偶氮光聚物/無機納米多孔膜的數字全息存儲研究

葛蘊秋，景玉丹，易 貝，楊旭慧，嚴旭輝，亢麗紅,付申成,b

(東北師范大學 a.物理學院；b.物理學師范專業國家級實驗教學示范中心，吉林 長春 130024)

近年來，隨著計算機、CCD、CMOS、空間光調制器等光電器件的出現，全息技術得到了飛速發展[1-2]. 信息時代的來臨，數字化存儲技術成為國家信息基礎設施建設、國家創新能力提升、國防信息安全的重要組成部分. 發展更加先進、可靠、高性能的存儲技術和存儲設備對信息資源數字化、網絡化建設是十分必要的，而具有海量存儲能力的激光全息存儲系統是理想的發展方向之一[3-4]. 推進全息存儲發展的關鍵是找到合適的存儲介質和制膜技術. 從制作成本和存儲效果看，光致聚合物是全息存儲的理想介質. 但光致聚合物薄膜存在皺縮的問題導致衍射效率受限，如何在增大薄膜存儲容量的同時抑制光致褶皺現象更具有實際意義.

本文將偶氮光聚物作為存儲介質，通過無機納米多孔模板的空間限域特性減少皺縮現象，提升衍射效率，并且從光化學原理研究并解釋了薄膜記錄及再現機理，通過測量薄膜的全息動力學特性，分析無機納米多孔模板的作用，利用馬赫-曾德爾光路進行薄膜存儲. 通過金相顯微鏡觀察薄膜存儲的全息圖信息并且分析影響衍射效率的因素.

1 制備高質量的光聚物薄膜

實驗器材：TiO2，PDR1，三氯甲烷，玻片，稱量紙，錫紙，電子天平，移液槍，磁力攪拌器.

實驗步驟：

1)稱量藥品. 剪取稱量紙(用于存放PDR1)，對天平進行調平后，放紙清零，根據PDR1占溶液質量分數3%的配比[5]，稱取8.9 mg PDR1放入離心管中.

2)用移液槍量取250 μL三氯甲烷與PDR1溶液混合，并用錫紙包裝，避光存放.

3)滴涂法制備光致聚合物薄膜. 取80 μL PDR1溶液滴于玻璃襯底上；取80 μL PDR1溶液滴于3層TiO2襯底上；將培養皿倒扣，并用遮光布遮光處理，靜置24 h[6].

4)分別制作出2種樣品膜：PDR1/玻璃襯底(圖1)和PDR1/3層TiO2襯底(圖2).

圖1 PDR1/玻璃襯底

圖2 PDR1/3層TiO2襯底

2 光聚物的存儲及再現機理

實驗中使用的存儲介質光致變色性能良好，通過吸收短波長光能，促使偶氮分子產生反式→順式異構化，產生吸光度和折射率的變化. 入射的2束相干光發生干涉，導致照射到薄膜表面的光強周期性變化，由于光致變色效應，照射一段時間后薄膜的吸收系數和折射率均呈周期性改變，此時薄膜近似于透射光柵，再用參考光照射，由衍射原理讀取光柵生長的動力學信息[7].

3 薄膜的全息動力學特性

搭建全息動力學測試光路，使用藍光激光源(λ=473 nm,P=10 mW)作為寫入光；紅光激光源(λ=671 nm,P=0.5 mW)作為讀出光[8]，測試薄膜的全息動力學特性.

由圖3可知，以玻璃作為襯底的薄膜在500 s內達到極值，以TiO2作為襯底的薄膜在800～1 000 s達到極值，此后檢測到的光強隨時間平緩減弱. 從圖3中還可以看出無機納米(TiO2)模板可以有效增強衍射效率，因為多孔結構可以起到固定的作用，減少薄膜皺縮現象[9].

圖3 薄膜全息動力學特性

4 研究薄膜的數字全息特性

4.1 搭建馬赫-曾德爾光路

研究薄膜數字全息特性的光路圖如圖4所示. 為得到干涉效果較好的條紋，應使2束光的光程相等，令BS1，BS2，M1和M2構成正方形，最終得到2束幾乎平行但仍存在交角的干涉光.

圖4 馬赫-曾德爾光路

在1個光臂中加入空間光調制器，使目標圖像通過計算機輸出，經空間光調制器將數字信息轉換為光學信息，讓CCD或薄膜采集到此信息. 利用金相顯微鏡觀察薄膜表面并與CCD接收的信息相比較.

4.2 薄膜與CCD接收全息圖的效果對比

首先進行直條紋圖像的存儲. 圖5為利用CCD接收觀察到的直條紋干涉圖像，通過調整兩相干光交角使條紋達到合適的寬度.

圖5 CCD對干涉直條紋的接收效果

圖6為利用金相顯微鏡，在PDR1/玻璃襯底膜和PDR1/3層TiO2襯底膜表面所觀察到的直條紋圖像，可以看出PDR1/3層TiO2襯底膜上所形成的條紋圖像更加清晰，更真實地復制了干涉光場的信息.

接著加入空間光調制器，通過計算機輸出圖7樣式的三角形圖像，圖8為利用CCD接收觀察到的干涉圖像. 圖9為在PDR1/玻璃襯底膜和PDR1/3層TiO2襯底膜表面所觀察到的三角形圖像. 可以看出PDR1/玻璃襯底膜上的圖像發生了較大形變，且有部分圖像信息丟失，PDR1/3層TiO2襯底膜上的圖像無明顯形變，圖像信息完整. 由此可以看出無機納米襯底(TiO2)可以有效增強衍射效率，使存儲的圖像質量更高.

(a)PDR1/玻璃襯底表面

(b)PDR1/3層TiO2襯底圖6 金相顯微鏡觀察到的直條紋圖像

圖7 輸入空間光調制器中的三角形圖像

圖8 CCD對三角形圖像的接收效果

(a)PDR1/玻璃襯底膜

(b)PDR1/3層TiO2襯底膜圖9 薄膜中存儲的三角形圖像

5 影響薄膜衍射效率的因素分析

實驗結果表明，負載光聚物的無機納米多孔薄膜能夠有效記錄全息圖，但其存儲性能仍有提升空間，如薄膜均勻性的提升[10]. 在金相顯微鏡下能夠觀察到滴涂法制備的薄膜邊緣存在一定的不均勻，后期可通過增大滴涂面積得以改善.

實驗中需注意保證薄膜厚度，控制滴涂均勻性，減少薄膜中的雜質，調控光強及測試時間，優化薄膜存儲條件，盡可能消除實驗室外部環境對測試結果的影響，實現最佳的信息記錄效果.

6 結束語

利用TiO2納米多孔膜的空間限域效應改善光致聚合物薄膜的褶皺問題，制作出高質量的全息存儲介質. 通過光化學原理研究了光致聚合物薄膜存儲機理，合理設計薄膜存儲光路，通過TiO2模板與平層玻璃襯底負載的光致聚合物動力學曲線和實際圖像存儲效果對比，驗證了TiO2模板可以有效提升全息存儲效率，實現高密度信息記錄.