偶氮光聚物/无机纳米多孔膜的数字全息存储研究

葛蕴秋，景玉丹，易 贝，杨旭慧，严旭辉，亢丽红,付申成,b

(东北师范大学 a.物理学院；b.物理学师范专业国家级实验教学示范中心，吉林 长春 130024)

近年来，随着计算机、CCD、CMOS、空间光调制器等光电器件的出现，全息技术得到了飞速发展[1-2]. 信息时代的来临，数字化存储技术成为国家信息基础设施建设、国家创新能力提升、国防信息安全的重要组成部分. 发展更加先进、可靠、高性能的存储技术和存储设备对信息资源数字化、网络化建设是十分必要的，而具有海量存储能力的激光全息存储系统是理想的发展方向之一[3-4]. 推进全息存储发展的关键是找到合适的存储介质和制膜技术. 从制作成本和存储效果看，光致聚合物是全息存储的理想介质. 但光致聚合物薄膜存在皱缩的问题导致衍射效率受限，如何在增大薄膜存储容量的同时抑制光致褶皱现象更具有实际意义.

本文将偶氮光聚物作为存储介质，通过无机纳米多孔模板的空间限域特性减少皱缩现象，提升衍射效率，并且从光化学原理研究并解释了薄膜记录及再现机理，通过测量薄膜的全息动力学特性，分析无机纳米多孔模板的作用，利用马赫-曾德尔光路进行薄膜存储. 通过金相显微镜观察薄膜存储的全息图信息并且分析影响衍射效率的因素.

1 制备高质量的光聚物薄膜

实验器材：TiO2，PDR1，三氯甲烷，玻片，称量纸，锡纸，电子天平，移液枪，磁力搅拌器.

实验步骤：

1)称量药品. 剪取称量纸(用于存放PDR1)，对天平进行调平后，放纸清零，根据PDR1占溶液质量分数3%的配比[5]，称取8.9 mg PDR1放入离心管中.

2)用移液枪量取250 μL三氯甲烷与PDR1溶液混合，并用锡纸包装，避光存放.

3)滴涂法制备光致聚合物薄膜. 取80 μL PDR1溶液滴于玻璃衬底上；取80 μL PDR1溶液滴于3层TiO2衬底上；将培养皿倒扣，并用遮光布遮光处理，静置24 h[6].

4)分别制作出2种样品膜：PDR1/玻璃衬底(图1)和PDR1/3层TiO2衬底(图2).

图1 PDR1/玻璃衬底

图2 PDR1/3层TiO2衬底

2 光聚物的存储及再现机理

实验中使用的存储介质光致变色性能良好，通过吸收短波长光能，促使偶氮分子产生反式→顺式异构化，产生吸光度和折射率的变化. 入射的2束相干光发生干涉，导致照射到薄膜表面的光强周期性变化，由于光致变色效应，照射一段时间后薄膜的吸收系数和折射率均呈周期性改变，此时薄膜近似于透射光栅，再用参考光照射，由衍射原理读取光栅生长的动力学信息[7].

3 薄膜的全息动力学特性

搭建全息动力学测试光路，使用蓝光激光源(λ=473 nm,P=10 mW)作为写入光；红光激光源(λ=671 nm,P=0.5 mW)作为读出光[8]，测试薄膜的全息动力学特性.

由图3可知，以玻璃作为衬底的薄膜在500 s内达到极值，以TiO2作为衬底的薄膜在800～1 000 s达到极值，此后检测到的光强随时间平缓减弱. 从图3中还可以看出无机纳米(TiO2)模板可以有效增强衍射效率，因为多孔结构可以起到固定的作用，减少薄膜皱缩现象[9].

图3 薄膜全息动力学特性

4 研究薄膜的数字全息特性

4.1 搭建马赫-曾德尔光路

研究薄膜数字全息特性的光路图如图4所示. 为得到干涉效果较好的条纹，应使2束光的光程相等，令BS1，BS2，M1和M2构成正方形，最终得到2束几乎平行但仍存在交角的干涉光.

图4 马赫-曾德尔光路

在1个光臂中加入空间光调制器，使目标图像通过计算机输出，经空间光调制器将数字信息转换为光学信息，让CCD或薄膜采集到此信息. 利用金相显微镜观察薄膜表面并与CCD接收的信息相比较.

4.2 薄膜与CCD接收全息图的效果对比

首先进行直条纹图像的存储. 图5为利用CCD接收观察到的直条纹干涉图像，通过调整两相干光交角使条纹达到合适的宽度.

图5 CCD对干涉直条纹的接收效果

图6为利用金相显微镜，在PDR1/玻璃衬底膜和PDR1/3层TiO2衬底膜表面所观察到的直条纹图像，可以看出PDR1/3层TiO2衬底膜上所形成的条纹图像更加清晰，更真实地复制了干涉光场的信息.

接着加入空间光调制器，通过计算机输出图7样式的三角形图像，图8为利用CCD接收观察到的干涉图像. 图9为在PDR1/玻璃衬底膜和PDR1/3层TiO2衬底膜表面所观察到的三角形图像. 可以看出PDR1/玻璃衬底膜上的图像发生了较大形变，且有部分图像信息丢失，PDR1/3层TiO2衬底膜上的图像无明显形变，图像信息完整. 由此可以看出无机纳米衬底(TiO2)可以有效增强衍射效率，使存储的图像质量更高.

(a)PDR1/玻璃衬底表面

(b)PDR1/3层TiO2衬底图6 金相显微镜观察到的直条纹图像

图7 输入空间光调制器中的三角形图像

图8 CCD对三角形图像的接收效果

(a)PDR1/玻璃衬底膜

(b)PDR1/3层TiO2衬底膜图9 薄膜中存储的三角形图像

5 影响薄膜衍射效率的因素分析

实验结果表明，负载光聚物的无机纳米多孔薄膜能够有效记录全息图，但其存储性能仍有提升空间，如薄膜均匀性的提升[10]. 在金相显微镜下能够观察到滴涂法制备的薄膜边缘存在一定的不均匀，后期可通过增大滴涂面积得以改善.

实验中需注意保证薄膜厚度，控制滴涂均匀性，减少薄膜中的杂质，调控光强及测试时间，优化薄膜存储条件，尽可能消除实验室外部环境对测试结果的影响，实现最佳的信息记录效果.

6 结束语

利用TiO2纳米多孔膜的空间限域效应改善光致聚合物薄膜的褶皱问题，制作出高质量的全息存储介质. 通过光化学原理研究了光致聚合物薄膜存储机理，合理设计薄膜存储光路，通过TiO2模板与平层玻璃衬底负载的光致聚合物动力学曲线和实际图像存储效果对比，验证了TiO2模板可以有效提升全息存储效率，实现高密度信息记录.