基于不同類型明膠的DCG體全息光柵衍射特性研究
劉龍飛1，2， 邵詠松3， 李文強2， 閏占軍1，2， 劉玉杰1，2
（1．光電控制技術種點實驗室，河南洛陽471000；2．中國航空工業(yè)集岡公司洛陽電光設備研究所，河南洛陽471000；3．中國人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南洛陽471000）
摘要：不同類型明膠制成的重鉻酸鹽明膠體全息光柵在衍射效率、帶寬以及噪聲等衍射性能方面存在差異，決定了體全息光柵的光學應用領域。采用重鉻酸銨明膠全息制備工藝，研究了3種常用明膠制成的體全息光柵的衍射特性。實驗表明，在相同的條件下GC-1及GC-3明膠制成的體全息光柵衍射效率較高，接近理想值100%；GC-1明膠光柵的帶寬較寬，可達到46 nm，而GC-3明膠光柵帶寬較窄，僅有17 nm; GC-2明膠制成的體全息光柵效率較低且曲線形狀較差。對3種明膠的全息衍射特性進行了深入研究，為不同領域全息元件制備中明膠類型的選擇提供了依據(jù)，、
關鍵詞：體全息光柵；衍射效率；重鉻酸鹽明膠；帶寬；噪聲
中圖分類號：0438.1 文章編號：1671 - 637X（2016）02 - 0091 - 03
0 引言
重鉻酸鹽明膠( DCG)是一種很好的位相型記錄介質，具有成像質量好，感光度高和價格低廉的優(yōu)點，廣泛應用于光訊息的記錄和保存�；贒CG制成的體全息光柵具有嚴格的波長選擇性和角度選擇性，適用于多種全息元件的制作。而作為全息記錄材料中的明膠，它的性質很大程度上決定了所制成的體全息光柵的衍射特性及應用領域。
明膠是取自于動物不同組織部分的天然產物，原材料的來源不同和加工方法上的差異，使得不同明膠在性質上的差異很大，這些差異直接影響到DCG全息圖的衍射特性。有較高分子量的明膠表現(xiàn)出較高的感光性和較低的解像力。測定了不同明膠的分子量分布并研究了分子量分布不同對全息圖性質的影響。在分子水平上研究了不同類型的明膠對DCG全息圖衍射效率的影響，得出活性膠所制成的全息圖衍射效率較高的結論。在實際應用中，為了得到高質量的成像，往往對全息元件中體光柵的衍射特性有著嚴格的要求。影響體全息光柵衍射特性的因素主要有明膠類型、曝光工藝以及化學處理等因素。本文采用目前全息領域最常用的GC-1，GC-2和GC-3 3種明膠來進行實驗，研究用不同類型明膠記錄形成的體全息光柵的衍射特性的差異，分別對這3種明膠進行相同的工藝處理過程，對比相應的體全息光柵的衍射特性曲線，討論了各自的適用領域，為全息元件制作中明膠類型的選擇提供了依據(jù)。
1 實驗
1.1實驗方案
1.1.1 樣品
本文所使用的明膠來自DCG體全息光柵制備最常用的3種明膠，由表1可以看出，3種明膠的各種參數(shù)均不相同。
1.1.2 光路
實驗中使用的主要儀器有：A r+氬離子激光器（波長514 nm）、激光照度計、分光光度計、全息干板(6塊)等。
本文采用雙光束曝光光路，形成的體全息光柵更加均勻、穩(wěn)定。如圖1所示，由激光器發(fā)射的光束經(jīng)過分束膜后沿不同的光路進行傳輸，兩光束分別通過不同的反射鏡、空間濾波器及擴束鏡后相遇，在DCG膜層發(fā)生干涉，再經(jīng)過后期處理可得到體全息光柵。曝光過程中，全息干板整體浸泡在匹配液中，所采用的材料為K9玻璃，這是為了使其衍射效率與匹配液更加接近，以降低體全息光柵的噪聲干擾，同時提高衍射效率。
1.1.3 方法
本實驗中體全息光柵的制作流程主要包括涂板、敏化、曝光、處理4個過程。分別采用125mJ／cm2和200mJ/cm2曝光量進行曝光，每種明膠各自對應兩種曝光量，編號為1，2。其他環(huán)節(jié)的處理工藝均相同。具體制作流程如下所述。
1)涂板：在玻璃平板上覆蓋一層濃度為4%且含有0.4%重鉻酸銨的明膠溶液；在室溫(25 0C)下干燥24 h；在85℃下烘烤2h。
2)敏化：將全息于板浸入濃度為3% 的重鉻酸銨溶液中15 min，溶液溫度為25 ℃；將敏化后的全息干板靜置20 h。
3)曝光：使用能量密度為125 m J/cm2 (200 m J /cm2)氬離子激光器(A =514 nm)對全息干板進行曝光。
4)處理：在0.5%的重鉻酸銨溶液中浸泡15 min；在定影液中浸泡9 min;使用去離子水沖洗20 min;連續(xù)使用不同濃度(50%，70%，100%)的異丙醇對全息干板進行脫水干燥，脫水時間分別為8 min，8 min，10 min。
1.2體光柵衍射特性參數(shù)的定義
為了更好地描述體光柵的性能，需要采用一些特征參數(shù)來對體光柵進行表征。體光柵的衍射特性參數(shù)包括角帶寬、波帶寬、衍射效率及噪聲等，本文主要討論波帶寬、噪聲及衍射效率這3種衍射特性。
1)平均噪聲。噪聲是在曝光區(qū)域和非曝光區(qū)域都存在的、影響體光柵衍射效率的多種因素的集合，包括菲涅耳反射、材料吸收和非使用級次衍射等。如圖2所示，在非衍射波段，因為有噪聲的存在，體光柵的透過率并非100%，定義500~ 680 nm波段的噪聲平均值作為平均噪聲δ，δ可以很好地反映體光柵整體的透過率特性。
2)衍射效率。體光柵的衍射效率通常定義為從光柵衍射輸出的光通量與入射光波的總光通量之比。在不考慮菲涅耳反射、材料吸收和非使用級次衍射等噪聲因素作用的情況下，體光柵的衍射效率η與透過率T之間的關系為
若考慮噪聲因素，則式(1)可以進一步精確為
因此，本文以式(2)為依據(jù)來測定體全息光柵衍射效率，首先通過分光光度計測定體全息光柵在不同波長下的透過率曲線，根據(jù)透過率曲線可以得到體光柵的噪聲參數(shù)，然后計算出特定波長下的衍射效率。
3)波帶寬。將體全息光柵衍射效率下降到峰值的一半時所對應的波長差定義為波帶寬△λ。
2 實驗結果與討論
測試結果如圖3所示。
按照2.2節(jié)的定義，可以得到表2中的體全息光柵衍射特性參數(shù)。表2給出了兩種曝光量下在不同明膠上記錄形成的體光柵的峰值波長、波長帶寬、平均噪聲和衍射效率等特征參數(shù)。在相同的曝光量下，不同明膠形成的體全息光柵的衍射特性有著明顯的差別。基于GC-1明膠記錄形成的體全息光柵具有大的帶寬及較高的衍射效率，且線型陡直，但其平均噪聲相對其他兩種明膠較大；基于GC-2明膠記錄形成的體全息光柵帶寬較窄，衍射效率也偏低，但平均噪聲相對較�。换贕C-3明膠記錄形成的體全息光柵則具有窄的帶寬和高的衍射效率，同時平均噪聲也較小。比如曝光量為200 m J/cm2時，GC-1明膠光柵波長帶寬為43 nm，是GC-3明膠光柵的3倍多。對于同一種明膠，高曝光量形成的體全息光柵的峰值波長偏短。同時，隨著曝光量的增加，體全息光柵的波帶寬和噪聲也相應有增大的趨勢。對于衍射效率的變化，已經(jīng)做過相關實驗，結論是同一明膠所對應的體全息光柵的衍射效率隨曝光量的變化是先隨曝光量的增大而增大，達到一個最大值，然后開始下降。
體全息光柵由于其“體”本質，故具有嚴格的布拉格波長和角度選擇性，體全息光柵這個特性可應用于多種全息光學元件。全息光學元件的優(yōu)點是結構緊湊、重量輕、成本低，并能提供一些獨特的功能，因此越來越廣泛地應用在各個領域中。而不同的全息光學元件對光柵衍射特性有著不同的需求。例如，GC-3明膠光柵可應用于全息衍射平顯中，充分利用了其在某個窄波段范圍內有高的衍射效率、在此外的波段范圍內有高的透過效率的特性，目前，全息衍射平顯已經(jīng)批量裝備戰(zhàn)斗機和民用運輸機。除此之外，GC-3明膠光柵還可以用于體全息相關識別、高密度體全息存儲、光互連、光譜濾波等領域。而在新一代的機載瞄準顯示系統(tǒng)的全息波導顯示系統(tǒng)中，要求體光柵具有高效率、寬帶寬、低噪聲的特性，相比之下，CC-1明膠光柵更為合適。
3 總結
通過實驗發(fā)現(xiàn)，在相同工藝條件下，不同類型的明膠所制成的體全息光柵的衍射特性有著明顯的差別。其中，GC-1明膠光柵和GC-3明膠光柵衍射效率較大，GC-2明膠光柵和GC-3明膠光柵的噪聲較小，而帶寬方面，GC-1明膠光柵最大，GC-3明膠光柵次之，GC-2明膠光柵最低。同時，曝光量對體全息光柵的衍射特性也有著顯著的影響，隨著曝光量的增加，體光柵的峰值波長變短，噪聲增大。由此可見，不同記錄材料形成的體全息光柵具有不同的衍射特性，分別具有不同的應用價值。在體全息光柵的研究中，全息記錄材料的選取至關重要。本實驗對比分析了3種常用明膠所制成的體全息光柵的衍射特性，討論了各自的適用范圍，為全息工作者對明膠類型的選擇提供了依據(jù)。
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