丙烯酰胺光致聚合物全息存储性能研究

王 珩，徐世峰，马 佳，张 健，姚承君(沈阳航空航天大学 理学院,沈阳 110136)

基础科学与工程

丙烯酰胺光致聚合物全息存储性能研究

王 珩，徐世峰，马 佳，张 健，姚承君
(沈阳航空航天大学 理学院,沈阳 110136)

研究了一种具有良好光学性能的丙烯酰胺材料，在测量出材料吸收谱线基础上，分别利用532 nm和633 nm的激光作为记录光和参考光，测量该材料的衍射效率曲线，最大衍射效率可达86%；并在300 μm厚的材料中实现了信息存储和读出，表明该材料具有良好的全息存储性能。

全息存储；光致聚合物；丙烯酰胺；衍射效率

光学全息存储技术是近年来伴随着数字信息技术的快速发展应运而生的新一代的信息数据存储技术，不同于传统信息存储方式，全息存储技术具有灵敏度高、存储容量大、存储响应速度快、成本低廉以及抗干扰能力强等优势,被认为是有望解决下一代存储问题的最佳存储方式之一[1-7]。最近，世界各国的诸多公司和机构都将大量的人力和财力投向了光学全息存储领域，比如美国的InPhase公司以及日本的Optware科技公司在光学全息存储技术和器件等方面都取得了里程碑式的成就和进展。但是制约全息存储技术实用化和产业化的一个关键因素就是能否找到一种合适的全息存储材料。光致聚合物是近年来涌现出来的一种新型存储介质，科研人员对此进行了广泛研究[8-12]。相比于其他记录介质，光致聚合物具有衍射效率高、响应速度快、技术工艺简单以及成本低廉等优势。本文研究了一种聚乙烯醇/丙烯酰胺(PVA/AA)光致聚合全息存储材料，该材料具有光学质量好、灵敏度高、成本低廉和制备工艺简单等特点，是一种特别适用于光学体全息存储技术的记录介质。

1 材料制备

用于全息记录的PVA/AA光致聚合材料成分如下：丙烯酰胺(AA)为白色粉末，作为聚合反应的单体；聚乙烯醇(PVA)为白色粉末，作为材料基底，也就是材料的骨架；三乙醇胺(TEA)为无色粘稠透明液体，作为光引发剂；曙红Y(YE)为暗红色粉末，作为光敏剂，与引发剂一起组成光敏系统[13-15]。除此之外，我们在材料中加入适量的亚甲基双丙烯酰胺(BMAA)作为交联剂，亚甲基双丙烯酰胺为白色粉末，分子结构中具有特殊官能团，在光敏剂和引发剂吸收光子后，单体发生聚合反应，交联剂的加入使得单体聚合速度增大，从而使得衍射效率增加，材料的响应时间和灵敏度也随之增加，并且使生成的聚合物的聚合度增大，大大减小聚合物在材料中的扩散，从而使材料中的折射率光栅结构不易被破坏，使材料内部记录的全息图更加稳固，记录的信息得以长久保存。表1为PVA/AA材料各个组分，图1为丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的化学结构图。

表1 PVA/AA光致聚合材料组分

图1 丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的分子结构图

PVA/AA光致聚合物材料的制备过程如下：将PVA溶解于水制成浓度为10%的溶液，分别将AA、BMAA、TEA和YE加入其中制成混合溶液，将混合溶液均匀涂抹在玻璃片上，移至暗室数小时，待干燥后即可使用，如图2所示。

图2 PVA/AA光致聚合全息存储材料

2 材料性能研究

2.1 吸收谱线

丙烯酰胺光致聚合物材料被特定波长的光照射时，材料中的光敏剂曙红，吸收光子能量跃迁至激发态，激发态的曙红进一步与引发剂三乙醇胺发生能量转移，生成根自由基。根自由基与单体丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺发生反应引发单体聚合，生成光致聚合物，进而在材料内部形成周期性的折射率光栅，将信息存储在材料内部[16]。

我们制备了具有不同光敏剂浓度的丙烯酰胺光致聚合物材料样品，利用光纤光谱仪(Avaspec-2048 Fiber Optics Spectrometer)测量了三种不同光敏剂浓度的材料样品的吸收谱。光谱仪参数如下：波长测试范围为360～1 100 nm，分辨率为0.04 nm。图3所示为三种不同YE浓度的PVA/AA材料的吸收谱，其中选择吸收谱的范围为400～700 nm。我们制备的这种光致聚合物材料在450 nm～550 nm波段的可见光范围内具有很强的吸收能力，且光敏剂浓度越高吸收能力越强。而对于450 nm波长以下的光以及580 nm以上波长的光吸收率很小，可以忽略不计。因此，我们在进行材料样品衍射效率测量和数据全息存储时，采用波长为532 nm的半导体激光器作为记录光源和参考光源，同时采用波长为633 nm的He-Ne激光器作为读出探测光源。

图3 不同光敏剂浓度下PVA/AA材料的吸收谱

2.2 衍射效率

材料样品的衍射效率是衡量全息存储材料全息性能的一个重要参数，这里定义衍射效率为衍射光光强与入射光光强的比值。材料的衍射效率随光照时间的变化曲线反应了材料内部光致聚合物形成的折射率光栅的建立过程。材料内部的折射率光栅的建立过程涉及光子吸收、单体聚合、单体扩散和聚合物扩散等多个过程，这些过程相互依存、相互影响，比较复杂，很难直接进行观测。而通过对材料衍射效率随光照时间变化的测量，可以间接测量出材料内部形成的聚合物折射率调制度、材料的信息存储响应时间以及材料的灵敏度等多个重要物理量。

在测量材料全息性能的实验中，我们采用典型的二波耦合装置对PVA/AA光致聚合物材料样品进行实验测量，图4所示为二波耦合全息光栅记录装置示意图。采用波长为532 nm的半导体激光器作为光源，光束经过空间滤波器与分光棱镜后，被分成两束相干的、具有相等光强的记录光和参考光。记录光和参考光都以与材料表面的法线方向成16.8°的入射角对称入射到材料样品的表面，在材料内部记录光和参考光发生干涉，形成明暗相间区域。在亮区，由于光照作用，光敏剂引发单体聚合生成聚合物；在暗区，没有聚合物的形成，并且在亮区和暗区单体浓度差的驱动下，暗区单体扩散至亮区，继续参与光致聚合，从而完成亮区和暗区间折射率光栅的记录。根据材料的吸收光谱特征，我们使用材料吸收很小的波长为633 nm的He-Ne激光作为探测光源，探测光以与材料表面法线成20.8°的Bragg角入射到材料样品上。使用光电探测器接收并测量衍射光光强，光电探测器与计算机相连接，这样就能够实时测量材料衍射光光强随曝光时间的变化，从而计算出材料的衍射效率变化。PVA/AA材料样品放置于分辨率为0.0025°的精密旋转台上，并由计算机进行控制。

利用上述的二波耦合全息光栅记录与探测系统，我们测量了同一PVA/AA材料样品在四种不同光强照射下的衍射效率随光照时间的变化曲线，记录光强分别为3 mW/cm2、5 mW/cm2、8 mW/cm2和10 mW/cm2，如图5所示为材料不同光强下的衍射效率曲线图，由图可见，在光栅记录初始阶段，衍射效率随曝光时间的增加而迅速增大，达到最大值后趋于平稳。这是因为在这段时间内，光敏剂曙红吸收光子，与引发剂三乙醇胺发生反应，生成具有化学活性的根自由基，根自由基引发周围的单体丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺发生聚合，形成光致聚合物，同时暗区的单体扩散至亮区并参与聚合反应，最后在亮区和暗区之间记录下折射率光栅；当参考光照射材料中记录的折射率光栅时形成衍射光，记录的折射率光栅强度越大衍射光强越大。在记录光强为5 mW/cm2时，材料样品可获得最大衍射效率可达86%；当记录光强为3 mW/cm2时，由图可见其衍射效率和灵敏度都比5 mW/cm2时有所下降，这主要是因为当入射光强减小时，相同时间内材料中光敏剂吸收的光子数量减小，生成的根自由基数量减小，样品内部单体不能充分聚合，致使形成的光致聚合物浓度减少，从而形成的折射率光栅强度变小，因此材料表现出的衍射效率和灵敏度降低；而当记录光强分别为8 mW/cm2和10 mW/cm2时，材料样品的灵敏度有所提高，但经过一段时间光照后，获得的最大衍射效率却大幅度降低，这主要是因为当入射光强较大时，在材料内部亮区单体迅速聚合生成聚合物，消耗了大量单体，暗区单体在浓度差作用下向亮区扩散，但单体由暗区向亮区的扩散速度要小于亮区单体的聚合速度，于是在材料中记录下的是一种非正弦光栅，因此样品的衍射效率有所降低。

2.3 存储效果

为了考察这种PVA/AA材料的信息存储性能，我们利用空间光调制器、激光器和各种光学透镜等搭建了体全息存储系统，制备了300 μm 厚的PVA/AA光致聚合材料样品作为信息存储介质，实现了图片信息的全息存储与再现，图6为再现的图像，再现图像保真度良好，证明了PVA/AA材料良好的光学全息性能。

A：光阑，SF：空间滤波器，BS：分光棱镜，S1，S2：快门，M1-M4：反射镜，R：旋转台，D：光电探测器，PC：计算机图4 全息光栅记录实验装置

图5 PVA/AA样品在不同光强下的衍射效率随曝光时间的变化曲线

图6 从PVA/AA材料中读出的再现图像

3 结论

本文研究了一种适合于光学全息存储的光致聚合物材料——聚乙烯醇/丙烯酰胺，该材料制备工艺简单、成本低廉，光学性能良好。实验表明：该材料可以选用532 nm的激光作为记录光，633 nm的激光作为读出光进行信息记录与读取；通过二波耦合实验装置得到该材料的衍射效率曲线，在记录光强为5 mW/cm2时，最大衍射效率可达86%；利用体全息存储系统进行了信息记录与读出实验，图像再现保真度良好。上述研究表明聚乙烯醇/丙烯酰胺光致聚合材料具有优良的全息存储性能，适合于光学信息体全息存储。

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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

国家自然科学基金(项目编号：11604223；11404223)

王 珩(1982-)，男，辽宁抚顺人，讲师，博士，主要研究方向：光学全息存储，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

刘划 英文审校：刘勇进)