光致聚合型全息存储材料收缩对体光栅影响的实验研究

王智斌

（湖北联合天诚防伪技术股份有限公司，湖北武汉 430000）

0.前言

全息存储相比于传统的磁盘存储、光盘存储等具有传输速率快、存储容量大、灵敏度高等一系列优势，在数据爆炸式增长的时代有着广阔的应用前景。随着全息技术的发展，全息存储介质也呈现出多样化趋势。常用的有银盐材料、光折变晶体、重铬酸盐明胶、光致聚合物等几种。其中，光致聚合物因其具有分辨率高、稳定性好、成本较低、加工处理方便等特点，成为全息存储介质的主要材料。现阶段，全息记录中材料收缩引起记录光栅变化进而影响成像质量，成为制约光致聚合物发展应用的主要问题。探究材料收缩对体光栅的影响，进而寻求最佳曝光量和条纹反衬度，能够为提高全息记录质量提供一定的帮助。

1.材料收缩对体光栅影响的实验分析

1.1 光致聚合型全息存储材料的收缩机理

单体聚合过程中发生体积收缩的原因主要分为2部分：

其一是化学反应使得分子间的距离减小。例如以不饱和聚酯树脂为单体的光致聚合物，在单体聚合过程中受到光引发剂、协引剂的作用后发生交联反应，不饱和双键被打开形成饱和单键，如图1所示。这一过程中键长发生改变，从原来的0.132nm变为0.135nm；同时，交联点间距由原来的分子间距离缩短为键长距离，从0.5nm变成了0.135nm。当单体中大量分子都表现出上述变化后，光致聚合型材料就会表现为体积收缩[1]。

图1 聚合反应导致键长改变示意图

其二是分子从无序分布到有序排列使得自由体积减少。单体材料在发生交联反应前，微观上分子是随意分布的，分散范围广，自由体积大。而发生交联反应后，分子受到交联点的约束进行有规则的运动，重新排列形成了紧密结构。当大量分子之间的自由体积减少后，光致聚合型材料也会表现为体积收缩。

1.2 材料收缩的实验装置

在使用光致聚合物记录全息信息时，该材料受到光照后，材料中的光敏剂吸收光子并从静态转变为激发态，可以与周围的分子发生反应或传递能量。在这一过程中，光致聚合物对不同波长的光的吸收率存在较大差异。以PQ（菲醌）和MMA（甲基丙烯酸）组成的光致聚合物为例，对波长为432nm的蓝光吸收率达到了98%，对波长为532的绿光吸收率在58%左右，而对于波长为633nm的红光吸收率基本为0。因此实验中选择波长为633nm的红光作为读出光栅，可以对材料中记录的光栅无损探伤[2]。实验装置如图2所示。

图2 双光束测量法实验装置

注：Laser1和 Laser2为两个输出波长不同的激光器；A为可调衰减片；PBS为偏振分光棱镜；HWP1和HWP2为半波片；SH1和SH2为快门；R为电动转台；M1、M2、M3为反射镜；BS为半反半透镜；PS为光致聚合材料；D1、D2、D3、D4为功率计；θ1G和θ2G为两束绿光与介质法线的夹角；θ1R和θ2R为两束红光与介质法线的夹角。

1.3 不同曝光量下非倾斜光栅实验

利用上述装置测量不同曝光量下非倾斜光栅的布拉格（Bragg）角度偏移情况。通过旋转材料，在保证红光能够正常读出的情况下，使最大衍射功率的布拉格读出角度θ1R=30°，θ2R=-30°。然后改变记录光功率P1G、P2G以及记录时间t，测得不同曝光量下布拉格角度衍射变化曲线。可以发现，在0～1500mJ/mm2的范围内，随着曝光量的增加，布拉格角度偏移量也呈现出上升趋势，相应的光栅间距也发生显著变化。在曝光量为8.6mJ/mm2时，光栅间距变化系数为0；当曝光量达到1500mJ/mm2时，光栅间距变化系数达到极值，为-4.71×10-4。继续调整布拉格读出角度，分别记录在 30°:-30°、25°:-35°、20°:-40°等不同曝光量下光栅间距的变化情况，统计实验数据如表1所示。

表1 不同曝光量对应的光栅间距变化比例

结合数据可以发现，在曝光量增加的同时，布拉格角度偏移幅度也便呈现出增加的趋势，并且存在初始增速较快，后期趋于平稳的特点。分析其原因，在初始曝光阶段，此时光致聚合物中以小分子为主，小分子之间的自由体积较大，因此接受光照后化学反应速率快，导致聚合物的浓度得以快速上升。随着曝光时间的延长，聚合物浓度不断升高，小分子数量减少，并且分子间的自由体积变小，逐渐形成了坚硬的骨架，因此后期材料收缩不明显，布拉格角度偏移幅度减小[3]。

另外，在不同曝光量下的Δθ1R:Δθ2R≈-1，说明体光栅总体上维持在非倾斜状态，因此导致光栅间距变化的因素主要来自于布拉格角度偏移。基于光栅间距变化模型可以推导出光栅间距收缩系数（V）与曝光量的关系，即随着曝光量的增加，V值也呈现出上升趋势。并且当曝光量达到1500 mJ/mm2极值时，V值不再增长，此时的布拉格角度偏移也达到饱和状态。因此，在材料收缩对体光栅影响的研究中，可以得出以下结论：将曝光量设定为1500 mJ/mm2左右，光致聚合型全息存储材料收缩达到饱和，对体光栅间距变化的影响最小。

2.材料收缩对全息图像存储影响的实验分析

2.1 光致聚合型全息图像的存储与读出实验装置

光致聚合型全息存储材料在发生收缩后会直接影响图像读出质量，导致全息图像的分辨率下降、内容出现残缺。为了进一步验证光致聚合物收缩对图像读出质量的影响，设计了一种通过改变入射光方向实现角度复用的图像存储与读取装置，其结构如图3所示。

图3 改变入射光方向实现角度复用的图像存储实验装置

该实验装置中可通过三透镜组改变参考光的入射角度θ1G，从而在光致聚合材料上实现角度复用存储。实验中调节位移台的角度可以改变入射光的方向，当电动位移平台S中的凸透镜L1偏移量x时，对应的角度θ为：

式（1）中f1、f2、f3分别为凸透镜L1、L2、L3的焦距。按照上述公式调节位移台使θ1G和θ2G的角度不断变化，同时观察不同角度组合下光致聚合材料中存储的全息信息的清晰度和完整度。最终当θ1G=45.42°、θ2G=-42.82°时，可以获得分辨率最高、完整度最好的全息影像，则该角度即为最佳读出角度[4]。

2.2 条纹反衬度对材料收缩的影响

在图像复用存储实验中还发现，记录光功率比P1G:P2G与布拉格角度变化呈负相关。即P1G:P2G值越大，则角度变化幅度越小，材料收缩程度越轻微，这一变化趋势与干涉条纹反衬度γ有关。根据光强分布公式和反衬度公式：

式（2）中δ为相位差，I为光照强度，I0为均匀光强；式（3）中IM和Im分别为干涉场中光强的极大值和极小值。在此基础上将上述两式叠加，整理后可得：

上式中，I0-I0γ为本底均匀光强，有利于形成长的聚合链；2I0γcos2(δ/2)表示非均匀调制光强，有利于短链的形成。已知干涉条纹反衬度γ的取值区间为[0,1]，通过调节记录光功率比P1G:P2G，使γ值尽可能地趋近于0，促使长聚合链的形成，能够降低光致聚合材料的收缩量，对提高光致聚合型全息存储材料的成像精度有积极帮助[5]。

3.结语

在常用的几种全息存储材料中，光致聚合物相比于银盐材料、重铬酸盐明胶等，无论是在使用成本还是综合成像性能方面均具有一定优势。由于全息信息存储特性的影响，光致聚合物在不同曝光量下容易出现不同程度的收缩现象，进而对全息影像的分辨率、完整度带来了负面影响。本文通过实验研究认为在全息信息存储过程中将曝光量设定在1500mJ/mm2左右，材料收缩达到饱和，对体光栅间距变化的影响最小。同时，实验中尽可能降低干涉条纹反衬度，有利于光致聚合材料中长聚合链的形成，可以降低材料收缩量，对进一步提高全息图像存储质量与读取精度有积极帮助。