DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-86-92
УДК 778.38.01:535
Дмитрий Игоревич Деревянко1*, Евгений Федорович Пен2, Владимир Владимирович Шелковников3
1, 3Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия
2Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия
2, 3Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
1derevyanko@nioch.nsc.ru https://orcid.org/0000-0002-4413-1358
2pen@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0003-1512-2900
3vice@nioch.nsc.ru https://orcid.org/0009-0001-3364-668Х
Аннотация
Предметом исследования являются отражательные голографические фотополимерные решетки с ангармоническим распределением профиля модуляции показателя преломления. Цель работы — выявление условий формирования в голографическом фотополимерном материале, синтезированном в Новосибирском институте органической химии, объемных отражательных голограмм с высокой дифракционной эффективностью в первом и втором порядках дифракции, а также их характеризация, оценка значений модуляции коэффициентов преломления в первом и втором порядках дифракции, определение степени зависимости дифракционной эффективности от типа полимерного связующего и режимов облучения. Методы исследований. Экспериментальная регистрация спектров пропускания сформированных голограмм, теоретическая оценка значений их дифракционной эффективности и амплитуды модуляции показателя преломления с помощью известных формул. Основные результаты. Исследованы дифракционные и спектральные свойства голографических фотополимерных решеток с ангармоническим распределением профиля модуляции показателя преломления. Получены образцы отражательных решеток с дифракционной эффективностью второго порядка дифракции около 90%. Установлена зависимость указанных свойств от типа полимерных матриц (поливинилацетат, полиуретан), а также от плотности мощности падающего излучения. Практическая значимость. Высокая эффективность второго порядка дифракции в отражательных фотополимерных голограммах может быть полезна для создания спектральных фильтров и дополнительных свойств защитных голограмм.
Ключевые слова: фотополимеры, отражательные голограммы, модуляция показателя преломления
Ссылка для цитирования: Деревянко Д.И., Пен Е.Ф., Шелковников В.В. Отражательные голографические фотополимерные решетки с ангармоническим распределением профиля модуляции показателя преломления // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 86–92. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-86-92
Коды OCIS: 160.3380, 160.5335
Reflection holographic photopolymer gratings with an anharmonic modulation of the refractive index
Dmitry I. Derevyanko1*, Evgeniy F. Pen2, Vladimir V. Shelkovnikov3
1, 3N.N. Vorozhtsov Novosibirsk Institute of Organic Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
2Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Novosibirsk, Russia
2, 3Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
1derevyanko@nioch.nsc.ru https://orcid.org/0000-0002-4413-1358
2pen@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0003-1512-2900
3vice@nioch.nsc.ru https://orcid.org/0009-0001-3364-668Х
Abstract
The subject of research is reflection holographic photopolymer gratings with an anharmonic profile of the refractive index modulation. The goal of this work is to determine the conditions for the formation in a holographic photopolymer material synthesized at the N.N. Vorozhtsov Novosibirsk Institute of Organic Chemistry, volume reflection holograms with a high diffraction efficiency in the first and second diffraction orders, as well as their characterization, a calculation of refractive index modulation in the first and second orders of diffraction, a determination of dependence of diffraction efficiency on the type of polymer binder, as well as irradiated intensity. Method. The characterization of the obtained holograms included recording of the formed holograms transmission spectra, theoretical evaluation of their diffraction efficiency and refractive index modulation amplitude using known formulas. Results. The diffraction and spectral properties of holographic photopolymer gratings with a high anharmonic modulation of refractive index modulation have been studied. Samples of the reflection gratings with a second order diffraction efficiency of 90% were obtained. The dependence of these properties on the type of polymer matrices (polyvinyl acetate, polyurethane), as well as on the intensity of the incident radiation, is established. Practical significance. The high efficiency of the diffraction second order in reflection photopolymer holograms can be useful for creating additional properties of security elements.
Keywords: photopolymers, reflection holograms, refractive index modulation
For citation: Derevyanko D.I., Pen E.F., Shelkovnikov V.V. reflection holographic photopolymer gratings with an anharmonic modulation of the refractive index [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 86–92. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-86-92
OCIS сodes: 160.3380, 160.5335
Список литературы
1. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. № 12. P. 2020. https://doi.org/10.3390/polym11122020
2. Bruder F.-K., Bang H., Fäcke T., et al. Precision holographic optical elements in Bayfol HX photopolymer // Proc. SPIE. 2016. V. 9771. P. 977103. https://doi.org/10.1117/12.2209636
3. 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. 1343–1353. https://doi.org/10.1364/AO.53.001343
4. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical J. 1969. V. 48. P. 2909–2945. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
5. Zhao G., Mourolis P. Second order grating formation in dry holographic photopolymers // Opt. Commun. 1995. V. 115. № 5–6. P. 528–532. https://doi.org/10.1016/0030-4018(95)00051-9
6. Neipp C., Beléndez A., Gallego S., et al. Angular responses of the first and second diffracted orders in transmission diffraction grating recorded on photopolymer material // Opt. Exp. 2003. V. 11. № 16. P. 1835–1843. https://doi.org/10.1364/OE.11.001835
7. Massenot S., Kaiser J.-L., Chevallier R., et al. Study of the dynamic formation of transmission gratings recorded in photopolymers and holographic polymer-dispersed liquid crystals // Appl. Opt. 2004. V. 43. № 29. P. 5489–5497. https://doi.org/10.1364/AO.43.005489
8. Пен Е.Ф. Экспериментальное исследование рефлексов высоких порядков от объёмных отражательных голографических решёток // Квант. электрон. 2018. Т. 48. № 6. С. 545–549.
9. Bruder F.-K., Fäcke T., Rainer H., et al. Second harmonics HOE recording in Bayfol HX // Proc. SPIE. 2015. V. 9508. P. 95080G1. https://doi.org/10.1117/12.2178269
10. Шелковников В.В., Пен Е.Ф., Васильев Е.В. и др. Фотополимерные композиции для записи отражательных голограмм в широком спектральном диапазоне // Патент РФ № 2552351. Опубл. 10.06.2015.
11. Деревянко Д.И., Пен Е.Ф., Шелковников В.В. и др. Тонкослойные голографические фотополимерные материалы с большим изменением показателя преломления // Автометрия. 2021. Т. 57. № 6 С. 29–37. https://doi.org/10.3103/S8756699021060042
12. Бабин С.А., Васильев Е.В., Ковалевский В.И. и др. Методы и устройства тестирования голографических фотополимерных материалов // Автометрия. 2003. № 2. C. 57–70.
13. Пен Е.Ф., Вьюхина Н.Н., Твердохлеб П.Е. и др. Регистрация и анализ характеристик угловой селективности голограмм в фотополимерных материалах // Приборы и техника эксперимента. 2022. № 2. С. 99–108. https://doi.org/10.31857/S0032816222020185
14. Guoheng Zhao, Mouroulis P. Diffusion model of hologram formation in dry photopolymer materials // J. Modern Opt. 1994. V. 41. № 10. P. 1929–1939. https://doi.org/10.1080/09500349414551831
15. Stiles A., Tison T.-A., Pruitt L., et al. Photoinitiator selection and concentration in photopolymer formulations towards large-format additive manufacturing // Polymers. 2022. V. 14. P. 2708. https://doi.org/10.3390/polym14132708
16. Close C.E., Gleeson M.R., Mooney D.A., et al. Monomer diffusion rates in photopolymer material. Part II. High-frequency gratings and bulk diffusion // JOSA B. 2011. V. 28. № 4. P. 842–850. https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.000842
17. Close C.E., Gleeson M.R., Sheridan J.T. Monomer diffusion rates in photopolymer material. Part I. Low spatial frequency holographic gratings // JOSA B. 2011. V. 28. № 4. P. 658–666. https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.000658
18. Bruder F.-K., Fäcke T., and Rölle T. The chemistry and physics of Bayfol HX film holographic photopolymer // Polymers. 2017. V. 9. № 10. P. 472–494. https://doi.org/10.3390/polym9100472
References
1. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. № 12. P. 2020. https://doi.org/10.3390/polym11122020
2. Bruder F.-K., Bang H., Fäcke T., et al. Precision holographic optical elements in Bayfol HX photopolymer // Proc. SPIE. 2016. V. 9771. P. 977103. https://doi.org/10.1117/12.2209636
3. 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. 1343–1353. https://doi.org/10.1364/AO.53.001343
4. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical J. 1969. V. 48. P. 2909–2945. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
5. Zhao G., Mourolis P. Second order grating formation in dry holographic photopolymers // Opt. Commun. 1995. V. 115. № 5–6. P. 528–532. https://doi.org/10.1016/0030-4018(95)00051-9
6. Neipp C., Beléndez A., Gallego S., et al. Angular responses of the first and second diffracted orders in transmission diffraction grating recorded on photopolymer material // Opt. Exp. 2003. V. 11. № 16. P. 1835–1843. https://doi.org/10.1364/OE.11.001835
7. Massenot S., Kaiser J.-L., Chevallier R., et al. Study of the dynamic formation of transmission gratings recorded in photopolymers and holographic polymer-dispersed liquid crystals // Appl. Opt. 2004. V. 43. № 29. P. 5489–5497. https://doi.org/10.1364/AO.43.005489
8. Pen E.F. Experimental study of high-order reflections on volume reflection holographic gratings // Quant. Electron. 2018. V. 48. № 6. С. 545–549. https://doi.org/10.1070/QEL16649
9. Bruder F.-K., Fäcke T., Rainer H., et al. Second harmonics HOE recording in Bayfol HX // Proc. SPIE. 2015. V. 9508. P. 95080G1. https://doi.org/10.1117/12.2178269
10. Shelkovnikov V.V., Pen E.F., Vasiliev E.V., et al. Photopolymer compositions for recording reflective holograms in a wide spectral range // Rus. Patent № 2552351. Publ. 10.06.2015.
11. Derevyanko D.I., Shelkovnikov V.V., Aliev S.I., et al. Thin-layer holographic photopolymer materials with high refractive index modulation // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2021. V. 57. № 6. Р. 584–591. https://doi.org/10.3103/S8756699021060042
12. Babin S.A., Vasiliev E.V., Kovalevsky V.I., et al. Methods and devices for testing holographic photopolymer materials [in Russian] // Autometry. 2003. № 2. Р. 57–70.
13. Pen E.F., Vyukhina N.N., Tverdokhleb P.E., et al. Measurement and analysis of the angular selectivity characteristics of holograms in photopolymer materials // Instruments and Experimental Techniques. 2022. V. 65. № 2. P. 292–300. https://doi.org/10.1134/S0020441222020178
14. Guoheng Zhao, Mouroulis P. Diffusion model of hologram formation in dry photopolymer materials // J. Modern Opt. 1994. V. 41. № 10. P. 1929–1939. https://doi.org/10.1080/09500349414551831
15. Stiles A., Tison T.-A., Pruitt L., et al. Photoinitiator selection and concentration in photopolymer formulations towards large-format additive manufacturing // Polymers. 2022. V. 14. P. 2708. https://doi.org/10.3390/polym14132708
16. Close C.E., Gleeson M.R., Mooney D.A., et al. Monomer diffusion rates in photopolymer material. Part II. High-frequency gratings and bulk diffusion // JOSA B. 2011. V. 28. № 4. P. 842–850. https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.000842
17. Close C.E., Gleeson M.R., Sheridan J.T. Monomer diffusion rates in photopolymer material. Part I. Low spatial frequency holographic gratings // JOSA B. 2011. V. 28. № 4. P. 658–666. https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.000658
18. Bruder F.-K., Fäcke T., and Rölle T. The chemistry and physics of Bayfol HX film holographic photopolymer // Polymers. 2017. V. 9. № 10. P. 472–494. https://doi.org/10.3390/polym9100472
