基于不同类型明胶的DCG体全息光栅衍射特性研究

 刘龙飞1，2，  邵咏松3，  李文强2，  闰占军1，2，  刘玉杰1，2

 （1．光电控制技术种点实验室，河南洛阳471000；2．中国航空工业集冈公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000；3．中国人民解放军驻六一三所军事代表室，河南洛阳471000）

摘要：不同类型明胶制成的重铬酸盐明胶体全息光栅在衍射效率、带宽以及噪声等衍射性能方面存在差异，决定了体全息光栅的光学应用领域。采用重铬酸铵明胶全息制备工艺，研究了3种常用明胶制成的体全息光栅的衍射特性。实验表明，在相同的条件下GC-1及GC-3明胶制成的体全息光栅衍射效率较高，接近理想值100%；GC-1明胶光栅的带宽较宽，可达到46 nm，而GC-3明胶光栅带宽较窄，仅有17 nm; GC-2明胶制成的体全息光栅效率较低且曲线形状较差。对3种明胶的全息衍射特性进行了深入研究，为不同领域全息元件制备中明胶类型的选择提供了依据，、

关键词：体全息光栅；衍射效率；重铬酸盐明胶；带宽；噪声

中图分类号：0438.1 文章编号：1671 - 637X（2016）02 - 0091  - 03

0  引言

 重铬酸盐明胶( DCG)是一种很好的位相型记录介质，具有成像质量好，感光度高和价格低廉的优点，广泛应用于光讯息的记录和保存。基于DCG制成的体全息光栅具有严格的波长选择性和角度选择性，适用于多种全息元件的制作。而作为全息记录材料中的明胶，它的性质很大程度上决定了所制成的体全息光栅的衍射特性及应用领域。

 明胶是取自于动物不同组织部分的天然产物，原材料的来源不同和加工方法上的差异，使得不同明胶在性质上的差异很大，这些差异直接影响到DCG全息图的衍射特性。有较高分子量的明胶表现出较高的感光性和较低的解像力。测定了不同明胶的分子量分布并研究了分子量分布不同对全息图性质的影响。在分子水平上研究了不同类型的明胶对DCG全息图衍射效率的影响，得出活性胶所制成的全息图衍射效率较高的结论。在实际应用中，为了得到高质量的成像，往往对全息元件中体光栅的衍射特性有着严格的要求。影响体全息光栅衍射特性的因素主要有明胶类型、曝光工艺以及化学处理等因素。本文采用目前全息领域最常用的GC-1，GC-2和GC-3 3种明胶来进行实验，研究用不同类型明胶记录形成的体全息光栅的衍射特性的差异，分别对这3种明胶进行相同的工艺处理过程，对比相应的体全息光栅的衍射特性曲线，讨论了各自的适用领域，为全息元件制作中明胶类型的选择提供了依据。

1  实验

1.1实验方案

1.1.1  样品

 本文所使用的明胶来自DCG体全息光栅制备最常用的3种明胶，由表1可以看出，3种明胶的各种参数均不相同。

1.1.2  光路

 实验中使用的主要仪器有：A r+氩离子激光器（波长514 nm）、激光照度计、分光光度计、全息干板(6块)等。

 本文采用双光束曝光光路，形成的体全息光栅更加均匀、稳定。如图1所示，由激光器发射的光束经过分束膜后沿不同的光路进行传输，两光束分别通过不同的反射镜、空间滤波器及扩束镜后相遇，在DCG膜层发生干涉，再经过后期处理可得到体全息光栅。曝光过程中，全息干板整体浸泡在匹配液中，所采用的材料为K9玻璃，这是为了使其衍射效率与匹配液更加接近，以降低体全息光栅的噪声干扰，同时提高衍射效率。

1.1.3  方法

 本实验中体全息光栅的制作流程主要包括涂板、敏化、曝光、处理4个过程。分别采用125mJ／cm2和200mJ/cm2曝光量进行曝光，每种明胶各自对应两种曝光量，编号为1，2。其他环节的处理工艺均相同。具体制作流程如下所述。

 1)涂板：在玻璃平板上覆盖一层浓度为4%且含有0.4%重铬酸铵的明胶溶液；在室温(25 0C)下干燥24 h；在85℃下烘烤2h。

 2)敏化：将全息于板浸入浓度为3% 的重铬酸铵溶液中15 min，溶液温度为25 ℃；将敏化后的全息干板静置20 h。

 3)曝光：使用能量密度为125 m J/cm2 (200 m J /cm2)氩离子激光器(A =514 nm)对全息干板进行曝光。

 4)处理：在0.5%的重铬酸铵溶液中浸泡15 min；在定影液中浸泡9 min;使用去离子水冲洗20 min;连续使用不同浓度(50%，70%，100%)的异丙醇对全息干板进行脱水干燥，脱水时间分别为8 min，8 min，10 min。

1.2体光栅衍射特性参数的定义

 为了更好地描述体光栅的性能，需要采用一些特征参数来对体光栅进行表征。体光栅的衍射特性参数包括角带宽、波带宽、衍射效率及噪声等，本文主要讨论波带宽、噪声及衍射效率这3种衍射特性。

 1)平均噪声。噪声是在曝光区域和非曝光区域都存在的、影响体光栅衍射效率的多种因素的集合，包括菲涅耳反射、材料吸收和非使用级次衍射等。如图2所示，在非衍射波段，因为有噪声的存在，体光栅的透过率并非100%，定义500~ 680 nm波段的噪声平均值作为平均噪声δ，δ可以很好地反映体光栅整体的透过率特性。

  2)衍射效率。体光栅的衍射效率通常定义为从光栅衍射输出的光通量与入射光波的总光通量之比。在不考虑菲涅耳反射、材料吸收和非使用级次衍射等噪声因素作用的情况下，体光栅的衍射效率η与透过率T之间的关系为

若考虑噪声因素，则式(1)可以进一步精确为

 因此，本文以式(2)为依据来测定体全息光栅衍射效率，首先通过分光光度计测定体全息光栅在不同波长下的透过率曲线，根据透过率曲线可以得到体光栅的噪声参数，然后计算出特定波长下的衍射效率。

 3)波带宽。将体全息光栅衍射效率下降到峰值的一半时所对应的波长差定义为波带宽△λ。

2  实验结果与讨论

测试结果如图3所示。

 按照2.2节的定义，可以得到表2中的体全息光栅衍射特性参数。表2给出了两种曝光量下在不同明胶上记录形成的体光栅的峰值波长、波长带宽、平均噪声和衍射效率等特征参数。在相同的曝光量下，不同明胶形成的体全息光栅的衍射特性有着明显的差别。基于GC-1明胶记录形成的体全息光栅具有大的带宽及较高的衍射效率，且线型陡直，但其平均噪声相对其他两种明胶较大；基于GC-2明胶记录形成的体全息光栅带宽较窄，衍射效率也偏低，但平均噪声相对较小；基于GC-3明胶记录形成的体全息光栅则具有窄的带宽和高的衍射效率，同时平均噪声也较小。比如曝光量为200 m J/cm2时，GC-1明胶光栅波长带宽为43 nm，是GC-3明胶光栅的3倍多。对于同一种明胶，高曝光量形成的体全息光栅的峰值波长偏短。同时，随着曝光量的增加，体全息光栅的波带宽和噪声也相应有增大的趋势。对于衍射效率的变化，已经做过相关实验，结论是同一明胶所对应的体全息光栅的衍射效率随曝光量的变化是先随曝光量的增大而增大，达到一个最大值，然后开始下降。

 体全息光栅由于其“体”本质，故具有严格的布拉格波长和角度选择性，体全息光栅这个特性可应用于多种全息光学元件。全息光学元件的优点是结构紧凑、重量轻、成本低，并能提供一些独特的功能，因此越来越广泛地应用在各个领域中。而不同的全息光学元件对光栅衍射特性有着不同的需求。例如，GC-3明胶光栅可应用于全息衍射平显中，充分利用了其在某个窄波段范围内有高的衍射效率、在此外的波段范围内有高的透过效率的特性，目前，全息衍射平显已经批量装备战斗机和民用运输机。除此之外，GC-3明胶光栅还可以用于体全息相关识别、高密度体全息存储、光互连、光谱滤波等领域。而在新一代的机载瞄准显示系统的全息波导显示系统中，要求体光栅具有高效率、宽带宽、低噪声的特性，相比之下，CC-1明胶光栅更为合适。

3  总结

 通过实验发现，在相同工艺条件下，不同类型的明胶所制成的体全息光栅的衍射特性有着明显的差别。其中，GC-1明胶光栅和GC-3明胶光栅衍射效率较大，GC-2明胶光栅和GC-3明胶光栅的噪声较小，而带宽方面，GC-1明胶光栅最大，GC-3明胶光栅次之，GC-2明胶光栅最低。同时，曝光量对体全息光栅的衍射特性也有着显著的影响，随着曝光量的增加，体光栅的峰值波长变短，噪声增大。由此可见，不同记录材料形成的体全息光栅具有不同的衍射特性，分别具有不同的应用价值。在体全息光栅的研究中，全息记录材料的选取至关重要。本实验对比分析了3种常用明胶所制成的体全息光栅的衍射特性，讨论了各自的适用范围，为全息工作者对明胶类型的选择提供了依据。