Влияние адгезионного подслоя на свойства коллоидных слоев дихромированного желатина для записи сверхглубоких голограмм.

Антипов А.Л., Выговская Н.Ю., Выговский Ю.Н., Малов А.Н., Коноп А.Г.^*, Пидгурский С.Н.

Иркутский государственный университет

Приднестровский государственный университет

Введение. Применение коллоидных голографических регистрирующих сред и, в частности, слоев самопроявляющегося дихромированного желатина (СП ДЖ) для моделирования интегральных и волоконно-оптических устройств делает актуальным задачи дальнейшего совершенствования технологиии синтеза таких эмульсий и управления их голографическими свойствами [1]. Одной из основных задач при этом является достижение достаточной степени адгезии эмульсии к различным подложкам. Записи голограмм в СП ДЖ сопровождается явлением фотоиндуцированного коллапса, которое может снижать величину дифракционной эффективности и требует для своего устранения ламинирования свободной поверхности слоя [2]. При изготовлении голографических компьютерно-оптических фильтров, записи селектограмм и голографическом синтезе межволоконных связей в интегральных схемах для волоконно-оптических телекоммуникационных систем и датчиков физических полей наблюдаются такие как: нежелательные явления как отслоение материала от несущей подложки, сильная вариация оптических свойств слоя по его толщине и др.

В классической фототехнологии одним из наиболее разработанных способов фиксации эмульсинного слоя на подложке для устранения, например, ретикуляции эмульсии при обработке в растворах с различными температурами и рН, является использование тонкого (до 2 мкм) адгезионного подслоя из сильно задубленного желатина. Однако, несмотря на довольно широкое и длительное использование такого способа при производстве классических фотоматериалов на желатиновой основе, в научной литературе отсутствуют данные о влиянии адгезионного подслоя на структуру желатинового слоя по толщине, что становится весьма важным при синтезе сверхтолстых (до 2мм и более) слоёв СП ДЖ. Поэтому целью настоящей работы являлось определение зависимости дифракционной эффективности голограмм, записанных на самопроявляющихся слоях дихромированного желатина от степени задубленности адгезионного подслоя, скрепляющего материал со стеклянной подложкой для управления оптическими и голографическими характеристиками сверхтолстых слоев СП ДЖ.

Механизм записи голограмм в ДЖ. Механизм формирования оптического фазового рельефа в экспонированном и проявленном слое ДЖможно описать следующим образом[3]: экспонированные области слоя ДЖ обладают большой задубленностью, то есть более прочны в механическом отношении и менее растворяются и разбухают в воде, которая играет роль проявителя при обработке экспонированного слоя. Неравномерное разбухание при проявлении в воде соответствует распределению излучения при экспонировании слоя. Быстрое обезвоживание (сушка)разбухшего при проявлении слоя ДЖ в изопропиловом спирте приводит к возникновению трещин и расколов в объеме слоя, образующихся в областях минимальной засветки. Вследствие этого в слое ДЖ возникает фазовый рельеф, обладающий большим значением разности показателей преломления в экспонированных и неэкспонированных областях. Принято считать [2], что первичная фотохимическая реакция в слое ДЖ происходит, по крайней мере, по двум каналам. Поглотив квант света, ион хромаCr⁶⁺ ,находящийся в эмульсии, восстанавливается до Cr⁴⁺ и Cr⁵⁺ . Ионы Cr⁴⁺ со временем самопроизвольно переходят в состояние Cr⁵⁺ или в результате темновых реакций (задубливание без света) в Сr³⁺ . Ионы Cr⁵⁺ стабильны и переходят в состояние Cr³⁺ только под действием воды при проявлении. Хотя запись оптической информации происходит на молекулярном уровне, конечный результат определяется режимом обработки. Известны два способа проявления:

1. выявление различий в задубленности желатина за счет изменения показателя преломления по всей толщине слоя ( внутренний фазовый рельеф ).
2. выявление различий в задубленности посредством изменения толщины слоя ( поверхостный фазовый рельеф )

В используемых в настоящей работе самопроявляющихся слоях ДЖ реализуются оба варианта, поскольку в слое сразу присутствует вода, необходимая для проявления. Сам слой ДЖ чувствителен к излучению только синего спектрального диапазона, поэтому для записи голограмм красным излучением гелий-неонового лазера, наиболее удобного для практических целей, в эмульсию вводят специальное вещество-сенсибилизатор- краситель органической природы- метиленовый голубой или бриллиантовый зеленый.

В процессе приготовления слоев ДЖ, желатин, как полимерная, система проходит последовательность различных агрегатных состояний. Исходным состоянием является раствор желатина в воде, в котором макромолекула находиться в состоянии гауссова клубка или глобулы [4]. В процессе формирования, после полива на подложку, происходит образование геля, который может иметь свойства жидкого кристалла [5]. Испарение растворителя из эмульсии сопровождается возвращением макромолекул в состояние типа коллагеноподобной трехтяжной спиральной структуры. При студенении под действием сил со стороны подложки и внешних факторов происходит развертывание макромолекул в линейные структуры. Затем развернутые участки молекулы начинают складываться “гармошкой” вверх и вниз так, что соседние складки параллельны друг другу. Соседние молекулы из раствора укладываются рядом, параллельно с первой, таким же образом. Между цепями молекул возникают многочисленные слабые связи, которые удерживают и стягивают, получающуюся структуру. Так образуются пластины (ламели). Следует отметить, что вся молекула не может быть упорядочена, не вошедшие в складки участки выталкиваются из пластины. Совокупность подобного рода ламелей приводит к получению трехмерной сетки или каркаса [ 6, 7 ].

Адгезия к подложке и формирование структуры коллоидной пленки. Поскольку макромолекула желатина достаточно длинная. то вероятность того, что она ляжет полностью на подложку мала, и она укладывается так, что ее соседние участки остаются параллельными друг другу. Таким образом, главной особенностью полимерной, в том числе и биологической молекулы является их способность образовывать пластинчатые монокристаллы путем многократного складывания цепей. В отличие от кристалла неорганического соединения в полимерном кристаллите наряду с упорядоченными участками есть и аморфные области. Полимерные кристаллиты образуются из сложенных и вытянутых цепей, и цепей типа бахромчатой мицеллы [ 7 ].

Формирование всей объемной структуры слоя СП ДЖ начинается, видимо, в слое непосредственно контактирующем с подложкой, поскольку именно там имеются наиболее сильное упорядочивающее адгезионное взаимодействие и более низкая температура, приводящая к макромолекулярному переходу клубок-спираль. Дальнейшее формирование структуры слоя происходит по механизму эпитаксии - напрвленного роста квазикристаллического вещества на ориентированной подложке [ 6, 7 ]. Поскольку для макромолекул в качестве подложки выступает сильнозадубленный желатин,играющий роль зародыша, то формирующаяся объемная структура до некоторой степени соответствует его сетке. Рост кристаллита от одного зародыша может происходить независимо от роста других зародешей только до момента столкновения ламелей. При этом нарушение структуры может происходить по следующим причинам: из-за потери линейности за счет внутримолекулярных сшивок и из-за повышенной концентрации макромолекул в эмульсионном растворе.

Методика эксперимента и синтеза слоев СП ДЖ. Для выявления влияния подслоя на структуру толстого (до 2 мм) слоя СП ДЖ проводился полив эмульсии на отфиксированные промышленные галоидосеребряные фотопластинки. Степень задубленности такого фотослоя, играющего роль адгезионного подслоя, варьировалась путем выдерживания в стандартных дубящих растворах при различном времени обработки. Таким образом, толщина адгезионного подслоя составляла около 15 – 20 мкм при толщине слоя СП ДЖ 1,5 – 2 мм. Для исключения эффекта фотоиндуцированного коллапса слоя СП ДЖ его свободная поверхность ламинировалась чистым стеклом по методу [ 2 ]. Запись голограмм осуществлялась гелий-неоновым лазером по схеме Лейта-Упатниекса с углом схождения пучков около 30^о.

Для получения экспериментальных образцов использовались: фотопластинки для голографии ПФГ – 03М01, которые выдерживались в кислом фиксирующем растворе 20 минут, после этого в проточной воде смывались остатки фиксажа в течение 40 минут. Затем пластинки дубились в 15 % растворе хромокалиевых квасцов по 2, 4, 6, 8, 10 минут, каждая вынутая из дубителя пластинка промывалась под проточной водой, идущей с очень слабым напором в течение 2 минут. Затем в течение 1,5 - 2 часов пластинки сушились. Таким образом, было подготовлено две партии пластинок, задубленных по 2, 4, 6 ,8, 10 минут, две партии незадубленных пластинок и две- без подслоя. Из каждой стандартной по размерам пластинки вырезались меньшие пластинки размером 40х40 мм. По краю вырезанных пластин устанавливался пластиковый П - образный контур с высотой барьера около 2 миллиметров.

Эмульсия СП ДЖ синтезировалась следующим образом:

1. 10 грамм желатина разводятся в 45 мл воды. Желатин распускается в теплой воде ( около 50 градусов по Цельсию ) в течение 1 часа.
2. Добавляется 8 мл глицерина.
3. Добавляется 0.2 грамма БХА ( 2 % от массы сухого желатина)
4. В раствор вливается 2.5 мл 10 )-ного водного раствора аммиака
5. Добавляется 1 мл 0.1 %-ного водного раствора красителя метиленового голубого (МГ).
6. Добавляется вода в количестве 7 мл.

 

Полученный эмульсионный раствор выливался тонкой струей на пластинку и после растекания ровным слоем по всей ее поверхности, ламинируется стеклянной пластинкой и помещается в прохладное темное место на одни сутки для студенения и “дозревания”.

---

Измерения дифракционной эффективности записанной голограммы проводились с помощью кремниевого фотодиода типа ФД-7К через каждые 20 секунд в течение 400 с. Полученные экспериментальные данные записывались в виде таблицы, затем эти данные вводились в персональный компьютер и отображались как в виде стандартных двумерных, так и в виде трехмерных графиков

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Рис 1 показывает начальный участок зависимости ДЭ от энергии экспозиции –до значений времени экспозиции 200 сек. Из этих результатов видно, что повышение уровня задубленности подслоя улучшает линейность записи голограммы – с ростом времени дубления зависимость ДЭ от энергии экспозиции становится прямопропорциональной. Проведенные эксперименты, показали, таким образом, возможность обеспечения линейного режима регистрации голограмм на самопроявляющихся слоях ДЖ толщиной 1,5 мм. Это даёт возможность предсказывать и управлять будущим результатом. Влияние тонкой, по сравнению со слоями ДЖ, адгезионной подложки на процесс структурирования желатины говорит о возникновении дальнего порядка в пленке, что говорит о некоторой упорядоченности молекул по всему объему пленки.

На рис 2..показаны те же характеристики, что и на предыдущем рисунке, но в более широком – до 400 сек - интервале экспозиций. Видно, что режим линейности нарушается при больших энергиях. Подобное явление наблюдается для всех желатиновых систем в голографии и связано с эффектом т.н. “перемодуляции” фазового рельефа. Значение (–1) по уровню задубленности на графике соответствует системе без адгезионного подслоя.

Во всех случаях слоев с адгезионным подслоем, скрепляющим слой СП ДЖ со стеклянной пластинкой, отслоений эмульсии от подложки не наблюдалось во время всего эксперимента. Таким образом, полученные предварительные результаты показывают принципиальную возможность управления голографическими характеристиками самопроявляющихся коллоидных желатин-глицериновых систем путем изменения адгезии подслоя. В частности, установлено, что возможно управление голографическими свойствами слоя ДЖ толщиной до 1,5-3 мм за счет изменения уровня задубленности тонкого (до 25 мкм) адгезионного подслоя. Этот факт является принципиальным и весьма важным для совершенствования методов записи сверхглубоких голограмм и обнаружен впервые.

Литература.

1. Denisyuk Yu.N., Ganzherli N.M. et al., 1997, Intern. Symposium Optical Information Science and Technology – OIST-97, SPIE, Moscow, 1997, - report C3-03.
2. Коноп С.П. Исследование механизмов светочувствительности в конденсированных коллоидных системах. / Дисс. …к.ф.-м.н. , Иркутск, ИГУ.- 1998.
3. Выговский Ю.Н., Дработурин П.А., Коноп А.Г., Коноп С.П., Малов А.Н. Желатин-глицериновые “красные” регистрирующие системы с метиленовым голубым “Компьютерная оптика”, (1998), вып. 18, стр. 133 – 138.
4. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. –М.: Наука, 1989.
5. Vigovsky Yu.N., Konop S.P., Malov A.N., Malov S.N. Photoinduced phase transitions in layers of dichromated gelatin / “Laser Physics”, (1998), vol. 8, N 4, pp. 901 - 915.
6. Вундерлих Б.. Физика макромолекул. т. 1. – М: Мир, 1978 – 624с.
7. Вундерлих Б.. Физика макромолекул. Зарождение, рост и отжиг кристаллов. т. 2. – М: Мир, 1979 – 576с.