Голографические фотонные структуры в фотополимерных материалах

52

интенсивности записывающего поля от координат x и у, что приводит к неравномерности скорости полимеризации и контраста в каждой локальной точке записываемой голографической решетки. Таким образом, определив степень влияния контраста и скорости полимеризации на кинетику и вид профиля дифракционной решетки в приближении плоских волн, результаты можно обобщить на случай записи пространственно-неоднородными световыми пучками.

2.1.2 Запись ПГДР с учетом постоянного оптического поглощения ФПМ-ЖК

В данном разделе рассмотрим запись ПГДР плоскими волнами. Решение задачи получено в приближении нулевой и первой гармоник концентрации мономера и показателя преломления с учетом постоянного оптического поглощения, контраста интерференционной картины, произвольной степени нелинейности процесса фотополимеризации и зависимости коэффициента диффузии от степени полимеризации.

Пусть две плоские когерентные монохроматические световые волны с амплитудами E0, E1 и волновыми векторами k0′, k1′ на границе раздела сред распространяются под углами θ0 и θ1 внутри плоского поглощающего фотополимерного слоя (0≤y≤d). Также будем считать, что k0′ и k1′ лежат в плоскости XY. Пространственная геометрия и векторная диаграмма процесса записи представлены на рис.2.2.

Распределение интенсивности интерференционной картины светового поля

(рис.2.2) в случае постоянного оптического поглощения примет вид:

Допуская, что М1(τ,у)<<M0(τ,у) и n1(τ,у)<<n0(τ,у), в системе (2.17) можно пренебречь влиянием первой гармоники на нулевую, и используя начальные

Подставляя полученное выражение для М0(τ,у) из (2.19) в первое уравнение из (2.18), интегрируя его и используя нулевые начальные условия для М1(τ,у), получим решение для первой гармоники концентрации мономера:

распределение первой гармоники решетки показателя преломления, получим при подстановке (2.19) и (2.20) во второе уравнение системы (2.18):

57

профили решеток становятся неоднородными по глубине и трансформируются во времени. В области малых времен записи пространственный профиль повторяет распределение светового поля вдоль y. Это обусловлено уменьшением скорости полимеризации вдоль координаты y вследствие уменьшения интенсивности записывающих пучков, вызванного оптическим поглощением (см. (2.10). Таким образом, с увеличением y, процесс полимеризации протекает все медленнее и, соответственно, амплитуда ДС все меньше по сравнению с амплитудой ДС при y≈0.

Для параметра b<=1 (рис.2.3 а) пространственный профиль по глубине ДС трансформируется от спадающего к возрастающему за время записи. Это связано с изменением соотношения между временем полимеризации и временем диффузии мономера по глубине ДС. В результате диффузионные процессы мономера в областях ДС с наименьшей интенсивностью (0.5<y/d<1)

приводят в процессе записи к увеличению амплитуды ДС за счет полимеризации мономера, диффундировавшего из темных полос интерференционной картины в светлые. А в области (0<y/d<0.5) мономер в светлых областях быстро полимеризуется и истощается, т.к. из темных областей мономер не успевает диффундировать. Вместе с тем в темных областях интерференционной картины мономер постепенно начинает полимеризоваться, и как следствие амплитуда первой гармоники ДС уменьшается. В результате при выходе на стационарный участок записи профиль становится возрастающим по глубине ДС и по амплитуде достигает большей величины, чем в случае без затухания. Следует отметить, что данный эффект имеет место только в данной области параметра b, когда диффузионные процессы не дают вклада в полимеризационные процессы записи.

В случае b=Tp/Tm>1 (рис.2.4,б) происходит уменьшение вклада самого полимеризационного процесса в результате уменьшения скорости полимеризации в области (0.5<y/d<1) вызванного уменьшением интенсивностей записывающих пучков вследствие затухания. Таким образом,

затухание записывающих пучков приводит к затягиванию формирования

58

профиля в указанной пространственной области. Однако исходное соотношение времени полимеризации и времени диффузии (Tp>Tm) приводит к тому, что в области (0<y/d<0.5) мономер не истощается в светлых полосах интерференционной картины и не полимеризуется в темных, т.к. мономер успевает диффундировать. Соответственно амплитуда ДС в указанных областях при стационарном значении имеет много большую амплитуду, в

отличии от случая с b<1.

Из сравнения с результатами, представленными в промежуточном отчете, видно, что, наличие ЖК в композиционном материале приводит к тому,

что амплитуда первой гармоники n1 увеличивается без изменения формы профиля ДС вдоль у.

2.1.3 Запись ПГДР световыми волнами с существенно-различными амплитудами с учетом самодифракции

Выше рассмотренные модели записи были получены в приближении заданного поля. Однако в процессе записи дифракция записывающих волн на формируемой ПГДР приводит к изменению распределения интенсивности записывающего поля внутри материала, и формирование решетки продолжается в соответствии с измененным распределением светового поля. В

каждый момент времени два взаимосвязанных процесса - формирование решетки и самодифракция записывающих волн, протекая одновременно,

приводят к формированию фазовой ПГДР со сложным пространственным амплитудно-фазовым распределением. При равных интенсивностях и симметричной пропускающей геометрии записи самодифракция не приводит к каким-либо изменениям светового поля [7], но при нарушении одного из данных условий происходит обмен энергией между пучками.

В данном подразделе рассмотрим случай записи плоскими монохроматическими световыми волнами с существенно-неравными амплитудами Е0>>Е1 и волновыми векторами k0′ и k1′ в ФПМ с пренебрежимо малым поглощением. Решение кинетических уравнений записи будем, как и

59

раньше, искать в виде суммы нулевой и первой гармоник концентрации мономера и показателя преломления (см. (2.14)-(2.15)). Учет самодифракции во время записи, в рассматриваемом случае (E0>>E1) можно ограничить дифракцией только сильной волны на ПГДР, и решение уравнений связанных волн ( ) получить в приближении заданной интенсивности (Е0=const). Тогда изменение слабой волны запишем в следующем виде:

где n1 - первая гармоника решетки показателя преломления, G0=π/(λcosθ0), λ -

длина волны света в материале, θ0 – угол записи в материале для волны Е0.

Распределение интенсивности интерференционной картины светового поля в рассматриваемом случае примет вид:

где I0=I 0+I 1, I j=|Ej|2; j=0,1; K1=k0′- k1′, r – радиус вектор.

Далее будем использовать методику из [64,65], где кинетические

уравнения записи для концентрации мономера М и показателя преломления n

дополняются дифракционным уравнением в приближении заданного поля.

запишем интегро-дифференциальные кинетические уравнения записи для нулевых

и первых гармоник M и n: