Характеристика поляризационных голографических решеток на тонких пленках азополимеров, полученных методом цифровой голографической микроскопии

Аннотация

Поляризационные дифракционные решетки формируются путем одноступенчатой поляризационной голографической записи в тонких пленках азополимера. Исследовано влияние параметров решеток в зависимости от дозы облучения, таких как модуляция дифракционной эффективности и глубины рельефа. Фазовая цифровая голографическая микроскопия применяется для измерения фотоиндуцированных поляризационных дифракционных решеток. Для точного получения голограммы и восстановления комплексной амплитуды, прошедшей через них, был выполнен полностью оптический (без движущихся компонентов) фазовый сдвиг, реализованный в системе формирования изображения цифрового голографического микроскопа. Результаты экспериментальных измерений и теоретические прогнозы были сопоставлены и проанализированы.

Введение

В последнее время большое внимание ученых привлекают фотохромные материалы на основе азобензола ввиду индуцированной светом миграции массы, которую можно использовать для создания поляризационных голографических оптических элементов на тонких пленках в ответ на структурированное освещение. Эти материалы особенно интересны из-за обратимости фотоиндуцированных изменений. Периодические структуры, созданные на азополимерных поверхностях, имеют множество различных применений, таких как визуализация ближних полей плазмонных структур и орбитального углового момента светового луча. Интерферометрия представляет собой гибкий подход, применяемый для создания сложных поляризационных голографических решеток (ПГР) с различными параметрами, которые было бы трудно реализовать с помощью обычных инструментов литографии. Тем не менее, неразрушающий контроль фотоиндуцированных преобразований в этих материалах имеет решающее значение и по-прежнему представляет большой интерес. ПГР представляют собой группу контрольных структур для анализа поведения азополимеров. Цифровая голографическая микроскопия (ЦГМ) позволяет визуализировать не только информацию об амплитуде, цвете, но и о фазе. Это особенно полезно для получения данных о живых клетках, тканях и различных биологических материалах. ЦГМ представляет собой инструмент количественной фазовой визуализации, в котором комплексная амплитуда (амплитуда и фаза) света, взаимодействующего с образцом, измеряется путем получения голограммы. Известны различные модификации таких микроскопов, в том числе цифровой голографический микроскоп белого света на основе спектрального фазового сдвига. ЦГМ также может использоваться для 3D-анализа профиля микрооптических компонентов с высоким разрешением.

Голограмма получается путем интерференции волны, прошедшей через исследуемый объект, и опорной волны, поставленной под углом во внеосевой установке , или в линию в случае фазосдвигающей конфигурации. Кроме того, оцифровка интерферограмм открывает доступ к численной обработке волнового фронта сложного объекта для выявления фазовой, амплитудной и трехмерной карты ПГР. Оптическая и физическая информация о дифракционной решетке закодирована в фазовой составляющей цифровой голограммы. Эти данные позволяют рассчитать и вывести различные параметры, такие как рельеф поверхности или модуляция показателя преломления регистрируемых оптических элементов.

В данной работе представлен метод фазосдвигающей ЦГМ для изучения ПГР, записанной на тонких пленках азополимера. ПГР были созданы в различных условиях методом поляризационной голографической записи (ПГЗ). Проведен анализ зависимости дифракционной эффективности от времени экспозиции и глубины рельефа. Параметры ПГР, полученные с помощью фазосдвигающей ЦГМ, позволяют расширить представление об индуцированных светом топографических узорах на поверхности азоматериалов.

Материалы и методы

1.1 Изготовление тонких азополимерных пленок

В данном исследовании применялся полимер поли-N-(2,3-эпоксипропил)карбазол (PEPC) и азокраситель Solvent Yellow 3 (SY3) на основе карбазола. SY3 был приобретен у компании Sigma-Aldrich. Весовое соотношение между SY3 и PEPC составляло 1:3. Азополимер получали кипятильным методом в течение 8 ч из 0,33 г PEPC и 0,101 г SY3 в 10 мл раствора толуола. Полученный раствор азополимера на основе карбазола (PEPC-co-SY3) был отфильтрован. Схема реакции представлена на рисунке 1. Химическое связывание SY3 с полимером PEPC осуществляли путем полимеризации. Изготовление тонких пленок на основе азополимера осуществлялось методом центрифугирования. Основными преимуществами этого метода являются однородность и высокая скорость вращения, что приводит к напылению тонких слоев в микрометровом масштабе. Толщина синтезированного азополимера составила 1,035 ± 0,027 мкм. Проводились цифровые измерения с помощью модифицированного интерферометра МИИ-4.

1.2 Запись ПГР на тонких азополимерных пленках

Фотоиндуцированная модуляция рельефа поверхности тонких азополимерных пленок тесно связана с чувствительностью азобензольных соединений к поляризации света. Доказано, что различные фотоиндуцированные явления в азополимерных материалах проявляются на макроскопическом уровне серией циклов транс-цис-транс-изомеризаций, когда их хромофоры переориентируются перпендикулярно электрическому вектору линейно поляризованного света.

Рисунок 1. Путь синтезирования азополимера PEPC:SY3

Рисунок 2. Установка поляризационной голографической записи: Одномодовый лазер DPSS 473 нм (100 мВт), BS-поляризованный светоделитель, М-зеркала, λ/4-четвертьволновая пластина, Лазер 650 нм, S-азополимерная тонкая пленка, PD-фотодиоды для регистрации сигналов

Рисунок 3. Схема фазосдвигающей ЦГМ: Одномодовый лазер DPSS 473 нм (100 мВт), SF-пространственный фильтр, PBS-поляризованный светоделитель, М-зеркала, λ/2-полуволновая пластинка, линзы L1, L2, G-решетка, MO-микрообъективы, LCVR-жидкокристаллический переменный замедлитель, BS-светоделитель, CMOS-цифровая CMOS камера

Дифракционные решетки для различного времени воздействия лазера были изготовлены методом поляризованной голографической записи. Оптическая установка показана на рисунке 2. Записывающий лазер представляет собой одномодовый лазер DPSS (CNI Lasers MSL-FN-473), λ = 473 нм, 100 мВт. Поляризация падающих лучей LCP : RCP была получена четвертьволновой пластинкой λ/4. Для оценки характеристик полученных ПГР было измерено изменение дифракционной эффективности (ДЭ) с помощью двух фотодиодов и красного лазера HLM1230, λ = 650 нм, 5 мВт, который не модулирует азополимерную пленку. ДЭ определялась следующим соотношением:

где I₀ – интенсивность света нулевого порядка, а I₁ – интенсивность света первого порядка дифракции соответственно.

Оба интерферирующих луча проходят через четвертьволновые пластины для получения поляризованных дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Угол между интерферирующими лучами θ ≈ 40°, а период решетки по оси X Λ = λ/2sin(θ/2) около 7 мкм.

1.3 Исследования ЦГМ

Схема фазосдвигающей ЦГМ показана на рисунке 3. В эксперименте пучок одномодового лазера (CNI Lasers MSL-FN-473) разделяется поляризованным светоделителем на опорную волну-R_w и объектную волну, прошедшую через ПГР- O_w. Диаметры лазерного луча контролируются двумя линзами L1, L2. Коллимированные лучи проходят через полуволновые пластины, чтобы адаптировать состояние поляризации опорной волны к состоянию объектных волн. В установке две идентичные оптические схемы. Камера CMOS получает цифровые голограммы, которые представляют интерференционную картину лучей. Четыре фазовых сдвига, равные φ1 = 0, φ2 = π/2, φ3 = π, φ4 = 3π/2, производятся благодаря прохождению лучей через LCVR (Meadowlark LVR-100 VIS). Скачок фазы равен π/2.

Для восстановления карты модуляции рельефа поверхности, ПГР четыре предметные голограммы захватываются решеткой, записанной в азополимерной пленке. Еще четыре эталонных голограммы измерены для участка пленки, не подвергшегося воздействию электромагнитного излучения. Эта операция обеспечивает уменьшение фонового шума. Наконец, фазовая карта ПГР рассчитывается по формуле:

где представляют собой восстановленные фазовые карты по объектной и эталонной голограммам соответственно.

Результаты и обсуждение

Качество и фотоиндуцированные поверхностные деформации в ПГР важны для оценки поведения тонких пленок азополимеров под влиянием световой интерференции. Глубина рельефа поверхности (∆h) ПГР численно рассчитывается в программе MATLAB из развернутой фазы по формуле

где λ = 532 нм – длина волны, n = 1,6 – показатель преломления азополимерных пленок.

Поскольку в тонких азополимерных пленках модуляция показателя преломления обычно невелика, достаточно рассматривать только модуляцию рельефа поверхности, вызванную модификациями в объеме азополимера. Таким образом, в наших расчетах предполагается, что коэффициент преломления не изменяется в процессе записи.

Теоретические расчеты и результаты экспериментальных измерений ЦГМ ПГР, полученных при различных дозах облучения, представлены на рисунках 4 и 5. Графики с результирующими значениями имеют синусоидальную форму. Максимальная модуляция высоты рельефа по теоретическим расчетам достигается при выдержке азополимера в течение 30 мин, значение высоты для данной ПГЗ равно 780 нм, что показано красной кривой на рисунке 4. Однако, по данным измерений ЦГМ, максимальная модуляция составляет 650 нм, что соответствует времени записи 12 мин.

Рисунок 4. Кинетика ДЭ первого порядка зарегистрированных ПГР (синий цвет); глубина рельефа, рассчитанная теоретически (красный цвет); глубина рельефа, измеренная экспериментально, полученная методом фазосдвигающей ЦГМ (зеленый цвет)

Рисунок 5. Теоретические расчеты и результаты экспериментальных измерений ЦГМ ПГР: (a) 3D-карта топографии ПГР с максимальной полученной высотой рельефа пленок, (b) сечения ПГР по оси X

Несоответствия наблюдаются и в изменении глубины рельефа. Измерения ЦГМ показывают, что высота рельефа уменьшается через 12 мин и снова начинает увеличиваться через 27 мин воздействия лазера до определенной точки насыщения, тогда как теоретические расчеты показывают постоянный рост. Примечательно, что изменения модуляции рельефа, определяемые ЦГМ, соответствуют кинетике ДЭ первого порядка, измеренной фотодиодами в процессе записи и представленной синей кривой на рисунке 4. Кинетика показывает, что максимальная ДЭ достигается в течение 8 минут после воздействия. На рисунке 5(а) показана трехмерная топографическая карта, полученная по измерениям ЦГМ ПГР с максимальной высотой рельефа, равной 650 нм. Судя по сечениям ПГЗ, представленным на рисунке 5(b), период дифракционной решётки составляет примерно 7 мкм, что соответствует экспериментальным условиям.

Заключение

Представлены методики формирования микропаттерна при различных дозах воздействия ПГР на азополимеры на основе карбазола. Интерферометрический подход к разработке и описанию созданных паттернов оказался универсальным методом. Для того чтобы полностью реализовать потенциал ПГР и понять динамику их образования и реакции на различные дозы облучения, использовались теоретические расчеты и экспериментальные измерения с использованием фазосдвигающей ЦГМ. Сравнение полученных экспериментальных и теоретических параметров зарегистрированной ПГР показывает определенные различия в значениях глубины рельефа.

На фоне этих результатов имеются два предположения. Во-первых, мы предполагаем, что различия в результатах могут быть связаны с изменениями показателя преломления, также возникающими в тонких пленках азополимера во время экспонирования. Во-вторых, неравномерность изменения глубины рельефа ПГР, вызванная гауссовым распределением лучей, создает трудности для исследования решеток в области максимальной глубины модуляции. Таким образом, дальнейшие исследования в этой области увеличат познания о механизмах фотоиндуцированных явлений в тонких азополимерных пленках, а также об их фазовой модуляции, будут способствовать полному пониманию поведения, а также увеличению потенциальных применений этих материалов, в том числе в качестве чувствительной среды для поляризации. Эти материалы могут быть полезны в биомедицинских исследованиях. Наряду с известными методами визуализации цвета, формы и спектральных свойств с помощью гиперспектральной визуализирующей микроскопии или спектроскопии комбинационного рассеяния света, отраженного от микропрепарата, метод цифровой голографической микроскопии, основанный на фазовой реконструкции, может быть чрезвычайно полезным в морфологических исследованиях микрообъектов.

© CNI

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования CNI на территории РФ