大角度的衍射光学元件操作记录在丙烯酰胺光敏聚合物基于柔性基板

文摘

全息设备的特点是大角度范围的操作正在发展中。本研究的目的是增加角衍射透镜的工作范围高效光元素的叠加三层上的彼此,这样光被收集从更广泛的角度(集中)。每个镜头的角度范围元素很重要,和工作已经完成acrylamide-based光敏聚合物扩大单个元素的角度范围使用全息记录在低空间频率。本文报道新结果的角度选择性衍射透镜。12°的工作范围。衍射聚焦元素记录全息中央空间频率为300 l / mm使用曝光能量60 mJ /厘米²在一系列记录的角度。在这个空间频率50±5层的厚度µ米,衍射效率达到了80%和50%的单镜头元素和设备相结合,分别。光记录过程和多层结构的属性描述和讨论。全息记录单个透镜元件也成功地演示了一个灵活的玻璃衬底(康宁(R)柳(R)玻璃)第一次。

1。介绍

光敏聚合物是迅速成为最流行的一种记录媒体全息应用程序出于各种原因;他们有优秀的全息特性,如高折射率调制、大的动态范围,良好的光敏性,实时图像的发展,光学质量高,成本低。感光性树脂材料研究了用于许多全息应用程序(1- - - - - -8]。最近的研究提出了叠加的低空间频率透射全息图(9和高空间频率传输多路复用全息图10在不同的光敏聚合物有望tracking-free阳光重定向设备的途径。

理想的全息记录材料应具有以下性质:商业可用波长高灵敏度,高空间分辨率提高质量记录,记录强度、线性响应和低噪音,也就是说,一个细晶粒结构减少散射的影响。在低角度选择性应用是必要的,能够记录较低空间频率也是有益的。考虑材料的灵活性,衬底的灵活性,衬底厚度、底物的光学属性,和附着力好也是重要的,特别是当叠加层。

多年来许多其他研究人员已经研究了响应低空间频率的光栅光聚合物材料在不同的应用程序中使用。例如,Tarjanyi et al。11]报道了光敏聚合物材料的响应在低空间频率和不同记录强度和帕斯卡et al。12)调查能力的大规模生产的光敏聚合物录音材料计算机生成光栅在低空间频率。

在工作这里介绍自由式发展acrylamide-based感光性树脂被用作光敏材料(13- - - - - -18]。这种材料的能力来记录在低空间频率归因于聚合物基质的渗透率相对较高和快速单体扩散,它允许记录的高衍射光栅效率即使在低空间频率政权(19]。如此低空间频率比当接收角较大的设备(广泛的角度和波长选择性操作范围)。保持低空间频率可以确保每个光栅/镜头的角度选择性低,这样每个光栅角度接受的范围最大化和光栅的数量需要在结合设备最小化。在这个工作我们现在低空间频率光敏聚合物全息透镜堆叠在一起为了增加的角范围聚焦装置。

2。理论背景

对于一个给定的材料,衍射效率直接依赖于全息图的厚度,但是角度和波长选择性取决于厚度和光栅的空间频率。同意体积全息光栅理论(20.),一项研究表明,光栅和镜头记录在薄层在低空间频率有一个更大的接收角(9]。例如,光栅记录的接收角50μ厚层的空间频率1000 l /毫米大约是1°,而光栅空间频率的记录300 l /毫米显示接受大约3°角。多路复用许多在一层光栅可以工作得很好(4];然而每个光栅的衍射效率随光栅记录的数量由于光敏聚合物的动态范围有限。

为了进一步提高角范围没有减少每个元素的衍射效率,大量的全息图可以堆叠使用柔性基板层压在一起。使用灵活的基质(如塑料和灵活的玻璃(21])具有显著优于传统的厚玻璃是灵活的、符合要求的形状,并且减轻了重量以及厚度,这意味着较低的损失为堆垛设备。堆叠的例子显示灵活的玻璃基板上之前被证明(22]。使用柔性基板还使大批量连续生产方法如精密卷绕对位装置制造(23]。

在这项研究中所使用的全息元素集中元素,也称为衍射光学元件(DOE)镜头。能源部镜片是由干扰球集中光束和参考光束(平行)和安排中描述的光敏聚合物层的重叠部分3所示。3。感光性树脂材料会产生一个局部折射率的变化,记录干涉条纹平面形成球形和平面波干涉。控制衍射的干扰模式允许控制元素的属性记录。方面的性能特征是衍射效率和角度选择性。

在这种方法中每个元素的目的是关注一个离轴平行入射电子束点背后的全息元素,如下所示。在这项研究中,三个离轴聚焦元素然后堆叠在一起,每个设计不同的入射角,结合时,堆栈可以从更广泛的角度聚焦光事件。层的这种安排也需要仔细控制他们的厚度,这样每一集中元素的工作范围的预期的半最大值宽度。

图1是一个示意图展示个人能源部将入射光重定向。能源部是一个复杂的衍射元件可以被认为是一系列倾斜光栅改变入射光的焦点。光栅的空间频率和倾斜角度飞机不同能源部。例如,光栅的空间频率点的图将远远大于B点的空间频率,但光栅倾斜角度的飞机将在B大于A材料必须能够记录所需的空间频率的范围。

在这项研究中,为了增加设备的操作角度三个个体层效率高并记录在三个不同位置的记录材料对干涉图样。记录后,他们相互叠层之上没有任何气隙以减少反射损失。

因为他们可以被认为是厚的全息图,最大衍射效率是实现当并探索重建在正确的角度。每个光栅元素在能源部应照亮,光栅的布拉格角。这是通过使用平行光束在记录和重建。对于一个unslanted透射光栅,给出了布喇格条件 在哪里是厚的全息图的衍射订单(),是布拉格角定义为角度的入射电子束使边缘平面的记录介质,是记录光束的波长,条纹间距。

记录并在这项研究是厚的全息图(20.,24- - - - - -26),因为,参数被定义为 在哪里记录介质的厚度,是录音的平均折射率材料,然后呢是之前定义。

在这项研究中这些参数对应一个大约10倍。这个值的空间频率估计通过300 l /毫米中心的镜头和感光层的厚度μm。

Kogelnik预测之间的关系在粗光栅入射角和衍射效率,针对特定条件(20.]。对光栅不overmodulated有一个最大的在布拉格角和峰值的宽度取决于光栅厚度和空间频率。这里介绍的镜头的特点是测量角度的衍射效率在一系列为了确定这个角度选择性。在解释研究结果时还是应该牢记,等一系列空间频率和倾斜角度是永远存在的。

3所示。实验

3.1。光敏聚合物溶液制备

本研究中使用的材料是一个自我acrylamide-based水溶性光敏聚合物如前所述[13]。这种材料的成分是丙烯酰胺和methylenebisacrylamide单体,三乙醇胺作为引发剂,聚乙烯醇粘合剂和赤藓红B作为敏化剂。的平均折射率大约是捏造的光敏聚合物层(27]。

表1显示了组件的光敏聚合物溶液浓度用于获得层μ米厚,证实了白光干涉法。

3.2。层制备

0.5毫升的光敏聚合物溶液均匀采用重力沉降法对25×75毫米²灵活的塑料(拜耳Makrofol)或玻璃衬底,然后放在夷平面和允许干了18 - 24小时在黑暗中在普通实验室条件下(20 - 25°C, 40 - 60% RH)。

3.3。全息设置

在双光束全息光学记录设置(图2)使用垂直偏振Nd:沃₄激光(532海里),和一个氦氖激光器(氦氖)633海里被用作探测光束。记录光束和探测光束垂直极化。

记录光束的强度是由一个变量设置中性密度滤光片1 mW /厘米²。先前的研究显示这种强度最佳记录的空间频率300 l /毫米9]。300线/毫米的空间频率是通过调整interbeam角9°。曝光时间是在60年代保持不变;这样的曝光能量60 mJ /厘米²层的厚度μm。一套旋转阶段被用来记录媒体的角度对录音梁,为每一个元素。为了描述衍射强度探测光束的入射角的依赖,光栅被放在一个旋转阶段(新港,特别是300)。光学功率计(新港1830 - c)记录衍射光束的强度和数据被转移到一台计算机通过数据采集卡。虚拟仪器程序是用于控制实验,记录数据。

这个实验涉及到的第一步描述每一层单独的布拉格选择性曲线。布拉格曲线可以提供信息等光栅/透镜参数效率、厚度、角全宽度一半马克斯(应用),和折射率调制。第二步涉及设备的研究角度选择性叠加三DOE镜头后,记录在个人层次,在彼此之上。的距离光敏聚合物样品的焦点透镜定义记录能源部的焦距,在这项研究的元素有一个焦距约6厘米。捏造的焦距可以变化通过改变透镜的焦点之间的距离的光敏聚合物录音材料。

能源部镜头记录的衍射效率决定了每个元素的效率以光重定向到适当的角度和被定义为 在哪里衍射光束强度,事件(探测光束)的强度,衍射效率。使用强度的比值在衍射光束入射强度意味着反射、吸收、散射,和其他基质和光敏聚合物将损失降低衍射效率值,但它允许一个更现实的估计收集光元素的有效性。

一系列高效能源部镜头是在三个不同位置的记录全息记录材料对干涉图样由录音。中央空间频率相对较低的−300 l /毫米。层然后互相堆叠在一起。纹理的光敏聚合物层的衬底的直接邻居堆栈确保附着力好,没有气隙。关键的挑战是要控制个人的工作范围全息元素在层压在一起的布拉格选择性曲线重叠足够。换句话说,随着入射角的变化和第一个光栅效率开始下降第二应该开始上升。

实验是由描述零衍射角响应的顺序和第一个衍射的顺序记录前后镜头叠加。在这项工作中,光元素被使用光栅/镜头边缘对齐作为参考。角对齐取决于每一层的有效纹理的下一个和小心控制记录角度为每个衍射的元素。

4所示。结果与讨论

下面的结果显示如何为个人全息衍射效率随入射角聚焦元素,记录在感光性树脂在塑料基板,以及一堆三个元素相结合。成功的记录还演示了在光敏聚合物柔性玻璃基板使用相同的技术。

4.1。比较接近角的衍射光学元素叠加之前和之后

衍射效率与入射角的变化在零和第一次衍射全息透镜订单记录范围的角度(7°,10.5°,14°)如图3。观察到衍射效率约为80%。4.5和5°之间的应用是为每个镜头元素。

图4显示了衍射效率的变化与入射角的零和一阶衍射堆叠元素从图3。它可以被观察到的半最大值宽度增加收集光从大约12°的工作范围;然而,衍射效率的损失发生在叠加后的光栅的衍射效率下降了大约50%。尽管似乎层复合在一起非常好这减少效率可能是由于累积损失(散射和反射)在多个层接口,因为总共有六个接口包括基质。层叠加后的衍射效率下降可能提高了使用不同的衬底折射率会更好匹配,搬到一个更薄更透明衬底与减少双折射,阴霾,散射。灵活的玻璃,如柳树玻璃、可能的解决方案。表2显示三个基板的光学特性测量。

透射率和反射率的三个可用的基质是通过使用激光波长为633 nm相比事件在10.5度衬底和结果如表所示2。平均每个透射率和反射率值是8读数。塑料和灵活的玻璃基质的折射率测量用阿贝折射仪。结果在表2。

4.2。记录效率高衍射光学元素灵活的眼镜衬底

本节描述一个探索性研究证明成功的全息记录集中的元素较低空间频率和广泛的工作范围在灵活的玻璃(康宁(R)柳(R)玻璃)(21]。这部小说玻璃是有益的对于我们的目的,因为它提供了更好的透明度(表2)以及前面提到的优势。所需的灵活的玻璃衬底在尺寸上稳定,使层对齐,同时显示低散射,阴霾,吸收。灵活的玻璃衬底已经证明兼容精密卷绕对位,sheet-level涂料,纹理,印刷流程,以及多层堆放设备视差较低(23,28]。

与离轴全息透镜聚焦效应被记录在柳树杯大小26日×76毫米²和100年μ米厚度。层制备条件相同的条件下使用的塑料衬底。衍射透镜的元素被记录为10.5°远离unslanted位置为了比较功能和性能的镜头元素记录在一个塑料衬底。图5显示0和1日衍射的角响应的顺序记录镜头元素。记录透镜的焦距元素是6厘米,直径0.9厘米。它可以观察到的最大衍射效率达到90%以上,大约是5°的的半最大值宽度。这些非常有前途的结果表明,灵活的玻璃是一个合适的和稳定的基质全息记录,同时实现高衍射效率与工作范围镜头元素记录在塑料基板。

这些令人鼓舞的结果将及时研究发展的新途径。灵活的玻璃的光学质量高(低散射、双折射和吸收)将使在任何应用程序改进设备的制造设备厚度/重量是一个问题,光损失应该最小化。此外,整合自然全息感光性树脂设备在光学玻璃将使新设备配置包括叠层堆放全息设备,可变形的全息设备和全息和光电设备的组合。

未来的工作将包括记录一系列的光栅/镜头比较灵活的玻璃和衍射效率的损失后叠加的层上面的结果。调查的灵活特性开发玻璃为了优化全息性质也正在进行。

5。结论

结果证实,叠加三个全息要素在塑料基板增加了合并后的设备的接收角12°应用。该方法可用于应用程序(如太阳能收集和梁在照明系统的操纵。第一次有被记录在这些灵活的玻璃基板(康宁(R)柳(R)玻璃)。90%的最大衍射效率在光敏聚合物层μ在这个空间频率米厚度。这意味着超过90%的入射光测量的衍射束没有校正反射,吸收或其他损失。的焦距的元素是6厘米。

未来的工作将集中在提高衍射效率在叠加层与大角响应使用灵活的玻璃。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢都柏林理工学院,2013年Fiosraigh财政支持也恰城对妇女实施研究所提供研究设备。作者要感谢Christopher Smith先生,都柏林三一学院,他的建议在设置与康宁的合作和支持。这些结果在1205年成本会议于2014年4月。

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