丙烯酰胺光致聚合物全息存儲(chǔ)性能研究

王 珩，徐世峰，馬 佳，張 健，姚承君(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 理學(xué)院,沈陽(yáng) 110136)

基礎(chǔ)科學(xué)與工程

丙烯酰胺光致聚合物全息存儲(chǔ)性能研究

王 珩，徐世峰，馬 佳，張 健，姚承君
(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 理學(xué)院,沈陽(yáng) 110136)

研究了一種具有良好光學(xué)性能的丙烯酰胺材料，在測(cè)量出材料吸收譜線基礎(chǔ)上，分別利用532 nm和633 nm的激光作為記錄光和參考光，測(cè)量該材料的衍射效率曲線，最大衍射效率可達(dá)86%；并在300 μm厚的材料中實(shí)現(xiàn)了信息存儲(chǔ)和讀出，表明該材料具有良好的全息存儲(chǔ)性能。

全息存儲(chǔ)；光致聚合物；丙烯酰胺；衍射效率

光學(xué)全息存儲(chǔ)技術(shù)是近年來(lái)伴隨著數(shù)字信息技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的新一代的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，不同于傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)方式，全息存儲(chǔ)技術(shù)具有靈敏度高、存儲(chǔ)容量大、存儲(chǔ)響應(yīng)速度快、成本低廉以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是有望解決下一代存儲(chǔ)問(wèn)題的最佳存儲(chǔ)方式之一[1-7]。最近，世界各國(guó)的諸多公司和機(jī)構(gòu)都將大量的人力和財(cái)力投向了光學(xué)全息存儲(chǔ)領(lǐng)域，比如美國(guó)的InPhase公司以及日本的Optware科技公司在光學(xué)全息存儲(chǔ)技術(shù)和器件等方面都取得了里程碑式的成就和進(jìn)展。但是制約全息存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵因素就是能否找到一種合適的全息存儲(chǔ)材料。光致聚合物是近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的一種新型存儲(chǔ)介質(zhì)，科研人員對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究[8-12]。相比于其他記錄介質(zhì)，光致聚合物具有衍射效率高、響應(yīng)速度快、技術(shù)工藝簡(jiǎn)單以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)。本文研究了一種聚乙烯醇/丙烯酰胺(PVA/AA)光致聚合全息存儲(chǔ)材料，該材料具有光學(xué)質(zhì)量好、靈敏度高、成本低廉和制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是一種特別適用于光學(xué)體全息存儲(chǔ)技術(shù)的記錄介質(zhì)。

1 材料制備

用于全息記錄的PVA/AA光致聚合材料成分如下：丙烯酰胺(AA)為白色粉末，作為聚合反應(yīng)的單體；聚乙烯醇(PVA)為白色粉末，作為材料基底，也就是材料的骨架；三乙醇胺(TEA)為無(wú)色粘稠透明液體，作為光引發(fā)劑；曙紅Y(YE)為暗紅色粉末，作為光敏劑，與引發(fā)劑一起組成光敏系統(tǒng)[13-15]。除此之外，我們?cè)诓牧现屑尤脒m量的亞甲基雙丙烯酰胺(BMAA)作為交聯(lián)劑，亞甲基雙丙烯酰胺為白色粉末，分子結(jié)構(gòu)中具有特殊官能團(tuán)，在光敏劑和引發(fā)劑吸收光子后，單體發(fā)生聚合反應(yīng)，交聯(lián)劑的加入使得單體聚合速度增大，從而使得衍射效率增加，材料的響應(yīng)時(shí)間和靈敏度也隨之增加，并且使生成的聚合物的聚合度增大，大大減小聚合物在材料中的擴(kuò)散，從而使材料中的折射率光柵結(jié)構(gòu)不易被破壞，使材料內(nèi)部記錄的全息圖更加穩(wěn)固，記錄的信息得以長(zhǎng)久保存。表1為PVA/AA材料各個(gè)組分，圖1為丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖。

表1 PVA/AA光致聚合材料組分

圖1 丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的分子結(jié)構(gòu)圖

PVA/AA光致聚合物材料的制備過(guò)程如下：將PVA溶解于水制成濃度為10%的溶液，分別將AA、BMAA、TEA和YE加入其中制成混合溶液，將混合溶液均勻涂抹在玻璃片上，移至暗室數(shù)小時(shí)，待干燥后即可使用，如圖2所示。

圖2 PVA/AA光致聚合全息存儲(chǔ)材料

2 材料性能研究

2.1 吸收譜線

丙烯酰胺光致聚合物材料被特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，材料中的光敏劑曙紅，吸收光子能量躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的曙紅進(jìn)一步與引發(fā)劑三乙醇胺發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，生成根自由基。根自由基與單體丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺發(fā)生反應(yīng)引發(fā)單體聚合，生成光致聚合物，進(jìn)而在材料內(nèi)部形成周期性的折射率光柵，將信息存儲(chǔ)在材料內(nèi)部[16]。

我們制備了具有不同光敏劑濃度的丙烯酰胺光致聚合物材料樣品，利用光纖光譜儀(Avaspec-2048 Fiber Optics Spectrometer)測(cè)量了三種不同光敏劑濃度的材料樣品的吸收譜。光譜儀參數(shù)如下：波長(zhǎng)測(cè)試范圍為360～1 100 nm，分辨率為0.04 nm。圖3所示為三種不同YE濃度的PVA/AA材料的吸收譜，其中選擇吸收譜的范圍為400～700 nm。我們制備的這種光致聚合物材料在450 nm～550 nm波段的可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的吸收能力，且光敏劑濃度越高吸收能力越強(qiáng)。而對(duì)于450 nm波長(zhǎng)以下的光以及580 nm以上波長(zhǎng)的光吸收率很小，可以忽略不計(jì)。因此，我們?cè)谶M(jìn)行材料樣品衍射效率測(cè)量和數(shù)據(jù)全息存儲(chǔ)時(shí)，采用波長(zhǎng)為532 nm的半導(dǎo)體激光器作為記錄光源和參考光源，同時(shí)采用波長(zhǎng)為633 nm的He-Ne激光器作為讀出探測(cè)光源。

圖3 不同光敏劑濃度下PVA/AA材料的吸收譜

2.2 衍射效率

材料樣品的衍射效率是衡量全息存儲(chǔ)材料全息性能的一個(gè)重要參數(shù)，這里定義衍射效率為衍射光光強(qiáng)與入射光光強(qiáng)的比值。材料的衍射效率隨光照時(shí)間的變化曲線反應(yīng)了材料內(nèi)部光致聚合物形成的折射率光柵的建立過(guò)程。材料內(nèi)部的折射率光柵的建立過(guò)程涉及光子吸收、單體聚合、單體擴(kuò)散和聚合物擴(kuò)散等多個(gè)過(guò)程，這些過(guò)程相互依存、相互影響，比較復(fù)雜，很難直接進(jìn)行觀測(cè)。而通過(guò)對(duì)材料衍射效率隨光照時(shí)間變化的測(cè)量，可以間接測(cè)量出材料內(nèi)部形成的聚合物折射率調(diào)制度、材料的信息存儲(chǔ)響應(yīng)時(shí)間以及材料的靈敏度等多個(gè)重要物理量。

在測(cè)量材料全息性能的實(shí)驗(yàn)中，我們采用典型的二波耦合裝置對(duì)PVA/AA光致聚合物材料樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，圖4所示為二波耦合全息光柵記錄裝置示意圖。采用波長(zhǎng)為532 nm的半導(dǎo)體激光器作為光源，光束經(jīng)過(guò)空間濾波器與分光棱鏡后，被分成兩束相干的、具有相等光強(qiáng)的記錄光和參考光。記錄光和參考光都以與材料表面的法線方向成16.8°的入射角對(duì)稱入射到材料樣品的表面，在材料內(nèi)部記錄光和參考光發(fā)生干涉，形成明暗相間區(qū)域。在亮區(qū)，由于光照作用，光敏劑引發(fā)單體聚合生成聚合物；在暗區(qū)，沒(méi)有聚合物的形成，并且在亮區(qū)和暗區(qū)單體濃度差的驅(qū)動(dòng)下，暗區(qū)單體擴(kuò)散至亮區(qū)，繼續(xù)參與光致聚合，從而完成亮區(qū)和暗區(qū)間折射率光柵的記錄。根據(jù)材料的吸收光譜特征，我們使用材料吸收很小的波長(zhǎng)為633 nm的He-Ne激光作為探測(cè)光源，探測(cè)光以與材料表面法線成20.8°的Bragg角入射到材料樣品上。使用光電探測(cè)器接收并測(cè)量衍射光光強(qiáng)，光電探測(cè)器與計(jì)算機(jī)相連接，這樣就能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量材料衍射光光強(qiáng)隨曝光時(shí)間的變化，從而計(jì)算出材料的衍射效率變化。PVA/AA材料樣品放置于分辨率為0.0025°的精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

利用上述的二波耦合全息光柵記錄與探測(cè)系統(tǒng)，我們測(cè)量了同一PVA/AA材料樣品在四種不同光強(qiáng)照射下的衍射效率隨光照時(shí)間的變化曲線，記錄光強(qiáng)分別為3 mW/cm2、5 mW/cm2、8 mW/cm2和10 mW/cm2，如圖5所示為材料不同光強(qiáng)下的衍射效率曲線圖，由圖可見(jiàn)，在光柵記錄初始階段，衍射效率隨曝光時(shí)間的增加而迅速增大，達(dá)到最大值后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，光敏劑曙紅吸收光子，與引發(fā)劑三乙醇胺發(fā)生反應(yīng)，生成具有化學(xué)活性的根自由基，根自由基引發(fā)周圍的單體丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺發(fā)生聚合，形成光致聚合物，同時(shí)暗區(qū)的單體擴(kuò)散至亮區(qū)并參與聚合反應(yīng)，最后在亮區(qū)和暗區(qū)之間記錄下折射率光柵；當(dāng)參考光照射材料中記錄的折射率光柵時(shí)形成衍射光，記錄的折射率光柵強(qiáng)度越大衍射光強(qiáng)越大。在記錄光強(qiáng)為5 mW/cm2時(shí)，材料樣品可獲得最大衍射效率可達(dá)86%；當(dāng)記錄光強(qiáng)為3 mW/cm2時(shí)，由圖可見(jiàn)其衍射效率和靈敏度都比5 mW/cm2時(shí)有所下降，這主要是因?yàn)楫?dāng)入射光強(qiáng)減小時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)材料中光敏劑吸收的光子數(shù)量減小，生成的根自由基數(shù)量減小，樣品內(nèi)部單體不能充分聚合，致使形成的光致聚合物濃度減少，從而形成的折射率光柵強(qiáng)度變小，因此材料表現(xiàn)出的衍射效率和靈敏度降低；而當(dāng)記錄光強(qiáng)分別為8 mW/cm2和10 mW/cm2時(shí)，材料樣品的靈敏度有所提高，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間光照后，獲得的最大衍射效率卻大幅度降低，這主要是因?yàn)楫?dāng)入射光強(qiáng)較大時(shí)，在材料內(nèi)部亮區(qū)單體迅速聚合生成聚合物，消耗了大量單體，暗區(qū)單體在濃度差作用下向亮區(qū)擴(kuò)散，但單體由暗區(qū)向亮區(qū)的擴(kuò)散速度要小于亮區(qū)單體的聚合速度，于是在材料中記錄下的是一種非正弦光柵，因此樣品的衍射效率有所降低。

2.3 存儲(chǔ)效果

為了考察這種PVA/AA材料的信息存儲(chǔ)性能，我們利用空間光調(diào)制器、激光器和各種光學(xué)透鏡等搭建了體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，制備了300 μm 厚的PVA/AA光致聚合材料樣品作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了圖片信息的全息存儲(chǔ)與再現(xiàn)，圖6為再現(xiàn)的圖像，再現(xiàn)圖像保真度良好，證明了PVA/AA材料良好的光學(xué)全息性能。

A：光闌，SF：空間濾波器，BS：分光棱鏡，S1，S2：快門，M1-M4：反射鏡，R：旋轉(zhuǎn)臺(tái)，D：光電探測(cè)器，PC：計(jì)算機(jī)圖4 全息光柵記錄實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 PVA/AA樣品在不同光強(qiáng)下的衍射效率隨曝光時(shí)間的變化曲線

圖6 從PVA/AA材料中讀出的再現(xiàn)圖像

3 結(jié)論

本文研究了一種適合于光學(xué)全息存儲(chǔ)的光致聚合物材料——聚乙烯醇/丙烯酰胺，該材料制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，光學(xué)性能良好。實(shí)驗(yàn)表明：該材料可以選用532 nm的激光作為記錄光，633 nm的激光作為讀出光進(jìn)行信息記錄與讀取；通過(guò)二波耦合實(shí)驗(yàn)裝置得到該材料的衍射效率曲線，在記錄光強(qiáng)為5 mW/cm2時(shí)，最大衍射效率可達(dá)86%；利用體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了信息記錄與讀出實(shí)驗(yàn)，圖像再現(xiàn)保真度良好。上述研究表明聚乙烯醇/丙烯酰胺光致聚合材料具有優(yōu)良的全息存儲(chǔ)性能，適合于光學(xué)信息體全息存儲(chǔ)。

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Researchonholographicstorageperformanceofacrylamidephotopolymer

WANG Heng,XU Shi-feng,MA Jia,ZHANG Jian,YAO Cheng-jun
(College of Science,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China)

A photopolymer based on acrylamide with good optical performance is studied.Based on the absorbance curve of the material,diffraction efficiency of the sample is measured by using lasers with wavelength of 532nm and 633 nm as recording and reference lights,and the maximum diffraction efficiency can be 86%.With a holographic storage system,record and readout of information are realized in the material with thickness of 300 μm.All these results indicate that the PVA/AA photopolymer has an excellent holographic storage performance.

holographic storage;photopolymer;acrylamide;diffraction efficiency

2017-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：11604223；11404223)

王 珩(1982-)，男，遼寧撫順人，講師，博士，主要研究方向：光學(xué)全息存儲(chǔ)，光致聚合物材料,E-mail：wangheng@sau.edu.cn。

2095-1248(2017)06-0092-05

O438.1

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.06.016

劉劃 英文審校：劉勇進(jìn))