EVA制備的全息存儲卡的短波長全息存儲性能及環境性能研究

張保民 康斌斌 周必成 馬 晨 張 立 趙小文 郭晉紅 樊建軍 馬富花

（中國電子科技集團公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

EVA制備的全息存儲卡的短波長全息存儲性能及環境性能研究

張保民 康斌斌 周必成 馬 晨 張 立 趙小文 郭晉紅 樊建軍 馬富花

（中國電子科技集團公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

本文對采用EVA熱熔膠膜封裝的一種環氧樹脂類光致聚合物全息存儲卡，進行了441nm波長下的全息特性進行了研究，衍射效率≥50％，分辨率≥3000線對/mm，曝光靈敏度適度，全息存儲圖像清晰。該全息存儲卡具有寬溫（-10℃≤T≤60℃）、耐濕（95％RH）、不易劃傷特點。

全息存儲；光致聚合物；乙烯-醋酸乙烯共聚物

引言

信息存儲技術作為信息技術的核心之一，一直伴隨著、推動著IT業各方面技術的協同發展，是當今IT領域中少數發展最為迅速的熱點之一。信息存儲技術主要包括磁存儲、光存儲、半導體存儲以及各種新型存儲技術。光存儲中，全息存儲技術因其采用以頁的形式進行光記錄和讀取，在容量和速度方面有著巨大的潛力，是高密度電子信息存儲最有力的競爭者。在全息存儲所適用的材料中，光致聚合物具有高的衍射效率、高的靈敏度、大的動態范圍以及易于合成、成本低廉、化學組成范圍寬、能大規模生產、并可實現干法在線處理等優點使其具有更廣泛的商業實用價值，從而成為首選材料[1-4]。

以EVA為熱粘結劑、聚碳酸酯膜為封裝外表面制備的一種環氧樹脂類光致聚合物全息存儲卡，在532nm波長下已進行了全息存儲性能研究[5]。在光存儲中，光記錄波長越短，記錄光斑越小。以DVD光盤與藍光光盤比較為例，DVD光盤工作波長為650nm，其最小記錄標記尺寸是0.4μm，藍光光盤工作波長為405nm，最小記錄標記尺寸縮小到0.14-0.2μm[12]。因此縮短光存儲中光記錄波長對提高光信息存儲密度很有意義。本文采用He-Cd激光器發出的441nm激光，對采用EVA為熱粘結劑制備出的環氧樹脂類全息存儲卡，開展了短波長的全息存儲性能測試研究。

記錄介質環境適應性越強越好。單獨的高分子光致聚合物材料抗劃傷能力不強，而且裸露在空氣中，會影響其耐老化性能，導致光存儲性能下降。而EVA具有堅韌、透明、耐溫、耐寒、粘結強度大、耐濕性好等特性，它也能與所用環氧樹脂類光聚物材料粘合。兩者結合制備的一種全息存儲卡，我們對其開展了環境適應性研究，包括耐高低溫、耐高濕度。

1 實驗

1.1 環氧樹脂類光聚物制備

在暗室、潔凈度為104級、室溫、相對濕度30％～55％的實驗環境條件下，環氧樹脂類光聚物全息存儲材料制作步驟為：

1）雙酚A二縮水甘油醚：（BADGE）7.2g、五乙烯六胺（PHA）：2.24g混合，常溫超聲分散30分鐘；

2）再加入Irgacure784：0.104g、苯基甲基丙烯酸酯（BzMA）：3.2g，常溫超聲分散30分鐘；

由于制備的環氧樹脂類光聚物的量較少，所以這里采用超聲分散方法混合，分散時采用自來水冷卻。

3）采用滴涂法，按照所需形狀（矩形或圓形）、尺寸，將光聚物水溶液涂敷在所需尺寸的基片上，膜厚度330±20nm，卡基片選2mm厚的光學級的聚碳酸酯或光學玻璃。

4）置于真空干燥箱中，真空度0.001MPa、30℃條件下自然固化24～48小時后，得到光聚物全息記錄膜。

1.2 全息存儲卡的制備

在潔凈度為104級的暗環境下，將涂敷環氧樹脂類光聚物材料的光學級的聚碳酸酯（聚碳酸酯在下側，涂敷的光聚物材料已固化）或光學玻璃的上方，水平布放0.38mm厚的EVA熱熔膠膜，然后在EVA熱熔膠膜的平面上放置1mm厚的聚碳酸酯，兩者要全覆蓋下方；將放置好的逐層材料置于真空工作腔內，施加0.2Mpa的壓強（上下兩板擠壓）；真空工作腔抽真空0.1分鐘，真空度達到：10-3Mpa，逐層材料側方施壓均為1.2Mpa，并使接近EVA熱熔膠膜一側的施壓板（上方的施壓板）溫度保持90℃，保持溫度及施壓時間30秒；打開真空工作腔，降溫至常溫后，取出粘接好的卡，修剪邊緣（主要是裁掉溢出的EVA熱熔膠膜）。從而得到基片為聚碳酸酯或光學玻璃、涂覆有環氧樹脂類光聚物記錄層的全息存儲卡樣品，見下圖1，左圖基片為聚碳酸酯，右圖基片為60×60mm光學玻璃。這里制備的全息存儲卡存儲層邊緣不齊整，可通過全息存儲層涂敷在預留涂敷槽基片的方法得到解決[5]。

圖1.采用EVA熱熔膠膜制備的環氧樹脂類光致聚合物全息存儲卡Fig1. Using EVA hot melt adhesive film preparation of the epoxy photopolymer holographic memory card

1.3 實驗光路

實驗測試光路如圖2所示。短波長光源選用相干性優良的441nm波長的He-Cd激光器。激光束經分光鏡分成物光與參考光，物光與參考光的光強比為1︰1， M1、M2為反射鏡；L1為擴束鏡，L2、L3為傅里葉透鏡；O為信息載體；PC為連接電控旋轉臺的電腦；PM為激光功率計；SH為快門。

圖2：實驗光路圖Fig2. The experimental setup

2 結果與討論

2.1 在441nm短波長下的衍射效率及分辨率測試

對所制備的環氧樹脂類光聚物薄膜進行可見光連續波段的吸收光譜測試，得到吸收光譜圖，見圖3。由圖可見，樣品薄膜的光吸收區在400-600nm區間，吸收峰值約在490nm處。490-600nm一側的光性能，采用532nm波長的相干激光，我們已進行了研究[5]，400-490nm一側的光性能，我們采用He-Cd激光器發出的441nm波長的相干激光進行探討。

圖3.所制全息存儲薄膜的可見光波段的吸收光譜Fig3. Absorption spectra of the holographic film in visible band

a. 衍射效率

衍射效率定義為一級有效衍射光強度與有效入射光強度的比值[10]，可表示為

式中 為衍射光強度， 為參考光強度， 為基片反射光強度。這里，參考光與物光保持光強相等并且呈30°夾角，曝光能量為9 mW/cm2。圖4所示為厚度為330um光聚物薄膜下測得的衍射效率與曝光能量的變化關系曲線。

圖4：曝光時間與衍射效率關系圖Fig.4∶ Diffraction efficiency versus exposure time

當He-Cd激光的曝光能量達到260mJ/cm2時，光聚物達到最大衍射效率57％。衍射光的產生是由于材料發生光致聚合反應導致出現折射率調制。曝光初始時，材料中單體產生光致聚合反應，隨著曝光量的持續，單體聚合反應基本結束，衍射效率達到最大，再繼續曝光，衍射效率趨于穩定，達到飽和。繼續曝光衍射效率下降的原因可能是光聚物層的串擾噪聲造成的。

根據Kogelnik 理論及靈敏度計算公式：

可獲得樣品的靈敏度為2.9×10-3cm2/mJ。

b. 分辨率

分辨率是用來體現全息材料存儲全息圖像清晰度能力大小的量值，定義為全息材料能記錄光強調制的最小周期[9]，透射型全息材料存儲一般要求大于3000線對/mm。

當兩束光對稱入射，兩束光夾角θ，即入射角θ1=θ2=θ/2時，干涉條紋的間距為[10]

對應的，單位長度內，包含的相干條紋數為

將全息存儲記錄時的物光和參考光對稱入射到記錄介質上，由（3）式， 記錄光波長、物光和參考光夾角為 的全息存儲記錄，其分辨率為

我們取θ=90°時曝光，觀察到衍射光斑，此時N=3206線對/mm，大于3000線對/mm。

2.2 在441nm短波長下的全息存儲

這里全息信息存儲測試采用角復用技術，測試光路如圖2所示。保持參、物光光路夾角為15°不變，制備的存儲卡片置于旋轉轉臺上，旋轉軸處于記錄層上，記錄光斑處于旋轉軸上。旋轉轉臺旋轉2°，旋轉前后在制備的存儲卡片同一位置處記錄2幅圖片，每次曝光10s。然后用參考光分別在相同角度方向上再現存儲信息，如圖5所示。從圖中看，再現圖像的對比度較強，保真度較好，說明材料的信噪比較高。由此可知，所制備的材料在可見光范圍的短波長頻段，仍具有較好的全息存儲性能。

圖5：(a) 左圖為原始圖像 (b) 右圖為再現圖像Fig.5∶ (a) The original image (b) The reconstruction image

2.3 環境適應性分析

采用上方法制備的全息存儲卡，依據GB/ T2423-2008，放在恒溫恒濕箱中，經高低溫貯存實驗，濕熱實驗，測試其環境適應性。實驗后觀察產品外觀，并測試其衍射效率、靈敏度等指標。經高低溫工作實驗，驗證全息存儲卡在低溫-10℃、高溫60℃的環境中保持正常安全的全息存儲性能和工作性能。具體實驗如下表：

試驗項目試驗依據標準條款主要試驗儀器試驗具體條件試驗結果高溫貯存GB/T2423.2-2008溫濕交變試驗箱CH600C外觀無變化。光學指標性能無變化。低溫貯存GB/T2423.1-2008溫濕交變試驗箱CH600C高溫60℃，保持24小時。外觀無變化。光學指標性能無變化。濕熱GB/T2423.3-2008溫濕交變試驗箱CH600C低溫-10℃，保持24小時。溫度30℃-60℃，濕度95％，做一個周期24小時。外觀無變化。光學指標性能無變化。高溫工作GB/T2423.2-2008溫濕交變試驗箱CH600C外觀無變化?？蓪崿F全息記錄。低溫工作GB/T2423.1-2008溫濕交變試驗箱CH600C高溫60℃，保持24小時。低溫-10℃，保持24小時。外觀無變化。可實現全息記錄。

我們制備的全息存儲卡在分別經歷低溫-10℃，24小時；高溫60℃，24小時及溫度30℃-60℃，濕度95％，濕熱試驗后，觀察到試驗樣品表面完好，外觀無變化，沒有出現存儲卡開裂、分離、脫落等現象。測試其衍射效率、靈敏度、透射率、角復用等指標，指標值穩定，基本沒有變化。全息存儲卡在高溫60℃，低溫-10℃的工作環境中可以正常的實現全息存儲記錄。說明所制備的全息存儲卡環境適應性能良好。

需要說明的是，在做環境適應性試驗時，我們選用的是532nm激光，主要是從光源的小型化考慮，目前常用的532nm小型激光器已具有不錯的相干性，用其搭建的小型光性能測試平臺可置于恒溫恒濕箱中，如圖6所示。

圖6 進行高低溫存儲貯存、工作實驗及濕熱實驗的恒溫恒濕箱內部Fig6. The internal environment of constant temperature and humidity box experiment

為了檢測抗濕性能，我們制備了一個玻璃小槽，小槽側面面積較大的側面選用光學玻璃，兩側面保持平行，存儲卡用夾具固定在一側玻璃上并置于水中。在專門設計的濕度環境工作實驗中，產生了很強的衍射光斑，驗證了其抗濕能力，圖7分別為在水中實現全息存儲工作的全景及放大圖。圖7全景圖為完成光記錄后，觀察衍射情況。圖7放大圖中，白屏上3亮斑中的中間亮斑即為一級衍射光斑。

圖7. 水中實現全息存儲工作的全景及放大圖Fig7. Panoramic view and local view of the work of holographic storage in water

3 結論

對采用EVA熱熔膠膜封裝的一種環氧樹脂類光致聚合物全息存儲卡，我們使用波長為441nm的He-Cd激光器研究了其短波長下的全息存儲特性。研究表明，該材料的衍射效率達57％，靈敏度為2.9×10-3cm2/mJ，分辨率大于3000線對/mm；該存儲介質可采用角復用技術實現全息存儲圖像，再現圖像較為清晰，對比度與保真度較為滿意。說明該材料在短波長段同樣具有較好的全息存儲性能，具備高密度全息存儲的潛質。

測試了該存儲卡在高低溫差達70℃，濕度達95％下的環境適應性，樣品的外觀及全息存儲指標值穩定，環境適應性能良好，同時驗證了EVA熱熔膠膜封裝工藝的可行性。

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The short wavelength holographic storage properties and environmental performance of the holographic storage card prepared by EVA

ZHANG Bao-min, KANG Bin-bin, ZHOU Bi-cheng, MA Chen, ZHANG Li, ZHAO Xiao Wen, GUO Jin-Hong, FAN Jian-jun, MA Fu-hua (33th Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Taiyuan 030006,China)

In this paper, an epoxy resin prepared photopolymer holographic memory card was prepared by using EVA hot melt adhesive film, and its holographic characteristics of 441nm wavelength were studied. The diffraction efficiency ≥ 50％, resolution ≥3000 line pairs / mm, exposure sensitivity moderate, and its holographic storage images clearly. The holographic storage card with wide temperature (-10℃≤T≤60℃), humidity (95％RH), is not easy to scratch..

Holographic Storage; Photopolymer; Ethylene Viny Acetate

TQ58

A

1009-5624-（2016）01-0032-05

山西省青年科技研究基金資助項目(項目號2011021021-3)

張保民(1962-)，男(漢族)，山西省太原市人。高級工程師，碩士，中國電子科技集團公司第三十三研究所，主要從事光全息存儲等方面研究。

E-mail：bm-yl-163@163.com。電話：13834116563