Characterization of photopolymer-based diffractive optical elements

Resumen

-Motivación de la tesis: Las diferentes tecnologías de almacenamiento óptico y procesado óptico de la in- formación basadas en técnicas holográficas y fotónicas están desarrollándose rápidamente y, como consecuencia, exigen nuevos materiales de registro con características y propiedades específicas para cada aplicación concreta. Las líneas de investigación en torno a este tema han ido creciendo en importancia a lo largo de los últimos años, principalmente gracias a los avances en el diseño de materiales fotosensibles y a la madurez alcanzada por las tecnologías híbridas óptico-digitales que emplean moduladores espaciales de luz [1]. Esto permite desarrollar sistemas y dispositivos con aplicaciones en tres campos tecnológicos que hoy en día tienen gran importancia como lo son el almacenamiento holográfico, la óptica difractiva y la fotónica en general. La capacidad de modular una onda incidente empleando un modulador espacial de luz (SLM) permite generar elementos ópticos difractivos (EOD) con una gran cantidad de importantes aplicaciones en fotónica, comunicaciones o procesado óptico de la información, siempre que sea posible disponer de un material de registro con las características óptimas para cada una de estas aplicaciones [2]. Los EOD son elementos ópticos capaces de modular un haz de luz, lo que permite la codificación o decodificación, la formación de imágenes o la desviación de un haz de múltiples formas en función del diseño de dichos elementos. Estas propiedades vienen dadas por la difracción de la luz, que permite controlar la distribución de la luz de una forma inimaginable para los elementos ópticos clásicos basados en la refracción y/o reflexión de la luz. Esto sumado a otras características diferenciadoras como menor peso y volumen que sus equivalentes clásicos, como podrían ser los prismas, las lentes o los espejos [3]. Existen numerosos materiales de registro, pero es muy importante seleccionar el medio de registro adecuado para cada aplicación. Para ello, es necesario tener en cuenta aspectos como la sensibilidad a la frecuencia espacial, el coste, el espesor, la sensibilidad a la longitud de onda de registro o el bajo ruido, entre otros. Hoy en día es imposible encontrar un material con un comportamiento óptimo para todo tipo de aplicaciones y es aquí donde radica la importancia del estudio de los materiales de registro óptico como una parte inseparable de los avances en holografía y EOD. En un principio, los materiales de registro holográfico se empleaban casi en su totalidad sólo para registrar hologramas, y por ello se han estudiado en profundidad para aplicaciones holográficas. Sin embargo, estos materiales también pueden utilizarse para registrar cualquier patrón de difracción en amplitud o fase, según el tipo de material empleado, obteniendo buenos resultados sobre todo para bajas frecuencias espaciales. Los materiales de registro holográfico modifican sus propiedades al ser expuestos a la luz. Dependiendo del material de registro y de los efectos producidos por la iluminación, podrán registrarse o no cierto tipo de hologramas. Algunos ejemplos son las emulsiones fotográficas [4, 5], los materiales fotocrómicos [6], los termoplásticos [7], las fotorresinas [8], las gelatinas dicromatadas [9], las gelatinas sensibilizadas al haluro de plata [4, 10], los materiales fotorrefractivos [11] y los fotopolímeros [12]. Estos dos últimos, ambos medios de registro de fase, son los materiales más interesantes para almacenamiento óptico debido a sus elevados rendimientos en difracción (RD) y sus altos espesores, lo que permite el almacenamiento de grandes cantidades de información. Los materiales fotorrefractivos se están convirtiendo en una opción prometedora a la hora de desarrollar memorias holográficas gracias a su alta resolución y fidelidad. En concreto, los fotopolímeros fotorrefractivos, que por tener una baja constante dieléctrica pueden lograr mayores campos eléctricos para una misma densidad de carga, ya que los efectos de apantallamiento se ven reducidos. Sin embargo, estos materiales presentan algún problema de estabilidad. El uso de los fotopolímeros como material de registro ha crecido de forma espectacular, principalmente debido a la versatilidad que presentan a la hora de cambiar su composición y diseño [13–15]. Entre las propiedades más interesantes de estos materiales pueden encontrarse su fiabilidad, repetibilidad y flexibilidad, su espesor ajustable y la posibilidad de fabricar de forma controlada películas de un espesor elevado (más de 1 mm), la capacidad de auto-procesamiento y el bajo precio. Todo esto convierte a los fotopolímeros en uno de los mejores medios de registro para almacenamiento holográfico y en un candidato muy prometedor para aplicaciones de óptica difractiva y procesado óptico. En general, un fotopolímero es una formulación basada en un polímero orgánico sensible a la luz de un intervalo determinado de longitudes de onda. La fórmula básica está compuesta por un colorante sensibilizador, un iniciador que genera radicales libres y uno o más monómeros polimerizables. Estos componentes se disponen en una matriz compuesta por un polímero como el poly(vinil alcohol) (PVA), poliacrilato, policloruro de vinilo (PVC), etc. Uno de los fotopolímeros más estudiados es el basado en PVA/AA [16-19], el cual ha demostrado su alta linealidad y fidelidad a la hora de registrar tanto altas como bajas frecuencias, incluso si la red holográfica está sobremodulada [20]. En la Universidad de Alicante, se desarrolló y optimizó un fotopolímero depositado sobre capas sólidas y basado en acrilamida como monómero principal y PVA como soporte [12] para capas de hasta 1 mm de espesor, obteniendo altos rendimientos en difracción y una buena sensibilidad energética [21]. A pesar de sus excepcionales características, el problema principal de este tipo de fotopolímeros es la alta toxicidad de sus componentes, especialmente la acrilamida, que se sabe es carcinógena desde hace varios años [22, 23], además de su poca compatibilidad medioambiental en términos de la biodegradabilidad de los dispositivos fabricados con estos materiales. En este sentido, nuestro grupo de investigación ha desarrollado uno de los fotopolímeros mas biocompatibles, llamado Biophotopol [24], que usa acrilato sódico (NaAO) como monómero principal, que ha demostrado tener, además de una alta compatibilidad medioambiental, un amplio rango dinámico y una alta sensibilidad, sumado a su capacidad de auto-revelado y bajo coste. Todo esto lo convierten en una buena elección para aplicaciones holográficas como el almacenamiento óptico de información [25]. La versatilidad de los fotopolímeros puede verse incrementada si se incluyen nuevos componentes en sus formulaciones, como nanopartículas o moléculas dispersas de cristal líquido. Esto abre la puerta a nuevas e interesantes aplicaciones [26–28], como el control del rendimiento en difracción de un EOD aplicando un campo eléctrico, que habilitaría el uso de estos EOD en aplicaciones dinámicas de direccionamiento de haces, óptica no lineal, así como la posibilidad de obtener switches ópticos [29]. La combinación de este material con los fotopolímeros en una forma conocida como fotopolímero holográfico con moléculas dispersas de cristal líquido (H-PDLC) ha supuesto toda una revolución en el mundo de la fotónica [30, 31]. El desarrollo de esta tesis está relacionado en su totalidad con la fabricación de EOD. Primeramente, se lleva a cabo una caracterización y modelado adecuados de los distintos tipos de fotopolímero para cada aplicación específica. Es por tanto necesario disponer de un modelo con la suficiente capacidad predictiva para simular el registro de EOD en distintos materiales. Se elabora un modelo optimizado y con la potencia suficiente como para simular la formación de EOD en fotopolímeros AA/PVA y Biophotopol con el mínimo consumo de tiempo. Empleando los resultados de este modelo se podrán escoger las distribuciones de intensidad idóneas para registrar incluso los EOD más complejos. Se fabrican EOD estáticos basados en cada una de las distintas composiciones y, en concreto, el uso del material holográfico H-PDLC nos permite trabajar con EOD dinámicos sintonizables. Los dos materiales estáticos utilizados son el fotopolímero basado en PVA/AA y el fotopolímero biodegradable Biophotopol. Uno de los principales inconvenientes de los fotopolímeros basados en PVA es su continuo intercambio de agua con el medio. El PVA es una molécula hidrofóbica que hace que la concentración de agua que es retenida en la matriz de estos materiales dependa en gran medida de la humedad ambiente y una variación en la concentración de agua del fotopolímero podría alterar sus propiedades. En este sentido se realiza un estudio del problema de la conservación de los fotopolímero y se presenta un método de índex matching y recubrimiento para mejorar la conservación y estabilidad de estos materiales. La consecución de los procedimientos anteriores es posible gracias al desarrollo de arquitecturas híbridas optoelectrónicas con moduladores espaciales de luz y la caracterización de los materiales haciendo uso de técnicas avanzadas de medida para modelizar el comportamiento de los mismos. En este punto cabe destacar la caracterización llevada a cabo por nuestro grupo de investigación de una pantalla LCoS de nueva generación. Esta pantalla cuenta con una alta resolución (1920 x 1080 píxeles) y un tamaño de píxel de 8 μm. Este pequeño tamaño de píxel permite registrar EOD con frecuencias espaciales menores. -Conclusiones: Las conclusiones que se obtienen de todo el trabajo realizado y los resultados obtenidos son las siguientes: - Con la incorporación de un sistema de index matching y recubrimiento, se mejora la conservación y la vida útil de los EOD registrados en los fotopolímeros. Además, los bajos valores de difusión obtenidos en las muestras que incorporan este sistema de index matching permiten el registro de EOD con perfiles abruptos sin un suavizado excesivo de la distribución de índice de refracción. - Se han analizado los efectos del sistema de index matching, permitiendo la diferenciación entre la difusión en la superficie del fotopolímero y la difusión interna y demostrando que los rápidos cambios observados en materiales sin recubrimiento son debidos a los cambios dados en la superficie. - Se ha llevado a cabo un análisis del registro en baja frecuencia espacial para diferentes familias de fotopolímeros y composiciones, proporcionando una idea de los requisitos y necesarios para alcanzar una separación de fase de 2π en cada material. Se han probado diferentes monómeros entrecruzantes para fotopolímeros basados en Biophotopol y PVA/AA, mostrando los efectos del entrecruzante en las variaciones de la modulación de índice de refracción o en la estabilidad de las soluciones. El análisis en frecuencias espaciales bajas también se ha realizado para materiales H-PDLC, demostrando su validez para la fabricación de elementos de baja frecuencia espacial. - Se ha validado el modelo de difusión para reproducir y predecir el comportamiento experimental del registro de cualquier tipo de EOD, como lentes cilíndricas y esféricas y redes de diente de sierra. Se ha presentado un modelo preciso que tiene en cuenta las variaciones en volumen del índice de refracción así como las variaciones de espesor junto a otros aspectos como el filtrado paso-bajo introducido por el montaje experimental o la visibilidad alcanzada por el LCD del modulador espacial de luz. - La incorporación de un modulador espacial de luz LCoS en el montaje experimental nos hace capaces de registrar de forma experimental EOD complejos para comprobar la validez del modelo teórico y analizar la influencia de las diferentes propiedades del material durante el registro del EOD. El registro de lentes cilíndricas y esféricas y el análisis completo del mismo nos permite comparar los resultados teóricos con los experimentales, mostrando la alta coincidencia entre ambos resultados y la importancia de una selección minuciosa de cada parámetro y material para obtener los materiales deseados para cada aplicación que puedan tener EOD como estos, con un gran número de aplicaciones potenciales en comunicaciones ópticas. [1] A. Márquez, F. J. Martínez, S. Gallego, M. Ortuño, J. Francés, A. Belén- dez, and I. Pascual. Averaged Stokes polarimetry applied to characterize parallel-aligned liquid crystal on silicon displays. Proceedings of SPIE, 9216:92160H, 2014. [2] A. De Souza. New Polymers for Special Applications. InTech, 2012. [3] D. D. O’Shea, T. J. Suleski, A. D. Kathman, and D. W. Praather. Diffractive Optics: Design, Fabrication, and Test. 2003. [4] H. I. Bjelkhagen. Silver-halide recording materials : for holography and their processing. Number 66. 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