Характеризация голографического фотополимера Bayfol HX в инфракрасной области спектра

Предмет исследования. Рассмотрена возможность создания дифракционных элементов на основе голографического фотополимера Bayfol HX, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Исследованы динамический диапазон показателя преломления фотополимера и амплитудно-фазовые характеристики голограмм в инфракрасном диапазоне. Изучено влияние параметров записи (плотности мощности записывающего излучения, времени записи) на распределение динамического диапазона показателя преломления между гармониками решетки.
Метод. Анализ амплитудно-фазового характера голограмм выполнен с помощью измерения спектров пропускания исследуемого фотополимера после реакции фотополимеризации. Проведена оценка динамического диапазона показателя преломления фотополимера в спектральном диапазоне от 405 до 2099 нм. Предварительно осуществлены измерение и анализ контуров угловой селективности голограмм с периодами от 414 до 2100 нм, оптимизированных под разные части исследуемого спектрального диапазона. Выполнен анализ влияния параметров записи на распределение динамического диапазона показателя преломления между гармониками решетки. Произведен расчет амплитуд первой и второй гармоник модуляции показателя преломления из экспериментально измеренных контуров угловой селективности голограмм, сформированных при разных длительностях записи при постоянной дозе облучения.
Основные результаты. Показано, что динамические диапазоны показателя преломления фотополимера в ближнем инфракрасном диапазоне и в длинноволновой части видимого диапазона отличаются на величину, не превышающую точности измерений. Продемонстрировано ярко выраженное нарушение закона взаимозаместимости при масштабировании интерференционной картины и/или изменении плотности мощности записывающего излучения.
Практическая значимость. Найдены оптимальные условия записи голограмм в исследуемом фотополимере для их применения в инфракрасном диапазоне спектра. Исследованный голографический материал может найти применение в телекоммуникационной оптике.

1. Quintana J.A., Boj P.G., Crespo J., Pardo M., Satorre M.A. Linefocusing holographic mirrors for solar ultraviolet energy concentration // Applied Optics. 1997. V. 36. N 16. P. 3689–3693. https://doi.org/10.1364/AO.36.003689

2. Glebov L.B., Smirnov V., Rotari E., Cohanoschi I., Glebova L., Smolski O.V., Lumeau J., Lantigua C., Glebov A. Volume-chirped Bragg gratings: monolithic components for stretching and compression of ultrashort laser pulses // Optical Engineering. 2014. V. 53. N 5. P. 051514. https://doi.org/10.1117/1.OE.53.5.051514

3. Berneth H., Bruder F.-K., Fäcke T., Hagen R., Hönel D., Jurbergs D., Rölle T., Weiser M.-S. Holographic recording aspects of highresolution Bayfol HX photopolymer // Proceedings of SPIE. 2011. V. 7957. P. 79570H. https://doi.org/10.1117/12.876202

4. Bruder F.-K., Hansen S., Kleinschmidt T., Künzel R., Manecke C., Orselli E., Rewitz C., Rölle T. Integration of volume holographic optical elements (vHOE) made with Bayfol® HX into plastic optical parts // Proceedings of SPIE. 2019. V. 10944. P. 1094402. https://doi.org/10.1117/12.2510109

5. Vázquez-Martín I., Gómez-Climente M., Marín-Sáez J., Collados M.V., Atencia J. True colour Denisyuk-type hologram recording in Bayfol HX self-developing photopolymer // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10233. P. 102331 U. https://doi.org/10.1117/12.2265802

6. Marín-Sáez 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 // Optics Express. 2018. V. 26. N 10. P. A398–A412. https://doi.org/10.1364/OE.26.00A398

7. Bruder F.-K., Fäcke T., Grote F., Hagen R., Hönel D., Koch E., Rewitz C., Walze G., Wewer B. Performance optimization in mass production of volume holographic optical elements (vHOEs) using Bayfol HX photopolymer film // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10233. P. 102330G. https://doi.org/10.1117/12.2265022

8. Berneth H., Bruder F.-K., Fäcke T., Jurbergs D., Hagen R., Hönel D., Rölle T., Walze G. Bayfol HX photopolymer for full-color transmission volume Bragg gratings // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9006. P. 900602. https://doi.org/10.1117/12.2038399

9. Bruder F.-K., Fäcke T., Hagen R., Hönel D., Orselli E., Rewitz C., Rölle T., Walze G. Diffractive optics with high Bragg selectivity: volume holographic optical elements in Bayfol® HX photopolymer film // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9626. P. 96260T. https://doi.org/10.1117/12.2191587

10. Bruder F.-K., Bang H., Fäcke T., Hagen R., Hönel D., Orselli E., Rewitz C., Rölle T., Vukicevic D., Walze G. Precision holographic optical elements in Bayfol HX photopolymer // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9771. P. 977103. https://doi.org/10.1117/12.2209636

11. Bruder F.-K., Fäcke T., Hagen R., Hönel D., Kleinschmidt T.P., Orselli E., Rewitz C., Rölle T., Walze G. Diffractive optics in large sizes: computer-generated holograms (CGH) based on Bayfol HX photopolymer // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9385. P. 93850C. https://doi.org/10.1117/12.2077139

12. 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 // Optics Express. 2016. V. 24. N 6. P. A720–A730. https://doi.org/10.1364/OE.24.00A720

13. Bruder F.-K., Frank J., Hansen S., Lorenz A., Manecke C., Meisenheimer R., Mills J., Pitzer L., Pochorovski I., Rölle T. Expanding the property profile of Bayfol HX films towards NIR recording and ultra-high index modulation // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11765. P. 117650J. https://doi.org/10.1117/12.2579235

14. Peng H., Nair D.P., Kowalski B.A., Xi W., Gong T., Wang C., Cole M., Cramer N.B., Xie X., McLeod R.R., Bowman C.N. High performance graded rainbow holograms via two-stage sequential orthogonal thiol–click chemistry // Macromolecules. 2014. V. 47. N 7. P. 2306–2315. https://doi.org/10.1021/ma500167x

15. Monte F.D., Martínez O., Rodrigo J. A., Calvo M. L., Cheben P. A volume holographic sol-gel material with large enhancement of dynamic range by incorporation of high refractive index species // Advanced Materials. 2006. V. 18. N 15. P. 2014–2017. https://doi.org/10.1002/adma.200502675

16. Bruder F.-K., Fäcke T., Rölle T. The chemistry and physics of Bayfol® HX film holographic photopolymer // Polymers. 2017. V. 9. N 10. P. 472. https://doi.org/10.3390/polym9100472

17. Kargaran A., Ebrahimi M., Riazi M., Hosseiny A., Jafari G.R. Quartic balance theory: Global minimum with imbalanced triangles // Physical Review. 2020. V. 102. N 1. P. 012310. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.012310

18. Spiegler K.S., Kedem O. Thermodynamics of hyperfiltration (reverse osmosis): criteria for efficient membranes // Desalination. 1966. V. 1. N 4. P. 311–326. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(00)80018-1

19. Lucarini V., Saarinen J.J., Peiponen K.-E., Vartiainen E.M. Kramers-Kronig Relations in Optical Materials Research. Springer Science & Business Media, 2005. 162 p. (Springer Series in Optical Sciences. V. 110). https://doi.org/10.1007/b138913

20. Kopyeva M.S., Filatova S.A., Kamynin V.A., Trikshev A.I., Kozlikina E.I., Astashov V.V., Loschenov V.B., Tsvetkov V.B. Exvivo exposure on biological tissues in the 2-μm spectral range with an all-fiber continuous-wave holmium laser // Photonics. 2021. V. 9. N 1. P. 20. https://doi.org/10.3390/photonics9010020

21. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell System Technical Journal. 1969. V. 48. N 9. P. 2909–2947. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x

22. Borisov V.N., Angervaks A.E., Ryskin A.I., Veniaminov A.V. Twomodel spectral study of volume holograms in materials with diffusionbased mechanisms // Optical Engineering. 2019. V. 58. N 2. P. 024102. https://doi.org/10.1117/1.OE.58.2.024102

23. Mees E.K., James T.H. The Theory of the Photographic Process. New York: Macmillan, 1967. Chap. 7. P. 132.

24. Pottier P., Strain M.J., Packirisamy M. Integrated microspectrometer with elliptical Bragg mirror enhanced diffraction grating on silicon on insulator // ACS Photonics. 2014. V. 1. N 5. P. 430−436. https:// doi.org/10.1021/ph400165j

25. Liu P., Zhao Y., Li Z., Sun X. Improvement of ultrafast holographic performance in silver nanoprisms dispersed photopolymer // Optics Express. 2018. V. 26. N 6. P. 6993–7004. https://doi.org/10.1364/OE.26.006993

26. Sheridan J.T., Lawrence J.R. Nonlocal-response diffusion model of holographic recording in photopolymer // Journal of the Optical Society of America A. 2000. V. 17. N 6. P. 1108–1114. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.001108

27. Zhao G., Mouroulis P. Diffusion model of hologram formation in dry photopolymer materials // Journal of Modern Optics. 1994. V. 41. N 10. P. 1929–1939. https://doi.org/10.1080/09500349414551831

28. Kelly J.V., O’Neill F.T., Sheridan J.T., Neipp C., Gallego S., Ortuno M. Holographic photopolymer materials with nonlocal and nonlinear response // Proceedings of SPIE. 2003. V. 5216. P. 127–138. https://doi.org/10.1117/12.509138

29. Bruder F.-K., Deuber F., Fäcke T., Hagen R., Hönel D., Jurbergs D., Rölle T., Weiser M.-S. Reaction-diffusion model applied to high resolution Bayfol HX photopolymer // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7619. P. 76190I. https://doi.org/10.1117/12.841956