新型全息材料光致聚合物中全息显示技术及信息存储性能验证

王智斌

（湖北联合天诚防伪技术股份有限公司，湖北 武汉 430000）

全息影像技术是3D 技术的一个重要分支，它可以再现物体或场景的强度信息、位相信息，从而得到最接近真实物体或场景的三维图像，目前该技术已经在艺术展览、医学检测、军事工业等领域得到广泛应用。在全息技术成熟发展背景下，对全息存储容量也提出了更高的要求。目前较为常用的银盐材料（如卤化银）虽然具有分辨率高、稳定性好等特点，但是需要显影、定影、漂白等一系列后处理过程，不仅提高了操作成本，而且还会影响成像质量。光致聚合物能够克服传统全息存储介质的各种缺陷，是一种具有广阔应用前景的新型全息材料。

1 新型全息材料光致聚合物的样品制备

光致聚合物的核心组成有单体、光引发剂、协引剂、交联剂等。其制备原理是利用光引发剂、协引剂的诱发作用，使单体受到光照作用后发生聚合反应，然后将多个分子量较小的单体聚合成分子量较大的聚合物。单体作为组成光致聚合物的关键，选择合适的单体材料对提高聚合速率，以及保证聚合体稳定性有显著作用。目前应用效果较好的单体材料有丙烯酸、甲基丙烯酸等。光致聚合物的制备方法如下：

1.1 确定材料类型及配合比。聚合物单体选用丙烯酸酯（TMPTA），该材料的每个单体分子中含有3 对碳-碳双键，在发生聚合时每对碳- 碳双键都能吸收能量展开成为不饱和的单键，这些单键又能进行重组，从而聚合形成大分子。光引发剂选用四氯四碘荧光素钠（RB），该材料能吸收波长在400-600nm 内的可见光，如图1 所示。协引剂选用苯氨基醋酸（NPG），配合光引发剂能促使单体进行聚合反应。交联剂选用N- 乙烯基吡咯烷酮（NVP），该材料可交联聚合大分子。在选定材料类型后，还要协调每一种材料的比例，4 种材料的质量分数依次为70.5%、1.1%、2.4%、26.0%。

图1 RB 在可见光范围内的吸收谱

1.2 配制混合溶液。根据确定的成分比例，分别量取4 种溶液，将其均匀混合后放置到一个完全不透光的暗盒中，将暗盒放入超声波仪上，超声处理60min。之后将暗盒取出，静置15min，用注射器抽取上层溶液，移入另一暗盒中，以备使用。

1.3 准备一块尺寸为5cm×5cm 的干净玻璃，用蘸有酒精的医用棉签擦拭，然后使用去离子水冲洗。放置于干燥炉中烘干，用锡纸包裹以备使用。

1.4 取2 块处理好的玻璃放到实验台上，另取3 块厚度为100μm 的调节垫片，分别放到其中一块玻璃的边缘处，然后盖上另一块玻璃，并涂抹AB 胶，这样就得到了一个三面密封、一面开口的样品盒。然后从无垫片的开口处灌注准备好的聚合物混合液。等到混合液灌满样品盒后，使用AB 胶将开口封闭，等到混合液完全固化后进行实验，如图2 所示。

图2 聚合物混合液制作示意图

2 光致聚合物的全息显示技术

2.1 角度寻址方式与角度复用存储

根据耦合光束设置方式的不同，可以将体全息图的角度寻址划分成2 种：一是物光（O）和参考光（R）相对于介质法线方向对称，同时改变两束光的角度；二是在物光和参考光之间固定一束光，改变另一束光的方向。在全息存储中，水平角度如果偏大，在角度复用时容易出现相邻全息页间发生串扰的情况；反之，水平角度如果偏小，则会导致单点全息图的角度复用存储能力下降。因此，全息存储中科学确定水平角度十分关键。基于耦合波理论，水平选择角公式为：

上式中ΔO 为布拉格（Bragg）衍射主瓣的全宽度，Δθ 为相对于Bragg 角的偏移量。θO和θR分别表示物光与介质法线之间的夹角、参考光与介质法线之间的夹角。d 为光源与反射面之间的距离。在θO=θR的情况下，物光与参考光基于介质法线完全对称，此时形成非倾斜光栅，则式（1）可转化为：

如果θO和θR都比较小，此时光栅的频率高但是角度选择性差；如果θO和θR都比较大，因为介质折射的影响，角度选择性同样很差，因此为了获得较好的复用存储能力，一般使θO和θR的取值范围在30-60°之间。

2.2 二维正弦光栅直写

光致聚合物的单体在聚合时，会根据光场分布在介质内形成折射率调制，从而记录全息图。聚合物的存储性能越强，则记录的信息越丰富，相应的全息图的真实度越高。为验证光致聚合物的信息存储性能，本文使用Matlab 软件模拟正弦光栅直接照射聚合物，观察聚合物中是否有光栅记录。实验系统如图3 所示。

图3 全息光栅直写系统结构图

如图3 所示，固体激光器产生一束波长为532nm 的光，该光束首先经过半波片调节激光功率，然后经过空间滤波器处理后变成直面波，通过凸透镜照射到偏振分光棱镜上。在空间光调制器的作用下，让光束穿过位于样品上方的另一块凸透镜，并且利用凸透镜的聚焦作用，使缩小的光栅图像聚焦于一点照射到样品上。持续照射约3-5 秒后，关闭激光器。然后将样品取出，并玻璃样品周围的密封胶。使用镊子夹住样品上下方的玻璃板，放到酒精中持续浸泡120 分钟。注意期间要始终保证没有强烈的光照。然后将玻璃板撤去，将样品放到电子显微镜下观察。可以观察到样品中记录了完整的光栅结构，说明光致聚合物确实可以作为全息信息存储介质。

2.3 全息图像记录

在确认光致聚合物材料具有信息存储能力后，设计了基于全息光致聚合物材料的单点记录静态全息图实验，进一步验证该材料在储存全息图方面的实际效果。实验系统如图4 所示。

图4 全息记录系统结构图

如图4 所示，全息记录系统中使用功率为420mW、波长为473nm 的固体激光器，发出的光束经半波片照射到偏振分光棱镜上，在棱镜的另一端射出两束光，即物光和参考光。其中，物光在空间滤波器的作用下扩束准直，并经过空间光调制器在凸透镜的聚焦作用下，在聚合物样品上加载全息图；而参考光经平面镜反射后直接照射到聚合物样品上。在物光和参考光的相互干涉下，将信息记录到样品中。完成记录后，再使用1 台高压汞灯（He-Ne 激光器）用波长为488nm 的蓝光、波长为532nm 的绿光、波长为632nm 的红光，分别探测记录位置。每一种激光均记录了两条信息，分别是汉字“我”和字母“A”。观察全息图像的再现结果，发现聚合物样品上蓝色的“我”和“A”记录最清晰，其次是红色，最后是绿色。说明光致聚合物对波长为488nm 的蓝光吸收能力较差，因此光栅结构较好，可以完整记录全息信息。

2.4 单光束反射式模拟全息图记录

通过上文实验证明光致聚合物样本可以记录简单的二维图像信息。而全息影像为三维立体图像，因此基于全息显示技术的聚合物样本除了能够存储二维图像信息外，还必须能够完整记录物体的三维形貌。为验证这一功能，设计了单光束记录反射全息图实验，实验系统如图5 所示。

图5 单光束记录模拟全息图

该实验中由激光器发出波长为488nm 的光束，在低光强下长时间曝光提高记录效果。选择一枚硬币作为被记录物体，从硬币反射到聚合物样品上的光作为物光。从激光器发出的光，依次经过衰减器、快门、扩束器后照射到聚合物样品上，作为参考光。两种光在聚合物样品上发生干涉，从而在聚合物样品中记录下硬币的三维形貌。实验结束后，将该聚合物样品放置到电子显微镜下可以观察到清晰的硬币三维图像。该实验证明了光致聚合物能够记录和重建三维全息图。

3 光致聚合物信息存储性能验证

随着全息影像技术的成熟发展，全息材料的种类也变得更加丰富。现阶段常用的全息记录介质材料除了光致聚合物外，还有重铬酸盐明胶、光折变晶体、卤化银薄膜等几种。其中，重铬酸盐明胶的存储容量较大，但是本身属于重金属材料，具有一定的毒性；光折变晶体是近几年新出现的一种全息材料，具有分辨率高、连续性好等优势，但是受到现有技术条件限制，使用成本较高。卤化银的价格不高，并且在分辨率、稳定性方面也有一定优势，应用较为广泛。为进一步验证光致聚合物和卤化银两种全息材料的信息存储性能，设计了2 组对比实验。实验一是在空间光调制器上加载全息图，该全息图衍射出的立体三维信息作为物光，与参考光在记录介质处产生干涉；实验二是利用空间光调制器的多通道特性，使物光与参考光均照射在记录介质平面（H）上，利用全息图衍射生成三维立体模型。该实验装置设计如图6所示。

图6 全息图记录系统

两次实验中，使用超细微粒卤化银制作的记录介质与光致聚合物样品，均成功实现了数字全息图像记录。卤化银乳胶中的全息图像具有分辨率高、稳定性好的特点，但是受到光调制器的限制，全息图的视差角度偏小，可能会影响日常观看需求。另外，卤化银乳胶虽然能完整记录全息信息，但是后处理流程较为繁琐，包括显影、定影、漂白等几道流程，任何一个环节操作不当，都会影响最终的成像质量。相比之下，光致聚合物记录的全息信息比较全面、分辨率较高，并且不需要后处理，因此综合应用效果更好。

4 结论

新型全息材料的研制和应用是推动全息影像技术发展的关键。光致聚合物相比于卤化银、重铬酸盐明胶等传统的全息材料，具有分辨率高、绿色环保、成本较低等一系列优势。实验表明，以丙烯酸酯（TMPTA）为单体制作的光致聚合物，可以较为完整地记录全息图，全息显示分辨率高，信息存储能力较强，具有广阔的发展前景。