光致聚合型全息存儲(chǔ)材料收縮對體光柵影響的實(shí)驗(yàn)研究

王智斌

（湖北聯(lián)合天誠防偽技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000）

0.前言

全息存儲(chǔ)相比于傳統(tǒng)的磁盤存儲(chǔ)、光盤存儲(chǔ)等具有傳輸速率快、存儲(chǔ)容量大、靈敏度高等一系列優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)爆炸式增長的時(shí)代有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著全息技術(shù)的發(fā)展，全息存儲(chǔ)介質(zhì)也呈現(xiàn)出多樣化趨勢。常用的有銀鹽材料、光折變晶體、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物等幾種。其中，光致聚合物因其具有分辨率高、穩(wěn)定性好、成本較低、加工處理方便等特點(diǎn)，成為全息存儲(chǔ)介質(zhì)的主要材料?，F(xiàn)階段，全息記錄中材料收縮引起記錄光柵變化進(jìn)而影響成像質(zhì)量，成為制約光致聚合物發(fā)展應(yīng)用的主要問題。探究材料收縮對體光柵的影響，進(jìn)而尋求最佳曝光量和條紋反襯度，能夠?yàn)樘岣呷⒂涗涃|(zhì)量提供一定的幫助。

1.材料收縮對體光柵影響的實(shí)驗(yàn)分析

1.1 光致聚合型全息存儲(chǔ)材料的收縮機(jī)理

單體聚合過程中發(fā)生體積收縮的原因主要分為2部分：

其一是化學(xué)反應(yīng)使得分子間的距離減小。例如以不飽和聚酯樹脂為單體的光致聚合物，在單體聚合過程中受到光引發(fā)劑、協(xié)引劑的作用后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，不飽和雙鍵被打開形成飽和單鍵，如圖1所示。這一過程中鍵長發(fā)生改變，從原來的0.132nm變?yōu)?.135nm；同時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)間距由原來的分子間距離縮短為鍵長距離，從0.5nm變成了0.135nm。當(dāng)單體中大量分子都表現(xiàn)出上述變化后，光致聚合型材料就會(huì)表現(xiàn)為體積收縮[1]。

圖1 聚合反應(yīng)導(dǎo)致鍵長改變示意圖

其二是分子從無序分布到有序排列使得自由體積減少。單體材料在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)前，微觀上分子是隨意分布的，分散范圍廣，自由體積大。而發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，分子受到交聯(lián)點(diǎn)的約束進(jìn)行有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，重新排列形成了緊密結(jié)構(gòu)。當(dāng)大量分子之間的自由體積減少后，光致聚合型材料也會(huì)表現(xiàn)為體積收縮。

1.2 材料收縮的實(shí)驗(yàn)裝置

在使用光致聚合物記錄全息信息時(shí)，該材料受到光照后，材料中的光敏劑吸收光子并從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，可以與周圍的分子發(fā)生反應(yīng)或傳遞能量。在這一過程中，光致聚合物對不同波長的光的吸收率存在較大差異。以PQ（菲醌）和MMA（甲基丙烯酸）組成的光致聚合物為例，對波長為432nm的藍(lán)光吸收率達(dá)到了98%，對波長為532的綠光吸收率在58%左右，而對于波長為633nm的紅光吸收率基本為0。因此實(shí)驗(yàn)中選擇波長為633nm的紅光作為讀出光柵，可以對材料中記錄的光柵無損探傷[2]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 雙光束測量法實(shí)驗(yàn)裝置

注：Laser1和 Laser2為兩個(gè)輸出波長不同的激光器；A為可調(diào)衰減片；PBS為偏振分光棱鏡；HWP1和HWP2為半波片；SH1和SH2為快門；R為電動(dòng)轉(zhuǎn)臺；M1、M2、M3為反射鏡；BS為半反半透鏡；PS為光致聚合材料；D1、D2、D3、D4為功率計(jì)；θ1G和θ2G為兩束綠光與介質(zhì)法線的夾角；θ1R和θ2R為兩束紅光與介質(zhì)法線的夾角。

1.3 不同曝光量下非傾斜光柵實(shí)驗(yàn)

利用上述裝置測量不同曝光量下非傾斜光柵的布拉格（Bragg）角度偏移情況。通過旋轉(zhuǎn)材料，在保證紅光能夠正常讀出的情況下，使最大衍射功率的布拉格讀出角度θ1R=30°，θ2R=-30°。然后改變記錄光功率P1G、P2G以及記錄時(shí)間t，測得不同曝光量下布拉格角度衍射變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在0～1500mJ/mm2的范圍內(nèi)，隨著曝光量的增加，布拉格角度偏移量也呈現(xiàn)出上升趨勢，相應(yīng)的光柵間距也發(fā)生顯著變化。在曝光量為8.6mJ/mm2時(shí)，光柵間距變化系數(shù)為0；當(dāng)曝光量達(dá)到1500mJ/mm2時(shí)，光柵間距變化系數(shù)達(dá)到極值，為-4.71×10-4。繼續(xù)調(diào)整布拉格讀出角度，分別記錄在 30°:-30°、25°:-35°、20°:-40°等不同曝光量下光柵間距的變化情況，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同曝光量對應(yīng)的光柵間距變化比例

結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在曝光量增加的同時(shí)，布拉格角度偏移幅度也便呈現(xiàn)出增加的趨勢，并且存在初始增速較快，后期趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)。分析其原因，在初始曝光階段，此時(shí)光致聚合物中以小分子為主，小分子之間的自由體積較大，因此接受光照后化學(xué)反應(yīng)速率快，導(dǎo)致聚合物的濃度得以快速上升。隨著曝光時(shí)間的延長，聚合物濃度不斷升高，小分子數(shù)量減少，并且分子間的自由體積變小，逐漸形成了堅(jiān)硬的骨架，因此后期材料收縮不明顯，布拉格角度偏移幅度減小[3]。

另外，在不同曝光量下的Δθ1R:Δθ2R≈-1，說明體光柵總體上維持在非傾斜狀態(tài)，因此導(dǎo)致光柵間距變化的因素主要來自于布拉格角度偏移。基于光柵間距變化模型可以推導(dǎo)出光柵間距收縮系數(shù)（V）與曝光量的關(guān)系，即隨著曝光量的增加，V值也呈現(xiàn)出上升趨勢。并且當(dāng)曝光量達(dá)到1500 mJ/mm2極值時(shí)，V值不再增長，此時(shí)的布拉格角度偏移也達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，在材料收縮對體光柵影響的研究中，可以得出以下結(jié)論：將曝光量設(shè)定為1500 mJ/mm2左右，光致聚合型全息存儲(chǔ)材料收縮達(dá)到飽和，對體光柵間距變化的影響最小。

2.材料收縮對全息圖像存儲(chǔ)影響的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 光致聚合型全息圖像的存儲(chǔ)與讀出實(shí)驗(yàn)裝置

光致聚合型全息存儲(chǔ)材料在發(fā)生收縮后會(huì)直接影響圖像讀出質(zhì)量，導(dǎo)致全息圖像的分辨率下降、內(nèi)容出現(xiàn)殘缺。為了進(jìn)一步驗(yàn)證光致聚合物收縮對圖像讀出質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了一種通過改變?nèi)肷涔夥较驅(qū)崿F(xiàn)角度復(fù)用的圖像存儲(chǔ)與讀取裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改變?nèi)肷涔夥较驅(qū)崿F(xiàn)角度復(fù)用的圖像存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置中可通過三透鏡組改變參考光的入射角度θ1G，從而在光致聚合材料上實(shí)現(xiàn)角度復(fù)用存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)位移臺的角度可以改變?nèi)肷涔獾姆较?，?dāng)電動(dòng)位移平臺S中的凸透鏡L1偏移量x時(shí)，對應(yīng)的角度θ為：

式（1）中f1、f2、f3分別為凸透鏡L1、L2、L3的焦距。按照上述公式調(diào)節(jié)位移臺使θ1G和θ2G的角度不斷變化，同時(shí)觀察不同角度組合下光致聚合材料中存儲(chǔ)的全息信息的清晰度和完整度。最終當(dāng)θ1G=45.42°、θ2G=-42.82°時(shí)，可以獲得分辨率最高、完整度最好的全息影像，則該角度即為最佳讀出角度[4]。

2.2 條紋反襯度對材料收縮的影響

在圖像復(fù)用存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，記錄光功率比P1G:P2G與布拉格角度變化呈負(fù)相關(guān)。即P1G:P2G值越大，則角度變化幅度越小，材料收縮程度越輕微，這一變化趨勢與干涉條紋反襯度γ有關(guān)。根據(jù)光強(qiáng)分布公式和反襯度公式：

式（2）中δ為相位差，I為光照強(qiáng)度，I0為均勻光強(qiáng)；式（3）中IM和Im分別為干涉場中光強(qiáng)的極大值和極小值。在此基礎(chǔ)上將上述兩式疊加，整理后可得：

上式中，I0-I0γ為本底均勻光強(qiáng)，有利于形成長的聚合鏈；2I0γcos2(δ/2)表示非均勻調(diào)制光強(qiáng)，有利于短鏈的形成。已知干涉條紋反襯度γ的取值區(qū)間為[0,1]，通過調(diào)節(jié)記錄光功率比P1G:P2G，使γ值盡可能地趨近于0，促使長聚合鏈的形成，能夠降低光致聚合材料的收縮量，對提高光致聚合型全息存儲(chǔ)材料的成像精度有積極幫助[5]。

3.結(jié)語

在常用的幾種全息存儲(chǔ)材料中，光致聚合物相比于銀鹽材料、重鉻酸鹽明膠等，無論是在使用成本還是綜合成像性能方面均具有一定優(yōu)勢。由于全息信息存儲(chǔ)特性的影響，光致聚合物在不同曝光量下容易出現(xiàn)不同程度的收縮現(xiàn)象，進(jìn)而對全息影像的分辨率、完整度帶來了負(fù)面影響。本文通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為在全息信息存儲(chǔ)過程中將曝光量設(shè)定在1500mJ/mm2左右，材料收縮達(dá)到飽和，對體光柵間距變化的影響最小。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中盡可能降低干涉條紋反襯度，有利于光致聚合材料中長聚合鏈的形成，可以降低材料收縮量，對進(jìn)一步提高全息圖像存儲(chǔ)質(zhì)量與讀取精度有積極幫助。