Глава 9. ОТДЕЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГОЛОГРАФИИ

9.1. ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ОБРАБОТКА

С. Бентон

9.1.1. Выбор материала

Известно, что голограммы можно записывать на самых разнообразных материалах, включая электрооптические кристаллы и термопластические пленки. В работе [19] дан исчерпывающий обзор некоторых из этих материалов, получивших наиболее практическое применение; среди них все еще выделяются галогенидосеребряные фотографические материалы благодаря своей надежности, доступности, высокой чувствительности и вообще хорошим характеристикам. Хотя они и требуют некоторого времени для обработки и при нормальном использовании не обладают способностью к дополнительной записи или стиранию, они продолжают оправдывать прозвище «единственный друг голографиста». В этом разделе мы рассмотрим методы получения большинства из доступных в настоящее время промышленных материалов и попытаемся указать некоторые направления будущего прогресса.

Поскольку при записи голограмм используются пространственные частоты, значительно превышающие пространственные частоты, регистрируемые в обычной фотографии, в голографии применяются, как правило, эмульсии очень низкой чувствительности и настолько мелкозернистые, что они практически прозрачны. Тончайшая зернистость создается сферическими микрокристаллами бромида серебра (с небольшим количеством йодида и некоторыми сенсибилизаторами) диаметром около и требует, как указано в табл. 1, экспозиции от 1000 до Другие, так называемые «голо-графические эмульсии», могут иметь зерна до в поперечнике, требующие экспозиции (или, если не отбеливать, хотя обычные мелкозернистые материалы (размеры зерна порядка экспозиция могут быть полезными для специальных применений при малых углах падения опорного пучка, когда или энергия лазера или время экспонирования существенно ограничены.

Наиболее известные галогенидосеребряные материалы для голографии изготовляются фирмами «Eastman Kodak Company» в США и «Agfa-Gevaert» в Бельгии. В США они продаются главным

Таблица 1 (см. скан) Галогенндосеребряные материалы для записи голограмм

образом через распределителей. Доступные материалы и варианты их исполнения могут меняться в очень широком диапазоне, так что мы рекомендуем читателям требовать информацию о современных материалах и рекомендации у изготовителей. Во многих обучающих лабораториях начинают работу со стеклянных пластинок размером см либо фирмы «Agfa - Gevaert» «Holotest 8Е75», либо фирмы «Eastman Kodak» (тип 120 с противоореольным покрытием для пропускающих голограмм и без покрытия для отражающих голограмм); по мере накопления опыта переходят к работе с другими типами пластинок.

В принципе спектральную чувствительность эмульсии можно изменять, варьируя состав смеси вводимых сенсибилизаторов. К сожалению, сравниваемые материалы часто не пригодны для работы одновременно в красном и сине-зеленом вариантах сенсибилизации, и поэтому выбор лазера может зависеть от того, какие материалы мы имеем в распоряжении. Единственными материалами, сенсибилизированными как к красному, так и к зеленому и синему, являются

Нередки случаи, когда в наличии имеется одна и та же эмульсия, нанесенная на стеклянные пластинки или на гибкую пленку. Для начинающего голографиста, по-видимому, легче всего начать с обработки пластинок, которые, как правило, дают результаты

лучшего качества. Однако пластинки склонны к образованию дефектов и непостоянству свойств при изготовлении, и, кроме того, их относительно высокая стоимость приводит к тому, что на практике главным образом используют пленочные материалы. В последнем случае высокая стоимость держателей пленки, таких, как вакуумные прижимы, может превысить экономию, получаемую за счет непрерывного экспонирования и обработки рулона пленки. Хотя полиэфирные пленки являются механически более прочными и химически более стойкими к обрабатывающим растворам по сравнению с ацетатными основами, но их двулучепреломление меняет поляризацию проходящего света, так что применение их нежелательно как при получении художественных голограмм, так и для обработки информации. Противоскручивающие и противоореольные свойства пленочной основы материалов также изменяются в широких пределах.

В этом практическом справочнике важно указать на то, что между конкурирующими материалами существуют систематические различия. Оказывается, чувствительность эмульсий фирмы «Agfa - Gevaert» больше, чем у материалов фирмы «Eastman Kodak», причем чувствительность пластинок в четыре раза превышает чувствительность пластинок Следует также заметить, что материалы в большой степени страдают от действия косметических дефектов и от слабого крепления пластинки при экспонировании, так что их использование не всегда оправдывает наши надежды. В США голографическая промышленность развита довольно широко, поэтому для практического использования обычно применяют отечественные материалы. Поскольку производство и продажа голографического материала постоянно увеличивается, положение дел может заметно измениться, и это уже реализуется в настоящее время.

9.1.2. Хранение

Галогенидосеребряные фотографические материалы являются значительно более стабильными при хранении, чем большинство других регистрирующих сред, но из-за небольшого размера зерен голографические материалы оказываются более чувствительными к температуре и времени хранения по сравнению с обычными фотоматериалами. Лучшие результаты получаются при условиях хранения, которые должны быть приняты повсюду и считаться нормальными, а именно материалы следует хранить в холодильнике при температуре с момента их доставки и вплоть до момента непосредственного их применения. Прежде чем вскрыть защитную фольгу или восковую бумагу, в которую упакован материал, во избежание конденсации материал необходимо подвергнуть медленному нагреванию до комнатной температуры в течение нескольких

часов в случае небольшой коробки пластинок и сутки для большого рулона пленки. Если влагозащитная упаковка вскрыта, то фотографический материал нельзя снова охлаждать, пока его не запечатают снова вместе с влагопоглотителем. Открытые материалы должны храниться при температуре ниже Разрушение материала происходит настолько медленно, что никаких крайних мер принимать не нужно, но увеличение плотности вуали проявленных неэкспонированных пластинок является доказательством того, что время жизни материала истекает. Охлажденные материалы, если они защищены от влаги, будут храниться фактически бесконечно.

Процесс, который можно связать с хранением, заключается в снятии напряжений в эмульсиях перед их использованием. Некоторые типы стеклянных пластинок подвергаются неравномерному сжатию эмульсии во время покрытия и сушки. Однако качество таких эмульсий можно улучшить, если пластинки нагреть примерно до выдержать при очень высокой влажности в течение часа или около того, а затем высушить и охладить до комнатной температуры. В течение этого цикла пластинки должны находиться в горизонтальном положении, для того чтобы избежать перенапряжения [15]. В действительности это довольно рискованный процесс. В результате слишком энергичных действий может появиться вуаль, а несоответствующее оборудование может привести к конденсации капель на пластинках и к их разрушению. Однако наблюдалось существенное улучшение качества изображения, особенно в относительно мягких эмульсиях, таких, как Подобный циклический процесс может оказаться также полезным при сушке пластинок.

9.1.3. Обращение с регистрирующими материалами во время экспонирования

Малейшее движение регистрирующего материала во время экспонирования может заметно снизить дифракционную эффективность или даже привести к появлению темных полос поперек голограммы. Таким образом, главным требованием является устойчивое крепление материала во время экспозиции и стабильное изменение положения в случае интерферометрии. Методы крепления регистрирующих материалов с жесткой основой (стекло) и регистрирующих материалов на гибкой основе (пластиковая пленка) развивались независимо друг от друга.

9.1.3.1. Крепление стеклянных пластинок

Держатели типа краевого зажима были первыми удачными конструкциями держателя пластинок; промышленностью выпускается множество удобных и хорошо выполненных вариантов держателя такого типа. В общем случае пластинка удерживается на плоской

поверхности зажимами или пружинами, расположенными по крайней мере вдоль двух краев пластинки, а для точной ее установки используются специальные установочные штифты. Однако пластинка может еще колебаться как мембрана под действием звуковых волн, и, чтобы избежать этого, нужно применять пластинки значительной толщины. Серьезной жалобой художников является то, что края пластинок заслоняются тенями. Однако при проведении интерферометрических исследований интерференционных полос методом реального времени центральную часть пластинки можно оставить открытой.

Рис. 1. Держатель пластинок с вакуумным прижимом.

Рис. 2. Держатель пластинок с капиллярным прижимом.

Можно сделать недорогой, хотя и несколько менее точный, держатель пластинок с вакуумным прижимом (рис. 1). В этом случае пластинка крепко прижимается к рамке благодаря тому, что с одной стороны она находится под атмосферным давлением, а с другой ее стороны вручную создается низкое давление. Если резиновую прокладку содержать в чистоте и по возможности влажной, то можно вообще избежать сползания пластинки. Вакуумный прижим располагается несколько выше центра держателя, с тем чтобы уменьшить амплитуду колебаний звенящих краев; по этой же причине низ основания держателя покрывается войлоком, что к тому же облегчает установку держателя.

Однако мы обнаружили, что свойство капилляра дает ключ к созданию универсального держателя пластинок В этом случае между стеклянной пластинкой и плоской жесткой поверхностью держателя вводится жидкость, имеющая малую вязкость и высокое поверхностное натяжение (рис. 2). После сушки, проводимой в течение нескольких минут, пластинка прочно и устойчиво закрепляется на держателе, причем имеется некоторая возможность возникновения вибраций, поскольку динамическая

жесткость системы определяется в основном жесткостью основания. Таким способом в очень трудных условиях были получены отражательные голограммы на стеклянных пластинках. Если стеклянная пластинка с обратной стороны имеет черное покрытие, то это значит, что такая пластинка предназначена для получения пропускающих голограмм. Мы обнаружили, что ксилол представляет собой очень полезную капиллярную жидкость с приемлемым коэффициентом преломления, а его летучесть упрощает очистку пластинки после экспонирования. Однако при работе с ним, как и со всеми другими органическими растворами, нужно соблюдать осторожность и иметь хорошую вентиляцию, хотя токсичность его и не высокая.

9.1.3.2. Крепление регистрирующих материалов на пленочной основе

Из-за гибкости материалов на пленочной основе и их тенденции к скручиванию ни один из рассмотренных выше способов крепления не пригоден. Первым шагом к решению проблемы крепления в данном случае является размещение пленки между чистыми стеклянными пластинками, сжимаемыми по краям. Однако при этом возникает множество отражений от границы стекло — воздух, которые нарушают однородность освещения и ухудшают качество изображения. В данном случае помогает наполнение такого сандвича иммерсионной жидкостью (жидкостью с согласующим коэффициентом преломления), но это может оказаться неудобным в работе.

Рис. 3. Держатель пленки с вакуумными каналами (вид с разрезом).

В случае пленки большой успех выпал на долю держателя с вакуумной спинкой. В этом держателе создают вакуум между пленкой и жесткой плоской поверхностью (спинкой). Воздух удаляется через множество отверстий, распределенных по спинке за пленкой. Но при наблюдении восстановленного изображения из-за нарушения брэгговского условия дифракции становятся заметными ямки, образующиеся на пленке над каждым отверстием. Поэтому мы вместо отверстий используем одиночный канал, расположенный вокруг кадра (рис. 3), причем успех в этом случае зависит от того, будет ли спинка действительно плоской (что определяется конечной полировкой поверхности), и, по-видимому, от длины кадра, которая должна быть такой, чтобы можно было удалить весь воздух из-под пленки.

Но в этом случае каждая оставшаяся под пленкой пылинка будет давать тот же эффект, что и ямки. Таким образом, наилучшего качества изображения можно добиться лишь применением материалов на стеклянных подложках; исключение составляет случай, когда для экспозиции используется импульсный лазер, причем отсутствуют какие-либо требования к жесткости крепления, хотя обеспечение плоскостности пленки может все еще создавать проблему.

9.1.4. Обработка

9.1.4.1. Введение

В литературе вопросам обработки голограмм уделяется гораздо больше внимания, чем другим аспектам практической голографии, однако до сих пор эти вопросы остаются не решенными из-за того, что мы еще плохо разбираемся в тонкостях рецептов и методов. В последнее время стали больше внимания обращать не на отбеливание, а на проявители, причем теперь считают, что все операции процесса обработки голограмм взаимосвязаны. Эти исследования еще не дали окончательных результатов. Для того чтобы вызвать интерес к отдельным исследованиям, мы рассмотрим в общих чертах принципы химической обработки материалов на нескольких примерах, имеющих практическое значение.

9.1.4.2. Оборудование

Голографическая темная комната напоминает обычную темную комнату для фотопечати, поскольку в том и другом случае требования к обработке фотографических материалов почти одинаковы. В голографической комнате можно применять большую часть обычного оборудования, хотя экзотические проявители, отбеливатели и органические растворители могут ограничить применение ряда материалов, из которых изготавливаются емкости для обработки фотографических материалов. В комнате нужно отвести специальное место для резки пластинок и их сушки. Во многих случаях для проведения процессов отбеливания и спиртовой сушки требуется очень хорошая вентиляция и наличие вытяжного шкафа для улавливания испарений.

До сих пор для обработки голограмм, особенно голограмм большого размера, наиболее удобным и экономичным является использование открытых пластмассовых ванночек. Глубокие баки, разумеется, более компактны и удобны при обычной обработке, кроме того, в них значительно сокращается поверхность окисления проявителя. Однако по сравнению с ванночками баки требуют большего количества раствора и специальных держателей, чтобы избежать прилипания пластинок и пленок к стенкам бака за счет капил

лярных явлений. Баки очень больших размеров изготавливаются из акриловой пластмассы. Поскольку температурные режимы обработки фотоматериалов для записи голограмм почти такие же, как и в случае обработки черно-белых фотоматериалов, для управления температурой достаточно иметь простые водяные рубашки.

9.1.4.3. Проявители для голографии

С 1964 г. рабочим коньком голографического проявления был проявитель фирмы «Eastman Kodak» (в Европе сравнимые с ним свойства имеет проявитель фирмы «Agfa - Gevaert»). Трудно сказать, что проявитель за исключением того, что он может работать и уже широко применяется в голографии, имеет какие-либо специфические особенности для этого, поскольку его свойства оптимизировались для черно-белого негативного проявления. Очевидно, что успехи голографии будут серьезно зависеть от рецептов фотохимической обработки, оптимизированных не столько для обработки используемых сверхмелкозернистых материалов, сколько для выявления высоких пространственных частот, преобладающих в голографической записи. Тем не менее проявитель может хорошо работать при соответствующих условиях, он широко распространен и может служить ценным примером. Рецепты составления проявителей прошли долгий путь проб и ошибок, и серьезную информацию по этому вопросу можно получить лишь путем тщательного изучения соответствующей литературы и проведения большого числа экспериментов [8, 14]. Рассмотрим теперь два механизма проявления, используемых в голографии, и проиллюстрируем их несколькими рецептами проявителей, имеющих практическое значение. Однако еще много нужно поработать, чтобы добиться успеха в этом направлении, и ряд исследователей имеют достаточно хорошие условия, чтобы внести свой вклад в развитие этой важной области.

9.1.4.4. Механизмы проявления

В упрощенном виде проявление происходит следующим образом: в каждом эсвещенном микрокристалле при проявлении молекулы галогенида серебра распадаются на одинаковое число атомов серебра, образующих зерна, и ионов галогена, диффундирующих прочь. Этот процесс называется «прямым» или «химическим» проявлением; в большинстве случаев он представляет собой действительно главный механизм и приводит к взрывчатому переходу (превращению) с образованием продолговатых червеобразных зерен серебра [10]. Но во многих случаях к зернам добавляется значительное количество серебра благодаря процессу, называемому «физическим» проявлением, которое выделяет атомы серебра из почти не

проявленных микрокристаллов. Этот процесс начинается с травления поверхности микрокристалла растворителями галогенида серебра, такими, как сульфит, тиосульфат или ионы тиоцианата, благодаря которым создаются подвижные комплексы серебра. Эти комплексы диффундируют до тех пор, пока они не столкнутся друг с другом в подходящем для выпадения осадка месте, где проявляющий раствор может превратить их в нерастворимое металлическое серебро. Место осаждения обычно находится по соседству с уже проявленным зерном серебра, и диффундировавшее серебро накладывается на него (зерно) более или менее однородно; при этом из червеобразных зерен серебра образуются сферические частицы. В обычных эмульсиях проявленное физически серебро стремится затеряться внутри больших зерен, состоящих из многих нитей, но в сверхмелкозернистых эмульсиях, предназначенных для голографии, когда каждый атом серебра на счету, образование физически проявленного серебра, которое в обычных условиях проходит незамеченным, становится слишком явным. Среднее количество растворителя (заметим, что поскольку в процессе физического проявления ионы растворителя периодически восстанавливаются, необходимо лишь небольшое количестве растворителя) заметно изменяет сенситометрическую кривую не только за счет увеличения размеров зерен, но также за счет выявления поверхностным травлением местонахождения дополнительного скрытого изображения, что еще больше выявляет зерна [20]. Увеличение контраста приводит к заметному увеличению дифракционной эффективности голограмм [19].

К сожалению, серебро также выпадает в осадок, причем в произвольных участках внутри эмульсии, в которых оно образует дихроичную вуаль, а после отбеливания приводит к сильному молочному рассеиванию света; серебро может выпадать в осадок на поверхности эмульсии, образуя пену. Степень всех этих воздействий зависит от равновесия между проявителем и активностью его растворения в эмульсии, которая очень чувствительна к составу проявителя и изменяется c его истощением. Поскольку все коммерческие проявители содержат растворители галогенида серебра, такие, как сульфит, служащий консервантом, протекание физического проявления ограничивается тем, что произошло, и его действие должно быть заметнее в голограммах, и, следовательно, влияние его более значительно изменяется с истощением проявителя. Этим главным образом объясняется то, почему обычные проявители нередко оказываются весьма неустойчивыми и доставляют массу хлопот при использовании их вместе с отбеливанием. После краткого рассмотрения механизмов проявления перейдем к описанию некоторых нерастворяющих «прямых» проявителей, а затем исследуем, каким образом можно использовать преимущества физического проявления, когда им можно будет управлять.

9.1.5. Рекомендация при проявлении

9.1.5.1. Стандартные проявители

а. Кодак D-19. Хотя для большинства материалов время проявления, рекомендуемое изготовителем, составляет 6—8 мин при температуре мы предпочитаем время проявления, равное 4 мин. Время проявления — это единственный наиболее полезный параметр процесса проявления, и определение момента окончания проявления, при котором достигается желаемая плотность, представляет собой практически очень полезный метод преодоления экспериментальных неопределенностей [2]. Если эмульсия будет отбеливаться, то ее нужно проявлять до плотности 1,5, а если не будет отбеливаться, то до плотности 0,8. Однако с увеличением времени проявления растет роль механизма физического проявления, что приводит к увеличению шума и снижению максимальной величины дифракционной эффективности. Отбеленные голограммы получаются более яркими и четкими, если они были переэкспонированы и недопроявле-ны, причем нижним пределом оказывается время проявления около 1 мин.

Мы обнаружили, что, по-видимому, из-за увеличенного воздействия физического проявителя на голограммы проявитель слишком быстро стареет. Поэтому рабочие растворы следует менять ежедневно, а при исследовании степени повторяемости, особенно в случае, когда применяется отбеливание, необходимо использовать лишь свежие растворы [181.

б. Голубой неофин. Исследования в университете г. Лафборо в Англии показали, что концентрированный проявитель «тетеноловый голубой неофин», составляющий собственность университета, прекрасно себя зарекомендовал при работе со сверхмелкозернистыми материалами, предназначенными для отбеливания (например, с когда используется концентрированный раствор без растворения (время проявления 5 мин при температуре Очевидно, кинетика этого проявителя сильно отличается от кинетики обычного разбавленного проявителя, и авторы считают, что добавление щелочи и противовуалирующего вещества приводит к изменению результатов. Добавление бензотриазола уменьшает вуаль и увеличивает контраст, а дальнейшее добавление метабората натрия приводит к еще более лучшим результатам [16].

9.1.5.2. Нерастворяющие проявители

Любые недостатки физического проявления можно обойти, если из процесса проявления исключить растворители галогенидов серебра Разумеется, даже вода слегка растворяет бромид серебра и составные части некоторых эмульсий, но заметные изменения

происходят лишь в отсутствие сульфита натрия и бромида калия. 1 акие проявители часто называют «прямыми», «химическими» или «поверхностными»; несмотря на отсутствие «консерванта», они по крайней мере имеют такую же надежность, что и стандартные проявители для голографии.

При отсутствии сульфита натрия, защищающего проявляющее вещество от окисления, мы должны выбрать проявляющее вещество с фотографически инертными продуктами окисления, которые имеют тенденцию быть менее активными, чем гидрохинон. Одним из таких веществ является всем известная аскорбиновая кислота, применяемая в широкоизвестном проявителе имеющем следующий состав [61:

(см. скан)

Рекомендуемое время проявления составляет 4 мин при температуре 20°С или же такое, при котором получается желаемая плотность. Мы предпочитаем проявитель, который мы назвали РААР, состоящий из

(см. скан)

Это более активный проявитель с соответственно меньшим временем жизни, поскольку он более подвержен поверхностному окислению. Время проявления 4 мин при 20°С. Он дает хорошие результаты, хотя получаемые плотности оказываются все еще меньшими, чем в случае применения

Оба этих проявителя дают чистые голограммы, в которых после отбеливания действительно отсутствует молочная дымка. Однако их дифракционная эффективность оказывается низкой, поскольку при том же числе модулирующих зерен коэффициент модуляции получается меньше, так как проявленные зерна в этом случае не «интенсифицированы» физическим проявлением. Но зато в этом случае достигается максимальное отношение сигнал/шум.

9.1.5.3. Физические проявители

Увеличение серебра в каждом зерне при физическом проявлении в принципе может привести к существенному увеличению дифракционной эффективности отбеленной голограммы при одновременном сохранении высокого отношения сигнал/шум. В действительности же определенное количество серебра осаждается в произвольных

местах достаточно большими кусками, что приводит к возникновению молочного рассеяния в отбеленной эмульсии. Отношение количества серебра, осажденного на зерна серебра (точно осажденное серебро), к количеству серебра, осажденного произвольным образом (неточно осажденное серебро), изменяется главным образом с эффективностью растворителя галогенида серебра, причем нижние значения соответствуют слабым растворителям типа сульфита натрия (вот почему обычные проявители становятся плохими) и высшие значения соответствуют сильным растворителям, таким, как тиоционат аммония. Но даже применение тиоцианата аммония дает заметное увеличение шумов, так что для некоторого повышения эффективности пропускающих голограмм в нерастворяющий проявитель нужно добавлять небольшое количество растворителя. И только в случае отражательных голограмм, когда дифракционная эффективность достигает максимального значения, необходимо добавлять очень большое количество тиоцианата аммония.

9.1.5.4. Сбалансированные процессы растворения и проявления

В эмульсиях голограмм, предназначенных для отбеливания, экспонируется и проявляется при прямом проявлении почти половина всех микрокристаллов галогенида серебра. Если бы все непроявленное серебро, вместо того чтобы удалить его из эмульсии в дальнейших процессах обработки, можно было бы переместить к уже проявленному серебру и проявить, то объем зерен увеличился бы вдвое, а дифракционная эффективность (и рэлеевское рассеяние) возросла бы в четыре раза. Такой экстремальный баланс между растворением и проявлением выходит далеко за рамки нормальной фотографической практики; поэтому, чтобы подчеркнуть существенную роль диффузии ионов серебра из неэкспонированной области в экспонированную на расстояния, которые малы по сравнению с толщиной разбухшей эмульсии, но могут быть соизмеримы с шириной нескольких интерференционных полос, мы назвали этот процесс «внутриэмульсионным диффузионным переносом» (ВЭДП) [1]. Этот процесс, помимо того что он увеличивает яркость восстановленного изображения, обладает и другими ценными для голографии свойствами.

Ввиду того что все серебро проявляется, необходимость в фиксировании отпадает. Если серебро отбеливается с целью получения исходных составных частей эмульсии (главным образом бромида серебра), то показатель преломления и толщина эмульсии восстанавливаются до значений, которые они имели во время

экспонирования, так что объемные эффекты, такие, как брэгговская селекция углов, автоматически и точно компенсируются во всем диапазоне экспозиций. Таким образом, важным результатом для полноцветной голографии является то, что отражательные голограммы будут восстанавливать изображение при той же самой длине волны и в том же месте, что и при записи голограмм.

Поскольку поперечная диффузия серебра ограничивается расстояниями в несколько интерференционных полос, отсутствие зависимости толщины эмульсии от экспозиции позволяет записывать сигналы с плотностью до нескольких сотен периодов на миллиметр, так что на поверхности эмульсии не появляется никакого рельефного изображения и рассеяние света еще более уменьшится.

Отсутствие отклика в области низких пространственных частот делает такой проявитель вообще непригодным для обычной фотографии, и в этом есть какая-то доля удовлетворения. По-видимому, это первый и единственный в своем роде проявитель, пригодный только для голографии!

Разумеется, проблема шума рассеяния остается общей и для физического проявителя, и для проявителя ВЭДП, так что уменьшение рассеяния остается центральной проблемой исследования. Но можно получить замечательные результаты, особенно в отражательной голографии, просто добавляя тиоцианат аммония в проявитель РААР, о котором мы упоминали выше. Количество добавки является несколько критичным (оно зависит от типа эмульсии) и его приходится регулировать для различных эмульсий или химических составов проявителей. Можно проследить за приближением к равновесию, по мере того как добавляется растворитель, наблюдая за сдвигом длины восстановленной волны на фиксированных после проявления участках отбеленных отражательных голограмм. Количество растворителя нужно увеличивать, до тех пор пока «линия фиксирования» (граница фиксирования) практически не исчезнет. На этом проявление заканчивается, если только не потребуется уменьшить рассеяние или смягчить действие тиоцианата аммония на желатину. Для лучшего компромисса между яркостью изображения и рассеянием света можно в два — четыре раза увеличить экспозицию по сравнению с экспозицией для нерастворяющих проявителей. Показательно, что для эмульсии экспонированной при освещенности и длине волны в проявитель РААР добавляется тиоцианата аммония, а в случае эмульсии при экспозиции

9.1.5.5. Фиксаж

Фиксированием называется процесс удаления непроявленного галогенида серебра, после того как материал был проявлен по методу ВЭДП или до обратимого отбеливания. Иногда для быстрых

процессов при обучении или в случае интерферометрии применяют проявление без фиксирования, как это имеет место в некоторых методах получения отражательных голограмм, но такие голограммы быстро темнеют при комнатном свете. Растворение небольших микрокристаллов происходит всего лишь за несколько секунд, так что тиосульфат аммония («быстрый фиксаж») не нужен и не может быть рекомендован, поскольку он может реагировать с проявленным серебром. Чтобы избежать этой реакции, которая изменяет цвет серебра и увеличивает молочное рассеяние в отбеленной голограмме, время фиксирования не должно превышать двойного времени осветления. Поскольку при этом основная часть серебра удаляется, фиксаж истощается. Этого необходимо избегать, но из-за прозрачности фиксажа его истощение трудно наблюдать и поэтому легко просмотреть.

Фиксаж (недубящий) имеет следующий состав [21]:

Время фиксирования равно удвоенному времени видимого осветления; температура не должна быть выше

Для того чтобы гарантировать химическую устойчивость голограммы, ее необходимо после фиксирования как следует промыть. Остаточные пятна гипосульфита особенно вредны для отбеленных голограмм. Предварительное купание в покупном удалителе гипосульфита сокращает необходимое время промывки до нескольких минут.

Удовлетворительная сушка требует дубления эмульсии, которое обычно следует за фиксированием. Мы используем с хорошими результатами формальдегидный дубитель [21]:

Дубить 3 мин и полностью промыть перед сушкой.

9.1.5.6. Отбеливание

а. Введение. Отбеливание — это общее название различных процессов, предназначенных для получения голограммы, которая модулирует свет замедлением волнового фронта, а не его ослаблением, как это обычно имеет место. В общем случае результатом этого является впечатляющее увеличение дифракционной эффективности и, следовательно, яркости восстановленного изображения, а во многих случаях удручающее уменьшение отношения сигнал/шум.

Поскольку высокая дифракционная эффективность важна для многих применений голографии, большое внимание было уделено исследованиям различных типов отбеливателей, о результатах которых имеются сообщения в литературе. Существует три основных типа отбеливателей. Первый преобразует проявленные зерна металлического серебра в осадки прозрачной диэлектрической соли, имеющей большую, чем у желатины, поляризуемость. Наиболее часто эти соли являются галогенидами серебра, и такие отбеливатели называются «прямыми» или «регалогенизирующими».

«Обратимые» или «дополнительные» отбеливатели растворяют проявленные зерна нефиксированной голограммы, при этом средний показатель преломления модулируется непроявленными зернами галогенида серебра. Оба этих отбеливателя являются «объемными», так как производимая ими модуляция среднего показателя преломления оказывается распределенной по толщине эмульсии и дает некоторые эффекты брэгговской селекции, а также обеспечивает высокую дифракционную эффективность. Поверхностно-рельефные отбеливатели используют эффект поперечной сшивки желатины проявителем или вызывают побочными продуктами отбеливания «дыхание» желатины, чтобы во время последующей сушки можно было создать модуляцию толщин эмульсии голограммы, образуя тонкую фазовую решетку. Такой же, но более слабый эффект вызывается удалением, обычно в процессе фиксирования, составных частей эмульсии. Вследствие того что эффекты поверхностного рельефа ограничиваются областью низких пространственных частот, такие отбеливатели редко используются в голографии и, за исключением некоторых частных случаев, обычно считаются источниками шума, когда их применяют вместе с другими отбеливателями [9].

б. Прямые отбеливатели. В литературе имеются описания нескольких дюжин процедур отбеливания, причем большая часть находится на грани современной алхимии, а многие из них, страдающие от ненадежности лежащих в их основе процессов, слишком непонятны. Рассмотрение результатов применения этих процессов показало, что они приводят к значительным изменениям дифракционной эффективности, обычно сопровождающимся высоким рассеянием, а также к потемнению голограммы при освещении ее светом. Улучшение свойств проявителей позволило решить некоторые из этих проблем. Обсудим теперь несколько отбеливателей, которые помогут уменьшить оставшиеся недостатки.

Отбеливатели, включающие промежуточную окислительную ступень, почти всегда уменьшают передаточную функцию модуляции (ПФМ) из-за случайной диффузии серебра, что также увеличивает рассеяние света. Поэтому мы предпочитаем использовать прямые отбеливатели, такие, как хлорная и бромная вода, из которых последний оказывается более практичным. Он обеспечивает столь

ясные, яркие и незатемняющиеся голограммы, что мы подробно опишем процесс отбеливания в данном случае. Этот отбеливатель имеет длительный срок хранения, очень прост в применении, но вследствие того, что при его использовании выделяется небольшое количество свободного брома, с ним приходится работать обязательно при наличии вытяжки. Вытяжной шкаф можно выполнить из полиэтиленового листа, вставленного в деревянную раму, электрического вентилятора и закрытой трубы канала сушителя, которую следует вывести в безопасное для людей и окружающей среды место. Этот же вытяжной шкаф должен применяться при сушке спиртом и при других операциях с органическими растворителями и вообще быть обязательной частью хорошо оборудованной голографической лаборатории. С бромной водой следует обращаться с осторожностью, имея в виду, что это слабая кислота, и в любом случае иметь под руками раствор сульфита натрия для нейтрализации какого-либо количества пролитой бромной воды и чистки ванночек от пятен. В противоположность отбеливателю на парах брома бромная вода относительно безопасна и безвредна при работе с ней. Используются очень небольшие количества жидкого брома, обращаться с которым нужно очень аккуратно.

Бромная вода приготовляется в большой (около стеклянной бутыли с притертой пробкой, заполненной почти целиком чистой водой (необходимо иметь плотно закрывающийся кран). В эту бутыль наливают небольшое количество брома (около так чтобы на дне бутыли образовались небольшие лужицы, после чего бутыль закрывают и ставят в определенное место. Примерно через сутки (в холодной воде быстрее) вода принимает оранжевый цвет из-за растворенного в ней брома, при этом под пробкой образуется некоторое количество паров брома.

Для работы немного бромной воды выливают в стеклянную ванночку. Можно использовать и пластиковые ванночки, но пятна с них можно удалить с помощью раствора сульфита натрия лишь частично. Отбеливание следует проводить быстро и в вытяжном шкафу, поскольку бром начинает медленно выделяться в виде газа, после чего бромную воду переливают в бутыль. Необходимо следить за тем, чтобы в бутыли бром был покрыт хотя бы небольшим количеством воды и чтобы он не попадал на пластинку, поскольку даже крошечные его капли разрушают эмульсию. Правильнее всего легким скользящим движением опустить пластинку в отбеливатель и слегка перемешать его. Просветление должно начаться немедленно и продолжаться в зависимости от силы отбеливателя не более минуты. По истечении удвоенного времени просветления голограмму переносят в ванночку с водой и переливают отбеливатель в предназначенный для него сосуд. Чтобы в эмульсии осталось немного брома, голограмму нужно промыть лишь слегка. Сушка проводится любым общепринятым способом. Одну и ту же бромную воду

можно использовать сколь угодно раз, добавляя только по необходимости воду или бром.

Применяемый таким образом бром не реагирует с желатиной даже при продолжительном отбеливании и оставляет на голограмме прозрачную беловатую дымку, которая некоторое время имеет запах брома. Пока такая голограмма остается сухой, ее стабильность к свету оказывается очень высокой и продолжительной. Это лучший отбеливатель для отражательных голограмм, полученных по методу ВЭДП. Сравнимые результаты, судя по публикациям [111, дает отбеливатель, состоящий из бромида меди с бромной водой, синтезированной химическим способом (при работе с таким отбеливателем тоже нужен вытяжной шкаф!).

Возможно превращение проявленного серебра в йодид серебра, а не в бромистое серебро, так как в этом случае применяются растворы отбеливателя [4, 7], имеющие большое практическое значение, а голограммы получаются стабильными, с исключительно ярким изображением [13]. Сам по себе йод не растворяется в воде, но хорошо растворяется в спирте. Чтобы эмульсия разбухала и содействовала реакции, можно добавить небольшое количество воды.

Прямой йодный отбеливатель имеет следующий состав:

(см. скан)

Время отбеливания изменяется в широких пределах, и оно тем короче, чем выше концентрация йода. Отбеливание в течение двойного времени осветления все еще остается обязательным. За отбеливанием должна следовать обработка в идентичном растворе без йода, чтобы вымыть глубокие желтые пятна, которые естественным образом возникают при спиртовой сушке.

Йодид серебра имеет более высокую поляризуемость молекул, чем бромид серебра [22], поэтому в нем дифракционная эффективность и уровень шумов рассеяния возрастают. Действительно, получение голограмм с йодидом серебра очень высокого контраста оказывается делом весьма трудным. Частично это может быть обусловлено повреждением эмульсии, что особенно заметно на относительно мягких эмульсиях, таких, как Эти повреждения и заметные пятна йода можно уменьшить, применяя йод очень низкой концентрации и продолжительные времена отбеливания. Заметим, что основы некоторых пленок могут разрушаться спиртом, при работе с которым также необходимо пользоваться вентиляцией. Тем не менее надежность такого отбеливателя подтверждается его многолетним применением для обработки пленки с целью получения высококачественных цилиндрических голографических стереограмм.

Недавно Фкллиис [17] сообщил о несколько менее прямом, но имеющем большое практическое значение отбеливателе с бромидом

калия Окисляющее вещество пара-бензохинои не влияет на дубление окружающих зерна желатиновых оболочек, создаваемых некоторыми проявителями на основе гидрохинона, что может снизить молочность голограммы после отбеливания.

Отбеливатель PBQ:

(см. скан)

Тонко измельченный пара-бензохинон сильно раздражает дыхательные пути, поэтому работать с ним необходимо с применением вытяжного шкафа. Для очень твердых эмульсий концентрацию бромида калия можно увеличить.

в. Обращающие отбеливатели. После обработки в обращающих отбеливателях эмульсии сохраняют внутри себя первоначально выращенные компактные сферические микрокристаллы бромида серебра, которые образуют изображение. Поэтому такие отбеливатели представляют значительный интерес, и о них должен знать всякий, кто занимается обработкой голографических фотоматериалов. Работа этих хорошо известных отбеливателей основана на действии ионов бихромата, которые вызывают побочные эффекты дубления, что обычно приводит к искажению восстановленных изображений. Мы предпочитаем отбеливатель, в который входит перманганат калия [51. При работе с этим отбеливателем пластинка должна экспонироваться и проявляться, но не фиксироваться. После промывки применяется обращающий отбеливатель КР-4:

(см. скан)

Срок службы отбеливателя не определен, но его не нужно выбрасывать, пока он прозрачный или с ним работали мало. По мере его использования в нем будет выделяться тонкий и безвредный осадок, который можно отфильтровать через хлопковую ткань при выливании отбеливателя в ванночку. Отбеливание продолжается в течение двойного времени осветления, промывка — 5 мин. Затем следует чистка пятен осадка в растворе сульфита натрия ( при обязательном наличии вентиляции. После этого следует еще одна промывка в течение 10 мин и трехминутное вымачивание в стабилизирующем растворе.

Стабилизирующий раствор STAB-3:

(см. скан)

Бромид калия служит для замедления фотолиза. (Концентрацию их при необходимости можно увеличивать, до тех пор пока не появится кристаллизация; выше указана концентрация для пластинок Возможна дополнительная десенсибилизация красителем феносафарином ([3], см. также [18, с. 64]), хотя образуемые им розовые пятна являются нежелательным эффектом. За короткой (в течение 1 мин) промывкой в метиловом спирте должна следовать сушка. Хотя этот стабилизатор не годится для широкого применения, получающиеся с его помощью голограммы очень прозрачны, стойки к потемнению и дают яркие изображения.

Добавление в спирт нескольких капель брома делают стабилизатор еще более эффективным, но в этом случае использованный раствор необходимо выбрасывать во избежание затуманивания голограмм во время сушки.

9.1.5.7. Влияние усадки

В общем случае 15—20% объема неэкспонированной эмульсии занято галогенидом серебра. Поскольку после большого числа обработок удаляется почти половина этого объема, ожидается, что в процессе сушки происходит усадка эмульсии (заметим, что толщина высушенного желатинового слоя не зависит от его дубления) и снижение среднего показателя преломления. Эта усадка приводит к наклону плоскости дифракции пропускающей голограммы и, следовательно, к изменению угла восстановления максимальной яркости от 45 до 52° или к уменьшению длины восстановленной волны от 633 до 550 нм. Усадку можно частично компенсировать конечным купанием в 6%-ном водном или ширтовом растворе триэтаноламина [12]. Однако это приводит к появлению полос сушки и быстрому потемнению на свету большинства отбеленных голограмм. До сих пор ни о каких растворах, полностью устраняющих усадку, не сообщалось, за исключением обработки по методу ВЭД

9.1.5.8. Сушка

Удаление воды из эмульсионного слоя приводит к почти по, восьмикратной механической усадке. При этом образуются участки, в которых угол Брэгга, соответствующий максимальной дифракционной эффективности, отличается от такового для остальной части голограммы, что представляет собой значительное препятствие для получения неискаженной записи интерференционных полос по толщине эмульсии. Эта проблема весьма серьезна, и мы без преувеличения утверждаем, что неправильная сушка при восстановлении изображения с голограммы вносит искажений куда больше, чем любая другая ступень обработки.

Желатина не сохнет равномерно, а через нее распространяется «граница высыхания» (поперек эмульсии). В глубине слоя по мере перемещения этой границы желатина движется вбок, и любое препятствие ее плавному движению, такое, как отпечаток пальца, трещина эмульсии, задубленный участок или оставшиеся капли и полоски воды, вызывают изменение движения границы и, как следствие, изменение наклона интерференционных полос. По-видимому, равномерную сушку можно получить, если из эмульсии удалить как можно больше воды до того момента, когда начинается движение границы высыхания.

Наиболее обычный способ состоит в купании пластинок в ряде водопоглощающих ванн спирт/вода, расположенных в порядке изменения соотношений (обычно 50/50, 72/25, 95/5). Сразу же после этого пластинки ополаскивают из бутыли сверхчистым спиртом и сушат резиновым валиком (можно использовать воздух, фотовалик или вакуумный резиновый валик). Напоминаем еще раз, что ключ успеха в ровной сушке. Иногда необходимо очень длительное вымачивание в ванне конечной обработки, а если эмульсия плохо сохнет, можно применить ванну с сверхзадубливанием. Во время прокатки резиновым валиком прежде всего следует избегать в любой форме подтеков и стеканий в обратную сторону. Конечно, существует риск поцарапать эмульсию фотоваликом, но это можно устранить, применяя иммерсию.

Другой способ состоит в сушке пластинок в неподвижном воздухе после купания их в ванне из 90% спирта, 10% воды и небольшого количества смачивающего вещества (например, ЕК Photo Flo. В этом случае критической величиной является концентрация воды, которую следует измерять гидрометром.

Пленки на ацетатной основе после разбухания в органических растворителях вообще искривляются или скручиваются, поэтому метод водопоглощения к ним применять трудно. Оказывается, что изопропиловый спирт действует на них меньше, но он имеет сравнительно низкую скорость водопоглощения. Применение денатуратов этанола очень хлопотно, а токсичность метанола общеизвестна, так что применение спиртов не спасает положения.

9.1.6. Заключение

Современному живущему на всем готовом фотолюбителю трудно себе представить, как в первые десятилетия фотографии каждый фотограф сам покрывал пластинки эмульсией, приготовлял химические составы и сам обрабатывал свои пластинки. В настоящее время голографическая химия, выделившаяся в отдельную область науки, проходит тот же путь проб и ошибок. При этом разрабатываются новые методы, которые наука позднее приведет в систему. Естественно, что исследователи на этом пути встречаются с

разочарованиями от неопределенности химических реакций и незнакомых методов, но те, кто проявит упорство, несомненно, будут вознаграждены за свой труд.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)