DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-50-62
УДК 535.421, 535.417
Алексей Юрьевич Мешалкин1, Сергей Александрович Шойдин2*
1Институт прикладной физики, Молдавский государственный университет, Кишинев, Молдова
2Сибирский государственный университет геосистем и технологий, Новосибирск, Россия
1alexei.meshalkin@ifa.md https://orcid.org/0000-0003-0971-140X
2shoydin@ssga.ru https://orcid.org/0000-0002-2186-7928
Аннотация
Предмет исследования. Влияние эффекта формфактора на дифракционную эффективность голограмм в различных голографических материалах. Цель работы. Обзор публикаций, посвященных анализу дифракционной эффективности двухмерных и трехмерных голограмм в зависимости от формы пучков записывающего излучения. Метод. Голографическое экспонирование фоточувствительных сред позволяет зарегистрировать сформированную интерференционную картину в среде в виде периодической модуляции показателя преломления, поверхностного рельефа, коэффициента оптического поглощения либо других параметров. Измерение и анализ дифракционной эффективности показал ее зависимость как от степени модуляции регистрирующей среды, так и от формы пучка записывающего излучения. Основные результаты. По результатам обзора можно сделать вывод о важности учета перекрестного взаимодействия двух нелинейных эффектов — нелинейности дифракционной эффективности и нелинейности экспозиции по полю голограммы. Проявления этого перекрестного эффекта были замечены давно, но часто объяснялись другими причинами. Его некоторая «скрытность» может быть объяснена проявлением только при наличии одновременно двух указанных нелинейностей с наличием в них локальных максимумов. Во всех остальных случаях эффект формфактора исчезает. Показаны области проявления эффекта формфактора в голографических экспериментах как эффекта, порождающего ограничения основных «силовых» параметров голограмм, таких как дифракционная эффективность и оптимальная экспозиция. Проявление эффекта формфактора является имманентно присущим голографической записи сложных изображений, поскольку его нельзя устранить полностью, а можно только ослабить на начальном участке экспозиции. Практическая значимость. Наряду с перечисленными выше ограничительными свойствами эффект формфактора позволяет с высокой точностью измерять кинетику голограмм прямо в процессе их записи без привлечения дополнительного сложного оборудования, что было запатентовано. Его влияние может быть значительным: формфактор в голографии нельзя отнести к малым поправкам основного результата. Он проявляется в основных «силовых» характеристиках аналогично фундаментальному проявлению формфактора в гравитационных взаимодействиях тел неправильной формы или в межатомных взаимодействиях.
Ключевые слова: голография, интерференция, голографические интерференционные полосы, дифракция Брэгга, дифракция Рамана–Ната, дифракционная эффективность, формфактор
Благодарность: экспериментальная работа проводилась при финансовой поддержке Национального агентства по исследованиям и разработкам Республики Молдова в рамках научных проектов № 20.80009.5007.03 и № 21.80013.5007.1M.
Ссылка для цитирования: Мешалкин А.Ю., Шойдин С.А. Дифракционная эффективность и эффект формфактора голограмм (обзор) // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 50–62. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-50-62
Код OCIS: 090.1760
Diffraction efficiency and the formfactor effect of holograms (review)
Аlexei Yu. Meshalkin1, Sergey A. Shoydin2*
1Institute of Applied Physics, State University of Moldova, Chisinau, Moldova
2Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk, Russia
1alexei.meshalkin@ifa.md https://orcid.org/0000-0003-0971-140X
2shoydin@ssga.ru https://orcid.org/0000-0002-2186-7928
Abstract
Subject of study. Influence of the formfactor effect on the diffraction efficiency of holograms in various holographic materials. Aim of study. To review publications on the analysis of the diffraction efficiency of two-dimensional and three-dimensional holograms depending on the shape of the recording beams. Method. Holographic exposure of photosensitive media makes it possible to register the formed interference pattern in the medium in the form of periodic modulation of the refractive index, surface relief, optical absorption coefficient, or other parameters. The measurement and analysis of the diffraction efficiency showed its dependence both on the degree of modulation of the recording medium and on the shape of the recording beams. Main results. Based on the results of the review, it can be concluded that it is important to take into account the cross interaction of two nonlinear effects — the nonlinearity of the diffraction efficiency and the exposure nonlinearity over the hologram field. Manifestations of this cross-effect have been noticed and by other authors, but often explained by other reasons. Its some non-detectability and hidden effect can be explained by the manifestation only in the presence of two indicated nonlinearities simultaneously with the presence of local maxima in them. In all other cases the formfactor effect disappears. The areas of manifestation of the formfactor effect in holographic experiments are shown, as an effect that generates restrictions on the main "power" parameters of holograms, such as diffraction efficiency and optimal exposure. The manifestation of the formfactor effect is immanent in the holographic recording of complex images, since it cannot be eliminated completely, but can only be weakened in the initial section of the exposure. Practical significance. Along with the indicated restrictive properties, the formfactor effect makes it possible in-situ measuring the kinetics of holograms recording with high accuracy, without involving additional complex equipment. This method was patented. Its influence can be significant; the formfactor in holography cannot be attributed to small corrections of the main result. It manifests itself in the main, "power" characteristics, similar to the fundamental manifestation of the formfactor in the gravitational interactions of irregularly shaped bodies or in interatomic interactions.
Keywords: holography, interference, holographic interference fringes, Bragg diffraction, Raman–Nath diffraction, diffraction efficiency, formfactor
Acknowledgment: the experimental work was carried out with the financial support of the National Agency for Research and Development of the Republic of Moldova within the framework of scientific projects № 20.80009.5007.03 and № 21.80013.5007.1M.
For citation: Meshalkin А.Yu., Shoydin S.A. Diffraction efficiency and the formfactor effect of holograms (review) [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 50–62. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-50-62
OCIS сode: 090.1760
Список источников
1. Багбая И.Д. К истории дифракционной решетки // УФН. 1972. Т. 108. № 2. С. 335–337. https://doi.org/10.3367/UFNr.0108.197210g.0335
2. Klein W.R. Theoretical efficiency of Bragg devices // Proc. IEEE. 1966. V. 54. P. 803–804. https://doi.org/10.1109/PROC.1966.4866
3. Nath N.S.N. The diffraction of light by high frequency sound waves: Generalised theory // Proc. Indian Acad. Sci. (Math. Sci.). 1936. V. 4. P. 222–242. https://doi.org/10.1007/BF03036083
4. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell Syst. Tech. J. 1969. V. 48. P. 2909–2947. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
5. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 82.
6. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 340.
7. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 343.
8. Shoydin S.A. Requirements to lasers and formfactor of holograms // Opt. Mem. Neural Networks. 2016. V. 25. P. 95–101. https://doi.org/10.3103/S1060992X16020053
9. Shoydin S.A. A method of achieving the maximum diffraction efficiency of holograms based on optimizing the formfactor // Comput. Opt. 2016. V. 40. № 4. P. 501–507. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-4-501-507
10. Мешалкин А.Ю., Шойдин С.А. Формфактор голограмм в режиме дифракции Рамана–Ната // Тез. докл. XVI междунар. конф. по голографии и прикладным оптическим технологиям HOLOEXPO-2019. Санкт-Петербург, Россия. 2019. C. 279–289.
11. Shoydin S.A., Meshalkin A.Y., Kovalev M.S. Formfactor of a hologram on a chalcogenide glassy semiconductor and azopolymer // Opt. Mater. Exp. 2020. V. 10. № 8. P. 1819–1825. https://doi.org/10.1364/ome.399017
12. Gallego S., Ortuno M., Neipp C., et al. Overmodulation effects in volume holograms recorded on photopolymers // Opt. Commun. 2003. V. 215. P. 263–269. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)02244-7
13. Sullivan A.C., Alim M.D., Glugla D.J., еt al. Holographic analysis of photopolymers // Event: SPIE Optics + Optoelectronics. Prague, Czech Republic. 2017. V. 10233. https://doi.org/10.1117/12.2265865
14. Ciapurin I.V., Glebov L.B., Smirnov V.I. Modeling of Gaussian beam diffraction on volume Bragg gratings in PTR glass // Proc. SPIE. 2005. V. 5742. https://doi.org/10.1117/12.591215
15. Sabel T., Marga C.L. Volume holography: Novel materials, methods and applications // in Holographic materials and optical systems. Eds. by Naydenova I., Nazarova D., Babeva T. / London: IntechOpen, 2017. https://doi.org/10.5772/67001
16. Jelken J., Henkel C., Santer S. Solving an old puzzle: Fine structure of diffraction spots from an azo-polymer surface relief grating // Appl. Phys. B. 2019. V. 125. P. 218. https://doi.org/10.1007/s00340-019-7331-8
17. Jelken J., Henkel C., Santer S. Polarization controlled fine structure of diffraction spots from an optically induced grating // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 051601. https://doi.org/10.1063/1.5140067
18. Stolz D., Strobelt J., Leven M., et al. One-step fabrication of surface relief dot-matrix holograms using supramolecular azopolymer thin films // Proc. SPIE. 2021. V. 11710. P. 1171008. https://doi.org/10.1117/12.2582763
19. Sobolewska A., Bartkiewicz S. On the long time holographic grating recording process in azo-polymer // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 123302. https://doi.org/10.1063/1.3232223
20. Golub P., Kurioz Yu., Sheremet N., et al. Director modulation of nematic liquid crystal on photosensitive chalcogenide surface // Molecular Cryst. Liquid Cryst. 2018. V. 661. P. 25–37. https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1460235
21. Meshalkin A., Losmanschii C., Cazac V., et al. Analysis of diffraction efficiency of phase gratings in dependence of grooves number // 2020 Internat. Conf. Information Technol. and Nanotechnol. (ITNT). Samara, Russia. May 26–29, 2020. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ITNT49337.2020.9253317
22. Шойдин С.А., Мешалкин А.Ю. Способ экспресс анализа величины динамического диапазона фотоотклика фазового голографического материала // Патент РФ № RU2734093C1. 2020. Бюл. № 29.
23. Мешалкин А.Ю., Шойдин С.А. Дифракционный способ измерения динамического диапазона фотоотклика голографического фазового материала // Тез. докл. XVII междунар. конф. по голографии и прикладным оптическим технологиям — HOLOEXPO-2020. Москва, Россия. 08–09 сентября 2020. С. 235–245.
24. Шойдин С.А., Трифанов А.В. Формфактор голограмм сложных изображений // Компьютерная оптика. 2018. Т. 42. № 3. С. 362–368. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-3-362-368
25. Shoydin S.A. Effect of photo-response nonlinearity on the diffraction efficiency of holograms // Optoelectron. Instrument. Proc. 2019. V. 55. P. 28–31. https://doi.org/10.3103/S8756699019010059
26. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики: учебник для вузов. Л.: Недра, 1989. 520 с. ISBN: 5-247-00666-6
27. Биленькая С.И., Биленький С.М., Казаринов Ю.М., Лапидус Л.И. Электромагнитный формфактор протона и тяжелые гипотетические частицы // Письма в ЖЭТФ. 1974. Т. 19. № 9. С. 613–616.
List of references
1. Bagbaya I.D. On the history of the diffraction grating [in Russian] // Soviet Physics Uspekhi. 1973. V. 15. № 5. P. 660–661. https://doi.org/10.1070/PU1973v015n05ABEH005039
2. Klein W.R. Theoretical efficiency of Bragg devices // Proc. IEEE. 1966. V. 54. P. 803–804. https://doi.org/10.1109/PROC.1966.4866
3. Nath N.S.N. The diffraction of light by high frequency sound waves: Generalised theory // Proc. Indian Acad. Sci. (Math. Sci.). 1936. V. 4. P. 222–242. https://doi.org/10.1007/BF03036083
4. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell Syst. Tech. J. 1969. V. 48. P. 2909–2947. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
5. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 82.
6. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 340.
7. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1988. 441 p. P. 343.
8. Shoydin S.A. Requirements to lasers and formfactor of holograms // Opt. Mem. Neural Networks. 2016. V. 25. P. 95–101. https://doi.org/10.3103/S1060992X16020053
9. Shoydin S.A. A method of achieving the maximum diffraction efficiency of holograms based on optimizing the formfactor [in Russian] // Comput. Opt. 2016. V. 40. № 4. P. 501–507. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-4-501-507
10. Meshalkin A.Y., Shoydin S.A. Form factor of holograms in the Raman–Nath diffraction mode [in Russian] // Abstracts of the XVI International. Conf. Holography and Appl. Opt. Technol. — HOLOEXPO-2019. St. Petersburg, Russia. 2019. Р. 279–289.
11. Shoydin S.A., Meshalkin A.Y., Kovalev M.S. Formfactor of a hologram on a chalcogenide glassy semiconductor and azopolymer // Opt. Mater. Exp. 2020. V. 10. № 8. P. 1819–1825. https://doi.org/10.1364/ome.399017
12. Gallego S., Ortuno M., Neipp C., et al. Overmodulation effects in volume holograms recorded on photopolymers // Opt. Commun. 2003. V. 215. P. 263–269. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)02244-7
13. Sullivan A.C., Alim M.D., Glugla D.J., еt al. Holographic analysis of photopolymers // Event: SPIE Optics + Optoelectronics, 2017. Prague, Czech Republic. V. 10233. https://doi.org/10.1117/12.2265865
14. Ciapurin I.V., Glebov L.B., Smirnov V.I. Modeling of Gaussian beam diffraction on volume Bragg gratings in PTR glass // Proc. SPIE. 2005. V. 5742. https://doi.org/10.1117/12.591215
15. Sabel T., Marga C.L. Volume holography: Novel materials, methods and applications // in Holographic Materials and Optical Systems. Eds. by Naydenova I., Nazarova D., Babeva T. / London: IntechOpen, 2017. https://doi.org/10.5772/67001
16. Jelken J., Henkel C., Santer S. Solving an old puzzle: Fine structure of diffraction spots from an azo-polymer surface relief grating // Appl. Phys. B. 2019. V. 125. P. 218. https://doi.org/10.1007/s00340-019-7331-8
17. Jelken J., Henkel C., Santer S. Polarization controlled fine structure of diffraction spots from an optically induced grating // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 051601. https://doi.org/10.1063/1.5140067
18. Stolz D., Strobelt J., Leven M., et al. One-step fabrication of surface relief dot-matrix holograms using supramolecular azopolymer thin films // Proc. SPIE. 2021. V. 11710. P. 1171008. https://doi.org/10.1117/12.2582763
19. Sobolewska A., Bartkiewicz S. On the long time holographic grating recording process in azo-polymer // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 123302. https://doi.org/10.1063/1.3232223
20. Golub P., Kurioz Yu., Sheremet N., et al. Director modulation of nematic liquid crystal on photosensitive chalcogenide surface // Molecular Cryst. Liquid Cryst. 2018. V. 661. P. 25–37. https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1460235
21. Meshalkin A., Losmanschii C., Cazac V., et al. Analysis of diffraction efficiency of phase gratings in dependence of grooves number // 2020 Internat. Conf. Information Technol. and Nanotechnol. (ITNT). Samara, Russia. May 26–29, 2020. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ITNT49337.2020.9253317
22. Shoydin S.A., Meshalkin A.Y. Method for express analysis of the magnitude of the dynamic range of the photoresponse of a phase holographic material // Patent RU №RU2734093. 2020. Bul. № 29.
23. Meshalkin A.Y., Shoydin S.A. Diffraction method for measuring the dynamic range of the photoresponse of a holographic phase material [in Russian] // Abstracts of the XVII Internat. Conf. Holography and Appl. Opt. Technol. HOLOEXPO-2020. Moscow, Russia. September 08–09, 2020. Р. 235–245.
24. Shoydin S.A., Trifanov A.V. Form-faсtor of the holograms of composite images [in Russian] // Computer Optics. 2018. V. 42. № 3. Р. 362–368. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-3-362-368
25. Shoydin S.A. Effect of photo-response nonlinearity on the diffraction efficiency of holograms // Optoelectron. Instrument. Proc. 2019. V. 55. P. 28–31. https://doi.org/10.3103/S8756699019010059
26. Znamenskiy V.V. General course of field geophysics: Textbook [in Russian]. Leningrad: Nedra Publ., 1989. 520 р. ISBN: 5-247-00666-6
27. Bilen'kaya S.I., Bilen'kiy S.M., Kazarinov YU.M., Lapidus L.I. Electromagnetic form factor of the proton and heavy hypothetical particles [in Russian] // Pis'ma v ZHETF. 1974. V. 19. № 9. Р. 613–616.
