Способ экспресс-анализа величины динамического диапазона фотоотклика фазового голографического материала Российский патент 2020 года по МПК G03H1/00 G01M11/00 

Изобретение относится к способам экспериментального определения величины фотоотклика голографического материала и может быть использовано при разработке и исследовании новых материалов для голографии, исследовании кинетики записи голограмм и при отработке режимов их записи, создании голографических оптических элементов и дисплеев, в голографической интерферометрии и дефектоскопии, а также при голографической записи информации.

Среди разрабатываемых сегодня голографических материалов можно выделить класс материалов, в которых отсутствует процесс проявления. Фотоотклик в таких голографических материалах формируется непосредственно в процессе записи голограммы, в процессе ее экспозиции, за счет энергии записывающего излучения. Для таких голограмм дифракционная эффективность зависит от величины фотоотклика, и поэтому для достижения максимального или оптимального значения дифракционной эффективности необходимо строго соблюдать меняющуюся величину фототклика, в ряде случаев наблюдать кинетику формирования фотоотклика во времени, поскольку в процессе записи возникают различные варианты взаимодействия между уже частично записанной голограммой и излучением, ее записывающим.

В ряде голографических материалов голограмма формируется за счет изменений локальных значений показателя преломления, а в других - за счет фотоиндуцированного локального массопереноса, формирующего поверхностный рельеф. В обоих случаях возникают так называемые фазовые голограммы, в которых восстановление записанного изображения происходит за счет дифракции на структуре изменяющей локальные значения фазы (фазовая голограмма). Материалы для фазовых голограмм сегодня активно разрабатываются, а сами голограммы получили большое распространение, поскольку имеют существенно большую, по сравнению с амплитудными голограммами, величину дифракционной эффективности и меньшие потери.

Дифракционная эффективность (η) голограмм определяется фазовой модуляцией (Δϕ) голографической среды, возникающей при экспозиции в результате регистрации интерференционной структуры, образованной объектным и опорным пучками. Большие значения диапазона допустимой фазовой модуляции голографического материала Δϕ позволяют записывать множество голограмм на один и тот же участок голографического материала, осуществляя наложенную запись голограмм с разными свойствами. Количество таких наложений может существенным образом изменять применимость, а значит и ценность полученных голограмм. Следовательно, определение величины фотоиндуцированной фазовой модуляции является первичным при определении характеристик голографических сред и голограмм. Ее и следует измерять в качестве величины динамического диапазона фотоотклика (в радианах), а уже по измеренному Δϕ определять вклад конкретных физико-химических механизмов, реализующих формирования фотоотклика либо за счет внутренних изменений характеристик голографической среды, приводящих к возникновению изменения показателя преломления Δn или толщины голографической среды Δh или их вместе взятых.

Таким образом, при определении величины динамического диапазона фотоотклика каждого фазового голографического материала главным измеряемым параметром, характеризующим пригодность материала для записи голограмм, является его способность за счет суммы всех фотохимических реакций формировать фотоиндуцированную фазовую модуляцию как фотоиндуцированный фазовый фотоотклик Δϕ.

Для определения величины динамического диапазона фотоотклика известен способ определения Δϕ по результатам измерения глубины поверхностного рельефа Δh голографической решетки приборами Атомно-силовой микроскопии (АСМ) [1].

Недостатком Атомно-силового (АСМ) способа измерений является экранирование пучков, записывающих голограмму, связанное с принципиально разной физикой процессов записи голограмм и процессов измерения их параметров на АСМ и, следовательно, связанное с разными типами оборудования, что не позволяет снимать кинетику изменения фотоотклика непосредственно во время записи. Также, метод АСМ не пригоден для определения фотоотклика объемных голограмм, в которых этот фотоотклик формируется не на поверхности голографического материала, а внутри его объема. Помимо этого латеральное поле зрения АСМ, составляющее до 100 мкм в каждом направлении, сильно ограничивает данный метод для исследования реальных голограмм большего размера или голограмм с неоднородной высотой рельефа по полю голограммы.

Известны рефракционные способы измерения показателя преломления материала в которых, как в рефрактометре Аббе [2], измеряется показатель преломления вещества по величине угла полного внутреннего отражения на границе двух сред, показатель преломления одной из которых известен (вспомогательная призма), а показатель преломления другой среды измеряется.

Недостатком данного способа является необходимость прерывания процесса записи голограммы для переноса голографического материала из оптической системы записи голограмм в оптическую систему измерения показателя преломления, а также необходимость использования иммерсионных жидкостей при измерении, что нарушает условия продолжения записи голограммы. К тому же, при измерении границы углов полного внутреннего отражения, дифракция на структуре голограммы дает рассеяние, которое увеличивает шумы и уменьшает точность измерения. Также, этот способ не определяет величину поверхностного рельефа тонких фазовых голограмм.

Известен способ измерения изменения показателя преломления, представляющие собой совмещение микроскопа и интерферометра, как в интерференционном микроскопе Линника МИИ-4. В приборах этого типа по величине искривления интерференционных полос определяется изменение локального фазового набега волнового фронта, прошедшего через исследуемую среду [3]. По его величине либо высчитывается высота рельефа, в том числе голографического, в предположении одинаковых значений показателя преломления в пределах исследуемого поля объекта, либо изменение среднего по локальному участку показателя преломления внутри исследуемого материала в предположении одинаковых значений толщины в пределах исследуемого поля объекта. Последнее дает возможность вычислять фотоиндуцированное изменение показателя преломления при записи объемных голограмм.

Большим препятствием для точных интерференционных измерений кинетики записи голограмм также является возможное изменение показателя преломления и в области формирования интерференционной голографической решетки за счет процессов массопереноса в область пучностей интерференционной решетки, и за счет изменений среднего показателя преломления в силу фотоиндуцированного изменения химического состава вещества по его объему во время экспозиции голографического материала.

Также недостатком обоих, и рефракционного, и интерференционного, способов измерения фотоотклика является имманентно присущее обоим типам измерения определение суммарных значений как самого показателя преломления вещества, так и добавляющегося к нему фотоиндуцированного изменения показателя преломления Δn для объемных голограмм и суммарных значений толщины материала h с добавляющемуся к нему рельефу Δh, что при большой разнице в значениях n и Δn и, соответственно h и Δh приводит к увеличению ошибок измерения Δn и Δh, а в случаях наличия градиента n и h по полю голограммы и к ошибкам, сравнимым с этим градиентом.

В ряде голографических материалов в соответствии с моделью дифракции Брэгга [Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая гелография. - М.: Мир, 1973. - С. 279] возникновение фототклика Δn может проявляться также и в фотоиндуцированном изменении среднего значения показателя преломления n самого материала. В других материалах возникновение фототклика может проявляться в изменении локальных значений толщины h при изменении поверхностного рельефа Δh за счет массопереноса. Такие голограммы хорошо описываются в модели дифракции Рамана-Ната [Raman, C.V. The diffraction of light by high frequency sound waves: Part I. / Raman, C.V., Nagendra Nathe, N.S. // Proc. Indian Acad. Sci. (Math. Sci.) - 1935. - Vol. 2. - No. 4. - PP. 406-412].

Возможны и комбинированные случаи формирования сразу двух или более механизмов фотоотклика [Малов А.Н. Гелографические регистрирующие среды на основе дихромированного желатина: супрамолекулярный дизайн и динамика записи. / А.Н. Малов, А.В. Неупокоева. - Иркутск: Иркутское высшее военное авиационное училище, 2006. - 347 с.].

Таким образом, интерференционные методы измерения фотоотклика без сложных дополнительных методов коррекции на основе параллельных измерений изменения средней толщины голографического материала и (или) изменений его среднего показателя преломления могут оказаться просто недостоверными. Кроме того, как в рефракционном, так и в интерференционном способе требуется дополнительная подсветка, которую бывает сложно ввести и особенно сложно учесть ее влияние на возникающий за счет экспозиции измеряемый фотоотклик голографического материала.

Поэтому рефракционным и интерференционным методами трудно, а зачастую и просто невозможно снимать кинетику формирования фотоотклика голограммы непосредственно в процессе ее записи.

В качестве прототипа выбран интерференционный способ измерения [4], развитый в серии профилометров, один из которых представлен прибором MicroXAM, фирмы Intertekh Corporation, как способ, наиболее близкий по своей физической сущности, поскольку дифракция, согласно принципу Гюйгенса, есть интерференция ограниченных волн, или интерференция вторичных волн. И поэтому интерференционный способ наиболее удобен для совмещения двух оптических схем - записи голограммы и измерения фотоотклика голографического материала в процессе записи.

Недостатками указанного способа является необходимость совмещать дополнительную оптико-механическую интерференционную систему с оптико-механической системой записи голограмм, а также необходимость учета возможных изменений среднего показателя преломления исходного голографического материала объемных фазовых голограмм и возможных изменений средней толщины материала голограмм с поверхностным рельефом во время фотохимической реакции записи.

Задачей, решаемой предлагаемым способом является использование самого процесса регистрации голограммы для измерения величины фотоотклика голографического материала и регистрации кинетики его формирования при записи голограмм (Рис. 1).

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа - измерение величины фотоотклика голографического материала и кинетики его формирования, как непосредственно в процессе записи голограмм, так и при поэтапном формировании голограмм экспозициями разной длительности, с автоматическим учетом влияния на величину фотоотклика физико-химических процессов, участвующих в его формировании и с автоматической компенсацией всех неоднородностей показателя преломления вещества исходного голографического материала по полю записываемой голограммы и во время ее записи, а также неоднородностей поверхности этого материала как по пространству голограммы, так и по времени в процессе записи.

Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению способ измерения динамического диапазона фотоотклика голографического фазового материала основывается на использовании гауссовой формы записывающего излучения, приводящей к неоднородности величины локальной дифракционной эффективности по полю голограммы (Рис. 2), и осциллирующей от центра к периферии (Рис. 3) в первом η₁ и в нулевом η₀ дифракционных порядках объемной голограммы согласно (1) и (2) соответственно [Goodman, Joseph W. Introduction to Fourier Optics, 2nd Edition // New York: VcGraw-Hill, - 1996. - p. 340]

где Δϕ - величина фазовой модуляции среды, определяемой фотоиндуцированным изменением показателя преломления Δn вещества голографического материала в результате экспозиции, равной (3) [Goodman, Joseph W. Introduction to Fourier Optics, 2nd Edition // New York: McGraw-Hill, - 1996. - p. 340]:

здесь Т - толщина голографического материала, λ - длина волны считывающего излучения; θ - угол падения считывающего излучения (угол Брэгга);

или согласно (4) [Goodman, Joseph W. Introduction to Fourier Optics, 2nd Edition // New York: McGraw-Hill, - 1996. - p. 82]

для плоских голограмм, где m - порядок дифракции, J_m - функция Бесселя m-порядка, Δϕ величина фазовой модуляции среды, определяемой изменением глубины поверхностного рельефа Δh синусоидальной голографической решетки. В случае пропускания излучения через решетку величина фазовой модуляции на поверхностном рельефе принимает вид (5) [Meshalkin, A. Carbazole-based azopolymers as media for polarization holographic recording. / Meshalkin, A., Losmanschii, C., Prisacar, A., Achimova, E., Adashkin, V., Pogrebnoi, S., Macaev, F. // Advanced Physical Research. - 2019. Vol. 1. - No. 2. - PP. 86-98]

где n - средний показатель преломления голографического материала, λ - длина волны считывающего излучения; θ - угол падения считывающего излучения.

В случае отражения от рельефной решетки фазовый фронт отраженной волны получает пространственную фазовую модуляцию с глубиной, равной (6) [Комоцкий, В.А. Новые оптоэлектронные схемы, построенные на основе рельефных отражающих дифракционных структур с прямоугольным профилем. / Комоцкий, В.А.; Соколов, Ю.М.; Суетин Н.В. // Фотоника. - 2019. - Т. 13. - №4. - С. 392-404]

где λ - длина волны считывающего излучения; θ - угол падения считывающего излучения.

Таким образом, в дифракционной картине образуется структура, состоящая из чередующихся темных и светлых колец, по количеству которых определяется величина фазового фотоотклика материала. Данная структурированность дифракционной картины порождается эффектом формфактора голограммы, т.е. фактора формы записывающих голограмму пучков и фактора формы записанной ими голограммы [Шойдин С.А. Требования к лазерному излучению и формфактор голограмм // Оптический журнал. - 2016. - Т. 83. - №5. - С. 65-75.]. На рис. 4. представлена зависимость дифракционной эффективности первого и нулевого порядков от фазовой модуляции объемной решетки Δϕ. Образование темных колец голограммы в первом и нулевом порядках дифракции обуславливается достижением нулевой эффективности, что соответствует корням уравнения (1) и (2) при η=0. Зависимость величины фазовой модуляции Δϕ от количества образованных темных колец N была аппроксимирована линейной функцией Δϕ(N), показанной на рис. 5 так, что она равна (7) и (8) для первого и нулевого порядка соответственно:

Величина динамического диапазона фототклика, а именно величина динамического диапазона фотоиндуцированного Δn, определяется далее из (9) при появлении N темных колец и прекращении появления новых колец.

Следует отметить, что изменение по разным причинам среднего показателя преломления n голографической среды не влияет на величину вычисляемого значения Δn (9), поскольку в предлагаемом способе все изменения среднего показателя преломления и автоматически компенсируются (отсутствуют в (9)), и не влияют на вычисляемый параметр формируемого фотоотклика Δn. В (9) вычисления идут от экспериментально определяемых по (7) или (8) значений Δϕ_N к вычислению величины Δn минуя значения среднего значения показателя преломления n голографического материала.

Для плоских голограмм образование темных колец происходит согласно зависимости (4), построенной на рис. 6, по которой были определены корни функции η_m=J²_m(Δϕ_N/2)=0 для первых пяти и нулевого порядков дифракции. Зависимость величины фазовой модуляции Δϕ от количества образованных темных колец N была аппроксимирована линейной функцией Δϕ(N), показанная на рис. 7, для каждого дифракционного порядка и, например, равная (10) для нулевого и (11) для первого:

и для корня любого m порядка из уравнения (4) при η=0 соответственно.

Исходя из найденного значения Δϕ_N вычисляется величина глубины поверхностного рельефа Δh плоской голограммы по (12) или (13) в случае измерения на пропускание или отражения соответственно

Следует отметить, что изменение по разным причинам средней толщины h голографической среды не влияет на величину вычисляемого значения Δh в (5) или (6), т.е. в предлагаемом способе величина h отсутствует, значит все изменения средней толщины h автоматически компенсируются и не влияют на вычисляемый параметр формируемого фотоотклика Δh. Вычисление Δh идет от экспериментально определяемого Δϕ_N, минуя значения среднего h голографического материала, и поэтому неважно, как меняется среднее h во времени и по пространству голограммы.

Запись голограммы гауссовыми пучками проводится до тех пор, пока количество колец (N) не перестанет увеличиваться с увеличением экспозиции или пока не будет ограничена сама экспозиция голограммы, определяя тем самым максимальное значение

Величина динамического диапазона фотоотклика голографического материала, как для плоских, так и для объемных голограмм, определяется из максимального значения max(Δϕ) (14), соответствующего максимальному количеству колец с провалами в них локальной величины дифракционной эффективности практически до нулевых значений. Дифракционные картины плоской решетки (дифракция Рамана-Ната), записанные с помощью гауссовых пучков, могут быть смоделированы согласно (4). Экспериментальные (а, в) и смоделированные (б, г) дифракционные картины первых семи порядков дифракции (m=0-6) плоской решетки при записи гауссовыми пучками показаны на рис. 8.

Для определения динамического диапазона фототклика голографического материала или для увеличения точности расчета может аналогичным описанному выше способу использоваться анализ дифракционной картины с подсчетом наблюдаемых темных колец (N_S) во всех наблюдаемых порядках дифракции, следующих за нулевым и первым порядками. На рис. 9 построена зависимость величины фазового фотоотклика Δϕ от количества формируемых колец N_S во всех положительных, включая нулевой, порядках дифракции для объемной и плоской решеток. Как видно, данные зависимости могут быть хорошо аппроксимированы линейной функцией (16) для объемной решетки, и степенной функцией (17) для плоской решетки

где N_S - это количество темных колец во всех порядках дифракции. Причем для случая плоских решеток N_S суммируется во всех наблюдаемых положительных, включая нулевой, либо во всех наблюдаемых отрицательных, включая нулевой, порядках дифракции.

Изобретение описывается следующими рисунками:

• Рис. 1. Голографическая схема записи элементарных голограмм - голографических решеток лучами с гауссовым распределением интенсивности. DPSS laser - одномодовый (ТЕМ00) твердотельный лазер с диодной накачкой, BS - поляризационный светоделительный кубик, М - зеркала, m₁ и m₂ - модуляторы для временного перекрытия пучков при анализе дифракционной картины, S - регистрирующая голографическая среда, Э - экран, m=0 и m=1 - наблюдаемая на экране дифракционная картина нулевого и первого порядков при перекрытии m₂ модулятора.

• Рис. 2. Влияние формы записывающих голограмму пучков 1 и 2 на локальные по полю голограммы значения фазовой модуляции, определяющие при заданной экспозиции локальные значения дифракционной эффективности голограммы: а)- экспозиция равномерными по полю голограммы пучками, б)- экспозиция неравномерными по полю голограммы пучками (гауссовой формы).

• Рис. 3. Рассчитанная для объемной фазовой голограммы дифракционная эффективность первого порядка объемной решетки, возрастающей от (а) к (в) с ростом экспозиции. Дифракционная эффективность голограммы, формируемой гауссовыми пучками, растет быстрее в центре голограммы и, когда в центре достигается максимум, далее следует снижение, в то время как по краям голограммы дифракционная эффективность еще только подтягивается к максимуму. Затем дифракционная эффективность «проваливается» до нуля в центре, и снова растет и так осциллирует с ростом Δϕ согласно формуле (1).

• Рис. 4. Зависимость дифракционной эффективности первого и нулевого порядка объемной решетки от фазовой модуляции Δϕ.

• Рис. 5. Зависимость величины фазовой модуляции Δϕ от количества образованных темных колец N с аппроксимированной линейной функцией Δϕ(N) для первого и нулевого порядка объемной и плоской голограмм.

• Рис. 6. Зависимость дифракционной эффективности первых шести порядков дифракции (m=0-5) плоской голограммы от фазовой модуляции Δϕ.

• Рис. 7. Зависимость величины фазовой модуляции Δϕ от количества образованных темных колец N с аппроксимированными линейными функциями Δϕ(N) для первых 15 порядков плоской голограммы.

• Рис. 8. Экспериментальные (а, в) и смоделированные (б, г) дифракционные картины первых семи порядков дифракции (m=0-6) плоских голограмм (дифракция Рамана-Ната), записанных гауссовыми пучками: а - экспериментально восстановленная на отражение лазером на длине волны 405 нм записанной тонкой решетки с глубиной фазовой модуляции maxΔϕ≈10 радиан, б - численно смоделированная по формуле (3) для тонкой решетки при фазовой модуляции maxΔϕ≈10 радиан. в - экспериментально восстановленная на пропускание лазером на длине волны 650 нм тонкой решетки с глубиной фазовой модуляции maxΔϕ≈7 радиан. г - численно смоделированная по формуле (3) для тонкой решетки при фазовой модуляции maxΔϕ≈7 радиан.

• Рис. 9. Зависимость величины фазовой модуляции Δϕ от количества формируемых колец N_S во всех порядках дифракции для объемной и плоской голограмм.

• Рис. 10. а - Голографическая схема записи и исследования элементарных голограмм - голографических решеток, записываемых лучами с гауссовым распределением интенсивности. DPSS laser - одномодовый (ТЕМ00) твердотельный лазер с диодной накачкой, BS - поляризационный светоделительный кубик, М - зеркала, m₁ и m₂ - модуляторы для временного перекрытия пучков при анализе дифракционной картины, LD - лазерный диод с длиной волны в области прозрачности регистрирующей среды (650 нм), S - регистрирующая голографическая среда, Э - экран, m=-2, -1, 0, 1, 2 - восстанавливаемая на экране дифракционная картина m-порядков с помощью лазерного диода при перекрытии лучей записи; б - дифракционная картина гауссовой решетки на пропускание с наблюдаемыми 8 порядками дифракции (m=0÷-7).

• Рис. 11. Фотография нулевого порядка дифракции записанной тонкой решетки на пропускание (на длине волны 650 нм).

• Рис. 12. Профили поверхностного рельефа, измеренные с помощью атомно-силового микроскопа на различных участках голограммы (от края до середины).

• Рис. 13. Топография и профиль поверхностного рельефа участка в центре решетки, а также фотография образца с записанной решеткой.

Пример реализации способа

Предложенный способ исследовали для величины фазовой модуляции голографической среды на базе халькогенидных стеклообразных полупроводников. Многослойная структура As₂S₃-Se толщиной 2,4 мкм, нанесенная на стеклянную подложку методом термического испарения в вакууме, была проэкспонирована интерференционной картиной по схеме, показанной на рисунке 10а. Голографическая запись элементарной голограммы-решетки с частотой 200 л/мм (плоская голограмма) велась нерасширенными лучами (диаметром 2 мм) с гауссовым распределением интенсивности DPSS лазера на длине волны 532 нм, мощностью 100 мВт. Дифракционная картина проецировалась в режиме пропускания на экран с помощью лазерной указки на длине волны 650 нм, мощностью 5 мВт, как показано на рисунке 10б, при перекрытии записывающих лучей с помощью управляемых модуляторов m₁ и m₂. Фотографирование дифракционной картины с экрана осуществляли с помощью цифровой фотокамеры Canon EOS 350D. На рисунке 11 приведена дифракционная картина нулевого порядка после 60 минут экспонирования. Как видно из рисунка 11, количество темных полос в нулевом порядке дифракции равнялось N=3. Фазовую модуляцию по количеству колец определили по формуле (10)

Δϕ(рад)=2πN-π/2, где N - количество колец.

Подставляя количество наблюдаемых колец в формулу, получили величину фазовой модуляции решетки, равную Δϕ=17,27 радиан.

Определив величину фазовой модуляции оценили величину фотоотклика, а именно глубину поверхностного рельефа, согласно формулам (5), (10) и (13). В таблице показаны зависимости величин фазовой модуляции для методов измерения на пропускание или отражения.

где λ - длина волны считывающего луча, n - показатель преломления материала, Δh - глубина поверхностного рельефа, N - количество наблюдаемых полос в нулевом порядке дифракции, θ - угол падения считывающего излучения.

Подставив экспериментальные значения длины волны считывающего излучения, λ=650 нм, показателя преломления многослойной структуры As₂S₃-Se на длине волны 650 нм n=2.50, угол падения считывающего излучения θ=0° и количество наблюдаемых колец в исследуемом дифракционном порядке N=3, нашли значение глубины поверхностного рельефа записанной голограммы, равной Δh=1192 нм.

Для верификации данного метода глубина поверхностного рельефа данной решетки была измерена независимым методом, а именно с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ микроскоп NT-MDT). Измерение поверхностного рельефа измеряли на различных участках вдоль решетки (от края до середины), как показано на рис. 12. Размер области сканирования составил 25×25 мкм. На рис. 12. показы профили поверхности в различных областях сканирования.

Как видно, глубина профиля решетки увеличивается от края к центру решетки, в центре глубина поверхностного рельефа составила Δh_ACM=1255 нм

На рис. 13 показана топография поверхностного рельефа и профиль поверхности участка в центре решетки, а также фотография образца с записанной решеткой.

Разница значений рассчитанной глубины поверхностного рельефа с помощью предлагаемого способа (Δh=1192 нм) и измеренной экспериментально независимым методом, с помощью АСМ микроскопии, (Δh_ACM=1255 нм) находится в пределах 5% отклонения. Данное соответствие можно признать достаточным для практических применений и для экспресс-анализа величины фазового фотоотклика голографического материала с неопределенностью менее 5%.

Наиболее существенное преимущество заявляемого метода заключается в возможности определения величины фазового фотоотклика всей голограммы одновременно, в то время как популярный метод атомно-силовой микроскопии, хоть и является достаточно точным, но может однократно проанализировать только участок голограммы до 100 мкм в каждом направлении.

Таким образом, решена задача по разработке способа измерения фазового фотоотклика регистрирующей голографической среды путем анализа структурированной дифракционной картины, состоящей из чередующихся темных и светлых колец картины дифракции записываемой голограммы, по количеству которых и определяется искомая величина. Данный способ имеет важное преимущество по сравнению с прототипом, заключающееся в том, что анализ дифракционных картин позволяет осуществлять измерение фазовой модуляции "in-situ", т.е. в режиме реального времени записи голограммы, и охватывает всю исследуемую голограмму одновременно (full-field measurement). Помимо этого, предлагаемый способ является простым по сравнению с другими способами определения фазового фотоотклика, не требующий ничего кроме экрана для наблюдения дифракционной картины.

Литература

1. V. Cazac. Surface relief and refractive index gratings patterned in chalcogenide glasses and studied by off-axis digital holography / V. Cazac, A. Meshalkin, E. Achimova, V. Abashkin, V. Katkovnik, I. Shevkunov, D. Claus, and G. Pedrini // Appled Optics. - 2018. - Vol. 57. - No. 3. - PP. 507-513

2. Иоффе Б.В., Рефрактометрические методы химии, 3 изд., Л., 1983. С. - 399.

3. Корольков В.П., Остапенко С.В. Характеризация профилограмм кусочно-непрерывного дифракционного микрорельефа // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, №7. - С. 34-41

4. Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.: Наука. - 1973.- С. 288.

Изобретение относится к области голографии и касается способа экспресс-анализа величины динамического диапазона фазового фотоотклика голографического материала. Способ включает в себя формирование фазового фотоотклика среды при записи голограммы пучками с гауссовым распределением интенсивности. Фазовый фотоотклик на записанном участке голографической среды определяется по количеству колец в одном из порядков дифракции, соответствующих локальным минимумам дифракционной эффективности. Далее по найденной величине фазового фотоотклика определяется величина динамического диапазона фотоиндуцированного изменения показателя преломления для объёмных фазовых голограмм и величина динамического диапазона фотоиндуцированного изменения глубины поверхностного рельефа рельефно-фазовых голограмм. Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения величины фотоотклика непосредственно в процессе записи голограмм. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ экспресс-анализа величины динамического диапазона фазового фотоотклика голографического материала, заключающийся в определении максимальной величины фазовой модуляции материала , определяющей величину дифракционной эффективности () в области записи голограммы на голографической среде согласно (1) и (2) для первого и нулевого порядков дифракции объёмных Брэгговских голограмм и (3) для m – порядков дифракции плоских голограмм Рамана-Ната соответственно:

(1)

(2)

(3)

отличающийся тем, что фазовая модуляция, возникающая при регистрации интерференционной картины объектного и опорного пучков, называемая далее фазовый фотоотклик среды , формируется при записи голограммы пучками с гауссовым распределением интенсивности и изменяет значения локальной по полю голограммы дифракционной эффективности, проходя значения, соответствующие (N) корням уравнений (1), (2) или (3) (при ₁=0, ₀=0 и _m=0 соответственно), причём этот фазовый фотоотклик на записанном участке голографической среды определяется по количеству колец (N) в одном из (m) порядков дифракции, соответствующих локальным минимумам дифракционной эффективности и корням уравнений (1,2,3), которые равны:

для первого порядка дифракции (₁) объемной Брэгговской решетки

(4)

для нулевого порядка дифракции (₀) объемной Брэгговской решетки

(5)

для первого порядка дифракции (_(m=1)) плоской решетки Рамана-Ната

(6)

для нулевого порядка дифракции (_(m=0)) плоской решетки Рамана-Ната

(7),

а далее по найденной величине фазового фотоотклика определяется величина динамического диапазона фотоиндуцированного изменения показателя преломления для объемных фазовых голограмм из (8):

(8),

где T – толщина голографического материала, – длина волны света, восстанавливающего голограмму, – угол падения считывающего пучка;

а также определяется величина динамического диапазона фотоиндуцированного изменения глубины поверхностного рельефа рельефно-фазовых голограмм из (9) в случае пропускания излучения сквозь решетку либо (10) в случае отражения от решётки:

(9),

(10),

где n – показатель преломления голографического материала, – длина волны света, восстанавливающего голограмму, – угол падения считывающего пучка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что запись голограмм идёт актиничным излучением, поглощаемым в голографическом материале при записи голограмм, а для восстановления дифракционной картины используется лазер, работающий на длине волны в области прозрачности голографического материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что динамический диапазон фотоотклика голографического материала определяется по суммарному количеству колец N_s во всех наблюдаемых положительных, включая нулевой, либо во всех наблюдаемых отрицательных, включая нулевой, порядках дифракции и определяет величину динамического диапазона фотоотклика фазовой модуляции для объемных и плоских голограмм согласно формулам (11) и (12) соответственно:

(11),

(12).