新型全息材料光致聚合物中全息顯示技術及信息存儲性能驗證

王智斌

（湖北聯合天誠防偽技術股份有限公司，湖北 武漢 430000）

全息影像技術是3D 技術的一個重要分支，它可以再現物體或場景的強度信息、位相信息，從而得到最接近真實物體或場景的三維圖像，目前該技術已經在藝術展覽、醫學檢測、軍事工業等領域得到廣泛應用。在全息技術成熟發展背景下，對全息存儲容量也提出了更高的要求。目前較為常用的銀鹽材料（如鹵化銀）雖然具有分辨率高、穩定性好等特點，但是需要顯影、定影、漂白等一系列后處理過程，不僅提高了操作成本，而且還會影響成像質量。光致聚合物能夠克服傳統全息存儲介質的各種缺陷，是一種具有廣闊應用前景的新型全息材料。

1 新型全息材料光致聚合物的樣品制備

光致聚合物的核心組成有單體、光引發劑、協引劑、交聯劑等。其制備原理是利用光引發劑、協引劑的誘發作用，使單體受到光照作用后發生聚合反應，然后將多個分子量較小的單體聚合成分子量較大的聚合物。單體作為組成光致聚合物的關鍵，選擇合適的單體材料對提高聚合速率，以及保證聚合體穩定性有顯著作用。目前應用效果較好的單體材料有丙烯酸、甲基丙烯酸等。光致聚合物的制備方法如下：

1.1 確定材料類型及配合比。聚合物單體選用丙烯酸酯（TMPTA），該材料的每個單體分子中含有3 對碳-碳雙鍵，在發生聚合時每對碳- 碳雙鍵都能吸收能量展開成為不飽和的單鍵，這些單鍵又能進行重組，從而聚合形成大分子。光引發劑選用四氯四碘熒光素鈉（RB），該材料能吸收波長在400-600nm 內的可見光，如圖1 所示。協引劑選用苯氨基醋酸（NPG），配合光引發劑能促使單體進行聚合反應。交聯劑選用N- 乙烯基吡咯烷酮（NVP），該材料可交聯聚合大分子。在選定材料類型后，還要協調每一種材料的比例，4 種材料的質量分數依次為70.5%、1.1%、2.4%、26.0%。

圖1 RB 在可見光范圍內的吸收譜

1.2 配制混合溶液。根據確定的成分比例，分別量取4 種溶液，將其均勻混合后放置到一個完全不透光的暗盒中，將暗盒放入超聲波儀上，超聲處理60min。之后將暗盒取出，靜置15min，用注射器抽取上層溶液，移入另一暗盒中，以備使用。

1.3 準備一塊尺寸為5cm×5cm 的干凈玻璃，用蘸有酒精的醫用棉簽擦拭，然后使用去離子水沖洗。放置于干燥爐中烘干，用錫紙包裹以備使用。

1.4 取2 塊處理好的玻璃放到實驗臺上，另取3 塊厚度為100μm 的調節墊片，分別放到其中一塊玻璃的邊緣處，然后蓋上另一塊玻璃，并涂抹AB 膠，這樣就得到了一個三面密封、一面開口的樣品盒。然后從無墊片的開口處灌注準備好的聚合物混合液。等到混合液灌滿樣品盒后，使用AB 膠將開口封閉，等到混合液完全固化后進行實驗，如圖2 所示。

圖2 聚合物混合液制作示意圖

2 光致聚合物的全息顯示技術

2.1 角度尋址方式與角度復用存儲

根據耦合光束設置方式的不同，可以將體全息圖的角度尋址劃分成2 種：一是物光（O）和參考光（R）相對于介質法線方向對稱，同時改變兩束光的角度；二是在物光和參考光之間固定一束光，改變另一束光的方向。在全息存儲中，水平角度如果偏大，在角度復用時容易出現相鄰全息頁間發生串擾的情況；反之，水平角度如果偏小，則會導致單點全息圖的角度復用存儲能力下降。因此，全息存儲中科學確定水平角度十分關鍵。基于耦合波理論，水平選擇角公式為：

上式中ΔO 為布拉格（Bragg）衍射主瓣的全寬度，Δθ 為相對于Bragg 角的偏移量。θO和θR分別表示物光與介質法線之間的夾角、參考光與介質法線之間的夾角。d 為光源與反射面之間的距離。在θO=θR的情況下，物光與參考光基于介質法線完全對稱，此時形成非傾斜光柵，則式（1）可轉化為：

如果θO和θR都比較小，此時光柵的頻率高但是角度選擇性差；如果θO和θR都比較大，因為介質折射的影響，角度選擇性同樣很差，因此為了獲得較好的復用存儲能力，一般使θO和θR的取值范圍在30-60°之間。

2.2 二維正弦光柵直寫

光致聚合物的單體在聚合時，會根據光場分布在介質內形成折射率調制，從而記錄全息圖。聚合物的存儲性能越強，則記錄的信息越豐富，相應的全息圖的真實度越高。為驗證光致聚合物的信息存儲性能，本文使用Matlab 軟件模擬正弦光柵直接照射聚合物，觀察聚合物中是否有光柵記錄。實驗系統如圖3 所示。

圖3 全息光柵直寫系統結構圖

如圖3 所示，固體激光器產生一束波長為532nm 的光，該光束首先經過半波片調節激光功率，然后經過空間濾波器處理后變成直面波，通過凸透鏡照射到偏振分光棱鏡上。在空間光調制器的作用下，讓光束穿過位于樣品上方的另一塊凸透鏡，并且利用凸透鏡的聚焦作用，使縮小的光柵圖像聚焦于一點照射到樣品上。持續照射約3-5 秒后，關閉激光器。然后將樣品取出，并玻璃樣品周圍的密封膠。使用鑷子夾住樣品上下方的玻璃板，放到酒精中持續浸泡120 分鐘。注意期間要始終保證沒有強烈的光照。然后將玻璃板撤去，將樣品放到電子顯微鏡下觀察。可以觀察到樣品中記錄了完整的光柵結構，說明光致聚合物確實可以作為全息信息存儲介質。

2.3 全息圖像記錄

在確認光致聚合物材料具有信息存儲能力后，設計了基于全息光致聚合物材料的單點記錄靜態全息圖實驗，進一步驗證該材料在儲存全息圖方面的實際效果。實驗系統如圖4 所示。

圖4 全息記錄系統結構圖

如圖4 所示，全息記錄系統中使用功率為420mW、波長為473nm 的固體激光器，發出的光束經半波片照射到偏振分光棱鏡上，在棱鏡的另一端射出兩束光，即物光和參考光。其中，物光在空間濾波器的作用下擴束準直，并經過空間光調制器在凸透鏡的聚焦作用下，在聚合物樣品上加載全息圖；而參考光經平面鏡反射后直接照射到聚合物樣品上。在物光和參考光的相互干涉下，將信息記錄到樣品中。完成記錄后，再使用1 臺高壓汞燈（He-Ne 激光器）用波長為488nm 的藍光、波長為532nm 的綠光、波長為632nm 的紅光，分別探測記錄位置。每一種激光均記錄了兩條信息，分別是漢字“我”和字母“A”。觀察全息圖像的再現結果，發現聚合物樣品上藍色的“我”和“A”記錄最清晰，其次是紅色，最后是綠色。說明光致聚合物對波長為488nm 的藍光吸收能力較差，因此光柵結構較好，可以完整記錄全息信息。

2.4 單光束反射式模擬全息圖記錄

通過上文實驗證明光致聚合物樣本可以記錄簡單的二維圖像信息。而全息影像為三維立體圖像，因此基于全息顯示技術的聚合物樣本除了能夠存儲二維圖像信息外，還必須能夠完整記錄物體的三維形貌。為驗證這一功能，設計了單光束記錄反射全息圖實驗，實驗系統如圖5 所示。

圖5 單光束記錄模擬全息圖

該實驗中由激光器發出波長為488nm 的光束，在低光強下長時間曝光提高記錄效果。選擇一枚硬幣作為被記錄物體，從硬幣反射到聚合物樣品上的光作為物光。從激光器發出的光，依次經過衰減器、快門、擴束器后照射到聚合物樣品上，作為參考光。兩種光在聚合物樣品上發生干涉，從而在聚合物樣品中記錄下硬幣的三維形貌。實驗結束后，將該聚合物樣品放置到電子顯微鏡下可以觀察到清晰的硬幣三維圖像。該實驗證明了光致聚合物能夠記錄和重建三維全息圖。

3 光致聚合物信息存儲性能驗證

隨著全息影像技術的成熟發展，全息材料的種類也變得更加豐富。現階段常用的全息記錄介質材料除了光致聚合物外，還有重鉻酸鹽明膠、光折變晶體、鹵化銀薄膜等幾種。其中，重鉻酸鹽明膠的存儲容量較大，但是本身屬于重金屬材料，具有一定的毒性；光折變晶體是近幾年新出現的一種全息材料，具有分辨率高、連續性好等優勢，但是受到現有技術條件限制，使用成本較高。鹵化銀的價格不高，并且在分辨率、穩定性方面也有一定優勢，應用較為廣泛。為進一步驗證光致聚合物和鹵化銀兩種全息材料的信息存儲性能，設計了2 組對比實驗。實驗一是在空間光調制器上加載全息圖，該全息圖衍射出的立體三維信息作為物光，與參考光在記錄介質處產生干涉；實驗二是利用空間光調制器的多通道特性，使物光與參考光均照射在記錄介質平面（H）上，利用全息圖衍射生成三維立體模型。該實驗裝置設計如圖6所示。

圖6 全息圖記錄系統

兩次實驗中，使用超細微粒鹵化銀制作的記錄介質與光致聚合物樣品，均成功實現了數字全息圖像記錄。鹵化銀乳膠中的全息圖像具有分辨率高、穩定性好的特點，但是受到光調制器的限制，全息圖的視差角度偏小，可能會影響日常觀看需求。另外，鹵化銀乳膠雖然能完整記錄全息信息，但是后處理流程較為繁瑣，包括顯影、定影、漂白等幾道流程，任何一個環節操作不當，都會影響最終的成像質量。相比之下，光致聚合物記錄的全息信息比較全面、分辨率較高，并且不需要后處理，因此綜合應用效果更好。

4 結論

新型全息材料的研制和應用是推動全息影像技術發展的關鍵。光致聚合物相比于鹵化銀、重鉻酸鹽明膠等傳統的全息材料，具有分辨率高、綠色環保、成本較低等一系列優勢。實驗表明，以丙烯酸酯（TMPTA）為單體制作的光致聚合物，可以較為完整地記錄全息圖，全息顯示分辨率高，信息存儲能力較強，具有廣闊的發展前景。