聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究

天津理工大学本科毕业设计（论文）选题审批表届：2015 学院（系）：理学院 专业：应用物理 2014年11月15日学生姓名赵元元学号20113598指导教师于丹职称讲师所选题目聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究题目来源 科学技术选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等）：为了获得高存储密度和大存储容量，一系列复用光栅通常被记录在存储介质中的同一个点。复用光栅的均匀性受记录光的影响，通常是通过曝光序列获得较均匀的光栅衍射效率。然而曝光序列在理论计算和实验操作方面都很复杂，其实际应用具有很大的局限性。影响复用光栅衍射效率均匀性的因素是多方面的，本题目基于菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物，从预曝光强度、曝光时间间隔以及复用光栅暗增强等方面对光栅的衍射效率均匀性进行了实验研究，试图寻找一种不需要计算复杂的曝光序列也能获得均匀稳定的复用光栅的新途径。本题目能够使学生对PQ/PMMA光致聚合物材料进行深入了解，并对复用光栅的衍射效率均匀性进行初步研究。在培养学生实验动手能力的同时，使学生掌握科学研究的基本方法与流程。签字： 年 月 日指导教师意见院（系）专家组意见教研室（研究所）意见签字：年 月 日签字：年 月 日签字：年 月 日注：（1）“选题理由”由拟题人填写。 （2）本表一式二份，一份院系留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书（毕业论文）中。 天津理工大学教务处制表 天 津 理 工 大 学本科毕业设计任务书题目：聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究学生姓名 赵元元 届 2015 学院（系） 理学院 专业 应用物理 指导教师 于丹 职称 讲师 下达任务日期 2014.12.01 天津理工大学教务处制一、毕业论文内容及要求本毕业论文主要是研究光致聚合物材料中复用光栅衍射效率均匀性。当多幅光栅同时记录于材料一点时，各个光栅的衍射效率将受到多种因素影响，包括：暗增强、曝光时间、间隔角度等等。本研究从实验角度测试复用光栅的影响因素。主要探究暗增强过程对光栅均匀性的影响，试图寻找一种不需要曝光序列的光栅记录方法实现均匀性较好的复用光栅。基本内容：1、查找文献资料，了解论文内容，有针对性的阅读文献； 2、学习全息复用光栅的记录方法与记录过程，尝试各种因素对实验结果的影响； 3、制备光致聚合物材料； 4、进行全息光栅记录与读取测试，并记录实验结果； 5、分析暗增强过程对复用光栅衍射效率均匀性的改善程度。基本要求：1、定期汇报学习情况，并与指导教师交流；2、自行制备光致聚合物材料；3、理论学习需要循序渐进，多看文献，多积累；4、通过毕业论文使学生了解并掌握基本全息相关知识；5、写出合格的毕业论文。二、毕业设计（论文）进度计划及检查情况记录表序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12014.12.012015.02.20开题准备，查阅相关资料和文献22015.02.202015.03.05开题。对本题目做深入了解，查找相关文献并阅读，写出计划表32015.03.052015.03.31学习全息复用光栅实验方法42015.03.312015.04.16针对多种影响因素进行实验，中期检查62015.04.162015.04.22进行归纳总结，分析暗增强过程对衍射效率均匀性的影响程度。72015.04.222015.05.26完成毕业论文8答辩注：（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。 （2）毕业设计（论文）任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明书（毕业论文）内。天津理工大学本科毕业论文开题报告届：2015 学院（系）：理学院 专业：应用物理 2015年 3 月 8 日 毕业设计（论文）题目聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究学生姓名赵元元学号20113598指导教师于丹职称讲师一、 课题的意义更高的存储密度和更大的存储容量是新型光学体全息存储材料不断追求的目标，在体块状存储介质中可以通过光栅复用来实现。光栅的复用是指在材料中的任意一点改变记录条件存入多个光栅，各个光栅的衍射效率受多种因素的影响，如记录时间、光栅间隔角度等。为了得到比较均匀的光栅衍射效率，通常采用的是曝光序列法，然而曝光序列在理论计算和实验操作方面都很复杂，其实际应用具有很大的局限性。本题目利用基于菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物特有的暗增强特性，避免计算复杂的曝光序列，对复用光栅衍射效率的均匀性进行研究。暗增强效应是PQ/PMMA材料特有的一种现象，记录在材料中的复用光栅在关闭记录光之后，各个光栅的衍射效率均会提高，而且衍射效率低的光栅增幅大，衍射效率高的光栅增幅小，总体趋于均匀。通过本题目的研究学生能够对光致聚合物中复用光栅的衍射效率均匀性有比较全面的了解，包括实验光路的搭建，复用光栅的记录与读取，衍射效率均匀性的测试等。通过查阅文献资料，应用学过的光学基础课程和物理实验知识，研究本课题的任务，学生能够掌握科学研究的基本过程，培养学生对科研的兴趣。按照任务书规定的时间，完成聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究。二、 国内外发展状况PQ/PMMA光致聚合物已经广泛应用于光学信息存储以及相关的信息过程研究领域，这种材料的主要缺点是响应速度慢。暗增强现象已经被证明可以用来改善PQ/PMMA材料的响应速度，它是由材料内部的PQ分子由暗区向亮区进行扩散引起的。应用暗增强现象能够改善复用光栅的衍射效率均匀性，并且避免了计算复杂的曝光序列。但是关于这方面的研究罕有报道，具体的实验测试和理论分析都很缺乏。三、 研究内容1. 学习全息复用光栅的记录与读取方法，改变影响衍射效率均匀性的各种条件，测试各种因素对实验结果的影响；2. 制备PQ/PMMA光致聚合物材料；3. 记录复用光栅，测试短时曝光后的光栅暗增强现象，记录实验结果；4. 分析暗增强过程对复用光栅衍射效率均匀性的改善程度；5. 写出高水平的毕业论文。四、 完成本课题的过程和方法1. 有针对性的阅读参考文献，深入理解论文研究内容；2. 分析影响复用光栅衍射效率均匀性的各种因素，学习实验光路的搭建，制定详尽的实验计划；3. 测试复用光栅的暗增强过程，获取实验数据；4. 分析实验数据，定性描述暗增强过程对复用光栅衍射效率均匀性的改善程度。五、 参考文献 1. D. Yu, H. Wang, H. Liu, J. Wang, Y. Jiang, and X. Sun, Chinese Physics B 20,114217 (2011).2. L. Yuan, J. G. Paul, M. W. Jonathan, B. George, K. B. Jennifer, and K. K. Raymond, Opt. Lett. 33, 566(2008).3. M. Ortuno, S. Gallego, C. Garcia, C. Neipp, A. Belendez, and I. Pascual, Appl. Phys. B 76, 851(2003).4. J. T. Sheridan, F. T. ONeill, and J. V. Kelly, J. Opt. Soc. Am. B 21, 1443(2004).指导教师意见该学生对本课题的研究内容有一定的学习基础，前期查阅资料与文献翻译准备充分，完成本题目没有问题。希望她能够按照计划实施实验，获得较好的研究成果，并写出高水平的毕业论文。签字： 年 月 日天津理工大学教务处制表 聚合物存储材料中复用光栅衍射效率均匀性的研究摘要本文中通过实验我们研究了在掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物中利用暗扩散增强特性优化复用全息光栅的衍射效率均匀性。通过暗增强来提高材料全息特性已经得到证实。在曝光过程中，可从最优预曝光和最优时间间隔得到最优衍射效率，它们的值分别是最优预曝光为，最优时间间隔为2分钟。复用光栅的暗增强可以提高反应区域和动态范围并能够很好地预防材料的色饱和度。实验中我们对菲醌集中于折射率调制度增强的依赖性进行定量研究，这就为在复用光栅中使用量化策略改善衍射效率均匀性提供一些重要依据。最后，通过一个简单的使用暗增强实验步骤，我们可以改善衍射效率的均匀性，同时也能避免复杂的曝光序列。关键词：光致聚合物，全息光栅，暗扩散增强ABSTRACT In this paper , we study the dark diffusional enhancement of the optimal holographic multiplexing grating in the phenanthrenequinone doped poly (methyl methacrylate) (PQ-PMMA) photopolymer through the experiment.It has been proved that the dark diffusional enhancement can improve the holographic characteristics of the material.In the exposure process,we can obtain the optimized diffraction efficiency from the optimal preillumination exposure and the optimal time interval,and the optimal preillumination exposure value is , the optimal time interval value is 2 minutes.The response region and the dynamic range can be efficiently improved and saturation of the material can be prevented by the dark enhancement of the multiplexed grating.We quantitatively study the dependence of the phenanthrenequinone focus on the increment of the refractive index modulation,which furnishes an important basis for improving the homogeneity in the multiplexed gratings using a quantitative strategy.Finally,a simple experimental process using the dark enhancement presented to improve the homogeneity of the diffraction efficiency and to avoid the complex schedule exposure.Keywords: photopolymer,holographic multiplexing grating, dark diffusional enhancement目 录第一章 绪论 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2 PQ/PMMA光致聚合物介绍 2 1.3 主要研究内容 3第2章 光化学机制分析 3第3章 样品制备和实验装置 4 3.1 PQ/PMMA光致聚合物的制备 4 3.2 复用光栅记录装置 6第4章 实验测试与结果分析 6 4.1 预曝光对复用光栅的影响 6 4.2 复用光栅存储的时间间隔 7 4.3复用光栅的暗增强 10第5章 ：结论 20参考文献 21致 谢 25 第一章 绪论1.1 课题的研究背景随着现代科学信息技术的飞速发展，人们对大数据存储容量的需求急速增长。目前，众多研究人员直致力于开发存储容量大、密度高和存取速度快的新型存储材料和相关技术。而光学全息存储技术具有高存储容量、高数据传输速率、高冗余度和快速存取等诸多优点而引起了人们越来越多的关注。近些年来，光学全息存储技术在关键器件研发和新型存储材料研制等方面取得了令人瞩目的成就，同时更在光全息存储商品化的进程中取得了极大的进展，成为突破信息存储容量屏障的有力竞争者。经过近20年的飞速发展，全息存储技术愈趋成熟，该技术的基本原理及实现手段已经为众人知晓，其存储容量、存储密度和数据传输速率预估均远高于现有的硬盘水平。例如现今的蓝光光盘存储容量约为100GB，但是与其成本相比，很难将其普及，也就是说传统的光学存储技术在存储容量与普及化方面很难再出现更大的突破。因此人们迫切需要寻找一种成本低廉、易于制备且数据存储容量高的存储材料。目前广泛应用于全息存储的材料分为有机材料和无机材料，无机材料生产条件苛刻，且成本过高，不符合人们对全息存储材料的需求，而有机材料的种类较多，可分为光这边聚合物、偶氮类聚合物、聚合物分散液晶、光致聚合物等材料。其中光折变聚合物的原理与无机晶体类似，光栅具有可擦除性，因此不适合信息的永久存储。偶氮类聚合物样品由于顺反异构过程不稳定，所形成的折射率调制度很容易被破坏，也不适合应用于全息记录。液晶材料在信息显示与光学调制器方面有着明显的应用优势，但是其信息存储的稳定性有待提高。对比各种有机材料，光致聚合物材料是适合进行一次写入永久读取的信息存储材料，其具有高折射率调制度度和衍射效率、还能够通过掺杂进行性能改善，因此在全息数据存储领域非常有竞争优势。在这些聚合物中，掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物由于其可忽略不计的收缩性，较高的厚度和良好的光学稳定性得到了广泛关注。该材料已广泛应用于光学信息存储以及相关的信息过程研究领域。这种材料的主要缺点是响应速度慢。作为可替代方法之一，暗扩散增强现象可以缓解这种局限性。暗增强效应是PQ/PMMA材料特有的一种现象，记录在材料中的复用光栅在关闭记录光之后，各个光栅的衍射效率均会提高，而且衍射效率低的光栅增幅大，衍射效率高的光栅增幅小，总体趋于均匀。短暂的曝光之后，在光致聚合物中能观察到光栅的暗增强现象，这是由于PQ分子从暗区到亮区的扩散引起的。相比较连续曝光，短暂曝光不仅能够防止全息散射的增强而且还能够缩小曝光点的光敏消耗。单个光栅的暗增强已经在光致聚合物中进行了分析，它是全息存储器的一种优化策略，并且它也为在单个光栅得到高效稳定的衍射效率提供了一个简单有效的方法。应用暗增强现象能够改善复用光栅的衍射效率均匀性，并且避免了计算复杂的曝光序列。该研究内容及结果对于研究光致聚合物中复用全息光栅衍射效率均匀性和推进光全息存储的实用化进程具有重要的指导意义。1.2 PQ/PMMA光致聚合物介绍一般，良好的体全息存储材料都具有制备简单、物理厚度与有效厚度高、衍射效率高以及长期存储稳定性等性能，同时要求记录材料还要有良好的尺寸稳定性。PQ/PMMA光致聚合物材料具有可忽略的体积收缩效应，厚度大等优点，又具有感光度高，折射率调制度度大，热稳定性能佳等特点，成为适用于大容量高密度光学全息存储的理想材料。为了得到较高的存储密度和较大的存储容量，通常，在样本的一个点记录多个复用光栅。此外，光致聚合物中复用光栅在光子晶体和光子微/纳米结构的制备上具有重要的应用价值。复用光栅衍射效率的均匀性是受记录过程的影响，曝光技术是获得均匀光栅的典型方法。然而，复杂计算方法和曝光过程中复杂的实验过程制约了对光致聚合物方法的适用性的研究。复用光栅的暗增强不仅能够改善PQ/PMMA光致聚合物的全息特性而且也能简化记录过程。然而，复用光栅的暗扩散增强特性很少引起人们的关注，且关于这方面的分析与实验研究也是不够充分的。因此，本文将通过实验细致地研究PQ/PMMA光致聚合物复用光栅的暗增强，改善其全息性能并分析其相应的物理机制。1.3 主要研究内容本文目的是基于菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物，从预曝光强度、曝光时间间隔以及复用光栅暗增强等方面对光栅的衍射效率均匀性进行了实验研究。本文通过学习学习全息复用光栅的记录与读取方法，改变影响衍射效率均匀性的各种条件，同时测试各种因素对实验结果的影响，最后，基于优化的衍射效率，对PQ/PMMA光致聚合物中复用全息光栅衍射效率的均匀性进行了研究。主要的研究内容概括如下：1、 使用了不同于传统方法制备PQ/PMMA光致聚合物。传统方法中制得的材料中PQ分子浓度较低，提出了使用超声波振荡混合方法，使掺杂成分在溶液中均匀混合，因而便可制备出较高厚度、均匀稳定的PQ/PMMA光致聚合物。2、 建立了全息光栅记录装置，使用了两个电子束耦合装置以记录无偏斜的透射光栅，通过角度复用方法就可记录样品中一系列全息透射光栅3、 主要研究了对复用光栅暗增强的特性，包括连续曝光中的预曝光与时间间隔，分析了暗增强过程对复用光栅衍射效率均匀性的改善程度，并对聚合物样品的全息性能进行了测试，包括复用光栅的累积曝光强度、时间常数、扩散系数、半高全宽等。第2章 ：光化学反应机制要弄清楚曝光后光致聚合物暗扩散过程，需要先分析其物理机制，复杂的反应过程可以描述如下： （1） （2） （3） （4）式中，R代表MMA分子（n1），和分别表示PQ和MMA分子的自由基，表示菲醌的三重激发态。PQ分子的消耗与引发反应有关，可以描述为： （5）式中，U代表PQ分子的浓度，表示引发反应速率，为由于笼蔽效应仅有一部分自由基参与反应的反应系数，为引发反应的速率常数。因此，主要PQ分子的时间演化和相应的光产物可分别由以下得到： （6） （7）式中，表示PQ分子的起始浓度，P(t)表示产物的浓度，E表示曝光量，表示与聚合相关的恒定曝光率，为入射强度。PQ分子在短暂曝光时间的扩散是可忽略不计的，这是因为由于低扩散系数扩散过程与聚合过程是分开的。在光照下，折射率的调制度与任意一点主要成分的浓度成比例且随指数函数曲线增长： （8） 和是两个常数。在样本中记录一系列光栅后，折射率调制度度产生的记录和暗扩散过程是通过以下方式成为t(是曝光时间)： （9）式中，为聚合组分的系数，小标D代表扩散过程第3章 ：样品制备和实验装置3.1 PQ/PMMA光致聚合物的制备本文实验中用到的PQ/PMMA光致聚合物样品是由（甲基丙烯酸甲酯PMMA）主体基质和菲醌（PQ）光敏剂组成，PMMA主体基质是通过向MMA单体中加入热引发剂AIBN（偶氮二异丁腈）引起MMA单体的高分子聚合反应而形成。具体的实验步骤如下：1、 将热引发剂AIBN和PQ分子按照0.5:0.7:100的比例溶于MMA溶剂中，用超声波振荡器使溶液均匀融合2、 将得到的均匀溶液放置3小时以释放出由热引发剂AIBN热分解过程中产生的氮气，静置后容器底部会出现沉淀物，此时需要用坩埚将其过滤出来，而常温下PQ分子的溶解度较低，而升温到60并静置2小时之后得到的PQ分子的溶解度最高会达到0.7wt%，相比较常温此时温度下会有大量的PQ分子溶入液体中。然后再用坩埚将没有溶解的PQ分子以及一些杂质过滤出来，便能得到澄清的混合溶液3、 将上一步骤得到的澄清混合溶液再一次在60下放置1天，然后将澄清的混合溶液在80下放置15min，这是为了引发MMA自身的链式聚合反应以得到PMMA聚合物基底4、 然后将混合液体倒入玻璃模具放置5天，直到液体固化到60，热引发聚合反应后，0.1M（0.1mol/L）浓度、2mm厚度的PQ样品就制备好了。3.2 复用光栅记录装置用夹角60的两个电子束耦合装置记录无偏斜的投射光栅，如图1.将样品放置在一个由电脑控制的机动阶段方便对布拉格角的探测光束的调整，旋转光束的旋转轴与记录光束的平面垂直，记录光束与再现光束分别在532nm和633nm之间出现，通过角度复用方法可以记录光致聚合物中一系列全息透射光栅，各个全息光栅之间的角度要大于0.5以避免串扰。图1为全息复用光栅的实验装置图，A1和A2是通光口，S为分束器，M1，M2，M3，和M4均为反光镜，R是一个旋转装置，D为探测器。第4章 ：实验测试与结果分析4.1 预曝光对复用光栅的影响 记录过程起初，由于聚合物材料中氧气或者其他抑制因素的存在，光栅的衍射效率非常低。较低的衍射效率是复用光栅的一个缺点，因此，我们应缩短抑制过程。预曝光是避免抑制过程提高灵敏度的有效方法之一。在光栅形成前，预曝光能够提供足够的能量降低抑制剂的浓度，因此其相应的光敏性也得到了提高。为了能够研究预曝光对光栅暗增强的影响，我们需要在记录光栅之前用波长532nm的平行激光对样品进行光照。用来预曝光的各个曝光能量分别是，以及。关闭预曝光后，用完全相同的曝光能量就可记录到单个无偏斜透射光栅。暗增强后的初始和饱和衍射效率优化了测量。实验结果如表1，从表1 中可以看出，曝光能量为时能够得到初始和饱和衍射效率的最大值。预曝光明显提高了衍射效率，相应的预曝光能量可从以下的多路复用光栅实验中得出。表1 不同预曝光的衍射效率 Preillumination Initional diffration After 6000s /103 mJcm-2 efficiency/% diffration efficiency/% 4.2 复用光栅存储的时间间隔复用过程中另一个重要参数就是连续曝光中的暗时间间隔。合适的时间间隔不仅能加速暗反应而且还能为连续光栅的形成提供最优自由基浓度。为了优化暗时间间隔，我们需要用同一曝光复用多个光栅并观测衍射效率对时间间隔的依赖性。同一实验过程重复不同的时间间隔，也就是，10s，1min，2min，5min。图2 为不同时间间隔的全息光栅衍射效率。在同一曝光量为1.1103mJ/cm2下，旋转样品就可得到不同的复用光栅。记录样本光栅后，最后一个光栅的衍射效率接近于零值。这意味着复用记录之后样本达到饱和，而且在同一个样本点不可能出现一个更大的值。复用光栅中不同时间间隔会显示出很明显的不同，实验中，在时间间隔为2分钟到5分钟左右，可以得到一个较高的衍射效率。暗反应和发生在时间间隔期间的扩散机制可以解释这些结果，适当的时间间隔能够促进菲醌自由基的暗反应以及菲醌分子从暗区到亮区的扩散。%/率效射衍角度/() 角度/()%/率效射衍 角度/()%/率效射衍 %/率效射衍角度/() 图2 时间间隔为10s、1分钟、2分钟、5分钟的复用光栅衍射效率 在样本中，主要的光化学反应是介于PQ与聚合物基体之间的一种光反应，因此，暗反应时间取决于PQ自由基的寿命。自由基寿命是自由基浓度与光引发反应速率的比值，公式为 式中，是一个时间常数，是PQ自由基的浓度。根据式（6），引发反应的速率为,在连续光照强度为50mW/cm2的条件下，大约为340s。【20】的值接近于50%，这个值是基于对（6）式的理论估计。因此，自由基的寿命就可以通过计算得到，而且其值近似等于170s。这个时间接近于实验的理想结果，同时这也意味着自由基的寿命和暗反应是影响最有时间间隔的主要因素。 4.3复用光栅的暗增强 通过考虑以前的分析，我们做了一个聚合物中复用光栅暗增强的实验。样本中记录一系列的光栅之后，关闭记录光束。要研究复用光栅的暗增强过程，我们需要通过旋转样本同时探测所有光栅的布拉格角度选择性曲线。有不同时间间隔的复用光栅曝光后获得6000s的饱和衍射效率如图3所示，衍射效率是增大的，这是由于PQ分子从暗区到亮区的暗扩散的原因。当关闭记录光栅，PQ自由基的的暗反应被他们有限的寿命所限制，其寿命大约为170s。相比较暗增强实验中的6000s时间，自由基的寿命是如此之短，这样的话，曝光之后暗反应可以忽略。因此，在复用光栅的所有暗放大过程中PQ扩散占主导地位。%/率效射衍角度/() 角度/()%/率效射衍 角度/()%/率效射衍 角度/()%/率效射衍 角度/()角度/()图3 时间间隔为10s,1min,2min,5min的复用光栅曝光后获得6000s的衍射效率 角度/() 角度/() 有两个重要因素有助于材料复用光栅的暗增强，一个是光照后带有聚合物基体的剩余PQ自由基的暗连接物，另一个是从暗区到亮区的PQ扩散物。暗化学反应有助于由更多的光产物形成的光栅的增加，同时受PQ自由基寿命的限制。因此，光栅在经过大约100s的曝光后短时间内增强的原因就是暗反应。相比较暗反应，PQ的扩散是一个缓慢的过程，并且它也引起了复用光栅的长期增加。在全息复用光栅中，材料的动态范围是描述材料存储容量的重要参数。当复用全息存储中每一个光栅都有一个区别于其他光栅的衍射效率，材料的动态反应M#就被定义为记录光栅的累积光栅强度的总和， （11）式中，N是材料中可被记录的光栅数量，是第i个光栅的衍射效率。光束关闭初始时刻时相应的动态范围以及当样本达到稳定时6000s后的暗反应如表2所示。黑暗中6000s后，动态范围显著增加，在2分钟的时间间隔有一个最优化的动态范围。 表2 各种时间间隔的动态 时间间隔 初始 M# 6000sM# 样本中记录一系列的光栅后，关闭记录光束。旋转样本，同时扫描所有光栅的布拉格角度选择性曲线。通过选择峰值作为光栅衍射效率就可计算得到累积光栅强度。一定时间之后，重复同样的实验步骤得到动态范围的演化。记录2分钟时间间隔的复用光栅动态范围的时间演化如图4（a）所示。适用于实验数据的标志和实线表示运用指数函数的拟合曲线。图4（b）表示的是单个光栅短时曝光后折射率调制度的暗增长标准曲线，相应的曝光能量为1.5104mJ/cm2。实验数据和拟合曲线很符合，这表明动态反应的暗增强和单个光栅的调制度由同一机制诱导，也就是PQ扩散。时间103/s 图4（a）为记录2分钟时间间隔的复用光栅动态范围的时间演化10-5s时间103/s折射率调制度/10-5s 图4（b）为曝光后单个光栅折射率调制度的时间演化 为了解释由PQ分子的扩散导致的动态范围的增大，需要计算与扩散系数相关的时间常数。一定的空间频率，时间常数与扩散系数之间的关系可以表示为 ， （12）式中的D为扩散系数，由计算得出的条纹间隔，是基于样本外记录角度60，是记录光束的波长，是样本的折射率。复用光栅和单个光栅的扩散系数都是由式（12）计算得出，他们的值分别是2.310-18m2/s，4.310-18m2/s。扩散系数的值与在PQ-PMMA光致聚合物其他报道的数值相似。结果表明复用光栅的暗增强是由PQ分子从暗区到亮区的扩散引起的。复用光栅中测量角度响应的半高全宽可用来评估扩散过程的效果，复用光栅半高全宽的演化如图5所示，为简单起见，只分析顺序中第一个和第六个光栅的角度响应。据人们所发现，不同光栅的角度响应的宽度是不同的，且PQ分子的暗扩散并不能增加角度的宽度。少量的不同是由于实验的不确定性。相似的角度宽度可以说明聚合物不变的有效厚度，这意味着当运用暗增长提高复用光栅的衍射效率时样本的存储密度与存储容量不改变。时间103/s半高全宽/() 图5 复用光栅中记录2分钟时间间隔的半高全宽的时间演化 在记录多个光栅后，我们可计算累积的光栅强度来分析材料的反应区域。全息材料的累积光栅强度对于描述材料的复用特性是一个至关重要的参量。根据累积曝光量，累积光栅强度可通过对衍射效率的平方根求和而计算得到，如图6所示。当达到稳定状态时，图6（a）表示曝光后初始时间的累积强度，图6（b）为曝光后6000s累积强度。从图6（a）可以看出，当材料中记录一系列光栅时累积光栅强度达到饱和。然而，图6（b）中，6000s暗增长后，累积光栅强度接近于线性区。这意味着暗增长之后材料的反应区域远没有达到饱和，而且同一样本点能够记录更多的光栅。图6 不同时间间隔，与累积光栅强度相对的累积曝光量；当达到稳定状态时，（a）表示曝光后初始时间的累积强度，（b）为曝光后6000s累积强度。 当复用光栅暗增强达到稳定状态时，每一个光栅的折射率调制度的增加均可近似描述为 ， （13）式中的ts为达到稳定状态所需的时间。在多路复用中，增长表示每个记录光栅的折射率调制度在初始时刻和6000s暗增长之后的不同。通过复用曝光量，PQ的消耗是一个累积过程。基于式（13），在折射率调制度的增长与剩余PQ浓度之间有一个近似的线性关系。记录每一个光栅后，可通过（6）式计算得出PQ分子的消耗量，（6）式中，曝光量常数为。因此，就可得到与剩余PQ浓度相对的折射率调制度的增加，如图7所示，结果表明实验数据与理论数据符合得很好，曲线为每个光栅的增加和相应的PQ浓度（也就是累积曝光量）之间的关系提供了一个定量描述。因此，通过选择恰当的曝光量和程序，复用光栅的衍射效率可通过暗扩散增强得到有效提高。 图7 通过暗增强，随着PQ浓度的减少，折射率调制度增加，实验误差为5% 为了得到多路复用中均匀的衍射效率且简化记录程序，需要研究多路复用中衍射效率增加的差别。基于图1和图2，弱光栅的增加明显大于强光栅的增加，随着曝光量的增强，弱光栅的增加变得更强。因此，在连续光栅之间衍射效率的差别通过暗增强可有效减少。根据以上分析，我们记录了同一曝光量为1.1103mJ/cm2的一些光栅，其相应的实验结果如图8。8（a）、8（c）和8（b）、8（d）分别是单独的实验结果。在两组实验中，只有角度间隔不同，其他的实验条件都相同，包含3.4103mJ/cm2的预曝光和2分钟的时间间隔。8（a）和8（b）表示的是曝光后初始时刻复用的衍射效率，8（c）和8（d）表示的是达到稳定状态后衍射效率的饱和值。从中可以看出，弱光栅的增强明显减少了连续光栅之间的差别，因此，使用同一曝光方式就可得到相同的衍射效率。而且，我们着重于光栅必须记录在样本中的线性区域，以及暗增长能有效提高均匀性。曝光后，当样本接近于饱和时，暗增强的效果将会增加。因此多路复用的实验程序可按如下步骤进行最优化。首先，在线性区域记录一些光栅，暗增强之后，再记录同样的光栅。然后，重复上述步骤在同样的样本点记录更多的光栅知道样本接近于饱和。这意味着利用以上的实验程序，就可实现多路复用中形同的衍射效率。用这种方法就可避免复杂的科学计算和曝光序列中复杂的实验程序。 图8 利用暗增强多路复用中衍射效率均匀性的提高。同一曝光量为3.4103mJ/cm2，时间间隔为2分钟。（a）和（b）展示的是曝光后初始时间的响应，（c）和（d）代表达到稳定状态后的饱和响应第5章 ：结论我们研究了PQ-PMMA光致聚合物中最优全息复用光栅的暗扩散增强特性。对重要的实验条件进行最优化处理已达到改善全息特性的目的，实验条件包括预曝光和时间间隔，其相应的值分别是和2min。当旋转样品同一点记录一系列全息光栅时，能够很明显地观察到复用光栅的暗增强。实验结果表明，暗增强能够提高反应范围，增加有效存储容量并能防止材料的饱和。暗扩散过程中角度响应的几乎同样的半高全宽表明存储密度并不会受增长的变化而变化。暗反应和PQ扩散是有助于多路复用暗增强的两个重要因素，暗反应对光照关闭后的短时内光栅的增强起作用，而PQ扩散是复用光栅长期暗增加的主要原因。此外，我们介绍了一种可以调高衍射效率均匀性的简单实验程序。在线性反应区域，样本中先记录一些光栅，在暗增强过后，再一次记录同样的光栅，然后重复上述实验步骤，直到样品接近饱和。通过分析光催化动力学，我们可定量得到关于复用光栅暗增强的PQ分子的依赖性，这为使用定量计算和实验测量的复用光栅的均匀性的提高提供了重要依据。参考文献 1 Murciano A, Carretero L, Blaya S, Madrigal R F andFimia A 2006 Appl. 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