Filtro holográfico y método de síntesis de filtros holográficos.

Filtro holográfico y método de síntesis de filtros holográficos.

Filtro holográfico y método de síntesis del mismo, basado en un vidrio fotopolimerizable que comprende una matriz vítrea porosa en la que se introduce una especie orgánica y una especie de alto índice de refracción. Las limitaciones en espesor de este tipo de fotomateriales se superan mediante una adecuada selección de la cantidad de especie de alto índice de refracción en la muestra, y mediante un control de las condiciones ambientales durante la síntesis.

Filtro holográfico y método de síntesis de filtros holográficos

Campo de la invención La presente invención se refiere al campo de los filtros holográficos, y más concretamente, a un filtro holográfico sintetizado en un vidrio fotopolimerizable, a un método de síntesis del mismo, ya su uso como filtro pasa banda y filtro de supresión de banda.

Antecedentes de la invención Se entiende como filtro holográfico a cualquier dispositivo óptico implementado sobre un fotomaterial holográfico cuyo índice de refracción puede ser modulado localmente de acuerdo con un patrón tridimensional de luz, permitiendo actuar sobre la fase de los frentes de onda incidentes sobre dicho fotomaterial. Dicha modulación de índice de refracción (Lln) se produce debido a cambios físicos, químicos, o físico-químicos en el material durante una etapa de grabación, en la que se expone el fotomaterial a un patrón interferencial generado por dos haces de luz coherentes.

Dependiendo de las características de los haces de luz utilizados durante la grabación, es posible implementar filtros holográficos con muy diversas propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, en las últimas décadas se ha extendido el uso de filtros holográficos para aplicaciones tan variadas como microscopía, reconocimiento de patrones, transformación de haces, identificación de espectros químicos, y filtrado espectral. En particular, una de las aplicaciones más frecuentes son los filtros supresores de banda (en inglés, filtros notch) , por ejemplo para supresión de la línea de rechazo de Rayleigh en espectroscopía Raman. Estos filtros requieren típicamente una banda de supresión muy estrecha, con una tasa de extinción (en inglés, extinction ratio) muy elevado en dicha banda de supresión.

Existen diversos requisitos que deben ser cumplidos por un fotomaterial holográfico para que permita implementar filtros holográficos de buena calidad. En primer lugar, es necesario que permita alcanzar una elevada modulación de índice de refracción, también denominado rango dinámico, permitiendo así alcanzar altas eficiencias de difracción.

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Asimismo, es recomendable que la modulación de índice se obtenga como resultado de una exposición de poca duración e intensidad, es decir, que el material presente una gran sensibilidad, con el fin de reducir el efecto en el filtro de inestabilidades en el montaje de grabación del mismo.

Por otra parte, es imprescindible que el fotomaterial presente una buena calidad óptica, con baja dispersión (en inglés, scattering) . Existen varias fuentes de dispersión (scattering) , entre las que cabe destacar la calidad de la superficie, la dispersión generada al atravesar el volumen del material, y la dispersión o ruido grabado junto con el filtro holográfico durante el proceso de exposición del fotomaterial.

Asimismo, para su uso en aplicaciones con láseres de alta potencia (pulsados o continuos) , es necesario una baja absorción, y un elevado umbral de daño por láser.

Finalmente, es necesario que el fotomaterial holográfico permita la síntesis de muestras de espesor elevado, sin que en el proceso se generen fracturas o deterioro de las muestras. El espesor máximo alcanzable con un fotomaterial es un factor importante, ya que limita el volumen en el que se puede diseñar el patrón de interferencia que define el filtro holográfico. Por ejemplo, en el caso de filtros paso banda o de supresión de banda, el ancho de banda es inversamente proporcional al espesor del filtro, por lo que es necesario contar con fotomateriales de espesor elevado para poder implementar filtros muy estrechos.

Son conocidos en el estado de la técnica una gran variedad de fotomateriales holográficos, tales como fotopolímeros, fotorrefractivos orgánicos e inorgánicos, gelatinas dicromatadas, haluros de plata, fotorresinas, etc. Entre ellos, los resultados más prometedores han sido obtenidos en medios basados en fotopolímeros, como los presentados por US 4 994 347 A, US 4 970 129 A Y US 3 993 485 A; Y aquellos basados en vidrios porosos que incluyen materiales fotopolimerizables, como los presentados por ES 2141 652 A1 Y EP 0184856 A2.

Sin embargo, todos ellos presentan limitaciones en la máxima modulación de índice, en la calidad óptica de los filtros que permiten implementar, en el grosor máximo alcanzable, y/o en el umbral de daño por láser del material. Además, la gran mayoría requieren o bien tiempos de exposición muy elevados, o bien múltiples pulsos de menor duración. Esto se traduce en una reducción en la calidad del filtro, ya sea por variaciones en las condiciones de grabación durante el tiempo de exposición (vibraciones, variaciones en el haz generado por la fuente láser, etc.) , o bien por modificaciones en la superficie del material holográfico producidas antes de finalizar la grabación, que son transmitidas en forma de ruido o redes parásitas al interior del material por los haces de grabación que inciden en el fotomaterial desde que se producen dichas modificaciones hasta la finalización del proceso de grabación.

Con el fin de superar las limitaciones asociadas a la modulación de índice de refracción y a la calidad óptica del fotomaterial, WO 03/077033 A2 presenta un tipo de fotomaterial holográfico denominado vidrio fotopolimerizable, sintetizado mediante técnicas sol-gel. Los vidrios fotopolimerizables comprenden una matriz con base de silicio en la que se incorporan especies monoméricas y un fotoiniciador. El registro holográfico en estos vidrios fotopolimerizables se basa en la exposición de los mismos a un patrón interferencial generado mediante la superposición de dos haces láser mutuamente coherentes cuya longitud de onda de emisión es capaz de activar el fotoiniciador, el cual a su vez induce a la polimerización del monómero en las zonas iluminadas del material. Al aumentar la longitud de la cadena polimérica, ésta pierde movilidad en la matriz del vidrio, manteniendo su posición de forma permanente, incluso después de que termine el proceso de exposición. Asimismo, la polimerización del monómero hace que la concentración del mismo en las zonas iluminadas disminuya, lo que genera una difusión del monómero restante desde las zonas con menor intensidad del patrón de interferencia hacia las zonas con mayor intensidad.

Posteriormente, una segunda generación de vidrios fotopolimerizables fue capaz de superar estos resultados mediante la incorporación en el material de una Especie de Alto índice de Refracción (HRIS, del inglés "High Refractive Index Species') , en concreto isopropóxido de zirconio Zr (Oipr) 4' acompañado de ácido metacrílico para evitar su hidrólisis (F. Del Monte, Ó. Martínez-Matos, J. A. Rodrigo, M.L. Calvo y P. Cheben, "A volume holographic sol-gel material with large enhancement of dynamic range by incorporating high refractive index species", Advanced Materials volumen 18, página 2014, 2006) . Durante la exposición del material holográfico, la concentración de HRIS también se ve modificada permanentemente por el patrón de interferencias, permitiendo alcanzar así valores de modulación de índice de hasta 10-2, el más alto reportado hasta la fecha. Junto con el incremento de fJ.n, también se ha demostrado la relación entre la incorporación de partículas basadas en zirconio a films pOliméricos y el consiguiente aumento de la sensibilidad del material y de su punto de gelación.

La síntesis del vidrio fotopolimerizable con HRIS implica la hidrólisis de los alcóxidos de zirconio y silicio ({Si, Zr} (OR) n, con R un grupo alquilo) , seguido de una rápida reacción de policondensación. El uso de este fotomaterial para la grabación de redes de difracción holográficas de volumen en transmisión ha demostrado una gran versatilidad para distintos usos y experimentos, manteniendo altas prestaciones para un amplio rango de frecuencias espaciales y condiciones de grabación y lectura.

Sin embargo, la inclusión de HRIS en el fotomaterial genera un aumento de la rigidez de las muestras, produciéndose fracturas tanto durante la exposición lumínica como en ausencia de la misma, siendo estas fracturas más comunes cuanto mayor es el espesor de la muestra sintetizada. En particular, para la composición y método de síntesis divulgados hasta ahora, sólo es posible sintetizar vidrios holográficos con un espesor máximo de 120 micras, lo cual limita las aplicaciones implementables en dichos vidrios. Por ejemplo, para filtros pasobanda o de supresión de banda, esta cota máxima de espesor limita cómo de estrecho puede llegar a ser el ancho de banda del filtro.

Por tanto, existe en la técnica la necesidad de filtros holográficos implementados en un fotomaterial que permita sintetizar... [Seguir leyendo]

1. Filtro holográfico que comprende una red de difracción de fase en volumen grabada de manera permanente en un vidrio fotopolimerizable sintetizado mediante técnica sol-gel, y comprendiendo el vidrio fotopolimerizable previamente a la grabación del filtro holográfico: al menos

-una matriz vítrea porosa orgánica-inorgánica;

-al menos una especie orgánica polimerizable en dicha matriz vítrea, comprendiendo la al menos una especie orgánica un material cuyo índice de refracción cambia localmente ante una exposición a radiación actínica;

-al menos una especie de alto índice de refracción, cuyo índice de refracción es mayor que el índice de refracción medio de la matriz vítrea;

-y al menos un fotoiniciador;

caracterizado porque la especie de alto índice de refracción supone un porcentaje de la masa total del vidrio fotopolimerizable comprendido entre el 5% y el 15%, y porque el vidrio fotopolimerizable tiene un espesor mayor o igual de 250 micras.

2. Filtro holográfico según la reivindicación anterior, caracterizado porque la especie de alto índice de refracción supone un porcentaje de la masa total del vidrio fotopolimerizable entre el 10% yel 12%.

3. Filtro holográfico según la reivindicación 2 caracterizado porque el vidrio fotopolimerizable tiene un espesor mayor o igual de 500 micras.

4. Filtro holográfico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la especie de alto índice de refracción es un compuesto que comprende isopropóxido de zirconio.

5. Filtro holográfico según la reivindicación 4, caracterizado porque la especie de alto índice de refracción es un compuesto formado por isopropóxido de zirconio y ácido metacrílico.

6. Filtro holográfico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el filtro holográfico comprende un soporte transparente mayormente plano para el vidrio fotopolimerizable, comprendiendo asimismo dicho soporte transparente plano una pared lateral, y porque el vidrio fotopolimerizable está

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sintetizado mediante una primera etapa de gelificación en la que el soporte transparente está sellado, y una segunda etapa en la que el sellado del soporte se elimina progresivamente mediante perforaciones sucesivas, aumentando el flujo de aire al vidrio fotopolimerizable.

Filtro holográfico según la reivindicación 6 caracterizado porque el vidrio fotopolimerizable está sintetizado mediante gelificación a una temperatura controlada comprendida entre 35°C y 45°C.

Filtro holográfico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el filtro holográfico está grabado en el vidrio fotopolimerizable mediante un solo pulso de grabación con una duración menor o igual a un segundo, siendo dicho pulso dividido en dos haces coherentes que interfieren en el vidrio fotopolimerizable.

Filtro holográfico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la red de difracción de fase es una red plana adaptada para actuar como filtro espectral paso banda.

Filtro holográfico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la red de difracción de fase es una red plana adaptada para actuar como filtro espectral de supresión de banda.

Método de síntesis de un filtro holográfico que comprende:

-sintetizar mediante técnicas sol-gel un vidrio fotopolimerizable que comprende una matriz vítrea porosa orgánica-inorgánica; siendo incorporados en dicha matriz vítrea al menos un fotoiniciador, al menos una especie orgánica polimerizable, y al menos una especie de alto índice de refracción, cuyo índice de refracción es mayor que el índice de refracción medio de la matriz vítrea; comprendiendo la al menos una especie orgánica un material cuyo índice de refracción local cambia ante una exposición a radiación actínica;

-grabar el filtro holográfico permanentemente sobre el vidrio fotopolimerizable sintetizado mediante radiación actínica de al menos dos haces de luz coherentes interferentes en el volumen del vidrio fotopolimerizable;

caracterizado porque la especie de alto índice de refracción supone un porcentaje de la masa total del vidrio fotopolimerizable comprendido entre el 5% y el 15%, y porque el vidrio fotopolimerizable tiene un espesor mayor o igual de 250 micras.

12. Método de síntesis según la reivindicación 11, caracterizado porque la especie de alto índice de refracción supone un porcentaje de la masa total del vidrio fotopolimerizable entre el 10% yel 12%.

13. Método de síntesis según la reivindicación 12 caracterizado porque el vidrio fotopolimerizable tiene un espesor mayor o igual de 500 micras.

14. Método de síntesis según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 caracterizado porque la especie de alto índice de refracción es un compuesto que comprende isopropóxido de zirconio.

15. Método de síntesis según la reivindicación 14, caracterizado porque la especie de alto índice de refracción es un compuesto formado por isopropóxido de zirconio y ácido metacrílico.

16. Método de síntesis según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15 caracterizado porque el paso de sintetizar mediante técnicas sol-gel el vidrio fotopolimerizable comprende a su vez:

-depositar en un soporte mayormente plano una solución de partida de la técnica sol-gel, comprendiendo asimismo dicho soporte mayormente plano una pared lateral;

-sellar el soporte mayormente plano;

-gelificar la solución de partida en una primera etapa de gelificación en la que el soporte permanece sellado;

-perforar progresivamente el sellado del soporte durante una segunda etapa de gelificación, en la que se aumenta progresivamente un flujo de aire al vidrio fotopolimerizable.

17. Método de síntesis según la reivindicación 16 caracterizado porque la primera etapa de gelificación y la segunda etapa de gelificación se realizan a una temperatura controlada comprendida entre 35°C y 45°C.

18. Método de síntesis según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17 caracterizado porque el paso de grabar el filtro holográfico comprende un solo pulso de grabación con una duración menor o igual a un segundo, siendo dicho pulso dividido en dos haces coherentes que interfieren en el vidrio fotopolimerizable.

19. Método de síntesis según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18 caracterizado

porque el paso de grabar el filtro holográfico comprende grabar una red de difracción de fase plana adaptada para actuar como filtro espectral paso banda.

20. Método de síntesis según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18 caracterizado porque el paso de grabar el filtro holográfico comprende grabar una red de difracción de fase plana adaptada para actuar como filtro espectral de supresión de banda.