ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КИНЕТИКИ ЗАПИСИ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК

April 30, 2012 by admin Комментировать »

Довольное Е. А., Шарангович С. Н. Томский университет ситем управления и радиоэлектроники ТУСУР Пр. Ленина, д. 40, Томск – 634050, Россия Тел.: +7 (3822) 413643; e-mail: shr@svch.rk.tusur.ru

Аннотация – Проведено сравнение двух классов фото- полимерных материалов (ФПМ) на основе кинетик записи пропускающих и отражающих решеток по численным расчетам дифракционной эффективности. Рассчеты проведены с помощью моделей, разработанных ранее и представленных в [1, 2].

I.  Введение

В последние годы ФПМ привлекают все большее внимание исследователей в качестве материала для голографической записи. Фотополимерные голографические решетки находят широкий спектр применений, начиная от оптической памяти [3] и до селективных к длине волны разветвителей в системах волоконно оптической связи [4]. В связи с этим вопросы записи, считывания и хранения решеток в ФПМ представляют большой практический интерес. Одним из невыясненных вопросов в данной области является сравнение кинетики записи в ФПМ, которые можно условно разделить на два вида: когда излучение поглощается непосредственно мономером, или излучение поглощается красителем сенсибилизатором. Ранее нами были разработаны и представлены аналитические модели записи в данных материалах [1, 2], однако вопросу сравнения и анализа различий кинетики не было уделено внимания. Данная работа призвана восполнить этот пробел.

II.  Основная часть

Под действием света фотохимические реакции, имеющие место в процессе радикальной полимеризации, приводят к локальным изменениям показателя преломления среды n(r,t) и к записи фазовой голограммы в соответствии с распределением интерференционной картины. При математическом описании процессов записи за основу примем теорию радикальной полимеризации. Изменение во времени концентрации мономера М в некоторой точке приводит за счет процесса полимеризации к изменению во времени плотности полимерных молекул в этой точке. За счет процессов диффузии мономера происходит также вытеснение инертной компоненты. Все эти процессы ведут к изменению показателя преломления п. Скорость изменения концентрации мономера можно записать в виде SM~-lkM (/ – интенсивность излучения), где /7=1 +/с, если излучение поглощает непосредственно мономер, или /7=1, если излучение поглощается красителем сенсибилизатором, и 0<=к<1 в наиболее общем случае. Наиболее распро- стрены ФПМ с /<=0.5.

Ранее были получены аналитические модели для записи пропускающих и отражающих решеток при /<=0.5 и /7=1 [1] и /7=3/2 [2] в виде пространственно- временного распределения первой гармоники решетки показателя преломления. Также в моделях учтены следующие факторы: полимеризационный и диффузионный механизмы записи, фото-индуцированное изменение поглощения, изменение коэффициента диффузии от степени полимеризации.

На основе вышеописанных моделей проведены рассчеты дифракционной эффективности голографических решеток от времени записи п^т) при допущении, что считывание (мониторинг) производится во время записи на длине волны, при которой излучение считывающего пучка не взаимодействует с материалом (затухание равно нулю) и пренебрежении дисперсией при выполненных брэгговских условиях считывания.

Как было отмечено в работах [1-2] практически важным является соотношение времени полимеризации Тр ко времени диффузии Тт. В соответствие с b можно разделить случаи с существенно разной кинетикой записи: Ь=Трт> 1 – диффузионный механизм преобладает над полимеризационным, и обратный случай Ь< 1.

На рисунке 1 приведены графики зависимости HdW для пропускающей (а) и отражающей решеток (б), записанных в ФПМ с параметрами: толщина с(=20мкм, угол схождения пучков в воздухе 20°, Ь=0.25, поглощение ord=3Hen и огсНОНеп.

Как видно из рис.1 для обоих типов решеток для огсНОНеп скорость формирования больше для h=1, а величина в максимуме и на стационарном уровне сильно различаются, причем увеличение эффективности в точке максимума приводит к уменьшению эффективности на стационарном уровне. Для случая с существенным поглощением вышеобозначенные тенденции только усиливаются, особенно в отношении скорости записи.

На рисунке 2 приведены графики зависимости r|d(x) для пропускающей (а) и отражающей решеток

(б), записанных в фотополимерном материале с прежними параметрами, но при Ь=5.

Как видно из рисунка 2 для Ь>1 при огсНОНеп отличие в скорости записи более существенно, чем для Ь< 1. Скорость записи решетки несколько ниже для Л=3/2, хотя эффективность решеток на стационарном участке практически одинаковая. Поглощение же приводит к одинаковым изменениям кинетики для обоих материалов, уменьшая скорость записи и немного увеличивая величину r|d на стационарном уровне, особенно для отражающих решеток, а разность скоростей остается на прежнем уровне, в от- личиет от случая с Ь< 1.

III.  Заключение

Проведено сравнение двух классов фотополи- мерных материалов на основе кинетик записи пропускающих и отражающих решеток по численным расчетам п^т). Рассчеты проведены с помощью моделей, разработанных ранее и представленных в [1, 2]. В результате сравнения для обоих типов решеток выявлены следующие различия: для /7=1 скорость формирования и величина эффективности в максимуме больше, а величина на стационарном уровне много меньше для Ь< 1. А для Ь> 1 из вышеописанного остается в силе только различие скоростей формирования.

IV. Список литературы

[1 ] Е. Dovolnov, S. Sharangovich. Record and postexpositional self-amplification of holographic grating in photopolymer films with light-induced optical attenuation.

Proc. SPIE, 2003, V. 5104, pp. 116-127.

[2]  E. Dovolnov,S. Sharangovich. Models of holographic record of reflection and transmitted diffraction gratings in optical absorbent photopolymeric materials.

Proc. SPIE, 2004, V. 5464, p. 12.

[3]  U. S. Rhee, H. J. Caulfield, J. Shamir, C. S. Vikram,

М. M. Mirsalehi. Characteristics of the DuPont photopolymer for angularly multiplexed page-oriented holographic memories. Opt. Eng. 1993, V. 32, pp. 1839-1847.

[4]  H. J. Zhou, V. Morozov and J. Neff. Characterization of DuPont photopolymers in infrared light for free-space optical interconnects”, Appl. Opt. 1995, V34, p.7457-7459.

THEORETICAL COMPARISON OF PHOTOPOLYMER MATERIALS ON THE BASIS OF RECORD KINETICS OF DIFFRACTION GRATINGS

Dovolnov E. A., Sharangovich S. N.

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics TUSUR 40, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia Phone: +7 (3822) 413643 E-mail: shr@svch.rk.tusur.ru

Abstract – Comparison of two types of photopolymer materials is carried out on the base of kinetics of recording transmission and reflection gratings by numerical simulation of diffraction efficiency. The simulation is based on two analytical models created early and presented in [1, 2].

I.  Introduction

At last years photopolymer holographic gratings find a large application field, beginning from optical memory [3] and up to wavelength couplers-splitters [4]. One of unclear questions is comparison of record kinetics on photopolymers, which can be conditionally divided into two groups: when a radiation is absorbed by a monomer directly or by a dye-sensibilisator. We created and presented analytical models of record on such materials [1, 2], however we did not focus attention on comparison of kinetics and analysis of differences. This work will fill up this gap.

II.  Main part

Under light action a radical polymerization leads to local change of medium refraction index n(r,t) and a record of phase hologram according to an interference pattern. For description of the record we will take the radical polymerization theory as a basis. Change of monomer concentration M in time in a spatial point leads to change of polymer molecule density in this point due to polymerization and a diffusion of material components. These processes result in change of refraction index n. Rate of monomer concentration change is SM~-lkMh (I – light intensity), where /7=1+Я, if the radiation is absorbed by monomer directly, or /7=1, if the radiation is absorbed by dye-sensibilisator, and 0<=k<1 in the most general case. Widespread photopolymers have k=0.5. Two analytical models of record of transmission and reflection gratings in photopolymers with k=0.5 and /7=1 [1] and /7=3/2 [2] were created in the view of spatial-temporal distribution of the first harmonic of refraction index. On the base of these models we simulate diffraction efficiency versus record time r|d(x) at assumption that readout (monitoring) is realized during record with the wavelength not interacting with the material and neglecting dispersion at satisfied Bragg conditions of readout. As it is noted in [1-2], ratio of polymerization time Tp and diffusion time Tm is significant for record kinetics. That is why we will carry out our simulation separately for b=TplTm> 1 and b< 1.

In the figure 1 (2) the graphs of dependence nd(i:) for transmission (a) and reflection (b) gratings recorded on photopolymer material with the following parameters: thickness of d=20|im, beams convergence angle in air 20°, b=0.25 (b=5), absorption ad=3 Nepers and orcM Nepers.

III.  Conclusion

As the result of carried out simulation and comparison, we note the following differences for both grating types: for b< 1 at /7=1, the record rate and the grating efficiency in the maximum have the greater values and the grating efficiency on the steady state region is much smaller than at /7=3/2. But for b> 1 the difference of record rates is still observed only. Presence of absorption increases these differences.

Аннотация – Предложена модель, описывающая в рамках дипольного приближения резонансные эффекты при рассеянии света на плоских однослойных структурах из наночастиц серебра.

I.  Введение

Двумерные решетки из наночастиц серебра, нанесенных на резиновую основу, при облучении видимым светом обнаруживают неожиданные свойства [1, 2]. При сжатии таких решеток наблюдается резонансное увеличение коэффициента отражения и уменьшение коэффициента прохождения. Растяжение же приводит к снижению добротности резонанса и к появлению нового в более длинноволновой спектральной области. Настоящая работа посвящена теоретической интерпретации наблюдаемых эффектов.

II.  Основная часть

В качестве модели рассматривается периодическая двумерная структура из серебряных шариков, на которую падает по нормали плоская электромагнитная волна. По аналогии с теорией Максвелла- Гарнетта [3] будем учитывать лишь дипольное взаимодействие между металлическими вкраплениями, заменяя их точечными диполями Р=а(и>)Ео (Ed – действующее поле, (О – частота) с поляризуемостью

где £(оо) и е – диэлектрические проницаемости серебряных шариков и окружающей среды, а – радиус шариков. Согласно [4] на длинах волн 300-500 нм £(и>) можно аппроксимировать следующей приближенной формулой:

где £«=4.7, шР=1.38 1016 Vе, у=2.7 1013 Vе.

Зависимости Rea и Imа от длины волны

изображены на рис. 1.

Действующее на данный диполь поле(Ео=ЕоХо, хо

–   орт вдоль оси X) складывается из падающего поля Е00Х0 и полей, создаваемых другими диполями. Его можно записать как

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты