光致聚合型全息存儲材料收縮對體光柵影響的實驗研究

王智斌

（湖北聯合天誠防偽技術股份有限公司，湖北武漢 430000）

0.前言

全息存儲相比于傳統的磁盤存儲、光盤存儲等具有傳輸速率快、存儲容量大、靈敏度高等一系列優勢，在數據爆炸式增長的時代有著廣闊的應用前景。隨著全息技術的發展，全息存儲介質也呈現出多樣化趨勢。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、穩定性好、成本較低、加工處理方便等特點，成為全息存儲介質的主要材料?，F階段，全息記錄中材料收縮引起記錄光柵變化進而影響成像質量，成為制約光致聚合物發展應用的主要問題。探究材料收縮對體光柵的影響，進而尋求最佳曝光量和條紋反襯度，能夠為提高全息記錄質量提供一定的幫助。

1.材料收縮對體光柵影響的實驗分析

1.1 光致聚合型全息存儲材料的收縮機理

單體聚合過程中發生體積收縮的原因主要分為2部分：

其一是化學反應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劑、協引劑的作用后發生交聯反應，不飽和雙鍵被打開形成飽和單鍵，如圖1所示。這一過程中鍵長發生改變，從原來的0.132nm變為0.135nm；同時，交聯點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。當單體中大量分子都表現出上述變化后，光致聚合型材料就會表現為體積收縮[1]。

圖1 聚合反應導致鍵長改變示意圖

其二是分子從無序分布到有序排列使得自由體積減少。單體材料在發生交聯反應前，微觀上分子是隨意分布的，分散范圍廣，自由體積大。而發生交聯反應后，分子受到交聯點的約束進行有規則的運動，重新排列形成了緊密結構。當大量分子之間的自由體積減少后，光致聚合型材料也會表現為體積收縮。

1.2 材料收縮的實驗裝置

在使用光致聚合物記錄全息信息時，該材料受到光照后，材料中的光敏劑吸收光子并從靜態轉變為激發態，可以與周圍的分子發生反應或傳遞能量。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的藍光吸收率達到了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。因此實驗中選擇波長為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]。實驗裝置如圖2所示。

圖2 雙光束測量法實驗裝置

注：Laser1和 Laser2為兩個輸出波長不同的激光器；A為可調衰減片；PBS為偏振分光棱鏡；HWP1和HWP2為半波片；SH1和SH2為快門；R為電動轉臺；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；θ1G和θ2G為兩束綠光與介質法線的夾角；θ1R和θ2R為兩束紅光與介質法線的夾角。

1.3 不同曝光量下非傾斜光柵實驗

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以及記錄時間t，測得不同曝光量下布拉格角度衍射變化曲線。可以發現，在0～1500mJ/mm2的范圍內，隨著曝光量的增加，布拉格角度偏移量也呈現出上升趨勢，相應的光柵間距也發生顯著變化。在曝光量為8.6mJ/mm2時，光柵間距變化系數為0；當曝光量達到1500mJ/mm2時，光柵間距變化系數達到極值，為-4.71×10-4。繼續調整布拉格讀出角度，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，統計實驗數據如表1所示。

表1 不同曝光量對應的光柵間距變化比例

結合數據可以發現，在曝光量增加的同時，布拉格角度偏移幅度也便呈現出增加的趨勢，并且存在初始增速較快，后期趨于平穩的特點。分析其原因，在初始曝光階段，此時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反應速率快，導致聚合物的濃度得以快速上升。隨著曝光時間的延長，聚合物濃度不斷升高，小分子數量減少，并且分子間的自由體積變小，逐漸形成了堅硬的骨架，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，因此導致光柵間距變化的因素主要來自于布拉格角度偏移?；诠鈻砰g距變化模型可以推導出光柵間距收縮系數（V）與曝光量的關系，即隨著曝光量的增加，V值也呈現出上升趨勢。并且當曝光量達到1500 mJ/mm2極值時，V值不再增長，此時的布拉格角度偏移也達到飽和狀態。因此，在材料收縮對體光柵影響的研究中，可以得出以下結論：將曝光量設定為1500 mJ/mm2左右，光致聚合型全息存儲材料收縮達到飽和，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影響的實驗分析

2.1 光致聚合型全息圖像的存儲與讀出實驗裝置

光致聚合型全息存儲材料在發生收縮后會直接影響圖像讀出質量，導致全息圖像的分辨率下降、內容出現殘缺。為了進一步驗證光致聚合物收縮對圖像讀出質量的影響，設計了一種通過改變入射光方向實現角度復用的圖像存儲與讀取裝置，其結構如圖3所示。

圖3 改變入射光方向實現角度復用的圖像存儲實驗裝置

該實驗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現角度復用存儲。實驗中調節位移臺的角度可以改變入射光的方向，當電動位移平臺S中的凸透鏡L1偏移量x時，對應的角度θ為：

式（1）中f1、f2、f3分別為凸透鏡L1、L2、L3的焦距。按照上述公式調節位移臺使θ1G和θ2G的角度不斷變化，同時觀察不同角度組合下光致聚合材料中存儲的全息信息的清晰度和完整度。最終當θ1G=45.42°、θ2G=-42.82°時，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

在圖像復用存儲實驗中還發現，記錄光功率比P1G:P2G與布拉格角度變化呈負相關。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。根據光強分布公式和反襯度公式：

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

上式中，I0-I0γ為本底均勻光強，有利于形成長的聚合鏈；2I0γcos2(δ/2)表示非均勻調制光強，有利于短鏈的形成。已知干涉條紋反襯度γ的取值區間為[0,1]，通過調節記錄光功率比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材料的成像精度有積極幫助[5]。

3.結語

在常用的幾種全息存儲材料中，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勢。由于全息信息存儲特性的影響，光致聚合物在不同曝光量下容易出現不同程度的收縮現象，進而對全息影像的分辨率、完整度帶來了負面影響。本文通過實驗研究認為在全息信息存儲過程中將曝光量設定在1500mJ/mm2左右，材料收縮達到飽和，對體光柵間距變化的影響最小。同時，實驗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，對進一步提高全息圖像存儲質量與讀取精度有積極幫助。