по использованию лазерного ИК отжига для управления структурой слоя на основе СПДЖ показали, что рассеянное излучение лазера с А,=1,06 мкм (к которому данная среда не светочувствительна), позволяет существенно сократить период студенения (созревания) слоя, увеличить светочувствительность, и повысить ДЭ записываемой голографической структуры. Однако, количественные данные по режимам многоимпульсного лазерного ИК отжига не были обоснованы к моменту постановки настоящей работы.

В связи с вышеизложенным актуальным является количественное исследование способов синтеза гель-коллоидных систем, исследование их изменений при записи голограмм, при действии ИК лазерного излучения и при неравновесных, квазиимпульсных, методах формирования (проявления) фазового рельефа.

Целью работы является разработка физических принципов управления структурой гель-коллоидных регистрирующих сред при внешнем импульсном воздействии на слои и определение характеристик процесса регистрации в них голографической информации в зависимости от параметров и условий синтеза, проявления и режимов записи голограмм. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1) частотно-временной анализ поведения ДЭ в зависимости от интенсивности записи в сухих и самопроявляющихся слоях ДЖ;

2) исследование поведения ДЭ при прерывистом экспонировании с целью определение механизма влияния состава эмульсии на ее кинетику;

3) частотно-временной анализ поведения ДЭ в зависимости от режима предэкспозиционного воздействия (в частности инфракрасного лазерного отжига), определение на основе результатов этого анализа механизмов, определяющих поведение и максимально достижимое значение ДЭ;

4) оптимизация образующейся при студенении структуры гель-коллоидной системы способом импульсного воздействия мощным инфракрасшлм (ИК) лазерным излучением и под действием импульсной струей водяного пара.

Методы исследования. Для исследования динамики изменения свойств желатиновых светочувствительных систем использовался голографический метод - результат воздействия того или иного физического и/или технологического фактора определялся по изменению дифракционной эффективности тестовой голографической решетки, которая была записана предварительно либо непосредственно в процессе воздействия на саму систему. Для анализа и интерпретации экспериментальных результатов применялся метод вейвлет-анализа.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально показано, что добавление изопропилового спирта в состав дихромированной желатиновой эмульсии в количестве 1-10 объемных процентов обеспечивает увеличение скорости записи голограмм и увеличивает светочувствительность подобной самопроявляющейся регистрирующей среды.

2. Впервые исследована кинетика формирования рассеивающей линзы при воздействии лазерного излучения на слой ДЖ, выявлены изменения индикатрисы рассеяния самопроявляющегося слоя в течение процесса записи, и показано, что изменение угла рассеяния зависит от концентрации пластификатора в системе.

3. Впервые исследована кинетика ДЭ при фракционировании экспозиции, и выявлено изменение коэффициента пропускания в перерывах между экспозициями. Экспериментально показано, что величина и направление такого изменения зависят от наличия или отсутствия в слое пластификатора, а также от суммарного времени экспозиции и от соотношения длительности экспозиции и времени между экспозициями.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки недорогих высокоэффективных сверхтолстых фазовых самопроявляющихся сред, способных работать и в красной области спектра. Впервые определены оптимальные параметры импульсного инфракрасного отжига, позволяющие управлять контрастностью, светочувствительностью и дифракционной эффективностью самопроявляющихся слоев дихромированного желатина. Отработана методика паровой сенсибилизации слоев, с помощью которой была увеличена светочувствительность в красной спектральной области таких коллоидных систем, что позволяет применять подобные среды для голографической и спекл-интерферометрии реального времени.

Результаты исследований по синтезу сверхтолстых регистрирующих сред представляют практический интерес при разработке высокочувствительных голографических датчиков колебаний и компьютерных оптических дифракционных элементов для управления структурой лазерного излучения.

Голографическая методика выявления последствий действия внешних факторов на коллоидную систему по изменению величины ДЭ позволяет использовать хромированные желатин-глицериновые слои и многослойные системы из них в качестве модельных при исследовании процессов взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами. Защищаемые положения:

1. Добавление изопропилового спирта в состав дихромированной желатиновой эмульсии в количестве 1-10 объемных процентов увеличивает светочувствительность эмульсии в 2-4 раза. Порог фотохимической реакции записи голограмм существенно зависит от О 1-й состава слоя и составляет 6-15 Дж/см для слоев ДЖ без пластификаторов (глицерин, изопропиловый спирт), 1,5-2 Дж/см для •у слоев с глицерином, 16-50 Дж/см для слоев с изопропиловым спиртом.

2. Фракционирование экспозиции (прерывистое освещение или запись с накоплением энергии) при записи голограмм на самопроявляющихся слоях дихромированного желатина сопровождается изменением коллимированного коэффициента пропускания в перерывах между экспозициями. Величина и направление изменения зависят от наличия или отсутствия в слое пластификатора (глицерина, изопропилового спирта), а также от накопленной плотности энергии экспозиции. Формирование устойчивого изображения достигается за время порядка 120-240 сек и требует плотности энергии порядка 60-120 Дж/см2, в зависимости от состава и толщины слоя. 3. ИК лазерный отжиг позволяет управлять голографическими характеристиками СПДЖ, поскольку результирующее поведение ДЭ определяется соотношением двух процессов - высокочастотного (характерные времена - 20-40 сек) и низкочастотного (характерные времена - 60-100 сек). Высокочастотный процесс связан с формированием задубленных участков среды, включая все промежуточные стадии: от поглощения кванта излучения до образования связи Сг3+- желатин. Низкочастотный процесс связан с разрушением записанного изображения вследствие диффузии. Соотношение между высокочастотными и низкочастотными процессами зависит от состава эмульсии и интенсивности записывающего излучения.

Связь с государственными программами и проектами.

Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательских работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов для анализа трибологических процессов» по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05-08-33639. Ранее работа осуществлялась при частичной поддержке РФФИ в рамках проекта № 01-02 17141 и по проекту МНТЦ № 2057Р European Office of Aerospace Research and Development USA.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM) » (Владивосток -2003, 2005 гг., Хабаровск - 2004 г.); VI Региональной школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития" (Томск, 2005); «Научной сессии МИФИ-2005», на конкурсе научных работ молодых исследователей Самарского Научного Центра Российской Академии Наук (Самара - 2003) (где докладу по части диссертационной работы было присуждено третье место); на научном семинаре Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (2004); на Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий», научных семинарах и рабочих совещаниях Самарского филиала ФИАН, Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института), Иркутского Государственного университета, Иркутского Государственного Технического Университета, Иркутского Государственного Педагогического Университета, Дальневосточного Государственного Технического Университета и Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично, либо при его участии. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы (123 наименования), изложенных на 158 страницах и содержит 53 рисунка.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых в работе задач. Определена цель работы. Изложены научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.

В первой главе описан объект исследования и рассматриваются данные по изучению первичных и вторичных механизмов светочувствительности в слоях ДЖ, выделяются фазо-структурные переходы, ответственные за процесс записи. Обобщена информация о структурах, возникающих в ДЖ на различных уровнях организации и степени устойчивости таких структур. Определено, что большую роль в формировании структуры слоя в целом играет вода, при этом показано, что гидратные оболочки молекул желатина находятся на грани стабильности. Рассмотрены возможности изменения свойств слоев ДЖ путем введения пластификаторов, дана классификация пластификаторов, традиционно применяемых в слоях ДЖ. На основе приведенных данных выделены вопросы, исследование которых актуально для развития современных представлений о процессах в нелинейных регистрирующих средах для голографии.

Во второй главе приведены результаты исследования временных характеристик записи скрытого изображения (СИ) в сухих слоях ДЖ с помощью методов вейвлет-анализа. Определены динамические особенности процесса записи при различных интенсивностях воздействия.

На основе данных вейвлет-анализа выявлено, что в слое одновременно идут два процесса: процесс записи изображения и процесс «размывания» изображения, вызванный диффузией ионов хрома вдоль слоя. При малой интенсивности характерное время «размывания» изображения составляет около 150 сек. Увеличение интенсивности приводит к преобладанию процесса записи над процессом «размывания».

В третьей главе исследовались временные характеристики процессов, происходящих при записи голограмм на различных длинах волн, в сухих слоях с последующим проявлением парами воды. В одном случае запись производилась гелий-кадмиевым лазером (Л=0,44мкм), считывание проводилось гелий-неоновым лазером (А,=0,63мкм), проявление парами воды происходило непосредственно после окончания записи. Во втором случае запись и считывание велось гелий-неоновым лазером, и был реализован режим дозаписи, т.е. проявление и запись осуществлялись параллельно по времени. С помощью вейвлет-преобразования проведен сравнительный анализ процессов, происходящих ДЖ-системах в обоих случаях. Выявлено наличие двух процессов - высокочастотного и низкочастотного, определены их характерные времена. Показано также, что низкочастотные компоненты выражены гораздо сильнее и локализованы намного хуже для случая записи гелий-неоновым лазером.

В четвертой главе исследовались изменения, происходящие под действием лазерного излучения при регистрации голограмм, в СПДЖ-эмульсиях. Выявлено, что под действие излучения в слое формируется фазовая структура, которая обладает индикатрисой рассеяния, изменяющейся с увеличением суммарной плотности энергии экспозиции. Определены механизмы изменения индикатрисы рассеяния, показана их зависимость от состава регистрирующего слоя. Исследованы изменения характерного времени фотохимической реакции в зависимости от наличия в эмульсии пластификаторов (глицерина, изопропилового спирта) и от интенсивности записывающего излучения. Показано, что кинетика фотохимической реакции при режиме прерывистого освещения (или фракционирования экспозиции) существенно зависит от режима фракционирования, суммарной плотности энергии экспозиции и от состава регистрирующего слоя.

Пятая глава посвящена исследованию методом вейвлет-анализа поведения ДЭ при различных режимах лазерного ИК отжига. Показано, что кинетика ДЭ имеет различное поведение в зависимости от суммарной плотности энергии и режима отжига. Для каждого из четырех режимов отжига выявлена оптимальная плотность энергии отжига, которая определяется взаимодействием ИК квантов с аквакомплексами, что приводит к ослаблению водородных связей и облегчает фазо-структурные переходы при записи изображения. Проведенный вей влет-анализ кинетики ДЭ показал, что результирующее поведение ДЭ отожженных слоев определяется соотношением двух процессов - высокочастотного и низкочастотного. Определены характерные времена и природа этих процессов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Роль воды в формировании структуры эмульсионного слоя на основе ДЖ

Желатин представляет собой линейный полипептидный полимер белковой природы, макромолекулы которого содержат в среднем 500 - 600 аминокислотных остатков, так что их молекулярная масса лежит в пределах 40 000 - 100000 и более [3,7,18]. Желатин, как и все белки, имеет несколько уровней структурной организации. Первичная структура желатина - это последовательность аминокислот, составляющих его макромолекулу [19].

Вторичная структура представляет собой метод укладки полипептидной цепи либо в альфа-спираль, либо в бета-складчатый лист, либо в клубок [19, 20]. Стабильность вторичной структуры обеспечивается водородными связями. Они наблюдаются всегда, когда водород химически связан с одним электроотрицательным атомом и при этом приближается к другому электроотрицательному атому. Водородные связи могут разрушаться под действием различных факторов - температурного, химического и др., что приводит к структурному переходу от альфа-спирали (или бета-складчатого листа) к клубковому состоянию.

Следующим уровнем структурной организации является сверхвторичная структура. Под ней понимают вид упаковки вторичных структур в относительно локализованных частях макромолекулы - доменах (блобах). Наименьшая упорядоченность соответствует аморфному состоянию. Двумерная упорядоченная структура - жидкокристаллическому состоянию, и, наконец, упорядоченная трехмерная структура соответствует кристаллическому состоянию. Размер домена сверхвторичной структуры определяют адгезия к подложке, температура, содержание воды и другие внешние факторы [19-21].

Третичная структура белка определяется не только структурой белковой цепи и взаимодействием ее частей, но и окружением белковой молекулы. Чем меньше воды вокруг белка, тем невосполнимее разрыв мощных водородных связей, стягивающих его цепь, тем ценнее для белка эти связи, тем регулярнее вынуждена быть стабильная структура белка [19,21]. Таким образом, по общему типу строения белки можно разбить на три класса [19]: 1) Фибриллярные белки образуют огромные агрегаты, в которых воды довольно мало; их структура обычно высоко регулярна и держится в основном взаимодействиями между разными цепями. 2) Мембранные белки находятся в мембране, где нет воды, но части их выступают из мембраны в воду. Внутримембранные части таких белков — как и фибриллярные белки — высоко регулярны и прошиты водородными связями, но размер этих регулярных частей ограничен толщиной мембраны. 3) Водорастворимые, находящиеся в воде глобулярные белки наименее регулярны (особенно небольшие); их структура держится взаимодействиями белковой цепи с самой собой, причем особенно важны взаимодействия далеких по цепи, но сблизившихся в пространстве углеводородных (гидрофобных) групп. Для желатина характерны и глобулярная, и фибриллярная третичные конформации. При этом в разбавленных растворах глобулярная форма превалирует, а в концентрированных растворах и студнях существуют одновременно обе конформации с преобладанием фибриллярной формы [21, 22]. В тонких желатиновых пленках доминирующей является фибриллярная конформация. Под действием поверхностных сил происходит агрегация третичных структур, что приводит к образованию четвертичных структур, которые включают в себя уже не одну макромолекулу, а несколько, т.о. формируется четвертичная структура - надмолекулярный уровень организации [19]. Вследствие сложности структурной организации желатина и поликомпонентности эмульсионного слоя, изменение всего комплекса его свойств, включая термомеханические, коллоидно-химические, физико-механические и др. [15, 16] происходит под влиянием многих физических факторов: температуры, адгезионных и когезионных сил, условий полива, студенения и сушки [21, 23-25]. Особенно это справедливо для так называемых сухих слоев (толщиной в десятки микрон) или пленок, и в меньшей степени для толстых (милиметровых) самопроявляющихся слоев. В толстом слое желатин находится в состоянии студня [26]. Студнем называется ограниченно набухший полимер, который похож по свойствам на гель, но отличается от последнего тем, что сплошная пространственная сетка образована не вандерваальсовскими, а химическими или водородными связями. Студни принято рассматривать как гомогенные системы, в отличие от гелей [22]. Иная природа связей определяет и структурно-механические свойства студней: в отличие от гелей они не тиксотропны (т.е. не восстанавливают механические свойства после прекращения нагрузки). Студни, образованные полимерами, не обладают пластическими свойствами, но упругие и эластические свойства их сходны со свойствами гелей и определяются прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки [27]. Поскольку запись оптической информации на слоях дихромированного желатина предполагает наличие в слое как одного из необходимых компонентов воды, то в слой вводят глицерин (90% по массе сухого желатина) [28,29].

В исследованиях студней желатина, которые проводились в течение многих десятилетий, моделью структуры этих соединений всегда считался каркас, элементами структуры которого являются нити, состоящие из единичных вытянутых полипептидных цепей или их агрегатов спиралевидной или иной конформации [18,29].

В результате электронно-микроскопического исследования процесса студнеобразования желатина выявлено, что студнеобразование желатина является двухстадийным процессом до некоторой степени аналогичным явлениям кристаллизации из растворов [17,29]. Вначале образуются шарообразные структуры (сверхвторичный уровень организации). Цепочка шарообразных структур одной макромолекулы образует фибриллу (третичный уровень). Несколько фибрилл образуют первичный агрегат (четвертичная фибриллярная структура). Цепочки таких агрегатов можно рассматривать как вторичные агрегаты, имеющие стержнеподобный вид (рис. 1).

Модуляционная характеристика скрытого изображения при различной интенсивности записывающего излучения

Известно, что шести- и пятивалентный хром имеют тетраэдрическую структуру, а четырех- и трехвалентный - октаэдрическую [41]. При восстановлении шестивалентного хрома в трехвалентный одноэлектронными восстановителями лимитирующей скорость стадией является переход Cr+ —»Сг4+, что может быть связано с происходящим на этой стадии изменением симметрии комплекса хрома [41]. Вероятно, структура активированного состояния при переходе Сг6+ -»Сг5+ тетрагональная, а при переходе Cr +— Cr + и при переходе Сг6+— Сг4+ - октаэдрическая. При образовании активированного состояния большую роль играет растворитель, например, молекулы воды, которые облегчают переход тетраэдрического комплекса в октаэдрический [41].

Первичная реакция переноса электрона происходит при поглощении света комплексом, который образуется из молекул донора и акцептора еще до действия света (рис. За) [48]. При фотовозбуждении комплекса с переносом заряда, содержащего в качестве лигандов участки молекулы желатина их сольватную оболочку и ионы кислорода с центральным ионом Сг6+, происходит полный перенос фотоэлектрона на ион Сг6+, в результате чего образуется ион Сг5+ [10]. Возбуждение d-d орбитали приводит к ослаблению связи ион хрома-лиганды. При этом полосы переноса зарядов показывают переходы электронов, локализованных главным образом у лигандов, на орбитали, локализованные у центрального иона [10]. Изменение распределения электронной плотности приводит к ослаблению химической связи ион хрома - лиганд и, в свою очередь, к искажению первоначальной тетраэдрической конфигурации комплексного иона хрома (рис. 36).

Образовавшиеся ионы Сг5+ могут диспропорционировать на ионы Сг6+ и Сг4+, причем последние имеют уже октаэдрическую конфигурацию (рис. Зв) [10]. Можно предположить, что такое частично обратимое диспропорционирование ионов Сг5+ в результате внутримолекулярного взаимодействия с желатином обуславливает осцилляции дифракционной эффективности при записи голограмм в гелеобразных и самопроявляющихся слоях ДЖ [49].

Увеличение расстояния от лигандов до центрального иона хрома в результате фотопереноса электрона ведет к возрастанию локального поля вблизи цепи молекулы желатина, которое действует на близлежащие участки с а и Р вторичными структурами и инициирует переход «спираль-клубок», который реализуется как движение сегментов макромолекулы желатина [18,39,49]. В отличие от фотохимической реакции переноса электрона, протекающей за 10"9-10"12 сек, перестройка сегментов макромолекулы требует более значительного времени, которое может быть оценено из биохимических данных по свертыванию белковых макромолекул [39] величинами от 0,1 до 10 сек.

Разворачивание участков макромолекулярной цепи из спиральной в клубковую конформацию создает вакансии для локализации на ней ионов Сг с образованием новых водородоподобных связей, что обеспечивается диффузией ионов Сг + из незасвеченных участков слоя ДЖ [50,51].

Таким образом, после экспонирования слоя ДЖ, кроме записи оптической информации за счет переходов Сг6+ — Сг5+ (что подтверждается наблюдениями водных растворах хроматов [10]) и переходов «спираль-клубок» участков макромолекул [17,18,38,52], происходит и усиление фотографического эффекта по двум взаимосвязанным каналам. Первый канал связан с диффузией ионов Сг + в засвеченные области, где концентрация ионов Сг + снижается за счет их перехода в ионы Сг5+. Второй канал связан с тем, что «развивание» аир структур под действием засветки создает больше мест для локализации ионов Сг+. Модификация ионов хрома в октаэдрическое состояние Сг , обеспечивает дубление желатина за счет образования мостичиых связей [53-55]. Эти процессы можно рассматривать как «предпроявление» скрытого изображения, объясняющее и аномально высокую дифракционную эффективность скрытого изображения в ДЖ (в ряде экспериментов было установлено, что фотоиндуцированные изменения показателя преломления в непроявленном слое ДЖ могут значительно превышать таковые для проявленного слоя [10]). Эти процессы происходят и при фибриллярной и при глобулярной (в ядре) структурах слоев ДЖ. Зависимость кинетики этих процессов от интенсивности засветки может приводить как к осцилляциям дифракционной эффективности, так и к появлению «провалов» на характеристической кривой для ДЖ [56].

С другой стороны, полное завершение хода описанных процессов обеспечивает достижение максимального фотографического эффекта и обуславливает целесообразность выдерживания экспонированных слоев ДЖ в течение нескольких часов перед проявлением (если это, конечно, не самопроявляющиеся слои ДЖ). Обычно такая выдержка трактуется как усиление скрытого изображения за счет темновых реакций [10] и, по-видимому, она аналогична эффекту конформационного «дозревания» при свертывании белковых макромолекул [39, 57].

Влияние интенсивности излучения на скорость изменений коллимированного коэффициента пропускания слоев ДЖ

Для голографических регистрирующих материалов на основе дихромированного желатина оптические параметры, такие как дифракционная эффективность (ДЭ), модуляционная характеристика (MX), являются функциями, нелинейно зависящими от времени воздействия (т.е. от энергии), при заданной мощности лазерного излучения. Сам вид этой функции существенно зависит от состава эмульсии и режима ее обработки. Для исследования поведения ДЭ, нужно попытаться выделить из всей сложной системы - дихромированного желатина - некие элементарные подсистемы, работающие каждая на своей частоте и дающие разные вклады в общую динамику системы.

Одной из важнейших характеристик голографического регистрирующего материала является модуляционная характеристика (MX), которая описывает преобразование синусоидального пространственно-модулированного распределения интенсивности излучения в модуляцию оптических свойств среды [13, 14,46,81].

При записи голограмм на слоях ДЖ или на галоидосеребряных фотоэмульсиях визуализация голографическим методом MX позволяет контролировать запись скрытого изображения (СИ) [82]. Использование такого контроля значительно облегчает процесс записи информации и устраняет необходимость подбора экспозиции, а также повышает степень воспроизводимости результатов [81]. Контроль скрытого изображения (СИ), возникающего при первичном фотохимическом процессе, становится особенно необходим при записи в нестационарных условиях (технические флуктуации излучения, механические вибрации) или на носителях с недостаточной воспроизводимостью свойств.

Слои дихромированного желатина (ДЖ) при стандартной методике проявления [83] - водой и пропанолом -обладают плохой воспроизводимостью результатов. Благодаря применению контроля дифракционной эффективности СИ удается до обработки слоя предсказать эффективность голограммы после проявления и, соответствующим образом варьируя процесс обработки, получить необходимый результат. В сравнении с галоидосеребряными эмульсиями слои ДЖ выгодно отличаются тем, что СИ в них имеет, как и проявленное изображение, чисто фазовый характер на длине волны 0,63 мкм, что обуславливает его довольно высокую дифракционную эффективность (до 2%) и облегчает контроль непосредственно в процессе записи [83].

Целью данной части работы является исследование временных характеристик записи СИ в слоях ДЖ с помощью методов вейвлет-анализа [84-86] и определение динамических особенностей процесса записи при различных интенсивностях воздействия. скрытого изображения при различной интенсивности записывающего излучения

Запись синусоидальной пространственной решетки на «сухой» слой ДЖ проводилась гелий-кадмиевым лазером (А,=0,44 мкм). Контроль СИ осуществлялся излучением He-Ne лазера (А,=0,63 мкм) непосредственно во время экспозиции. На рис. 5 [81] показана модуляционная характеристика (MX) СИ для решетки с пространственной частотой 1940 лин/мм и контрастом интерференционной картины 0,8. Под модуляционной характеристикой здесь понимается функция передачи синусоидального сигнала постоянной амплитуды на различных участках характеристической кривой. Т.о., по оси ординат отложена ДЭ скрытого изображения. Из рис.5 следует, что при интенсивностях излучения, меньших 1 мВт/см , во время записи проявляется отчетливо выраженный провал MX при энергиях 50-100 мДж/см . Глубина провала возрастает с уменьшением интенсивности. Поведение характеристик скрытого изображения можно интерпретировать на основе результатов исследования процесса первичной фотохимической реакции в слоях с бихроматами [87]. Наличие, по крайней мере, двух каналов образования СИ из комплексов Сг5+ и Cr4t обуславливает поведение характеристической функции слоя. Вероятность возбуждения квантами излучения ионов Сг5+ и Сг4+ различна, поэтому эти процессы имеют разную чувствительность по энергии. В первом приближении можно считать, что выход реакции G v-»G линеен по интенсивности излучения, в то время как выход реакции Cr6++hv- Cr4+ квадратичен по интенсивности. Поэтому при малых интенсивное происходит эффективное разделение двух каналов но энергии возбуждения, что приводит к появлению плато на характеристической кривой при насыщении одной из реакций [81].

Практическая ценность кривых, приведенных на рис. 5, заключается в том, что эффективность проявленных голограмм однозначно соответствует ДЭ СИ В рассматриваемом случае обработка слоев проводилась по методике [88], обеспечивающей высокую воспроизводимость результатов. Следует отметить, что ДЭ решеток, записанных до перехода через максимальное значение СИ значительно выше, чем решеток, записанных до тех же значений ДЭ СИ, но с переходом через провал на MX СИ. По всей видимости это связано с увеличением уровня равномерной задубленности слоя, обусловленного диффузией заряженных ионов в неэкспонированные области.

Изменение временных характеристик фотохимической реакции при применении различных режимов отжига

Слои ДЖ при традиционной их обработке (проявление водой и сушка в изопропаноле) обладают таким серьёзным недостатком, как наличие «мокрых стадий» в процессе проявления, деформация и усадка слоя.

Стандартные «мокрые» методики проявления экспонированных слоев ДЖ можно рассматривать как равновесные в том смысле, что все протекающие в них процессы не лимитированы по времени и определяются процессами естественной диффузии и испарения воды и изопропанола [90].

Поскольку запись оптической информации на слоях ДЖ предполагает наличие в слое как одного из необходимых компонентов воды, то естественно использовать введение воды не из водяной ванны, а с помощью паров воды. Такие попытки были предприняты в [91,92], где экспонированные слои помещались в атмосферу с повышенной относительной влажностью и наблюдалось значительное (до 10 раз) повышение дифракционной эффективности скрытого изображения. Чуть ранее по сравнению с этими работами было предложено для применения слоев ДЖ как регистрирующей среды, работающей в реальном времени, использовать проявление обдувом слоя струей водяного пара [92,93].

Скрытое изображение, формируемое в слоях ДЖ при записи, обладает достаточно высокой ДЭ (до 1-2 %), что позволяет использовать их в качестве оперативного носителя шіформации в голографической и спекл-интерферометрии. Проявление такого первичного изображения при помощи паров воды [94] в существенно неравновесных условиях (температура и относительная влажность воздуха, направляемого на голограмму, существенно выше температуры и влажности самого слоя ДЖ) позволяет значительно повысить светочувствительность и значение ДЭ регистрируемой голограммы. Поскольку такой режим проявления можно осуществить "на месте" в оптической схеме и не происходит удаления из слоя сенсибилизатора бихромата аммония, то становится возможной и легко реализуемой дозапись и оперативная коррекция регистрируемой оптической информации [95,96].

Кроме того, в настоящее время, появилось множество доступных источников лазерного излучения, изготовленных на основе полупроводниковых диодов. Многообразие подобных источников, излучение которых приходится в основном на красную и ИК часть спектра, обуславливает актуальность сравнения режимов записи на «красных» длинах волн с режимами записи в синей части спектра. Целью настоящей части работы было исследование характеристик слоев ДЖ, проявленных парами воды и анализ механизма образования скрытого изображения в слоях ДЖ под действием лазерного излучения от гелий-кадмиевого (А,=0,44 мкм) и гелий-неонового (7і=0,63мкм) лазеров. Было выполнено два цикла экспериментов для исследования характеристик слоев ДЖ при записи голографических решеток излучением разных длин волн. Запись в синей области спектра, к которой чувствительны слои ДЖ, производилась излучением гелий-кадмиевого лазера (Х,=0,44мкм). Для записи в красной области спектра слои ДЖ сенсибилизировались с помощью красителя метиленового голубого (МГ), а в качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер (Л.=0,63мкм). Регистрирующий материал для записи па 2.=0,44 міси. Слои ДЖ, предназначенные для записи решеток излучением гелий-кадмиевого лазера, готовились из промышленных фотопластинок ПФГ-03. Слои дихромированного желатина приготавливались из промышленных фотопластинок по следующей методике [96]: Фиксирование пластинок в нейтральном фиксаже - 10 мин. Промывка в проточной воде - 5 мин. Очувствление в 2.5 % растворе бихромата аммония - 5 мин., t=20C. Сушка в вертикальном положении - 4 часа, t=25 С. Удаление кристаллов бихромата аммония со стороны подложки. Обработка слоя в фиксирующем растворе производилась только на начальной стадии экспериментов. В дальнейшем, с целью упрощения процедуры изготовления слоев, этот этап был исключен. Сравнительные исследования показали, что исключение этого этапа фиксирования из процедуры приготовления слоя ощутимым образом не влияет на характеристики слоев ДЖ при оперативном режиме обработки [96]. Увеличение концентрации бихромата аммония в очувствляющем растворе до концентрации выше 5% приводит к его кристаллизации в слое при высыхании и при этом сильно возрастает светорассеяние слоя. С другой стороны, уменьшение концентрации бихромата аммония в очувствляющем растворе ведет к снижению светочувствительности.

Для записи голографической решетки использовалось излучение гелий-кадмиевого лазера ЛГ-61 с длиной волны =0,44 мкм, мощностью 10 мВт, при интенсивности около 13 мВт/см . Расширенный и коллимированный пучок делился по фронту с помощью стеклянного клина. Пространственная частота дифракционной решетки составляла около 50 мм"1. Считывание информации осуществлялось излучением гелий-неонового лазера ЛГ-38 с длиной волны Х=0,63 мкм и мощностью около 10 мВт.

Для обработки слоя после экспонирования была создана система генерации влажного воздуха. С помощью контактного термометра и тристорного ключа в резервуаре с водой поддерживалась постоянная температура. Система обеспечивала возможность регулировать температуру в пределах 40-90С. Воздух с помощью компрессора барбатировали через воду и по трубопроводу подавали к выходному соплу. Количество влаги, поступающей в слой в процессе обработки, регулировалась путем изменения расстояния между соплом и слоем [96].

Похожие диссертации на Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина