Применение информационных технологий при исследовании фоторегистрирующих полимерных материалов

Таблица 4.2

 

 

С, мол.%	3	3	0,5	0,5
λ, нм	488	514,5	488	514,5
Ф	0,4±0,1	0,5±0,1	0,3±0,1	0,4±0,1

 

 

 

 

Одной из главных характеристик  регистрирующей среды является характеристическая кривая. Для ее построения воспользуемся расчетными значениями фоторефракции молекул фотопродукта и ФХ, а также экспериментальными данными расходования молекул ФХ под действием излучения с длиной волны 514,5 нм. При этом характеристические кривые действительны лишь для слоев оптически тонких на длинах волн активирующего излучения. На рисунке 12 представлены характеристические кривые для полимерных слоев, содержащих ФХ с концентрацией 3 (а) и 0,5 (б) мол.%. Характер роста отличается от линейного вида уже на начальной стадии записи для слоев содержащих ФХ как с 0,5 так и 3 мол. %. Несмотря на это можно выделить участки, характеризующиеся небольшим отклонением от линейного вида. Они определяют динамический диапазон регистрирующей среды, в котором запись изображений происходит с небольшими искажениями. Ему соответствует диапазон рабочих экспозиций. Так для слоев содержащих 3 мол.% ФХ его верхняя граница находиться в области 7 Дж/см², а для слоев содержащих 0,5 мол.% ФХ – 14 Дж/см².

 

Существенная нелинейность характеристической кривой может приводить к отклонению профиля показателя преломления от синусоидального вида, задаваемого интерференционной картиной. Это приведет к появлению более высоких порядков дифракции и снизит

первого порядка. Мы регистрировали более  высокие порядки дифракции при  записи голографических решеток  в полимерных слоях содержащие ФХ. Для анализа их формирования и влияния на первого порядка необходимо исследовать кинетики расходования ФХ в полимерной матрице.

Рассмотрим изменение формы  профиля показателя преломления  при записи фазовых голографических решеток в полимерных слоях, содержащих фенантренхинон. Как уже отмечалось, при записи фазовых решеток в полимерных слоях содержащих ФХ было обнаружено, что кроме первого порядка дифракции наблюдаются и более высокие. Они соответствуют решеткам с частотами, кратными частоте записываемой решетки. Их регистрация возможна при падении опорного пучка на слой под углом, удовлетворяющим условию Брэгга для соответствующей частоты решетки.

На рисунке 13 представлена зависимость роста ДЭ для первого и второго порядков дифракции от времени записи голографической решетки. Второй порядок возникает уже на начальном участке роста первого и нарастает вместе с ним. После того как ДЭ первого порядка достигает максимального значения и начинает уменьшаться, ДЭ второго порядка продолжала увеличиваться. Наличие более высоких порядков дифракции имеет место для слоев как с высокой концентрацией ФХ (3 мол.%) так и с низкой (0,5 мол.%). Появление более высоких порядков дифракции указывает на отклонение формы профиля показателя преломления от синусоидальной, задаваемой интерференционной картиной. Проанализируем то, как вид характеристической кривой для содержащих ФХ слоев влияет на форму профиля показателя преломления при записи голографических решеток.

 

 

 

 

Формирование фазового изображения при записи голограмм в полимерных слоях, содержащих ФХ, происходит благодаря изменению молярной рефракции ФХ при его фотоприсоединении. Изменение показателя преломления в каждой точке регистрирующего слоя описывается выражением 18, согласно которому оно зависит от изменения концентрации ФХ в точке слоя, а, следовательно, и от экспозиции в этой точке. При записи голографической решетки распределение интенсивности в слое задается выражением:

,                            (11)

где  , – интенсивности объектного и опорного лучей,

 – координата в плоскости  слоя,

 – период решетки.

 – видимость интерференционных  полос, определяемая выражением:

,      

где  и – интенсивность света в максимумах и минимумах интерференционной картины. Учитывая 29, запишем выражение, связывающее локальную экспозицию в каждой точке слоя с общей экспозицией, измеряемой при записи голографической решетки:

,                                      (12)

где   – экспозиция в точке х,

 – общая экспозиция решетки,  определяемая выражением:

,                                                          (13)

где   – площадь объектного и опорного пучков

Используя выражение (7), а также расчетные характеристические кривые, построим профиль показателя преломления, формируемый в регистрирующем слое двумя интерферирующими пучками с одинаковой интенсивностью. Так как расчетные характеристические кривые построены на основании экспериментальных данных по расходованию ФХ в полимерных слоях с толщиной 2 мкм, то полученный в процессе моделирования профиль показателя преломления будет действителен для слоев оптически тонких для длины волны активирующего излучения (514,5 нм).

 На рисунке 14 представлена зависимость изменения показателя преломления от координаты при различных значениях экспозиции решетки. Значения нормированы на изменение показателя преломления в максимумах интерференционной картины. Кривая 1 соответствует нормированному распределению интенсивности в слое. Отклонение формы профиля показателя преломления от синусоидальной формы, задаваемой интерференционной картиной, происходит при малых значениях экспозиции и увеличиваются с ее ростом. Этот процесс характерен для слоев содержащих как 3 так и 0,5 мол.% ФХ. Очевидно, что подобное отклонение формы профиля должно проявляться в образовании более высоких порядков дифракции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получить расчетные значения для  первого и более высоких порядков дифракции можно, разложив профиль показателя преломления в ряд Фурье. Удвоенный -ый коэффициент разложения соответствует амплитуде модуляции показателя преломления -ого порядка дифракции решетки.

На рисунке 15 представлены рассчитанные зависимости изменения показателя преломления в максимуме интерференционной картины, а также для первого и второго порядков дифракции от экспозиции.  
Величины нормированы на изменение показателя преломления в максимуме интерференционной картины при полном фотопревращении ФХ. Это позволяет рассматривать результаты без оглядки на величины рефракций ФХ и фотопродукта. Для слоев, содержащих 3 мол. % ФХ можно выделить два участка роста первого порядка. Начальный участок характеризуется относительно быстрым нарастанием , таким что при экспозициях 6 – 7 Дж/см² составляет половину от максимально возможной величины. Дальнейшее экспонирование слоя приводит к незначительному росту , характеризующегося малой степенью и скоростью. Для слоев, содержащих 0,5 мол. % максимальное значение достигается при экспозиции 12 – 13 Дж/см². Следует отметить, что для концентрации ФХ 0,5 моль. % первого порядка меньше на 22%, чем изменение показателя преломления в максимумах интерференционной картины. Для концентрации ФХ 3 моль. % разница увеличивается и составляет 37 %. Это указывает на ограничение роста первого порядка, вызываемое искажением профиля показателя преломления. В регистрирующих слоях с толщиной =100 мкм ограничение роста должно приводить к более чем двукратному уменьшению достигаемой при записи дифракционной эффективности.

Как следует из кривых, полученных в результате моделирования, для  слоев, содержащих 3 и 0,5 мол. % ФХ, характерно появление вторых порядков дифракции уже при малых значениях экспозиций (рис.16). Это хорошо согласуется с экспериментальными данными. На рисунке 20 представлена зависимость отношения амплитуд модуляции второго и первого порядков дифракции от экспозиции для образцов с различным содержанием ФХ. Отношение характеризует величину отклонения формы профиля показателя преломления от синусоидального вида с учетом величины первого порядка. На начальном участке образцы с содержанием ФХ 3 мол.% характеризуются большими искажениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако при длительной записи при  экспозициях больше 13 Дж/см² для слоев с содержанием 0,5 мол. % ФХ искажения становятся больше, чем для слоев, содержащих 3 мол. %. При глубокой записи максимальная величина первого порядка в слоях содержащих 0,5 мол. % достигается при экспозиции 12 – 13 Дж/см² (рис. 20), при этом величина отношения второго и первого порядков составляет ≈0,4. В экспериментах при записи фазовых голографических решеток до максимальных значений первого порядка величина отношения второго и первого порядков дифракции не превышала 0,4, что хорошо согласуется с результатами моделирования. Можно сделать вывод о том, что повышение концентрации ФХ в слоях не приводит к увеличению искажений профиля показателя преломления при глубокой записи фазовых голограмм.

 

 

Заключение

 

Таким образом, в ходе работы были проделаны эксперименты и построены математические модели по исследованию поведения голографических решеток в постэкспозиционный период в полимерной среде, состоящей из полиметилметакрилата с распределенным в нем фенантренхиноном. Были проанализированы процессы диффузионного усиления голограмм, механизмы усиления, а также зависимости максимально достижимых значений  амплитуды модуляции показателя преломления от условий записи и усиления голографических решеток.

Использование компьютерных программ несомненно упростило написание данной работы, а также позволило сделать точные расчеты процессов диффузии и анализа причин несинусоидальности профиля показателя преломления объемных голографических решеток.

Благодаря табличному редактору  Exel, на первый взгляд крайне простой, но в то же время обладающей множеством возможностей программе, были построены и проанализированы ключевые зависимости в диффузионных процессах. Также данная программа помогла представить необходимые результаты в виде удобных таблиц.

Для доказательства диффузионности учаска нарастания кинетики модуляции показателя преломления необходимо было проведение аппроксимаций полученных кривых сложными двухэкспоненциальными выражениями. В данном случае удобно было использовать такую компьютерную программу как Origin, которая дала точные значения всех составляющих процесса диффузии.

В MathCAD удалось теоретически получить  распределение интенсивности в полимерном слое при регистрации голограммы и сравнить его с экспериментальными результатами, что позволило подтвердить сделанное предположение о происходящиз процессах в решетках и выдвинуть некоторые физические идеи объяснения диффузии подвижных молекул фенантренхинона.

Конечно же, в данной работе были рассмотрены далеко не все виды программ, упрощающие работу в области физических исследований. Однако наиболее популярные и необходимые были описаны и рпедставлены как наглядные примеры для использования в области создания голографических решеток в фоторегистрирующих полимерных средах.

 

 Список литературы к реферату

1. А.В.Вениаминов, Г.И.Лашков, О.Б.Ратнер, Н.С.Шелехов. Голографическая релаксометрия как метод исследования диффузионных процессов в полимерных регистрирующих средах //Опт. и спектр.1986. Т.4, № 60. С.142-147.
2. Е.С. Коваленко, С.Н. Шарангович. Динамика оптического самоусиления голограмм в фотополимерных материалах // Известия вузов. Физика. 1997. №1. С.81-91.
3. В.В.Могильный. Полимерные фоторегистрирующие материалы и их применение: Курс лекций. Мн. БГУ. 2003.
4. А.В.Вениаминов, В.Ф.Гончаров, А.П.Попов. Усиление голограмм за счет диффузионной деструкции противофазных периодических структур // Опт.и спектр. 1991.  Т.70, №4. С.864.
5. G.I.Steckman, I.Solomatine, G.Zhou, D.Psaltis. Characterization of phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate) for holographic memory // Opt.Lett. 1998. V.23. №16. P.1310.
6. A.Popov,I.Novikov, K.Lapushka. Spectrally selective holographic optical elements based on a thick polymer medium with diffusional amplification // J.Opt. A. 2000. V.2. №5. P.494.
7. О.В.Андреева, О.В.Бандюк, А.А.Парамонов и др. Объемные пропускающие голограммы в полимерной среде с фенантренхиноном // Оптический журнал. Т.67, №12. 2000.
8.           J.E.Ludman, J.R.Riccobono, N.O.Reinhand // Opt.Engin. 1997. V.36. №6. P.1700.
9. А.В.Вениаминов, Ю.Н.Седунов, А.П.Попов, О.В.Бандюк. Постэкспозиционное поведение голограмм под влиянием диффузии макромолекул // Опт. и спектр. 1996. Т.81, №4. С.676-680.
10. А.В.Вениаминов, E.Bartsch. Diffusional enhancement of holograms: phenanthrenequinone in polycarbonate // J. Opt. A.: Pure Appl. Opt. 2002. Vol.4. №4. P.387.
11. А.В.Вениаминов, В.Ф.Гончаров, А.П.Попов. Усиление голограмм за счет диффузионной деструкции противофазных периодических структур //Опт. и спектр. Т.70, №4. 1991.
12. Дж. Гиллет. Фотофизика и фотохимия полимеров // М. 1988.
13. Д.Н. Мармыш, В.В. Могильный. Диффузионное преобразование решеток показателя преломления в слоях антраценосодержащих сополимеров с добавками 9-антральдегида // Физика. 2005.
14. Д.Н. Мармыш, В.В. Могильный, Е.А. Толстик. Преобразование голографических решеток в полимерных слоях, содержащих фенантренхинон // Известия Российской Академии наук. Серия физическая. 2006. Т.70, № 12. С.1796-1799.
15. Д.Н. Мармыш, Е.А. Толстик. Усиление и деградация фазовых голограмм в полимерных слоях, содержащих фенантренхинон // Сборник тезисов докладов 10 Республиканской научной конференции студентов и аспирантов высших учебных заведений РБ «НИРС-2005». Часть 2. М. 2005. С.230.
16. Д.Н. Мармыш, Е.А. Толстик. Диффузионное преобразование фазовых голограмм в полимерных слоях, содержащих фенантренхинон // Тезисы докладов 14 Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов «ФКС». 2006. Гродно. С.227-229.
17. Д.Н. Мармыш, Е.А. Толстик. Искажение профиля показателя преломления в записываемых голографических решетках в полимерной среде, содержащей фенантренхинон // Международный оптический конгресс «Оптика 21 век». 2006. Санкт-Петербург. Научная молодежная школа «Оптика 2006». С.7-8.
18. Д.Н. Мармыш, В.В. Могильный, Е.А. Толстик. Преобразование голографических решеток в полимерных слоях, содержащих фенантренхинон // Тезисы докладов 10 Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах». Москва. 2006.
19. Д.Н. Мармыш, Е.А. Толстик. Динамика объемных отражательных голограмм в полимерных слоях с фенантренхиноном // Тезисы докладов11 Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». Москва. 2007. Часть 2. С. 60-62.

 

 Интернет-ресурсы в предметной области

http://www.google.com

Несмотря на то, что в мире существует множество информационно-поисковых  систем,отличающиеся определенными  параметрами, масштабностью,качеством  поиска и т.д., ни одна из них не способна просмотреть все страницы в вебе.  Всемирно известная поисковая система Google занимает, несомненно, первые позиции по качеству поиска. Она позволяет производить простой поиск по ключевым словам, возможен вариант расширенного поиска по группам (среди книг, музыкальных файлов или видеофайлов, новостей и т.д.), особым признакам (определение, тип файла) и т.д. Поиск информации в сети Интернет обычно начинается с этого сайта.

 

http://www.vak.org.by

Сайт Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь. Тут размещены материалы, касающиеся подготовки научных кадров, присуждения ученых степеней и званий, краткие паспорта специальностей и программы-минимумы кандидатских экзаменов по специальности; в разделе «Каталог файлов» представлены доступные для скачивания файлы нормативных документов с приложениями и шаблоны регистрационных документов. Организован поиск по сайту и в сети Интернет.

http://www.sciencedirect.com

http://scitation.aip.org

http://apl.aip.org/

Данные сайты били содержат большинство  статей, опубликованных в крупных  международных физических журналах, таких как Aplied physics B, Applied physics (Letters), Phys.Rew., Optics Communication, Apple.and pyre optics и многих других. Также можно найти ссылки на научную литературу и другие периодические издания.

www.edmund–optics.com

Дистрибьютор оптики и лазерных систем

www.uni-jena.de

Йенского университета

www.limo.de

Производитель микро-оптики и волноводных  систем

 

Действующий личный сайт в WWW

www.Kazantipik.narod.ru

 

Граф (круг) научных интересов

Магистрантки Толстик Е.А.,физический факультет

Специальность «физика (научно-исследовательская деятельность)»

Смежные специальности    01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики ·  методы исследования и расчёта конструкционной прочности и трещиностойкости при статистических и динамических нагрузках на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации; ·  износоусталостные испытания реальных объектов и их моделей, учёт влияния новых перспективных упрочняющих и защитных технологий на динамическую нагруженность, виброакустические и прочностные характеристики;    01.04.02 – теоретическая физика ·  Общие вопросы теоретической физики. Теория элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий ·  Математические методы теоретической физики (развитие и применение теории операторов, алгебр, групп и их представлений, геометро-топологических подходов)   01.04.03 – радиофизика ·          Нелинейные динамические системы ·          Электродинамика.    01.04.04 – физическая электроника ·          Эмиссионная электроника ·          Твёрдотельная (полупроводниковая) электроника и микроэлектроника    01.04.07 – физика конденсированных состояний ·  Физические свойства материалов (механические, тепловые, оптические, магнитные и другие). ·  Получение новых материалов и структур, исследование их физических свойств и технических характеристик.   01.04.08 – физика плазмы ·  теория плазмы; ·  элементарные процессы в плазме;   01.04.10 – физика полупроводников ·  Развитие теорий энергетического спектра электронов, химической связи, кинетических свойств и явлений, взаимодействия излучений с веществом. ·  Исследование структуры кристаллических и других полупроводников, ее модификация и формирование при внешних воздействиях.   01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки ·  Системы возбуждения электропроводности сред, стационарные и импульсные электрические разряды, принципы формирования высокоэнергитичных потоков заряженных частиц. ·  Плазменные структуры как источники заряженных частиц, двойные электрические и пристеночные слои, переключение тока в плазменных структурах.   01.04.18 – кристаллография, физика кристаллов. ·  Элементарные частицы, законы сохранения и релятивистская кинематика. ·  Физика электромагнитных, слабых (электрослабых) и сильных взаимодействий элементарных частиц, а также гравитационных эффектов при высоких энергиях. Физика фундаментальных взаимодействий за рамками стандартной модели. Симметрии и их нарушения. (Теория и эксперимент).

Основная специальность    01.04.21 – лазерная физика ·  Теория лазеров и оптических усилителей. ·  Лазерные среды.

Сопутствующие    01.01.03 – математическая физика ·          основания геометрии, псевдоевклидова и неевклидова геометрия, дискретная геометрия, аффинная геометрия, проективная и другие геометрии, геометрия над произвольными алгебрами, теория выпуклых множеств, исследование геометрических фигур и геометрических неравенств, дискриптивная геометрия, локальная и глобальная дифференциальная геометрия классических пространств, терия гладких многообразий и  подмногообразий и связанных с ними дифференциально-геометрических структур; ·          общая топология, геометрическая топология, теория экстензоров, дискриптивная теория множеств, теория размерности, топологические группы преобразований, дифференциальная топология, алгебраическая топология, исследование многообразий различных категорий и клеточных комплексов.     01.01.07 – вычислительная математика еория приближенных методов и численных алгоритмов решения задач алгебры, дифференциальных и интегральных уравнений, задач дискретной математики, экстремальных задач, задач управления, некорректных задач, других задач линейного,  нелинейного и стохастического анализа.   03.00.02 – биофизика ·  Теоретическая и математическая биофизика. Термодинамика биологических процессов. Диссипативные структуры в биологии. Колебательные процессы в биологии. Модели биологических процессов. ·  Молекулярная биофизика. Физика биополимеров и их моделей. Физические и физико-химические свойства биологических молекул и биологически важных соединений. Биофизика макромолекулярных комплексов и их моделей. ·     03.00.16 – экология ·  Медико-экологический  мониторинг показателей различных функций и систем организма как критериев оценки качества окружающей среды. ·  Изучение долевого вклада различных факторов окружающей среды (пестицидов, радионуклидов, минеральных удобрений, других химических веществ, электромагнитных полей и т. д.) в формировании индивидуального и популяционного здоровья людей. 3.Изучение медико-экологических аспектов совокупного воздействия на здоровье людей негативных и позитивных факторов окружающей среды. ·     05.11.05 - приборы и методы измерения по видам измерений ·  Силовые полупроводниковые и электромашинные преобразователи электроэнергии в электромеханических системах. ·  Электрические машины в электромеханических системах.     05.11.07 – оптические и оптико-электронные приборы и комплексы ·  Методы, приборы и комплексы для обработки и анализа оптических изображений. Приборы для микроскопии. ·  Системы адаптивной оптики. Голографические приборы и комплексы. Оптические томографы. ·     05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ ·  Разработка и обоснование математических моделей актуальных задач естествознания, а также техники, экономики, экологии и других отраслей, рассмотрение вопросов точности, чувствительности, устойчивости ИМ и достоверности моделирования. ·  Всестороннее изучение уравнений, возникающих в ММ. Развитие качественных, аналитических, спектральных, асимптотических, приближенных и имитационных методов как необходимый этап вычислительного эксперимента. ·     05.27.03 – квантовая электроника ·  Разработка и изготовление различных видов твердотельных структур для полупроводниковых приборов и интегральных схем, включая гибридные, различной степени интеграции и устройств функциональной электроники, а также сенсоров и актюаторов, в частности оптоэлектронных систем и устройств, приборов акустоэлектроники, в том числе на основе пьезоэлектрического эффекта, объемных и поверхностных акустических волн, приборов магнитоэлектроники, криоэлектроники и др. ·  Решение задач, связанных с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, в том числе органических, магнитных, сверхпроводниковых и др.), свойств границ раздела между слоями различных материалов, созданием в материалах различных микро- и нано-областей, статических и диэлектрических неоднородностей, разработкой функциональных устройств с микронными  и субмикронными размерами.