Способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах Советский патент 1982 года по МПК G03H1/18 

ныи процесс можно повторять несколько раз Zj. Однако при усилении рельефа увеличиваются и нелинейные искажения. Повторный нагрев снижает оперативность записи, так как для обеспечения высокой цикличности работы фотопластической среды, дополнительную зарядку необходимо проводить на остывший материал. Целью изобретения является повышение дифракционной эффективности голограмм, увеличение отношения сигнал/шум за счет устранения морозной деформации и расширения полосы регистрируемых пространственных частот в высокочастотную область. Для достижения поставленной цели согласно способу записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах, заключающемуся в зарядке поверхности среды, формировани интерференционной картины при интенсивности опорной волны большей интен сивности объектной волны, проявлении скрытого изображения, закреплении полученного рельефа и дополнительной зарядке поверхности, усиливают скрытое изображение путем повторного экспонирования по крайней мере один раз тем же волновым фронтом, причем дополнительную зарядку проводят каждый раз таким образом, чтобы изменение потенциала поверхности происходило на линейном участке и средний модуль поверхностного потенциала оставался неизменным во время записи, после чего проводят однократное проявление скрытого изображения. При этом последнее экспонирование производят до снихчения модуля поверхностного потенциала в два раза, что повышает отношение сигнал/шум. Кроме того толщину фотопластической среды и угол между опорным и . объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низшей регист рируемой пространственной частоты на толщину среды составляет 0,6-0,7, что позволяет снизить частотные искажения. Сущность изобретения заключается в следующем. При первом экспонировании происходит формирование скрытого электростатического изображения - потенциального рельефа, сопровождающееся уменьшением постоянной составляющей потенциала поверхности пленки. Глубина модуляции поверхностного потенциала при экспозициях, соответствующих линейному участку модуляционной характеристики, и контрасте интерференционной картины 0,06-0, не превышает 0,018-0,12 от начального потенциала поверхности. Во время следующей за экспонированием дополнительной линейной зарядки при такой малой глубине потенциального рельефа изменение потенциала поверхности в каждой точке происходит почти на одинаковую величину, т.е. происходит рост постоянной составляющей потенциала, сопровождающийся незначительным уменьшением переменной составляющей, которое зависит от пространственной частоты. При повторном экспонировании вновь образующийся потенциальный рельеф суммируется с остаточным после дополнительной зарядки потенциальным рельефом, так как экспонирование производят тем же волновым фронтом. Таким образом, происходит усиление потенциального рельефа поверхности при сохранении или некотором увеличении постоянной составляющей потенциала, т.е. происходит увеличение произведения, которое определяет деформирующую силу скрытого изображения. Описанный процесс усиления скрытого изображения повторяют несколько раз до образования величины потенциального рельефа, достаточной для получения требуемой дифракционной эффективности голограммы. Чрезмерное усиление скрытого изображения проводить нецелесообразно, так как из-за нелинейности светоразрядной характеристики фотопластической среды, а также нелинейной зарядки величину потенциального рельефа больше определенного усиления получить невозможно. Для того, чтобы избежать чрезмерного усиления постоянной составляющей поверхностного потенциала при многократном усилении, длительность дополнительной зарядки выбирают таким образом, чтобы прирост потенциала за это время был равен спаду постоянной составляющей потенциала за время экспонирования при зарядке той же полярности или превышал время первоначальной зарядки в 2 раза при зарядке противоположной полярности. Для обеспечения линейного изменения потенциала поверхности при зарядке необходимо, чтобы зарядный ток намного превышал токи утечки через фотопластическую среду и не зависел от потенциала поверхности пленки. Этого добиваются путем увеличения по тенциала на коронируюцей нити до 1418 кВ или используют другие способы скоростной зарядки, а также увеличения толщины фотопластической среды. Большая величина сил скрытого изобра жения, полученная повторными экспони рованиями с дополнительными зарядками, обеспечивает получение высокой дифракционной эффективности при одно кратном проявлении, а также высокое отношение сигнал/шум. Исключение из процесса усиления голограммы повторных проявлений устраняет возможность возникновения и усиления хаотических деформаций поверхности в процессе записи, устраняет нагрев и коробление фотопластической среды и подложки, тем самым повышая оперативность и цикличность работы сред. Описанный способ записи позволяет значительно расширить передаточную характеристику среды в область высоких пространственных час тот, причем такое расширение может сопровождаться как общим увеличением дифракционной эффективности записи при контакте интерференционных полос менее .0,5 так и увеличением дифракционной эффективности только в области высоких частот при контакте бо лее 0,5 Это объясняется тем, что пр дополнительной зарядке потенциальный рельеф низких пространственных часто будет уменьшаться сильнее, чем потен циальный рельеф высоких частот из-за перераспределения заряда в приповерх ностном слое среды. Известно, что пе ременные составляющие электрического поля над поверхностью фоточувствительной Среды уменьшаются при удалении от поверхности пленки по экспоненциальному закону Е,, ( z) t, - нормальная составляющая эле ктри чес ко го поля; тангенциальная составляющая прля; пространственная частота за писи. При больших N составляющие потенциального рельефа затухают при удалении от поверхности пленки значительно быстрее, чем низкочастотные, тем самым оказывая значительно меньшее влияние на распределении подле956 тающих к поверхности среды ионов при дополнительной зарядке. Этим эффектом, в частности, объясняется ухудшение передачи высоких пространственных частот при проявлении скрытого изображения заряженными порошковыми проявителями в электрофотографии -.в области низких пространственных частот частицы порошка передают потенциальный рельеф, распределяясь в соответствии со скрытым изображением, в области средних частот передача ухудшается, появляется общий фон, в области высоких частот заряженные частицы не передают потенциальный рельеф, распределяясь равномерно по поверхности. Аналогичное явление происходит при дополнительной зарядке в области низких пространственных частот будет происходить выравнивание потенциального рельефа, а области средних - частичное снижение глубины модуляции, в области высоких частот потенциальный рельеф будет сохранен почти полностью. При проведении ряда последовательных циклов усиления начального потенциального рельефа коэффициент усиления увеличивается с повышением пространственной частоты записи. Происходит расширение передаточной характеристики в область высоких частот и общая линеаризация передаточной характеристики в области частот выше квазирезонансных. Время экспонирования и количество циклов усиления при регистрации голограмм определяется эмпирически. Для обычно используемых карбозолосодержащих фотопластических сред, сенсибилизированных 1-8% (по весу) электронно-акцепторных веществ, нужное время экспонирования может быть определено по спаду постоянной составляющй поверхностью потенциала при экспонировании. Фототок j в этих средах при обычно используемых электрических полях iO,2-2) 10в В/м выражается зависимостьюгде Л - интенсивность падающего света;и - потенциал поверхности фотопластической среды; d - тога1ина пленки; А - коэффициент, зависящий от коэффициента поглощения и квантового выхода используемой среды. При малых временах зарядки тонкие пленки фотопластических сред могут 7 быть описаны моделью плоского конден сатора, в этом случае уравнение свет вого спада потенциала имеет вид dU 1 d(a 1 л U dt TdT i где (i - заряд на поверхности пленки , так как происходит уменьшение заряда во времени; с - емкость фотопластической средь1; t - текущее время. Решение этого уравнения при начальном условии Ujj представляет собой гиперболическую зависимость, что подтверждается на экспериментеL J и Uo cd- Для двух различных точек поверхности освещаемых светом с различными интенсивностями U) и Т) можно записат ..f Л die L J .АЭа. Uo Отсюда можно легко найти глубину образующегося при экспонировании потен Чдиального рельефа ди U - U,., д1) U,. Учитывая, что при контрасте интерференционных полос k О, на линейном участке модуляционной кривой Ju - Uj. 0,12 UQ, можно прибли ; енно считать . Исследование величины ди на экстремум при таких условиях показывает, что k при t otTT.UA j,-fD Эо+и Наиболее просто зависимость AU(t) можно получить путем графического пе ремножения зависимостей U(t) U(t) t причем для удобства пользования графиком ось ординат удобно выразить в единицах AU/Up. Деформирующая сила как отмечалось ранее, пропорциоиаль нал произведению ди и, эту зависимость также легко получить путем гра фического перемножения соответствующих кривых. При линейной дополнитель ной зарядке, осуществляемой таким об

разом, происходит восстановление первоначального потенциала .U, например в точке поверхности пленки 2, точка 1

заряде противоположной полярности. Количество повторных экспонирований и дополнительных зарядок нецелесооб58будет иметь потенциал , В этом случае, при повторном экспонировании пленки тем же волновым фронтом можно записать die ..-t , . Глубина потенциального рельефа при первом повторном экспонировании AD . В этом случае ,и vl-AtU AU(). () Ди()ди. UD Таким образом, за время дополнительного экспонирования мы получаем усиление прежнего потенциального рельефа ди на величину ли (иД, что и обуславливает получение полезного эффекта. Зависимость ди от времени получаем описанным выше графическим способом, умножая зависимость AU(t) на возведенную в квадрат зависимость D/UO и суммируя ее с зависимостью AU(t). Аналогичным образом можно получить глубину потенциального рельефа , получаемого при i-ом цикле усиления, в этомслучае графические построения проводят с использованием зависимости iil|, (t). Соответствующие зависимости U. получают также способом графического умножения. Рассчетные зависимости ДЩ и U от времени экспонирования приведены на фиг. 1 и 2. Кривые 1-7 - примеры первого и последующих повторных экспонирований. Видно, что наибольшее усиление деформирующей силы, пропорциональной и, можно получить при длительности экспонирований, соответствующих спаду постоянной составляющей поверхностного потенциала на 5-20 от начального. При этом, как отмечалось ранее, длительность дополнительной зарядки целесообразно устанавливать таким образом, чтобы происходило восстановление начального потенциала поверхности (по модулю) или наблюдался его незначительный рост. Для этого длительность дополнительной зарядки устанавливают равной от первоначальной при заряде той же полярности и 200 при 59 разно устанавливать более 6-7, так как с увеличением числа циклов усиления, коэффициент усиления резко снижается и при больших временах экс понирования наблюдается рост нелинейных искажений. Для получения записи с малыми нелинейными искажениями, время экспонирования целесообраз но выбирать в пределах, соответствую щих спаду постоянной составляющей по тенциала на 5-10% и проводить k-S циклов усиления. При использовании предлагаемого способа записи с целью получения повышенного отношения сигнал/шум в записанной голограмме, последнее экспонирование производят до снижения модуля поверхностного потенциала в 2 раза, т.е. длительность последнего экспонирования устанавливают равной от предшествующих. При этом происходит значительное уменьшение постоянной составляющей поверхностно го потенциала. После проявления это сопровождается как уменьшением дифрак-и

ционной эффективности записи, пропорциональной и, так и уменьшением хаотических деформаций, амплитуда которых пропорциональна exp(oi- U ), где cL- коэффициент, не зависящий от напряжения. Полезный эффект обусловливается значительно более резким уменьшением хаотических деформаций поверхности по сравнению с регулярным рельефом. Однако при чрезмерном уменьшении дифракционной эффективности записи отношение сигнал/шум может начать ухудшаться, так как уровень шума, обусловленный косметическими дефектами пленки, не зависит от напряжения. Таким образом, увеличение длительности последнего экспо- нирования более, чем в k раза, что соответствует спаду постоянной составляющей поверхностного потенциала не более, чем в 2 раза, нецелесообразно.

Известно, что в области пространственных частот записи, выше и ниже квазирезонансной, происходит спад передаточной характеристики, причем в области высоких пространственных частот максимальная дифракционная эффективность записи падает пропорционально 1/Н.

Предлагаемый способ записи, как отмечалось, позволяет расширить полосу регистрируемых пространственных

самым способствуя подавлению хаотических деформаций на этих частотах. Таким образом, для записи голограмм предлагаемым способом, толщину фотопластической среды и угол между опорным и объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низией регистрируемой пространственной частоты на толщину среды составляет

0,6-0,7, так как для практически используемых карбазолосодержащих сред при удельных потенциалах поверхности пленки 100-200 В/мкм и однократном проявлении произведение квазирезоПример 1. Фотопластическую среду, нанесенную на стеклянные подложки, покрытые двуокисью олова, и

представляющую собой сополимер 9 винил и Эпропенилкарбазола, сенсибилизированный Ц% (по весу) 2, 4, 7 тринитрофлуоренона, равномерно заряжают в темноте с помощью коронного разряда

в течение 130 мс. Толщина пленки 1,8 мкм. Потенциал коронирующей нити при всех зарядках поддерживают равным 14 кВ. После зарядки производят регистрацию голограммы плоского волнового фронта, при этом Э.,0,18 Вт/м , За - 73 Вт/м (т.е. К 0,1) , про- странственная частота записи N iOO , используемый источник 5 10 частот в высокочастотную область за счет увеличения коэффициента усиления при увеличении пространственной частоты потенциального рельефа. ТаКИМ образом, скорость спада переда-, точной характеристики при пространственных частотах выше квазирезонансных, при использовании предлагаемого способа записи снижается и передаточная характеристика линеаризируется. а при частотах ниже квазирезонансных, скорость спада характеристики увеличивается. Поэтому, для снижения частотных искажений целесообразно проводить запись голограмм на частотах, превышающих квазирезонансную. При этом, кроме того, можно сократить время проявления и стирания записи, тем самым повысив оперативность и цикличность работы сред, и дополнительно увеличить отношение сигнал/шум. Это объясняется тем, что высокие пространственные частоты достигают максимума развития и стираются раньше, чем квазирезонэнсные и низкочастотные, тем нансной пространственной частоты на толщину пленки не превышает 0,6. (Когерентного света - лазер типа ЛГ-38. Длительность экспонирования пленки 20 мс. После этого производят усиление скрытого электростатического изображения, для чего в темноте производят первую дополнительную зарядку пленки длительностью 25 мс. Затем производят первое повторное экспонирование тем же волновым фронтом {длительностью 20 мс. Описанный про|Цесс дополнительной зарядки и повторного экспонирования повторяют 5 раз. После окончания последнего повторного экспонирования пленку проявляют путем пропускания прямоугольного импульса тока через подслой из двуокиси олова. Длительность проявления 550 мкс, на-, пряжение проявления 160 В, сопротив ление проводящего подслоя 30 Ом, образец представляет собой матрицу с элементами размером мм. После охлаждения пленки до комнатной температуры измеряют дифракционную эффективность записи) и отношение сигнал/шум с помощью фотоприемника чувствительностью 100 Вм /Вт. ёа отношение сигнал/шум принимают отношение интенсивности света, измеренного -в первом порядке дифракции к наибольшей интенсивности окружающей засветки, /13ме.реннои непосредственно возле первого порядка дифракции. В результате описанного процесса записи полумают голограмму плоского волнового фронта с Г| 10 и отношением °сигнал/шум 400 :1. При обычном последовательном процессе записи, т.е. при проявлении после первого же экспонирования, получает следующие „параметры голограмм: Y ,2% и отношение сигнал/шум 100:1. Таким образом, использование предлагаемого про цесса записи позволило повысить дифракционную эффективность в 8,3 раза и отношение сигнал/шум в k раза. Пример 2.На фотопластическую среду, описанную в примере 1, производят запись голограммы плоского волнового фронта последовательность и режимы записи те же, что и в примере 1. Однако длительность -последнего повторного экспонирования устанавливают равной 80 мс. При этом получают Голограмму с параметрами V 3 и отношение сигнал/шум 900:1. Таким образом, использование предлагаемого способа записи позволило уве личить дифракционную эффективность в 2,5 раза и отношение сигнал/шум в 9 раз по сравнению с известным последовательным способом записи. Пример 3« Производят запись голограммы равномерно освещенного диффузора, представляющего собой два плоскопараллельных матовых стекла, ,. расположенных друг за другом с зазором 2 мм, что необходимо для увеличения равномерности рассеяния света. Область пространственных частот записи составляет 300-1500 мм-. Интенсивность опориого луча 5 Вт/м, средняя интенсивность объектного 0,2 Вт/м 8 качестве фотопластической среды используют полиэпоксипропенилкарбазол, сенсибилизированный Ц% (по весу) тринитрофлуоренадицианометилена, толщина пленки 1,2 мкм. Последовательность операций записи та же, что и в примере 1. Потенциал коронирующей нити при всех зарядках составляет 12 кВ.. Длительность всех экспонирюваний 100 мс. Длительность первой зарядки 150 мс, дополнительных зарядок - 30 мс. Проявление записи осуществляют одним прямоугольным импульсом тока длительностью 0,7 мс, напряжение проявления 200 В, сопротивление проводящего подслоя 90 Ом. После охлаждения производят считывание полученной голограммы путем углового перемещения фотоприемника относительно опорного луча. При этом расстояние фотоприемника от плоскости голограммы сохраняют равным 60 мм. Каждому углу отклонения фотоприемника от опорного луча соответствует своя пространственная частота. Диаметры входного окна фотоприемника и восстанавливающего, луча - 2 мм. Предлагаемый способ записи позволяет значительно увеличить полосу регистрируемых пространственных частот в сторону высоких, например по уровню 0,7 на 400 мм , и увеличить дифракционную эффективность записи в области высоких частот до 4 раз при приведенных режимах записи. Предлагаемый способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах позволяет получить увеличение дифракционной эффективности записи и отношения сигнал/шум до 10 раз, а также до 2 раз расширить передаточную характеристику в область высоких частот, считая от частоты iквазирезонанса. Это позволяет получать голограмм диффузных протяженных объектов, а также голограммы любых других видов при малом контрасте интерференционных полос, с большой дифракционной эффективностью и высоким отношением сигнал/шум. При регистрации голограмм предлагаемым способом значительно уменьшаются частотные искажения. Использование способа не приводит к снижений цикличности и оперативности работы сред, так как процесс усиления является чисто физическим, протекающим при комнатной температуре. Предлагаемый способ позволяет выделить слабый когерентный сигнал на фоне шума и проводить запись голограмм при сильной равномерной окружающей засветке, так как с помощью дополнительных зарядок восстанавливается постоянная составляющая потенциала поверхности пленки. В ряде случаев предлагаемый способ позволяет отказаться от применения высокочувствительных регистрирующих сред, так как с целью сокращения времени экспонирования может быть просто увеличена интенсивность опорного луча. Высокая экономическая эффективность предлагаемого способа записи обусловливается тем, что полезный эффект достигается без дополнительных экономических и материальных затрат, без применения новых уст ройств и элементов. Формула изобретения 1. Способ записи фазовых голограм на однослойных фотопластических средах, заключающийся в зарядке поверхности среды, формировании скрытого изображения экспонированием интерференционной картины при интенсивнос ти опорной волны больше интенсивности объектной волны, проявлении скры97ТОГО изображения, закреплении полученного рельефа и дополнительной зарядке поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения дифракционной эффективности голограмм, увеличения отношения си1- нал/шум за счет устранения морозной деформации и расширения полосы регистрируемых пространственных частот в высокочастотную область, усиливают скрытое изображение путем повторного экспонирования по крайней мере один раз тем же волновым фронтом, причем дополнительную зарядку проводят раз таким образом, чтобы изменение потенциала поверхности происходило на линейном участке и средний модуль поверхностного потенциала оставался неизменным во время записи, после чего проводят однократное проявление скрытого изображения. 2.Способ по п. 1,отличающий с я тем, что, с целью повышения отношения сигнал/шум, последнее экспонирование производят до снижения модуля поверхностного потенциала в два раза. 3.Способ по п. 1, отличающий с я тем, что, с целью снижения частотных искажений, толщину фотопластической среды и угол между опорным и объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низшей регистрируемой пространственной частоты на толщину среды составляет 0,6-0,7Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Credelle T.L., Spong F.W. Thermoplastic media for holographic recording R.C.A. Rev. 1972, 33, № 1, p. 206-226. 2.Заявка Франции f 2292275,, КЛ. G 03 H 1/ОЧ, опублик. 1976 (прототип) .

ALi

Uof 0.8

0,6

4j

ir i:

«u

I -г

5:

I

23«

Укспопироёания

AU-l/

5 19KC относит

fuz.f