DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-03-16-25
УДК 535.42
Ворзобова Надежда Дмитриевна1*, Соколов Павел Павлович2
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
1vorzobova@mail.ifmo.ru https://orcid.org/0000-0003-0362-0101
2sokol7858@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-5448-5435
Аннотация
Предмет исследования. Условия получения, дифракционные и селективные свойства голографических решеток различных типов в фотополимерных материалах. Цель работы. Исследование дифракционных и селективных свойств одномерных объемных ненаклонных и наклонных решеток, рельефных решеток, гибридных структур и двумерных решеток в различных фотополимерных материалах в широком диапазоне углов падения излучения в трехмерном пространстве и определение условий расширения углового диапазона, в котором достигаются высокие дифракционные свойства. Методология. Исследование дифракционной эффективности и угловой селективности пропускающих решеток в отличие от традиционной методики проводилось при падении излучения в широком угловом диапазоне в различных плоскостях при изменении ориентации решетки. Основные результаты. Определены условия получения эффективных пропускающих объемных решеток в перспективных фотополимерных материалах и их свойства. Показано, что при падении излучения в брэгговской плоскости максимальная дифракционная эффективность достигается в диапазоне углов до 80° при полуширине контура угловой селективности до 120°. Существуют направления прохождения излучения через решетку (косое прохождение), отличные от традиционного брэгговского направления, при которых возможно получить максимальную дифракционную эффективность. Максимальная дифракционная эффективность достигается при больших углах падения — около 70°. Определены условия формирования эффективных гибридных структур, сочетающих свойства объемной и рельефной решеток. Показано, что расширение диапазона углов падения излучения обеспечивается за счет вклада рельефной составляющей гибридной структуры. Показана возможность получения эффективных рельефных решеток в не исследованном ранее серийном фотополимерном материале. Определены условия получения эффективных двумерных решеток с перспективой плавного изменения интенсивностей в дифрагированных пучках при повороте элемента. Практическая значимость. Показано, что расширение углового диапазона может быть получено за счет вариации характеристик и ориентации решеток, что исключает необходимость составных элементов. Установленные свойства голографических решеток могут быть использованы для решения задач солнечной энергетики, дифракционной оптики, технологий защищенной печати.
Ключевые слова: объемная голографическая решетка, наклонная и ненаклонная решетки, одномерная и двумерная решетки, гибридная структура, рельефная решетка, дифракционная эффективность, угловая селективность, фотополимерный материал
Благодарность: работа выполнена при финансовой поддержке Университета ИТМО, грант № 621317. Авторы выражают благодарность сотрудникам Университета ИТМО Б.А. Наседкину за предоставление лазера (375 нм) и И.Д. Скурлову за измерение оптической плотности образцов решеток.
Ссылка для цитирования: Ворзобова Н.Д., Соколов П.П. Формирование и свойства объемных и рельефных голографических решеток в фотополимерных материалах // Оптический журнал. 2022. Т. 90. № 3. С. 16–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-16-25
Коды OCIS: 090.1970, 090.2890, 090.7330
Formation and properties of volume and relief holographic gratings in photopolymer materials
Nadezhda D. Vorzobova1*, Pavel P. Sokolov2
ITMO University, St. Petersburg, Russia
1vorzobova@mail.ifmo.ru https://orcid.org/0000-0003-0362-0101
2sokol7858@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-5448-5435
Abstract
Subject of study. Formation conditions, diffraction, and selective properties of various types holographic gratings in photopolymer materials. Aim of study. The diffraction and selective properties investigation of one-dimensional non-slanted and slanted gratings, relief gratings, hybrid structures and two-dimensional gratings in various photopolymer materials in radiation incidence angles the wide range in three-dimensional space and determination of the conditions for expanding the angular range in which high diffraction properties are achieved. Methodology. The study of the transmission gratings diffraction efficiency and angular selectivity, in contrast to the traditional technique, was carried out with the incidence of radiation in a wide angular range in different planes with a change in the orientation of the grating. Main results. The conditions for obtaining effective transmission volume gratings in advanced photopolymer materials and their properties are determined. It is shown that when the radiation is incident in the Bragg plane, the maximum diffraction efficiency is achieved in the angles range up to 80° with the full width at half maximum of the angular selectivity contour up to 120°. There are directions of radiation passage through the grating (oblique transmission), which differ from the traditional Bragg direction, at which the maximum diffraction efficiency is achieved. The maximum diffraction efficiency is achieved at large angles of incidence, about 70°. The conditions for the formation of effective hybrid structures combining the properties of a volume and relief grating are determined. It is shown that the range of radiation incidence angles is extended due to the contribution of the relief component of the hybrid structure. The implementation possibility of effective relief gratings in a previously unexplored serial photopolymer material is leted us. The conditions for obtaining effective two-dimensional gratings with the possibility of a smooth change in the intensities in diffracted beams when the element is rotated are determined. Practical significance. It is shown that the angular range expansion can be achieved by varying the characteristics and orientation of the gratings, which eliminates the need for stacked elements. The holographic gratings established properties can be used to solve problems for solar energy, diffractive optics, and security printing technologies.
Keywords: volume holographic grating, slanted and non-slanted gratings, one-dimensional and two-dimensional gratings, hybrid structure, relief grating, diffraction efficiency, angular selectivity, photopolymer material
Acknowledgment: this work was supported financially by ITMO University, grant № 621317. The authors are grateful to ITMO University staff B.A. Nasedkin for providing the laser (375 nm) and I.D. Skurlov for measuring the grating samples optical density.
For citation: Vorzobova N.D., Sokolov P.P. Formation and properties of volume and relief holographic gratings in photopolymer materials [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 3. P. 16–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-16-25
OCIS сodes: 090.1970, 090.2890, 090.7330
Список источников
1. Rogers B., Mikulchyk T., Oubaha M., Cody D., Martin S., Naydenova I. Improving the holographic recording characteristics of a water-resistant photosensitive Sol–Gel for use in volume holographic optical elements // Photonics. 2022. V. 9. P. 636. https://doi.org/10.3390/photonics9090636
2. Ferrara M.A., Borbone F., Coppola G. Holographic optical lenses recorded on a glassy matrix-based photopolymer for solar concentrators // Photonics. 2021. V. 8. P. 585. https://doi.org/10.3390/photonics8120585
3. Neipp C., Francés J., Martínez F.J., Fernández R., Alvarez M.L., Bleda S., Ortuño M., Gallego S. Optimization of photopolymer materials for the fabrication of a holographic waveguide // Polymers. 2017. V. 9. P. 395. https://doi.org/10.3390/polym9090395
4. Bruder F.-K., Fäcke T., Rölle T. The chemistry and physics of Bayfol®HX film holographic polymers // Polymers. 2017. V. 9. P. 472. https://doi.org/10.3390/polym9100472
5. Hui-Ying W., Chang-Won S., Ki-Chul K., Kwon-Yeon L., Nam K. Time-scheduled exposure method for full-color high diffraction efficiency and uniformity of a photopolymer // Optics and Laser Technol. 2022. V. 156. P. 108555. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108555
6. Ferrara M., Striano V., Coppola G. Volume holographic optical elements as solar concentrators: An overview // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 193. https://doi.org/10.3390/app9010193
7. Akbari H., Naydenova I., Ahmed H., McCormack S., Martin S. Development and testing of low spatial frequency holographic concentrator elements for collection of solar energy // Solar Energy. 2017. V. 155. P. 103–109. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.04.067
8. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.V. Full modeling and experimental validation of cylindrical holographic lenses recorded in Bayfol HX photopolymer and partly operating in the transition regime for solar concentration // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 398–412. https://doi.org/10.1364/oe.26.00a398
9. Lee J.-H., Wu H.-Y., Piao M.-L., Kim N. Holographic solar energy concentrator using angular multiplexed and iterative recording method // IEEE Photonics J. 2016. V. 8. P. 8400511. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2634699
10. Keshri S., Rogers B., Murphy K., Reynolds K., Naydenova I., Martin S. Development and testing of a dual-wavelength sensitive photopolymer layer for applications in stacking of HOE lenses // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 5564. http://doi.org/10.3390/app11125564
11. Castro J.M., Zhang D., Myer B., Kostuk R.K. Energy collection efficiency of holographic planar solar concentrators // Appl. Opt. 2010. V. 49. P. 858–870. https://doi.org/10.1364/AO.49.000858
12. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acrylamide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 1343–1363. https://doi.org/10.1364/AO.53.001343
13. de Jong T., de Boer D., Bastiaansen C. Surface-relief and polarization gratings for solar concentrators // Opt. Exp. 2011. V. 19. P. 15127–15143. https://doi.org/10.1364/OE.19.015127
14. Xiang X., Kim J., Escuti M.J. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 7202. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25535-0
15. Marín-Sáez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.-V. Characterization of volume holographic optical elements recorded in Bayfol HX photopolymer for solar photovoltaic applications // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 720–730. https://doi.org/10.1364/OE.24.00A720
16. Keshri S., Marín-Sáez J., Naydenova I., Murphy K., Atencia J., Chemisana D., Garner S., Collados M.V., Martin S. Stacked volume holographic gratings for extending the operational wavelength range in LED and solar applications // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 2569–2579. https://doi.org/10.1364/AO.383577
17. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. P. 2020. https://doi.org/10.3390/polym11122020
18. Vorzobova N., Sokolov P. Properties of holographic elements based on periodic structures in a wide range of angles of incidence // Photonics. 2021. V. 8. P. 562. https://doi.org/10.3390/photonics8120562
19. Бурункова Ю.Э., Семина С.А., Капорский Л.Н., Левичев В.В. Наномодифицированные оптические акрилатные композиты // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 10.
20. Vorzobova N.D., Sokolov P.P., Veselov V.V., Schelkanova I.J. Holographic formation and diffractive properties of hybrid periodic structures // Appl. Opt. 2018. V. 57. P. 3323–3328. https://doi.org/10.1364/AO.57.003323
21. Bjelkhagen H.I. Silver-halide recording materials for holography and their processing. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 1995. 461 p.
References
1. Rogers B., Mikulchyk T., Oubaha M., Cody D., Martin S., Naydenova I. Improving the holographic recording characteristics of a water-resistant photosensitive Sol–Gel for use in volume holographic optical elements // Photonics. 2022. V. 9. P. 636. https://doi.org/10.3390/photonics9090636
2. Ferrara M.A., Borbone F., Coppola G. Holographic optical lenses recorded on a glassy matrix-based photopolymer for solar concentrators // Photonics. 2021. V. 8. P. 585. https://doi.org/10.3390/photonics8120585
3. Neipp C., Francés J., Martínez F.J., Fernández R., Alvarez M.L., Bleda S., Ortuño M., Gallego S. Optimization of photopolymer materials for the fabrication of a holographic waveguide // Polymers. 2017. V. 9. P. 395. https://doi.org/10.3390/polym9090395
4. Bruder F.-K., Fäcke T., Rölle T. The chemistry and physics of Bayfol®HX film holographic polymers // Polymers. 2017. V. 9. P. 472. https://doi.org/10.3390/polym9100472
5. Hui-Ying W., Chang-Won S., Ki-Chul K., Kwon-Yeon L., Nam K. Time-scheduled exposure method for full-color high diffraction efficiency and uniformity of a photopolymer // Optics and Laser Technol. 2022. V. 156. P. 108555. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108555
6. Ferrara M., Striano V., Coppola G. Volume holographic optical elements as solar concentrators: Аn overview // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 193. https://doi.org/10.3390/app9010193
7. Akbari H., Naydenova I., Ahmed H., McCormack S., Martin S. Development and testing of low spatial frequency holographic concentrator elements for collection of solar energy // Solar Energy. 2017. V. 155. P. 103–109. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.04.067
8. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.V. Full modeling and experimental validation of cylindrical holographic lenses recorded in Bayfol HX photopolymer and partly operating in the transition regime for solar concentration // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 398–412. https://doi.org/10.1364/oe.26.00a398
9. Lee J.-H., Wu H.-Y., Piao M.-L., Kim N. Holographic solar energy concentrator using angular multiplexed and iterative recording method // IEEE Photonics J. 2016. V. 8. P. 8400511. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2634699
10. Keshri S., Rogers B., Murphy K., Reynolds K., Naydenova I., Martin S. Development and testing of a dual-wavelength sensitive photopolymer layer for applications in stacking of HOE lenses // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 5564. http://doi.org/10.3390/app11125564
11. Castro J.M., Zhang D., Myer B., Kostuk R.K. Energy collection efficiency of holographic planar solar concentrators // Appl. Opt. 2010. V. 49. P. 858–870. https://doi.org/10.1364/AO.49.000858
12. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acrylamide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 1343–1363. https://doi.org/10.1364/AO.53.001343
13. de Jong T., de Boer D., Bastiaansen C. Surface-relief and polarization gratings for solar concentrators // Opt. Exp. 2011. V. 19. P. 15127–15143. https://doi.org/10.1364/OE.19.015127
14. Xiang X., Kim J., Escuti M.J. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 7202. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25535-0
15. Marín-Sáez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.-V. Characterization of volume holographic optical elements recorded in Bayfol HX photopolymer for solar photovoltaic applications // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 720–730. https://doi.org/10.1364/OE.24.00A720
16. Keshri S., Marín-Sáez J., Naydenova I., Murphy K., Atencia J., Chemisana D., Garner S., Collados M.V., Martin S. Stacked volume holographic gratings for extending the operational wavelength range in LED and solar applications // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 2569–2579. https://doi.org/10.1364/AO.383577
17. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. P. 2020. https://doi.org/10.3390/polym11122020
18. Vorzobova N., Sokolov P. Properties of holographic elements based on periodic structures in a wide range of angles of incidence // Photonics. 2021. V. 8. P. 562. https://doi.org/10.3390/photonics8120562
19. Burunkova Yu.E., Semina S.A., Kaporski L.N., Levichev V.V. Nanomodified optical acrylate composites // J. Opt. Technol. 2008. V. 75. P. 653–657. https://doi.org/10.1364/JOT.75.000653
20. Vorzobova N.D., Sokolov P.P., Veselov V.V., Schelkanova I.J. Holographic formation and diffractive properties of hybrid periodic structures // Appl. Opt. 2018. V. 57. P. 3323–3328. https://doi.org/10.1364/AO.57.003323
21. Bjelkhagen H.I. Silver-halide recording materials for holography and their processing. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 1995. 461 p.
