一种可多波长复用的光聚物全息特性研究

胡界博， 殷 琼

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

一种可多波长复用的光聚物全息特性研究

胡界博， 殷 琼

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

采用记录透射型衍射光栅实验方法，研究以亚甲基蓝作为光敏剂、丙烯酸和N,N’-亚甲基双丙稀酰胺共同作为单体时厚度约为 180μm的光致聚合物进行多波长复用时的全息特性，结果表明：记录波长为632.8nm时，衍射效率高于40%，曝光灵敏度约为0.0083cm2/mJ；记录波长为514nm时，最高衍射效率达57%、曝光灵敏度为0.0067cm2/mJ，并且首次在488nm处获得超过50%的衍射效率，说明该光致聚合物适合多波长存储.

全息；光致聚合物；衍射效率；多波长存储

信息科学的发展，使高密度、高速度、海量存储器的研究成为必然，这就促使了在存储速率和容量等方面具有极大潜在价值的光学全息技术重新焕发了青春. 要实现实用的全息存储系统，关键是要找到一种合适的全息存储材料，光致聚合物作为全息存储材料与其它全息存储材料相比较而言，具有高衍射率、高分辨率、高灵敏度、动态范围大、易制作、低价格等优势而受到人们的广泛研究.

由于光路设置的几何限制和角度复用中分辨率的有限性，适用单一波长进行各种复用很难达到理想的存储密度和容量. 若采用多波长存储技术和其它复用技术相结合，就容易达到与现有技术相比具有很大优势的、理想的存储密度和容量. 波长复用技术具有对串扰噪音较强的抑制能力，采用波长变换进行寻址，避免了机械寻址的复杂性和对数据传输速率的影响. 为了实现波长复用全息存储，必须制备能够对多种波长敏感，且衍射效率足够高的材料，为了实现此目的，R. Mallavia等[1]和A. Fimia 等[2]通过加入两种染料来拓宽材料的光敏范围.

1 样品制备

将实验所用各组分按比例均匀混合后制成溶液，再将适量的光致聚合物溶液滴涂在 6cm×6cm的干净玻璃上，在温度为21～23℃和相对湿度为50%～65%的暗室中自然干燥48～56h，即可成为实验所用的光致聚合物膜. 膜的厚度可通过最初滴涂的光致聚合物溶液的量来控制. 样品中各组分浓度如表1所示.

表1 样品中各组分浓度

2 结果与讨论

2.1 光聚物吸收光谱

根据光致聚合物的光化学反应机理，光敏剂只有吸收相应敏感波长光波的光子，才能最大限度地引发单体聚合，在聚合物内最终形成由折射率调制的位相型全息图. 众所周知，亚甲基蓝吸收光子从亚甲基蓝基态(MB)跃迁到较高激发态(MB*)时在520nm有一吸收带，只因其此态存在的时间极短，所以不易观测到. 在聚合的过程中，MB*替代MB产生a阳离子，此态的存在是由于通过猝灭导致MB*发生快速的延迟. 亚甲基蓝属于一种噻嗪染料，用紫外－可见－近红外分光光度计测得本实验中成膜后的样品的吸收光谱如图2所示.从图看出材料的最大吸收带位于红光区(约540 nm~700 nm)，由此首先选用了He-Ne激光器(632.8 nm)，测定了其全息光学特性，然后选用了和Ar+激光器一起进行了多波长测试.

2.2 样品的全息曝光特性

在聚合物膜中所记录的典型的非倾斜透射光栅形成曲线如图3所示. 用波长为632.8nm的激光光源记录了透射型非倾斜光栅，实验记录光强为8.00mw/cm2，样品厚度约为180μm. 从图3可看出样品的最大衍射效率高于40%，曝光灵敏度约为0.0083cm2/mJ. 在初始阶段，光栅衍射效率随着曝光量的增大而快速增加[3-4]，当曝光量达到一定程度时，衍射效率逐渐趋于稳定. 由此可推测：光致聚合物材料在受到光照时，单体从相干区域的暗条纹处不断向亮条纹处扩散，光栅不断生长，由此折射率调制度随曝光时间的延长而增大，与参与聚合的单体转化率成正比. 随着单体转化成聚合物的量的增大，参与聚合的单体越来越少，因此记录在样品中形成的亮暗条纹调制区域的折射率调制度相应地达到饱和. 此时再增大曝光量，材料的衍射效率也不会上升. 另外，材料的衍射效率达到最大之后未有明显的降低，这说明在我们所制的样品中所记录的光栅处于较为稳定的状态，未出现过调制现象[5-6]，也未出现明显的噪音光栅[7]，意味着再现图像随着曝光时间的增加会越来越清晰，最终趋于稳定. 这有利于提高信噪比，极大改善在光致聚合物中所存储的全息图的质量.

图2 光致聚合物干膜的吸收光谱

图3 衍射效率与曝光能量的变化曲线(632.8nm)

2.3 波长复用

图4 衍射效率与曝光时间曲线(514nm)

用波长514nm的激光光源记录了透射型非倾斜光栅，光栅形成曲线如图4所示记录强度约为28.24mW/cm2. 从图4可以看出，它与用632.8nm波长记录的衍射光栅生长曲线有很大的不同：在曝光的起始一段时间内，衍射效率随着曝光量的增加而增加的，但当曝光量达到一定数值后衍射效率不再增加反而略有所减小，最后趋于稳定. 这是可能是因为在曝光的最初阶段，材料中主要发生了光聚合反应，随着曝光量的增加，单体逐渐聚合，浓度减少，最终达到基本稳定的状态. 结合样品透过率与曝光时间的变化曲线(见图 5)，在整个曝光过程中，并没有像一些文献[7-8]报道那样：在开始的一段时间内透过率先是有所增加然后下降甚至在整个过程中呈上升趋势. 在样品中没有观察到透过率的增加过程. 对于这种现象我们认为：亚甲基蓝被漂白速率较快，透过率的增加过程短暂，因此没有观察到明显的增加过程. 在记录波长为632.8nm时已经分析过，所制样品的均匀性很好，衍射光栅处于较为稳定的状态；而当用514nm波长曝光时，大部分单体聚合之后衍射效率达到饱和，如果继续曝光，可能是样品中形成的光栅由于不是在最大吸收处引发聚合，所形成的光栅处于一种不稳定的状态，导致衍射效率有所下降，这对其在514nm处进行数字全息存储带来了的不利因素. 但我们获得了分辨率为2200线对/mm、最高衍射效率达57%、曝光灵敏度为0.0067cm2/mJ的较好结果，比S.Blaya等[9]获得的衍射效率略高，而厚度是其的2.4倍、分辨率是其的2.2倍和曝光灵敏度是其的3.35倍.

在488nm处获得的衍射效率与曝光时间的关系曲线如图6所示. 可以看出，材料对曝光强度表现出很大的依赖性：首先，初始引发率随着曝光强度的增大而增高；其次，饱和衍射效率也随曝光强度的增大而增大，但都有一个共同点，即衍射效率都会在达到饱和后开始降低，这和用514nm的波长记录的衍射效率与曝光时间之间的变化情形类似. 说明研制的光致聚合物材料时更适合多波长存储.

图5 透过率与曝光时间的变化曲线

图6 衍射效率与曝光时间曲线

3 结论

本文采用记录透射型衍射光栅的实验方法，根据亚甲基蓝染料的化学特性作为光敏剂，初步研究了丙烯酸和 N,N’-亚甲基双丙稀酰胺共同作为单体时厚度约为 180 μm的光致聚合物进行多波长复用的全息特性，获得了较为理想的实验结果. 结果表明：记录波长为632.8nm时，衍射效率高于40%，曝光灵敏度约为0.0083cm2/mJ；记录波长为 514nm时，最高衍射效率达57%、曝光灵敏度为0.0067cm2/mJ的较好结果.并且，首次在488nm处获得了超过50%的衍射效率. 在这三种记录波长下，该光致聚合物的分辨率均达到了2 200线对/mm. 但后两者均出现了衍射效率达到饱和后降低的现象，可能是样品中形成的光栅由于不是在最大吸收处引发聚合所形成的光栅处于不稳定的状态所致. 最终的结果表明以亚甲基蓝作为光敏剂的该光致聚合物是适合多波长存储的.

[1] MALLAVIA R, FIMIA A, GARCIA C, et al. Two dyes for holographic recording material: panchromatic ion pair from Rose Bengal and Methylene Blue[J]. Journal of Modern Optics, 2001, 48(6): 941-945.

[2] FIMIA A, MATEOS F, MALLAVIA R, et al. High-energy sensitivity enhancement in panchromatic photopolymers for holography using a mixture of visible light photoinitiators[J]. Journal of Modern Optics, 1999, 46(7): 1091-1098.

[3] 郭小伟, 谢安东, 伍冬兰, 等. 基于丙烯酰胺为单体的红敏光致聚合物衍射效率增强的研究[J]. 光学学报, 2005, 25(9): 1238-1242.

[4] 肖 勇, 孙彩霞, 唐道光, 等. 番红花红T光敏感光致聚合物全息存储材料[J]. 物理学报, 2008, 57(4): 2278-2283.

[5] BLAYA S, MALLAVIA R, CARRETERO L, et al. Highly sensitive photopolymerizaable dry film for use in real time holography[J]. Appl. Phys. Lett., 1998, 37(12): 1628-1630.

[6] BLAYA S, CARRETERO L, MADRIGAL R F, et al. New photopolymerizable holographic recording material based on polyvinylalcohol and 2-hydroxiethylmethacrylate (HEMA)[J]. Appl. Phys. B, 2002, 74(6): 603-605.

[7] BELENDEZ A, FIMIA A, CARRETERO L, et al. Self-induced phase gratings due to the inhomogeneous structure of acrylamide photopolymer systems used as holographic recording materials[J]. Appl. Phys. Lett., 1995, 37 (26): 3856-3858.

[8] USHAMANI M, SREEKUMAR K, KARTHA C S, et al. Fabrication and characterization of Methylene-blue-doped polyvinyl alcohol-polyacrylic acid blend for holographic recorcing[J]. Appl. Opt., 2004, 43(18): 3697-3703.

[9] LAYA ESCARRE SALVADOR B, MADRIGAL ROQUE F, Mallavia Ricardo M. Dye sensitization in a high sensitive photopolymerizable system for real-time hologram[J]. Proc. SPIE, 1999, 3638: 9-14.

（责任编辑：饶 超）

Holographic Characteristics of Photopolymer with Multi-wavelength

HU Jie-bo, YIN Qiong
(Physics & Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangyang 441053, China)

The multi-wavelength holographic characteristics of the photopolymer dry film with 180mm thickness, which is based on acrylic acid and N,N’-methylenebisa-crylamide as monomers, photoinitiated by Methylene Blue, was studied by recording the transmission diffraction gratings. The results reveal: Diffraction efficiency of above 40%and energetic sensitivities of 0.0083cm2/mJ was obtained by record-wavelength of 632.8nm; The best high diffraction efficiency of 57%and energetic sensitivities of 0.0067cm2/mJ was obtained by record-wavelength of 514nm; Addition, Diffraction efficiency of above 50% was obtained first at 488nm. These results show the photopolymer is adaptive to the multi -wavelength holographic storage.

Holographic; Photopolymer; Diffraction efficiency; Multi -wavelength holographic storage

O438.1

A

1009-2854(2012)02-0009-03

2011-10-08

湖北省教育厅重点科研项目(D20092504)；湖北省教育厅优秀中青年人才项目(Q20082503)

胡界博(1981— ), 女, 河南新野人, 襄樊学院物理与电子工程学院讲师.