НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Институт Физики

на правах рукописи

Аттокуров Урмат Тологонович

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЗАПИСИ

МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ В

ФОТОПОЛИМЕРИЗУЮЩИХСЯ СРЕДАХ И АНАЛИЗ

ДИСКОВЫХ ГЗУ НА ЭТИХ СРЕДАХ

Специальность: 01.04.05 - ОПТИКА

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИШКЕК 1999 2

Работа выполнена в Институте Физики Национальной Академии наук Кыргызской Республики Научные руководители: доктор технических наук, академик НАН Кыргызской Республики, профессор К.М. Жумалиев;

кандидат технических наук А.А. Сагымбаев.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, почетный академик НАН КР, профессор С.Б. Гуревич;

доктор технических наук, член-корреспондент НАН КР, профессор У.Н. Бримкулов

Ведущая организация: Казахский государственный национальный университет имени Аль - Фараби Республики Казахстан

Защита состоится «_» _1999 г. в _часов на заседании специализированного совета Д.01.97.65. в Институте Физики Национальной академии наук Кыргызской Республики по адресу 720071, г. Бишкек, проспект Чуй, 265 а.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Национальной академии наук Кыргызской Республики.

Автореферат разослан «»_1999 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук _Л.К. Меренкова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию физикотехнических характеристик, способов и режимов записи мультиплексированных голограмм в фотополимеризующихся материалах (ФПМ) и анализу дисковых устройств записи голографической информации.

Способ хранения информации в виде голограмм является наиболее рациональным и выгодным, позволяет реализовать наивысшую плотность записи и, что самое важное, высокую надежность хранения информации. Голограмма почти не чувствительна к внешним помехам "импульсного характера" - пылинкам, царапинам и др.: элементы информации записываются на большой площади фоточувствительного слоя путем их мультиплексирования, а не локализуется в отдельных точках фотополимеризующего (ФП) слоя. Фоточувствительность в полимерах больше чувствительности, чем фоторезистов и фотохромных материалов. На них записываются фазовые голограммы, образуемые как модуляцией коэффициента преломления вещества слоя, так и модуляцией толщины слоя.

Фотополимеризующиеся среды в настоящее время рассматривается как перспективные носители для голографии. Это новый класс регистрирующих сред для голографии и он довольно активно исследуется во всем мире. Каждый участок голограммы содержит информацию о всех элементах объекта и позволяет воссоздать полное его изображение. Очевидна и высокая надежность хранения информации, записанной таким способом.

Необходимость записывать и хранить большие объемы информации потребовала создания систем памяти, основанных на иных, отличных от магнитных или полупроводниковых, принципов записи и хранения информации. Перспективным вариантом решения такой задачи является создание голографических запоминающих устройств (ГЗУ), позволяющих записывать информацию с большой плотностью, информационные емкости и хранить ее длительный срок.

При создании ГЗУ с мультиплексированной записью одной из основных задач является разработка блока записи. Определяем две подзадачи. Это исследование физикотехнических характеристик, способов и режимов записи голографической информации, а затем разработка оптических схем, осуществляющих мультиплексированную запись.

Исходя из сказанного, следует, что проведенные в настоящей работе анализ и исследования являются актуальными.

Указанная тема исследований выполнялась согласно координационного плана НИР НАН КР, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и лаборатории «Оптоэлектроники» института Физики НАН КР по проблеме «Оптическая голография» на 1995-99 гг.

Целью диссертационной работы является: исследование физико-технических характеристик, разработка способов и режимов записи мультиплексированных голограмм в фотополимеризующихся материалах (ФПМ), и на основе теоретических и экспериментальных исследований дать оценку возможности применения данного материала в качестве регистрирующей среды для решения задач мультиплексирования голограмм и анализ дисковых ГЗУ.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие основные задачи:

-анализ фоточувствительных материалов и сравнение особенностей регистрирующих сред для записи мультиплексированных голограмм;

-экспериментальное исследование и разработка режимов записи голографической информации с высокой дифракционной эффективностью, при возможно большей плотности;

-экспериментальное исследование физико-технических характеристик, способов и режимов записи мультиплексированных голограмм;

-теоретическое исследование термохимической фиксации и режимов проявления голограмм в фотополимеризующихся материалах при нагреве различными источниками излучения;

-анализ записи мультиплексированных голограмм в системах ГЗУ с целью определения оптимальных параметров, необходимых при разработке оптической схемы для записи в дисковый накопитель на ФПМ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

-разработаны способы и режимы оптимальной записи мультиплексированных голограмм в фотополимеризующихся материалах фирмы DU PONT изменением угла между опорным и предметным пучками, при конической развертке опорного пучка, а также поворотом регистрирующей среды вокруг точки записи;

-установлены оптимальные параметры дифракционной эффективности (ДЭ), при которых происходит фазовое голографическое самоусиление в фотополимеризуюшихся материалах. Максимально достигнутый коэффициент самоусиления ус16,5;

-исследованы зависимости ДЭ от угла восстановления, угла поворота, количества наложений и влияния сигнал/шум ФПМ при записи мультиплексированных голограмм.

-проведены теоретическое и экспериментальные исследования для повышения плотности записи мультиплексированных голограмм на ФПМ при проявлении различными источниками. При этом получены максимальные дифракционные эффективности (ДЭ) 7-8%;

-предложены оптические принципиальные схемы, для записи дискового голографического запоминающего устройства (ГЗУ), реализующие мультиплексированную запись на ФПМ.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, приведенных в данной работе, подтверждается корректным обоснованием принципов построения моделей, наглядностью технической интерпретации этих моделей, экспериментальными результатами.

Практическая ценность работы заключается в том, что фотополимеризующиеся материалы фирмы DU PONT пригодны для регистрации мультиплексированных голографических информаций, что позволяет использовать их при разработке новых голографических систем памяти. Разработаны способы и режимы записи мультиплексированных голограмм на ФПМ, предложены оптические принципиальные схемы для записи мультиплексированных голограмм на ФП-диск для дискового накопителя информации. Предложены модельные представления о дополнительных голографических решетках, векторных диаграммах в случае когерентного СУ голограмм. Преимущество фотополимеризующихся материалов фирмы DU PONT перед другими фоточувствительными материалами для голографии состоит в возможности воспроизведения голограмм с высокой дифракционной эффективностью непосредственно при воздействии записывающего лазерного излучения, не требует «мокрой« обработки и устойчивых к таким внешним воздействиям как пыль, электромагнитные поля, а также обеспечивает долговечность хранения голографической информации. В начале, после экспонирования когерентным излучением, образуются центры полимеризации и происходит изменение оптической плотности материала и соответственно запись фазовых голограмм.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработанные способы и режимы записи мультиплексированных голограмм на накопитель и методика записи мультиплексированных голограмм дают возможность создания устройств, которые, в свою очередь, позволяют повысить скорость записи и считывания голографической информации в ГЗУ.

Основные защищаемые положения:

1. Фотополимеризующиеся материалы фирмы Du Pont при записи голографической информации характеризуются наличием эффекта СУ, развитие которого после прекращения двухлучевой записи приводит к росту исходной дифракционной эффективности (ДЭ) до стационарного значения.

2. Дано теоретическое объяснение когерентного самоусиления (СУ) голограмм при восстановлении опорным пучком и экспериментально доказано сдвиг основной решетки на /2. Предложены модельные представления о дополнительных голографических решетках, векторных диаграммах в случае когерентного СУ голограмм. Сдвиг максимума восстановленного сигнала в зависимости от условий записи связан с наклоном результирующей решетки, сформировавшейся при когерентном СУ.

3. Экспериментально получены зависимости ДЭ голографической решетки от угла восстановления, угла поворота и от количества мультиплексирования изменением угла между опорным и предметным пучками, а также путем конической развертки опорного пучка. С увеличением количества мультиплексирования уменьшается ДЭ и отношения сигнал/шум. При конической развертки опорного пучка возникает помеха в виде нежелательных положений векторов поляризации между опорным и предметным пучками.

Для устранения данного недостатка необходимо применять пластинку с 1/4 длины волны.

4. Предложенный способ записи мультиплексированных голограмм на дисковый накопитель, покрытый ФПМ, во время вращения диска обладает существенным преимуществом перед другими способами, в частности, при регистрации мультиплексированных голограмм во время поворота диска на угол около 9 градусов и вариации угла падения опорного пучка повышается увеличить быстродействие и обеспечить параллельности записи информации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- международной конференции »Современные методы и средства информационных технологий « (г. Ош, 1995 г.);

- IV научной конференции «КРСУ« (г. Бишкек, 1997 г. 15-16 мая);

- международном семинаре «Голография и оптическая обработка информации»

(г. Бишкек, 1997 г. 2-4 сентября);

- международной научно-теоретической конференции «Проблемы и перспективы интеграции образования» ( КРСУ г. Бишкек, 1998 г. 17-19 сентября);

- на научных семинарах лаборатории «Оптоэлектроники« Национальной академии наук Кыргызской Республики.

Основные результаты по теме диссертации: опубликовано 12 статьей и 11 тезисов докладов, в республиканских и международных журналах, в том числе получено 1 положительное решение на изобретение.

Структура и объем работы.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 175 страницах машинописного текста, иллюстрированного 37 рисунками, содержащего 3 таблицы.

Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, список используемой литературы и приложение. Список литературы содержит наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель работы, представлены основные результаты, показана их новизна, научная и практическая ценность, кратко изложена структура диссертации и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделаны обзор и анализ регистрирующих сред для голографии.

Рассмотрены физические основы светочувствительных материалов и возможные области их применения. Подчеркнуто, что при известных успехах в создании высокочувствительных мелкозернистых фотографических эмульсий для голографии, немалый интерес представляют и фотополимеры, обладающие высокой чувствительностью, хотя она и меньше чувствительности галогенидосеребряных эмульсий. Значит, применение фотополимеризующихся материалов для голографии требует улучшения их параметров, прежде всего, увеличения светочувствительности и ее сохранения в процессе экспозиции.

По своим показателям фотополимеризующийся материал (ФПМ) пригоден для эффективного использования в голографических запоминающих устройствах (ГЗУ). В недалеком будущем этот вид регистрирующих сред будет одним из наиболее широко применяемых.

Фотополимеризующийся материал (ФПМ) является разновидностью органических светочувствительных сред. Под действием света в нем происходит полимеризация исходного мономера, которая приводит к увеличению показателя преломления материала.

ФПМ просты в обращении, позволяют вести запись трехмерных фазовых голограмм в реальном масштабе времени с дифракционной эффективностью (ДЭ) до 100%, имеют разрешающую способность не менее 2000 лин/мм, не требуют дополнительных приспособлений для записи (как, например, фототермопластические носители), мокрых стадий обработки материала (в отличии от бихромированной желатины и фотоэмульсий).

Развитие режимов и методов записи мультиплексированных голограмм на ФПМ стимулирует к исследованиям эффективных светочувствительных сред, в частности фотополимерных материалов фирмы Du Pont.

Обосновывается актуальность проведения отмеченных исследований и формулируются задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе исследуются процессы, протекающие в фотополимеризующихся материалах при записи мультиплексированных голограмм. Установлена динамика образования голограмм в процессе мультиплексирования плоских волн и Фурье-голограмм, и фазовое голографическое самоусиление (CУ) в однопучковом режиме считывания.

В фотополимерных материалах важно определить динамику и зависимость дифракционной эффективности мультиплексированных голограмм от угла между опорным и предметным пучками.

Приведены некоторые свойства фотополимеризующихся сред фирмы Du Pont, полученные экспериментальным путем при регистрации мультиплексированных голограмм.

Исследовались фотополимеризующие регистрирующие слои толщиной 15-25 мкм наносимые на лавсановые подложки и покрываемые тонкой защитной пленкой. Для придания жесткости и обеспечения герметичности образцов в процессе эксперимента их наклеивают на стеклянную пластинку, предварительно обезжиренную растворителем КРОТ-М и протертую метиловым или этиловым спиртом. Для этого защитную пленку отсоединяют от фотополимеризующегося слоя и липкой стороной наклеивают на стеклянную пластинку с помощью валика.

В качестве источников света использовалось Ar+ - лазер ЛГН - 503 (=488 нм) с мощностью непрерывного излучения до 1 Вт и He-Ne - лазер ЛГН-215 (=632,8 нм) с мощностью до 40 мВт. Применялись следующие схемы (рис. 1,2) записи считывания голограмм.

Рис.1. Схема исследования динамики записи фазовых плоских голограмм в фотополимеризующейся среде фирмы Du Pont:

1 - аргоновый лазер; 2 - He - Ne - лазер, 3,5,7 - прерыватели лазерного пучка;

6 - светоделительный кубик; 4 - зеркала; 8 - подвижное зеркало; 10 - лавсановая пленка;

11 - регистрирующая среда; 12 - стеклянная подложка; 13 - фотодиод.

Рис.2. Схемы считывания голограмм.

Пучки R1 и S1 соответствуют падающему свету при записи и считывании;

R`1- дифрагированному свету с длиной волны =488 нм, R2 и R`2 - считывающему и дифрагированному свету с длиной волны =632,8 нм.

Мультиплексирование голограмм с изменением угла между опорным и предметным пучками реализуется следующим образом: пучок возбуждающего света с =488 нм разделяется на два эквивалентных компонента - пучки R1 и S1 (IR1 =IS1 15 мВт/см2) - при падении по нормали к регистрирующей среде - R1 и под углом S1 относительно нормали плоскости регистрирующей среды - S1. Мультиплексированные голограммы записывались с изменением угла S1 - пучка S1, т.е. при экспериментальном исследовании угловой чувствительности, угол S1 изменялся в диапазоне от 15 до 700. Нижний предел обусловлен апертурой предметного пучка при записи Фурье-голограмм, верхний - значительными потерями света на отражение от поверхности регистрирующей среды при восстановлении.

На рис.3 показано семейство кривых зависимости /0 от угла восстановления S1 для фотополимеризующихся материалов.

Угловую чувствительность регистрирующей среды удобно характеризовать величиной =Sr1/2, которую назовем угловой селективностью, где Sr1-угол, на который опирается кривая /0=f(Sr1) при /0=М. Выбор М обусловлен и зависит от целей использования голографической записи.

Рис.3. Зависимости относительной дифракционной эффективности голографической решетки от угла восстановления при различных периодах голографической решетки На рис.4 приведена зависимость =f(Sr1) при М=0,5. Анализируя эту зависимость, можно сделать вывод, что с увеличением угла записи угловая селективность фотополимеризующихся материалов фирмы DU PONT улучшается (значение падает), однако начиная Sr1=300 она остается приблизительно постоянной и равной 90.

Следовательно, в диапазоне рабочих углов записи S1=S1к-S1н, где S1к и S1н- крайние значения диапазона, на одном и том же участке среды можно записывать N=2h(S1/)+ независимых голограмм с максимальным уровнем перекрестных помех, равным M. Символ h означает целую часть дроби а число «2» показывает возможность записи мультиплексированных голограмм с двух сторон от сигнального пучка. Уровень перекрестных помех можно при необходимости уменьшить, но при этом число независимых голограмм также уменьшится.