1.3 Голографическая методика записи структур
С каждым годом интерес к изучению конденсированных сред голографическими методами растет. Этот метод не смотря на очень молодой возраст, является бурно развивающимся научным направлением современной оптики. Связанно это с большой областью практического применения голографии: запись, хранение и передача информации, создание оптических фильтров, 3D-кинематографа, художественная голография, повышение производительности вычислительных машин и создания искусственного интеллекта, увеличение скорости продвижения в робототехнике связанной с распознавание образов и т.д.
Для практического применения голографии не обходимо детально изучить процессы записи и стирания пространственных структур в конденсированных средах.
Голографические методы можно разделить условно на два типа стационарные и не стационарные. В основу метода не стационарной голографии лежат принципы изучения взаимодействия излучения с веществом и протекающими процессами после лазерного воздействия.
При моделировании записи и изучения различных свойств голограмм, наиболее удобно рассматривать простейший случай, т.е. плоскую волну и соответствующие этому случаю простейшие уравнения. При этом записанный профиль голографической решетки, в идеальном случае, подобен профилю интерференционного поля накачки (хотя в реальности такое не выполняется)
(1.3.1)
где – пространственный период структуры;
– длинна волны излучения;
– угол, между волновыми векторами двух волн;
– глубина модуляции, связанная со степенью когерентности опорной и предметной волн и соотношением их интенсивностей.
В качестве основной характеристики записанной голограммы используется дифракционная эффективность, определяемая при считывании как отношение интенсивностей падающей опорной и восстановленной предметной(в первом дифракционном максимуме) волн [18,19,20].
Лазерный свеллинг
Различные аспекты воздействия лазерного излучения на вещество являются предметом научных исследований в течение последних нескольких десятилетий [21-33]. Выделяют два противоположных эффекта по результату воздействия лазерного излучения - это лазерная абляция и свеллинг, которые применяются для обработки и микроструктурирования поверхности материалов. Интерес, связанный с этими эффектами, вызван, прежде всего, стремительным ростом потребностей микроэлектроники, интегральной оптики, телекоммуникаций и нанотехнологий, где используется точная и контролируемая микрообработка материалов.
Лазерная абляция, как удаление вещества с поверхности материала под действием лазерного излучения, приводит к образованию углубления (кратера) в области воздействия. Применение пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов в отличие от наносекундных позволяет получать микроструктуры субмикронных размеров без повреждения прилегающих слоев материала. Технология микроструктурирования ультракороткими импульсами (УКИ) не имеет аналогов в получении отверстий субмикронного размера, а также в обработке поверхности диэлектриков, в том числе полимеров. Лазерная абляция применяется для изготовления литографических масок и дифракционных решеток, обработки резистивных и диэлектрических полимерных пленок, пленок металлов и полупроводников для производства микросхем, сопел струйных принтеров и инжекторных двигателей и др.
В отличие от абляции, свеллинг представляет собой разбухание вещества в области, подвергшейся лазерному облучению, и приводит к образованию выпуклости на поверхности материала. Лазерные микротехнологии, основанные на эффекте свеллинга, способны создавать тонкие выпуклые рельефы на поверхности полимеров, что используется в интегральной оптике для создания микролинз и выпуклых решеток.
В связи с практической важностью микрообработки материалов лазерными импульсами становится особенно актуальным исследование механизмов и режимов абляции и свеллингаполимероподобных материалов. Основная особенность полимерного материала, состоит в наличии существенно различных по энергии связей между молекулярными группами (ковалентные связи между мономерами в полимерной цепи и слабые водородные связи между цепями).
Воздействие лазерного излучения на полимероподобные среды вызывает ряд превращений в нем: термоактивированные реакции разрыва полимерных цепей, возникновение электронно-возбужденных состояний и нестационарных механических напряжений.
Голограммы записанные на метастабильных состояниях молекул красителя
Триплетная голограмма характеризуется фазовой и амплитудной составляющий. У амплитудной модулируется коэффициент поглощения, а фазовой – модулируется показатель преломления или толщина образца [19, 34]. Распределение энергии в плоскости регистрации голограммы, обусловленное интерференцией объектной и опорной волн, дается выражение:
(1.3.2)
где: и – изменения амплитуд объектной и опорной волн, и – изменения фаз объектной и опорной волн соответственно. Параметры и определяются как:
и
где: – длина волны света,
, – углы падения объектной и опорной волн на плоскость голограммы.
Данное выражение описывает поверхностную, или тонкую голограмму. Голограмму называют амплитудной тогда, когда восстанавливающая волна модулируется таким образом, что после прохождения через голограмму ее амплитуда становится пропорциональна величине, описываемой выражением (1.3.2). Эта волна после прохождения некоторого расстояния вызывает появление волн, идущих в трех направлениях. Одна из этих волн пропорциональна исходной волне от объекта. Амплитудную модуляцию можно получить либо за счет поглощения части волны, либо в случае отражательной голограммы за счет коэффициента отражения.
Фазовой называют голограмму, которая модулирует фазу восстанавливающей волны таким образом, что результирующая волна имеет относительный сдвиг фазы, пропорциональной величине, описываемой выражением (1.3.2); иными словами, волну можно представить в виде функции , записываемой как:
(1.3.3)
где ;
– коэффициент фазовой модуляции.
Прошедшая через голограмму волна приводит к образованию многих волн, одна из которых пропорциональна волне, идущей от объекта. Если величина мала, то объектная волна восстанавливается с минимумом шума. Если же не мал, то некоторые из остальных волн, образованных волной, описываемой выражением (3), могут стать источником шума в восстановленной объектной волне [35]. Фазовую модуляцию можно получить, заставляя коэффициент преломления или толщину голограммы меняться в зависимости от x и y или менять профиль голограммы и используя ее как отражатель. Многие голографические регистрирующие материалы, такие, как фотоэмульсия, вызывают амплитудную и фазовую модуляцию освещающей волны; при этом амплитуда модулированной волны пропорциональна , а фаза – величине . Как амплитуда, так и фаза волны содержат всю записанную информацию в соответствии с выражением (1.3.2). Этот эффект имеет место в случае, когда применяют тонкую фотоэмульсию. Очень полезным является случай амплитудной и фазовой модуляции, когда желаемое изменение амплитуды волны создается амплитудной модуляцией, а изменение фазы – фазовой модуляцией. Этого можно достичь с помощью толстых (объемных) голограмм.
Как отмечается во многих работах, фазовые голограммы по многим параметрам (спектральная и угловая селективность, дифракционная эффективность) превосходят амплитудные [33,36,37].