Production process of photopolymer based holographic gratings : optimization and modeling

Volume Phase Holographic Gratings (VPHGs) are holographic optical elements (HOEs) that find application as dispersing elements in highly efficient spectroscopic and Raman devices, becoming the choice for astronomical instrumentation thanks to the high diffraction efficiency and the possibility to customize the grating according to the spectroscopic requests. In this thesis work, the production process of these type of holographic gratings has been studied and optimized, aiming at increasing the quality of the final product and the productivity of the process itself, as well as controlling the performances of the material. In particular, the control of the refractive index modulation and the scattering was addressed. As holographic materials, a newly developed photopolymer film, named Bayfol® HX by Covestro (Bayer Material Science), has been employed. Moreover, a kinetic model has been developed in order to describe both the building of the grating and of the scattering hologram. Finally, a practical case has been addressed, in which three different Bayfol® HX materials have been exploited to produce a grating stack used as dispersing element for the MC-IFU instrumentation for planets and stars observation, installed at the William Herschel Telescope (WHT) at the Canary Island, Spain, in July 2019.

I reticoli olografici di volume (Volume Phase Holographic Gratings, VPHGs) sono elementi olografici che trovano applicazione come elementi dispersivi in strumentazione spettroscopica, Raman e in generale in strumenti spettroscopici ad elevata efficienza, diventando la scelta per in ambito astronomico grazie all’elevata efficienza di diffrazione e alla possibilità di customizzare i reticoli secondi le richieste spettroscopiche. In questo lavoro di tesi, il processo di produzione di questo tipo di reticoli è stato studiato e ottimizzato, con l’obiettivo di incrementare la qualità del prodotto finito e la produttività del processo stesso, oltre che il controllo delle prestazioni del materiale. In particolare, si è focalizzata l’attenzione sul controllo della modulazione dell’indice di rifrazione e dello scattering. Come materiali è stato usato un nuovo tipo di fotopolimero, chiamato Bayfol® HX, prodotto da Covestro (Bayer Material Science). Inoltre, è stato sviluppato un modello cinetico che ha permesso di descrivere sia la formazione del reticolo primario che quella dell’ologramma diffusivo. Infine, è stato affrontato un caso pratico, in cui tre diversi materiali Bayfol® HX sono stati sfruttati per produrre un innovativo elemento dispersivo a tre strati che sarà montato nello strumento MC-IFU per osservazione di pianeti e stelle, installato al William Herschel Telescope (WHT) nelle isole Canarie, Spagna, nel mese di Luglio 2019.