Любительская голография — галогенсеребряные фотоматериалы

Первая часть про голографию в общем и фотополимерные материалы.

В предыдущей статье речь шла о голографии в общем и о наборе для первых шагов от Litiholo основанном на фотополимерных голографических материалах. Теперь настал черёд разобраться с фотоматериалами на основе галогенидов серебра, которые имеют значительно более высокую чувствительность (а значит меньше проблем с главным врагом голографии – вибрацией). Они распространены среди, как любителей, так и профессионалов, могут быть изготовлены самостоятельно, основным недостатком их является необходимость химической обработки, но это не так уж и сложно, что будет показано далее по тексту.



В настоящее время, как за рубежом, так и на территории бывшего СССР в основном используются галогенсеребряные голографические фотоматериалы двух производителей: российское АО «Славич» и французская Ultimate Holography. Обе организации производят весь спектр фотоматериалов и химические реагенты для их обработки, наиболее интересны для любителей (на начальном этапе, пока не будут освоены схемы копирования и цветная голография) монохромные фотоматериалы на стекле подходящие для схемы Денисюка с непрерывным излучением лазера, это ПФГ-03М у Славич и U08M у Ultimate Holography. Первые имеют значительно более низкую цену, хорошо изучены, и для них известны составы оптимальных смесей для химической обработки. Вторые имеют лучшие заявленные характеристики, сенсибилизацию к разным длинам волн на выбор, запрограммированный сдвиг цвета изображения в более коротковолновую область, значительно дольше хранятся (заявлено 6-9 мес. у ПФГ-03М и более 5 лет для U08M), но для них рекомендована обработка в фирменных проявителе и отбеливателе, состав которых не афишируется. Про отечественные ПФГ-03М речь дальше и пойдёт.

ПФГ-03М – это высокоразрешающие пластинки для голографии, предназначенные для регистрации отражательных голограмм, также они хорошо подходят и для пропускающих голограмм. Представляют собой слой желатины толщиной 7 мкм, содержащий кристаллы галогенида серебра, сенсибилизирующий краситель и другие добавки, на оптическом стекле толщиной 2.65 мм. Заявленная дифракционная эффективность не менее 40%, разрешающая способность не менее 5000 лин./мм, голографическая чувствительность при 633нм не менее 2 мДж/см², максимум спектральной сенсибилизации 635нм. Имеют гарантийный срок хранения в холодильнике 6-9 мес. По истечению срока хранения они также могут использоваться, но со временем у них растёт чувствительность, уровень шума, потемнение после проявления в не экспонированных местах, и начинается процесс вуалеобразования (начинается по краям и движется со временем к центру).

Кстати, только галогенсеребряные фотоматериалы пригодны для импульсной съёмки в следствие всё той же высокой чувствительности. Так голографическая чувствительность ПФГ-03М для непрерывного 633нм лазера оценивается, как не более 2 мДж/см² (на практике часто оказывается даже 0.5 мДж/см²), для заявлена U08M 0.09-0.12 мДж/см², у фотоматериалов оптимизированных для импульсной съёмки чувствительность ещё выше. А вот чувствительность пластин от Litiholo заявлена как 20 мДж/см² для 635нм, в то время как бихромированная желатина практически не чувствительна к красной области спектра, а довольно сложный состав MBDCG требует порядка 50 мДж/см².

Было решено не использовать то, что входит в комплект от Litiholo, а изготовить всё с нуля, с новым лазером и хорошей виброустойчивостью.

Итак, этапы изготовления галогенсеребряной голограммы:

1. Если есть желание заняться всерьёз, то начать следует с оптического стола, в качестве которого будет выступать классическая схема песочницы на резиновой камере.
   
   
   
   
   
   Существуют и другие конфигурации, о которых можно прочитать в литературных источниках и на профильных сайтах (см. список источников в предыдущей статье), большинство из них основано на принципе изоляции от вибраций, приходящих от пола (камера) и поглощения собственных вибраций элементов оптической схемы (песок). Данная же конструкция является одной из самых простых из подходит для небольшой рабочей площади. На устойчивый стол расположенный подальше от окон, систем отопления и прочих сквозняков, и создающих вибрацию объектов кладётся слабо накаченная резиновая камера от небольшого колеса (диаметром около 30 см), на неё коробка (у меня картонная, но лучше из чего-то более плотного) в которую насыпается 10-15 кг чистого сухого мелкого кварцевого песка (например, для аквариумов). Оптическая схема собирается прямо на поверхности песка, с помощью песка также удобно фиксировать элементы схемы закапывая в него. Важно чтоб песок был сухой и не прилипал к тому, что будет на него установлено, также важно следить чтоб песок не попал на оптику, кварц легко царапает стекло. Лазер, если он небольшой мощности (<5 мВт) можно закрепить в бельевой прищепке, которую воткнуть в стакан с тем же песком.
   
   
2. В качестве лазера был использован лазерный модуль приобретённый на Aliexpress с заявленной мощностью 5 мВт, длиной волны 650нм и питанием от 3В (поисковый запрос «4mm laser module 650nm 5mw»), между модулями могут быть сильные отличия от экземпляра к экземпляру, потому стоит купить несколько разных лазерных модулей и выбрать из них те, которые будут показывать самую большую длину когерентности и стабильность при максимальной мощности (см. предыдущую статью). Выбирать нужно модули с самым массивным корпусом, с активными элементами на плате и корпусным лазерным диодом, идеально если на плате будет переменный резистор для точной установки тока. Питание нужно обеспечить от ёмких батарей или аккумуляторов, которые смогут питать лазер в течение нескольких часов без заметной просадки напряжения. Из самого модуля удаляется линза для получения расходящегося пучка.
3. Также необходим измеритель мощности лазерного излучения, который понадобится для расчёта оптимальной экспозиции и для контроля равномерности освещения, которое не должно отличаться в центре и на периферии фотоматериала больше чем на 30%. В простейшем случае можно использовать кремниевый фотодиод большой площади с микроамперметром, например ФД-7к, или фотодиод со встроенным усилителем вроде OPT101 и вольтметр. Для них можно найти графики, по которым можно определить освещённость и коэффициенты пересчёта для разных длин волн. Но лучше приобрести специальный калиброванный измеритель мощности для лазеров, например, Coherent Laser Check (дороже и редко встречается), Sanwa LP1 (дешевле и широко распространён).
4. Нужно также позаботиться о неактиничном освещении (которое не будет заметно влиять на не проявленный фотоматериал), к счастью, чувствительность голографических фотоматериалов значительно ниже, чем у фотоматериалов для классической фотографии, поэтому небольшое количество света от уличного фонаря, падающего через шторы на окнах, особо не повредит, и во время процедуры химической обработки вполне можно обойтись таким сумрачным освещением. А вот во время установки фотопластинки и других связанных с ней элементов схемы хорошо иметь достаточный уровень освещённости, синий светодиод из набора Litiholo не подходит, ПФГ-03М имеют в синей области заметную чувствительность, нужно зелёное освещение, чем ближе к 500нм, тем лучше. Можно подобрать соответствующий светодиод, это будет даже лучше, чем рекомендованный в некоторых источниках фонарь со светофильтром, яркость освещения нужно обеспечить минимально необходимую, когда освещение не нужно его лучше отключать. Я же использовал «умную» светодиодную лампу, выбрав самый подходящий оттенок и установив минимальную яркость.
5. Галогенсеребряные фотоматериалы, как это было сказано выше, требуют химической обработки. В ходе которой образующееся при экспонировании скрытое изображение (кристаллы галогенида серебра, облученные светом, на которых появились точки свободного металлического серебра) усиливается во много раз и получается уже видимое изображение, т. к. проявитель в основном восстанавливает до металлического серебра кристаллы галогенида с такими металлическими точками. Для ПФГ-03М производитель рекомендует т. н. физический проявитель ГП-3. Также можно попробовать другой физический проявитель, содержащий меньше едких и токсичных соединений и не выделяющий аммиак OD-1. Физические проявители в отличие от химических, используемых в классической фотографии, формируют совершенно другие по характеру и форме частицы металлического серебра, необходимые для формирования интерференционной картины, а сами голограммы получаются т. н. амплитудно-фазовыми. Физические проявители содержат в себе специальные компоненты, которые растворяют не экспонированные гранулы галогенидов серебра с последующим осаждением металлического серебра на экспортированные, т. о. почти всё серебро из фотоматериала остаётся в нём, а также формируются частицы серебра сферической формы – отражающие свет, а не нитевидной – поглощающие. Альтернативой, рекомендуемой одними авторами, и отвергаемой другими (напоминаю, что речь идёт только о ПФГ-03М) является процесс проявления химическими проявителями с последующим отбеливанием, это комплекты JD-4 и SM-6 + PBU-Amidol. Вследствие процесса отбеливания металлическое серебро превращается обратно в кристаллы галогенида серебра, имеющие коэффициент преломления отличный от желатины, образуются т. н. фазовые голограммы с теоретически значительно большей дифракционной эффективностью, а значит и яркостью. Однако фотопластинки ПФГ-03М не предназначены для обработки с отбеливанием, в них для этого относительно мало серебра (1.6 г/м², тогда как у рассчитанных на отбеливание ПФГ-01 3.3 г/м²), и получающиеся после отбеливания голограммы не должны быть заметно ярче. Мной был использован рекомендованный производителем проявитель ГП-3 из готового набора химических соединений.
   
   Для его изготовления (для 1 л раствора) понадобятся:
   
   0.2 г метилфенидона;
   5 г гидрохинона;
   100 г безводного сульфита натрия (не путать с сульфидом!);
   25 г гидроксида натрия (едкий натр, каустическая сода);
   45 г роданида аммония (тиоцианат аммония).
   
   Реактивы можно приобрести во многих магазинах химических реактивов, или там же, где и фотопластинки. Если раствор будет изготавливаться не из готового набора, то кроме дистиллированной воды и некоторой посуды также понадобятся весы, для этого хорошо подходят распространённые китайские весы для ювелирных изделий с точностью до 0.01 г.
   
   Для приготовления раствора понадобятся два химических стакана (или что-то подобное, тут много места для полёта фантазии), в каждый наливаем примерно по 400 мл воды (воду можно не измерять с помощью мерных стаканов, а просто взвешивать, так будет даже точнее), воду необходимо использовать дистиллированную, она продаётся в автомагазинах. Также стоит надеть защитные очки и перчатки, вся посуда должна быть стеклянной, а ложка для перемешивания стеклянной или пластиковой. В первый стакан постепенно при активном перемешивании вносим гидроксид натрия, раствор заметно нагреется, затем метилфенидон. Во втором стакане сначала растворяем порядка 10 г сульфита натрия, а затем весь гидрохинон, после его растворения добавляем оставшийся сульфит натрия, а после него весь роданид аммония. После растворения роданида аммония растворы сливаем вместе и доводим объём водой до 1 л. Затем раствор фильтруем через кусочек ваты, помещённый в воронку, и даём отстояться в течении 2 часов. Полученный проявитель нужно хранить в холодильнике, он пригоден для использования пока не пожелтеет (месяц и более). Очень важно соблюдать данную пропись, иначе может выпасть осадок и проявитель будет испорчен.
   
   Полученный раствор является концентратом, а рабочий раствор готовится непосредственно перед использованием в соотношении 15 мл концентрата и 400 мл воды. Поэтому, если не планируется изготавливать сразу много голограмм, то можно разделить количества всех реактивов на два и приготовить 500 мл основного раствора, из которого можно получить до 13 л рабочего раствора проявителя.
   
   В случае неиспользования процедуры отбеливания после проявления рекомендуется провести процедуру фиксирования, в ходе которой оставшиеся в эмульсии гранулы галогенидов серебра будут удалены. Для этого подходит любой тиосульфатный фотографический закрепитель (фиксаж), например просто 150 г кристаллогидрата тиосульфата натрия (гипосульфит натрия, серноватистокислый натрий) на 1 л дистиллированной воды, после смешивания нужно дать раствору отстояться в течение 2 часов. Полученный раствор можно при наличии осадка, мути или хлопьев периодически фильтровать через кусочек ваты, вставленный в воронку и хранить при комнатной температуре длительное время, использованный раствор можно возвращать обратно в ёмкость к остальному, истощается он крайне медленно.
6. Итак, реактивы приготовлены, ещё нужны ванночки для проведения химической обработки, для этого подходят судочки из супермаркета. Естественно, вся посуда, контактирующая с химическими реагентами, не должна в дальнейшем использоваться для еды и питья.
   
   
   Следующим этапом будет сборка оптической схемы:
   
   Для пропускающих голограмм:
   
   
   
   Для отражательных голограмм:
   
   
   
   Лазерный луч должен падать на фотопластинку под углом близким к углу Брюстера для данного вида материала, для стекла он составляет около 56°, на практике для удобства освещения этот угол делают примерно равным 45°. Это делается для минимизации внутренних отражений в фотопластинке, которые могут испортить изображение, вызвав полосы похожие на срез древесины, при этом сам пучок света должен быть поляризован и правильно ориентирован, верную ориентацию можно определить, вращая лазер вокруг своей оси и наблюдая за отражением от стекла, необходимо добиться минимального отражения. Также совершенно необходимо закрыть торцы фотопластинки, на которые попадает свет лазера непрозрачным материалом, иначе на изображении будут дефекты в виде горизонтальных полос, как на фотографии ниже.
   
   
   
   Далее необходимо определить оптимальную длительность экспозиции, для этого придётся использовать несколько фотопластинок. Для начала для выбранной схемы определяем освещённость на поверхности фотопластинки, устанавливая фоточувствительный элемент на место пластинки, при этом любое освещение должно быть выключено. Я для этого использовал Sanwa LP1 с диаметром чувствительного элемента 0.9 см, мощность составила 39.9 мкВт (необходимо не забывать про поправочные коэффициенты зависящие от длины волны). Площадь круга вычисляется по формуле π * d² / 4, что составит 3.14 * 0.92 / 4 = 0,64 см², а освещённость соответственно будет равна 39.9 / 0.64 = 62.3 мкВт/см². Приняв чувствительность ПФГ-03М 500 мкДж/см², требуемая экспозиция будет равна 500 / 62.3 = 8 с. Реальная оптимальная экспозиция должна быть найдена экспериментальным путём, для этого нужно сделать несколько голограмм с разной экспозицией отталкиваясь от теоретической, например 5, 10, 15, 20 с, при нахождении наиболее яркой области можно провести цикл с меньшей дискретностью, например уже в 1 с. Важно также помнить, что недостаточная экспозиция сказывается на яркости изображения в гораздо меньшей степени, чем чрезмерная. Для определения оптимальной экспозиции не обязательно использовать по одной пластинке для каждого периода времени, их можно разрезать или просто перекрыть пучок света от лазера непрозрачным материалом и постепенно его открывать, главное при этом не прикасаться к оптическому столу и элементам схемы. У меня наиболее яркие голограммы получились при экспозиции 15 с, значит голографическая чувствительность моих пластинок составляет около 1 мДж/см².
   
   Чувствительность может отличаться от партии к партии и заметно изменяться во время хранения, поэтому данную процедуру нужно проводить для всех новых фотоматериалов и после нескольких месяцев их хранения. А время экспозиции пересчитывать при любом изменении оптической схемы.
   
   Далее экспозиция производится аналогично с фотополимерными пластинками, собираем оптическую схему, прогреваем лазер, перекрываем пучок, устанавливаем фотопластинку (эмульсией к объектам), выключаем освещение, даём время на стабилизацию, производим экспонирование в течение нужного времени, пучок снова перекрываем, и пластинку отправляем на химическую обработку. Для определения на какой стороне пластинки находится эмульсия на неё нужно подышать, сторона с эмульсией не запотевает, а вот прикасаться к эмульсии строго запрещено, она слабо задублена (очень мягкая) и будет безвозвратно испорчена от прикосновения. Это одна из причин, почему лучше работать в перчатках, другие причины, это использование токсичных и едких химических растворов и острые края фотопластинок. Дальше работать лучше в темноте, или при слабом зелёном освещении, которое также при отсутствии надобности лучше выключать.
   
   Экспонированная фотопластинка опускается в раствор проявителя эмульсионной стороной вверх, высота раствора над пластинкой должна быть не меньше 1 см, температура раствора 19-21°C, время обработки для ГП-3 10 мин., во время проявления нужно иногда покачивать ванночку для равномерного прохождения процесса. По другим рекомендациям время проявления 5-8 мин. при 17-18°C, тут нужно экспериментировать и подбирать оптимальное время для конкретной температуры, экземпляров пластинок, схемы записи для получения максимально ярких голограмм. К слову, всё получается, хоть и явно не оптимально и при 25°C, выше температуру поднимать не стоит, уже появляется риск повредить или вообще смыть эмульсионный слой, в летний период растворы возможно придётся охлаждать. Затем пластинка промывается проточной водой не меньше минуты и помещается в раствор закрепителя, только после этого можно включать обыкновенное яркое белое освещение. Отработанный же проявитель выливается, повторно его использовать нельзя. Пластинка должна приобрести светло-коричневый цвет, изначально слабо окрашена и голубоватого оттенка. Если цвет пластинки желтый, то тут или слишком малая экспозиция, или нужно увеличить время проявления. Если цвет пластинки чёрный, то тут или слишком длительная экспозиция, или нужно уменьшить время проявления (или снизить температуру раствора), или пластинки испорчены. Фиксировать достаточно в течение 3 мин., потом ещё одна промывка прохладной проточной водой в течение 5-10 мин., после этого пластинку стоит ополоснуть дистиллированной водой. Основная обработка окончена, но изображение всё ещё будет не видимо, вследствие набухания эмульсии оно находится в инфракрасной области, голограмму нужно высушить. Это можно сделать медленно, для чего перед сушкой голограмма опускается в слабый водный раствор моющего средства, в идеале специального смачивающего агента для фотографии, такого как Kodak Photo-Flo, и устанавливается на ребро на бумажную салфетку до полного высыхания. Крайне важно чтоб стекание воды и процесс сушки проходил равномерно, иначе неизбежно появление пятен на изображении. Быстрый способ заключается в использовании спирта, в случае этилового спирта можно использовать как сразу 96% ректификат, так и последовательно 50%, 80% и 96% растворы, с целью экономии этилового спирта. В каждом растворе нужно выдержать голограмму в течение минуты постоянно покачивая ванночку. После 96% раствора пластинка аналогично ставится на ребро на впитывающую поверхность и остаётся там до полного высыхания, через некоторое время для отражательных голограмм начнёт проявляться видимое изображение. Затем поверхность со стороны эмульсии закрашивается чёрной аэрозольной краской или заклеивается чёрной матовой плёнкой, голограмма готова.
   
   Также есть информация о том, что можно производить сушку в 50% изопропиловом спирте, сам я использовал этиловый, но могу сказать, что чистый изопропиловый спирт без разбавления его водой необратимо портит голограмму, изображение появляется только в местах, где на поверхности голограммы в момент погружения в спирт была вода.
   
   Приведу несколько фотографий получившихся голограмм:
   
   Отражательные голограммы.
   
   Три ракурса одной не очень глубокой голограммы, но всё равно сфокусировать камеру довольно сложно.
   
   
   
   
   
   
   
   А это фото кликабельно.
   
   
   
   Песок и солнце.
   
   
   
   Пропускающие голограммы.
   
   Первый ракурс. В реальности изображение имеет резкость по всей глубине, видно ограничение классической фотографии и неплохую длину когерентности лазера.
   
   
   
   Второй ракурс того же объекта.
   
   
   
   Как выясняется на практике, всё не так сложно и страшно, как это описывают некоторые источники, и засветить (испортить воздействием света) голографические материалы довольно сложно, и время экспозиции может варьироваться в довольно широких пределах, и температуру не обязательно выдерживать с точностью в 0.5°C, и от вибраций в высотном здании мегаполиса можно в достаточной мере избавиться, и лазер подходящий можно подобрать из дешевых. Вообще хоть какое-нибудь изображение не получить, можно только совершенно не обеспечив должной виброустойчивости или нарушив в разы другие параметры записи и обработки. А вот для получения максимально ярких голограмм необходимо всё же подобрать оптимальные параметры всех процессов, а затем неукоснительно их соблюдать, и температуру контролировать, и время измерять с высокой точностью. Т. о. обнаруживается огромное поле для творчества и исследований, например подбор оптимальных рецептур и режимов химической обработки для тех или иных видов голограмм, условий записи и проявления.
   
   Как обычно, приветствуются любые вопросы, пожелания и замечания!