О БХЖ можно писать не статьи или доклады, а настоящие поэмы. Этот чудесный материал таит в себе много интересных свойств, до конца далеко еще не изученных. Почему? Да вот, посмотрите на химическую формулу желатины, и вам все станет понятно.
- molecule of gelatine_01.jpg (102.67 KiB) Viewed 4081 times
И заметьте, на фото показана только последовательность аминокислот молекулы желатины. Определить математически точно, как реагирует и на что влияет каждый фрагмент этой длинной цепочки химических веществ практически невозможно. Поэтому большинство исследований свойств и желатины и БХЖ проводится с помощью экспериментов.
Свойство желатины дубиться под воздействием хромовых квасцов было известно очень давно, может, еще до нашей эры. Так дубили шкуры животных, чтобы придать им большую прочность. Светочувствительные свойства БХЖ обнаружили гораздо позднее.
По существу, БХЖ представляет собой идеальный материал для записи голограмм. Он практически прозрачен после химобработки и обладает дифракционной эффективностью, близкой к 100%.
- DCG.jpg (134.07 KiB) Viewed 4081 times
Что нужно еще практикующему голографисту? Нужно бы еще чувствительность получше, да влагостойкость поприличнее, но это уж, знаете, от добра добра…
Сделать БХЖ очень легко, можно практически на коленке, чем и пользовались китайцы во времена бума голографических кулонов и брелков. Берешь чистое стекло, наводишь раствор желатины, вводишь в нее определенный процент бихромата аммония, выливаешь все это добро на пластинку и ждешь, когда слой высохнет. Как высох – сразу под лазер. Жаришь третью ватта – и на химобработку. Да и химобработкой эту процедуру называть как-то несерьезно - вода да изопропил. Потом заклеиваешь голограмму стеклом, вставляешь в оправку – и на толкучку.
Лукавлю, наверно? Да, есть немного. За этими, действительно предельно простыми операциями таятся, в микроскопически бездонных глубинах желатинового слоя, действительно сложные и очень тонкие процессы и превращения, без знания которых, или, хотя бы без ОЩУЩУЕНИЯ их присутствия, невозможно получить хорошую голограмму.
Начать хотя бы с того, как объясняется экспонирование БХЖ. Фотоны воздействуют на ионы хрома, и этот ионы, меняя валентность с +6 на +3, связывают соседние молекулы желатины в некий конгломерат. Я не буду писать формулы фотохимических реакций, вы их можете найти в многочисленных литературных данных. Чем больше фотонов, тем больше сшивок, тем сильнее скрепляются между собой молекулы желатины. Там, где нет фотонов, желатина остается в первозданном состоянии. Улавливаете, на что я намекаю? Под воздействием интерфернционно-модулированнго светового поля в желатине образуется соответствующее распределение химически связанной и свободной желатины. Но это ли не зацепка для получения голограммы? Увы, после такого экспонирования пластинка остается девственно прозрачной, как ее ни крути под лампочкой. Разница между показателями преломления химически связанной и исходной желатиной недостаточна для сколько-нибудь заметной дифракции. Конечно, кто-то из ученых даже измерял слабые доли процента ДЭ, но нас, практиков, это никак не может устроить, нам подавай все 100%!
Что же делать? А не «раздуть» ли нам желатину для увеличения этой разницы показателей преломления? А не ввести ли нам в области свободной желатины воздушные прослойки, которые могут резко увеличить эту пресловутую разницу показателей преломления? Как это сделать? Да очень просто – погрузить в воду, чтобы желатина набухла и высушить так, чтобы при сушке желатиновые молекулы, на сшитые хромом, не «схлопнулись», а остались на определенном расстоянии, разделенном воздушными промежутками.
Перепрыгивая одни махом десятилетия экспериментов, толкований экспериментов, новых экспериментов, толкований новых экспериментов, перехожу к некой устоявшейся технологии и ее толкованию.
«…Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам…» любил говаривать Гамлет. А могло ли присниться нашим бесстрашным экспериментаторам, что из всех возможных водо-растворителей-поглотителей только ИЗОПРОПИЛОВЫЙ СПИРТ оказался способным решить поставленную задачу – убрать воду из желатинового слоя и заменить ее на воздушные прослойки. Ни этанол, ни ацетон, ни другие, более экзотические растворы, неравнодушные к воде, не смогли справиться с этой задачей. Вот и первый факт, который не получил внятного объяснения. Но факт есть факт и не считаться с ним нельзя. Вот наиболее расхожее объяснение этого факта. В воде желатиновый слой набухает неравномерно. Молекулы желатины, скрепленные ионами хрома сохраняют свой коллектив, не позволяя воде распасться на отдельны молекулы. В областях слабых экспозиций, наоборот, вода спокойно проникает между молекулами желатины и «растаскивает» их друг от друга. Поэтому желатиновый слой в воде увеличивает свою толщину в несколько раз. Изопропиловый спирт в этих условиях вытворяет следующее. Он резко захватывает воду из межмолекулярных областей и заполняет собой эти промежутки. Если перебрать с температурой спирта, реакция дегидратации идет так бурно, что происходит разрыв молекул желатины. Поэтому желатиновый слой становится белесым и устранить эту белесость повторным проявлением уже невозможно. Но при нормальной температуре все происходит без конфликтов и, когда голограмма вынимается из последнего, 100%-го спирта, он начинает постепенно ИСПАРЯТЬСЯ из желатинового слоя, оставляя за собой воздушные пустоты, которые заметно ослабляют интегральный показатель преломления в слабо экспонированных местах. Что и нужно для эффективной дифракции.
Но процессы дегидратации слоя и последующего испарения спирта предельно чувствительны к состоянию желатинового слоя. Три главные составные части, определяющие успех предприятия: величина экспозиции, время термодубления и температура спиртов. Эти три краеугольных камня не только связаны между собой, но и требуют предельно точного удержания своих параметров. Шаг влево, шаг впра…. пардон, полградуса (минуты) больше или меньше, и голограмма либо зашумит от ретикуляци, либо будет еле видна. Немного спокойнее дело обстоит с экспозицией – голограмма не боится передержки, только сужается ее спектр.
Не могу не вставить здесь свое личное предположение, основанное на многочисленных экспериментах. Похоже, что не вся вода уходит из желатины при дегидратации ее изопропиловым спиртом. Часть воды в этом сложном физико-химическом процесс остается связанной с молекулами желатины, возможно, посредством молекул спирта. И происходит это удержание при обработке в водном растворе спирта с концентрацией более 80%. Внешне это проявляется в резком увеличении толщины эмульсионного слоя и это увеличение сохраняется после окончательной сушки в 100%-м спирте. Привожу (впервые) весьма убедительные экспериментальные данные по этому вопросу. Экспериментировал я с обычной галоидно-серебрянной эмульсией ПЭ-2, чтобы было проще перекупывать тестовые голограммы.
- shift of spectrum from isopropyl.jpg (131.83 KiB) Viewed 4081 times
На первом графике показаны максимумы спектров восстановления голограмм, высушенных в воде, этиловом спирте и изопропаноле. Спектры голограмм 1 и 2 высушенных в воде и этаноле немного и практически одинаково сместились в сторону коротких длин волн из-за фиксирования. Но сразу видно резкое набухание желатины для голограммы 3 после изопропанола – сдвиг цвета достигает почти 100 нм.
На втором графике голограммы перекупывались в воде и сушились в противоположных спиртах. Опять наблюдается заметное набухание голограмм, высушенных в изопропаноле, тогда, как голограмма, высушенная в изопропаноле в первом эксперименте, вернулась в исходное состояние. Небольшие отличия положения максимумов спектров голограмм связаны с остаточными явлениями в желатине.
С описанным пограничным процессом связан и второй, необычайно любопытный эффект, описанный в литературе, например в замечательной статье Stefen P. Mc. Grew
http://www.holoshop.ru/ebooks/Grew_cont ... or_DCG.pdf, но детально не объясненный (я извиняюсь, что представил только перевод статьи - подлинник канул в Лету. Но я старался с переводом. Для тех, кто хочет почитать оригинал, есть ссылка в начале перевода) При экспонировании БХЖ неравномерным по интенсивности пучком, после стандартной обработки могут появиться области с различной яркостью и шириной спектра, разделенные РЕЗКИМИ границами. В областях со слабой экспозицией голограмма имеет более широкополосный спектр восстановления и субъективно более яркое изображение, отчасти связанное с увеличенными шумами (при слабой экспозиции увеличиваются разрывы молекул желатины и возрастает ретикуляция). В областях с нормальной экспозицией, как правило, это наблюдается в центре голограммы (непреклонный Гаусс вынуждает так поступать) цвет изображения более чистый, спектр более узкий, шумов меньше, но и яркость изображения чуток послабее. Поражает появление резких границ этих областей. При этом освещенность голограммы ведет себя вполне адекватно, ПЛАВНО спадая от центра к краям голограммы.
Что это за границы? Что влияет на их образование? Это ли не тема для солидной диссертации! (К сожалению, не нашел среди своих голограмм образец с таким перепадом яркости).
Хочу сразу оговориться и по этому эффекту и по всем описанным выше. Я экспериментировал с серийной БХЖ ПФГ-04 с толщиной слоя 20 мкм. Писал голограммы аргоном на 488 нм и 514 нм. Совершенно не исключено, что для других желатиновых слоев, других длин волн, эти эффекты могут быть выражены по другому. Их можно и не наблюдать вовсе в определенных границах условий экспериментов. Но я их наблюдал, как и Grew, и это дало мне обильную пищу для размышлений. Мы опять встретились с необычными свойствами желатины, объяснить которые достаточно трудно. Будучи не вооруженными батареей электронных микроскопов, всевозможными прецизионными pH-метрами на 0,001 pH, термостатами с точностью 0,0001С, спиртометрами с точностью 0,00001% мешалками и разводилками, можно только предполагать, что же происходит в этом таинственном мире желатинового слоя (так и видишь себя внутри желатины, как в узком тоннеле покрытом какими-то настораживающими, шевелящимися (!) трубами-молекулами, как видели их герои потрясающего фильма Д. Камерона «Чужие», спускаясь в логово жутких чудовищ. Ну, а эти ужасные коконы-зародыши – это ионы хрома, соединяющие эту веселую ватагу в единое целое
).
Но желатина – существо сугубо мирное, более того, предельно деликатное, требующее почти нежного обращения. И тогда желатина отблагодарит тебя своим послушанием, раскроет свои секреты и позволит управлять собой.
Так произошло и с вышеописанным эффектом двойной реакции на экспозицию. Не объяснив до конца его причину, я использовал этот эффект для вполне прикладных целей. При записи отражающих мастер голограмм и голограмм больших форматов использовался режим «узкополосной» записи. При этом шумов в изображении практически не было, визуально яркость голограммы была сравнительно невысокой, но, благодаря высокой ДЭ в максимуме спектра, под лазером голограммы просто полыхали. Для голограмм больших форматом этот режим помогал обеспечить хорошую резкость изображения по все глубине сцены.
- narrow spectrum of DCG.jpg (129.66 KiB) Viewed 4081 times
На фотографии показана голограмма 28*40 см, посвященная 175-ти летию со дня рождения Михаила Васильевича Ломоносова и записанная для оформления юбилейной экспозиции.
Режим химобработки мастер голограмм (запись на 488 нм и не забываем, что после изопропила желатиновый слой всегда увеличивает свою толщину) подбирался такой, что длина волны восстановления выходила точно на 514 нм. Копировали мы кулоны и брелки на этой длине волны, кстати, самой мощной линии в спектре аргонового лазера.
И вот на этом этапе мы использовали второй режим обработки, когда спектр голограммы расширялся, она приобретала ярко-оранжевый или золотистый цвет, с небольшим присутствием шума и субъективная яркость изображения заметно возрастала. Такой режим был оптимален для кулонов, требующих максимальной яркости. Ширина спектра не сказывалась негативно на изображении – глубина его для кулонов не превышала 1 см.
- wide spectrum of DCG.jpg (90.25 KiB) Viewed 4081 times
На фото показана голограмма Нобелевской медали, которую мы записали с подлинника для оформления дома-музея Петра Леонидовича Капицы.
Я написал только маленькую часть своих экспериментов, выделив наиболее интересные из них. Получилась не поэма, а краткая аннотация к поэме. На самом деле работа по БХЖ заняла несколько лет и каждый год давал что-то новое, постепенно понимание процессов в БХЖ становилось более отчетливым, ты уже знал, что последует за изменением температуры или экспозиции и начинал УПРАВЛЯТЬ этими сложными процессами. Наша лаборатория стала единственной из всех в стране, которая освоила серийное производство голографических кулонов и брелков, заметно превосходящих по качеству китайские изделия (но так же превосходящих их по цене).
- DCG pendants.jpg (93.89 KiB) Viewed 4081 times
Я стал выходить на БХЖ-голограммы средних и больших форматов, но всесокрушающая лавина перестройки разрушила эти планы.
