（光学专业论文）几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究.pdf

i i ii ii lli 1111 11i tiil ly 19 0 9 2 5 0 关于学位论文独创声明和学术诚信承诺 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导 师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除文中特别加以说明、 标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其 他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 在此本人郑重承诺：所呈交的学位论文不存在舞弊作伪行为，文责自负。 学位申请人( 学位论文作者) 签名： 2 0 1 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全了解 并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家图书馆、科研 信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文本和电子文本) 以供公 众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校学术发展和进行学术交流等目的， 可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文 本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名： 2 0 11 年锄。日 学位论文指导教师签名： 2 0 1f - o _ _ _ _ 一一 摘要 光致聚合物材料具有衍射效率高、感光灵敏度高、折射率调制度大、成本低廉、制 作简单等优点，这使其成为人们研究光全息存储材料领域中的重点和热点，同时光致聚 合物也被认为是最有前途和最先被用作全息存储的介质，目前在高密度全息存储研究方 面，越来越多的科研人员和机构开始关注光致聚合物材料的研究并取得了丰富的成果。 本文在总结光致聚合物材料的研究现状的基础上，制作几种宽带敏感的光致聚合物 样品，并对它们的光化反应动力学过程进行了一定研究： 1 分别合成了v b 2 敏化的光致聚合物( 样品1 ) ，v b 2 与a z u r ei 共同作为光敏剂 敏化的的光致聚合物( 样品2 ) ，v b 2 与a z u r ei i 共同作为光敏剂敏化的的光致聚合物( 样品 3 ) ，并分别测试y - - 种样品的吸收谱线。 2 i 贝0 试了v b 2 敏化的光致聚合物( 样品1 ) 不同染料浓度下的衍射效率以及透过率 实验数值，并对透过率实验数值进行了曲线拟合。通过拟合曲线，得出了不同染料浓度 下v b 2 敏化的光致聚合物的光漂白速率常数易、摩尔吸收系数、量子产率矽、散射损 失相关系数瓦厂的具体数值，并对其变化规律进行了讨论。 3 测试了v b 2 和m z i l l ei 共同敏化的光致聚合物( 样品2 ) 不同膜厚度下的透过率 实验数值，并对实验数值进行了曲线拟合。通过拟合曲线，得出了不同膜厚度下v b 2 和a z u r ei 共同敏化光致聚合物的光漂白速率常数拓、摩尔吸收系数、量子产率矽、散 射损失相关系数瓦厂的具体数值并对其变化规律进行了讨论。 4 测试了v b 2 和a z u r ei i 共同敏化的光致聚合物( 样品3 ) 不同曝光强度下的透 过率实验数值，并对实验数值进行了曲线拟合。通过拟合曲线，得出了不同曝光强度下 v b 2 和a z u r ei i 共同敏化光致聚合物的光漂白速率常数如、摩尔吸收系数、量子产率矽、 散射损失相关系数珞的具体数值并对其变化规律进行了讨论。 5 i 贝0 试了v b 2 和a z u r ei i 共同敏化的光致聚合物( 样品3 ) 不同曝光波长的透过率 实验数值，并对实验数值进行了曲线拟合。通过拟合曲线，得出了不同曝光波长下v b 2 和a z u r ei i 共同敏化光致聚合物的光漂白速率常数知、摩尔吸收系数g 、量子产率矽、散 射损失相关系数乃的具体数值并对其变化规律进行了讨论。 关键词：光致聚合物；宽带敏感；光动力学 a b s t r a c t p h o t o p o l y m e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ：h i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , h i g hp h o t o s e n s i t i v e s e n s i t i v i t y , h i g hr e f r a c t i o nm o d u l a t i o n ，e a s yf a b r i c m i o na n dl o wc o s te t c t h e s ea d v a n t a g e s m a k ei tb e c o m et h eh o t s p o ta n df o c u sf o rp e o p l ei nt h ef i e l do f h o l o g r a p h i cs t o r a g em a t e r i a l s ， m e a n w h i l ep h o t o p o l y m e ri sa l s ob e l i e v e dt ob et h em o s tp r o m i s i n ga n df i r s tu s e da s h o l o g r a p h i cs t o r a g em a t e r i a l s m o r ea n dm o r es c i e n t i s t sa n do r g a n i z a t i o n sb e g a nt of o c u so n t h ep h o t o p o l y m e rm a t e r i a l sa n ds o m ea c h i e v e m e n t sh a v e b e e nd o n e b a s e do nt h e s u m m a r i z i n go ft h ep r e s e n tr e s e a r c ho nt h ep h o t o p o l y m e r s ，s e v e r a l p h o t o p o l y m e r sw i t hb r o a d b a n ds e n s i t i v es p e c t r a lr a n g ew e r ef a b r i c a t e d m e a n w h i l e ，ac e r t a i n r e s e a r c ho nt h e h o l o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d p h o t o c h e m i c a l k i n e t i c so ft h e s e p h o t o p o l y m e r sh a db e e nd o n e 1 t h ea b s o r p t i o ns p e c t r u m so ft h r e ek i n d so fd y e sw e r et e s t e d ap h o t o p o l y m e rm a t e r i a l w a sf a b r i c a t e ds e n s i t i z e db yv b 2 ( s a m p l e 1 ) m e a n w h i l e ，s e n s i t i z e db yv b 2a n da z u r ei ( s a m p l e 2 ) i na d d i t i o n ，av b 2a n da z u r ei is e n s i t i z e dp h o t o p o l y m e rf o rh o l o g r a p h i cs t o r a g e w a sp r e p a r e d ( s a m p l e 3 ) 2 t h ep h o t o p o l y m e r s e x p e r i m e n t a lv a l u e so ft r a n s m i t t a n c ei nd i f f e r e n t d y e s c o n c e n t r a t i o ns e n s i t i z e db yv b 2w e r et e s t e d 3 t h r o u g ht h ef i t t i n gc u r v e s ，t h ep h o t o p o l y m e r s v a l u e so ft h em o l a ra b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ，t h eq u a n t u my i e l d 巾，t h ep h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n tk pa n dt h es c a t t e r i n gl o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt s fi nd i f f e r e n td y e sc o n c e n t r a t i o ns e n s i t i z e db yv b 2w e r et e s t e d ，a n d t h ec h a n g er u l e sw e r ed i s c u s s e d 4 t h ep h o t o p o l y m e r s e x p e r i m e n t a lv a l u e so ft r a n s m i t t a n c ei nd i f f e r e n tf i l mt h i c k n e s s s e n s i t i z e db yv b 2a n da z u r e1w e r et e s t e d 5 t h r o u g ht h ef i t t i n gc u r v e s ，t h ep h o t o p o l y m e r s v a l u e so ft h em o l a ra b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ，t h eq u a n t u my i e l d 巾，t h ep h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n tk pa n dt h es c a t t e r i n gl o s s c o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n tt s fi nd i f f e r e n tf i l mt h i c k n e s ss e n s i t i z e db yv b 2a n da z u r e1w e r e t e s t e d ，a n dt h ec h a n g er u l e sw e r ed i s c u s s e d 6 t h ep h o t o p o l y m e r s e x p e r i m e n t a lv a l u e so ft r a n s m i t t a n c ei nd i f f e r e n t e x p o s u r e i n t e n s i t ys e n s i t i z e db yv b 2a n da z u r e1 1w e r et e s t e d 7 t h r o u g ht h ef i t t i n gc u r v e s ，t h ep h o t o p o l y m e r s v a l u e so ft h em o l a ra b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ，t h eq u a n t u my i e l d 巾，t h ep h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n tk pa n dt h es c a t t e r i n gl o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt s fi nd i f f e r e n te x p o s u r ei n t e n s i t ys e n s i t i z e db yv b 2a n da z u r e1 1w e r e t e s t e d ，a n dt h ec h a n g er u l e sw e r ed i s c u s s e d 8 t h ep h o t o p o l y m e r s e x p e r i m e n t a lv a l u e so ft r a n s m i t t a n c e i nd i f f e r e n te x p o s u r e w a v e l e n g t hs e n s i t i z e db yv b 2 a n da z u r e1 1w e r et e s t e d 9 t h r o u g h t h ef i t t i n gc u r v e s ，t h ep h o t o p o l y m e r s v a l u e so ft h em o l a ra b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ，t h eq u a n t u my i e l d 巾，t h ep h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n tk pa n d t h es c a t t e r i n gl o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt s fi nd i f f e r e n te x p o s u r ew a v e l e n g t hs e n s i t i z e db yv b 2 a z u r e1 1w e r e t e s t e d ，a n dt h ec h a n g er u l e sw e r ed i s c u s s e d i v k e yw o r d s ：p h o t o p o l y m e r ；b r o a d b a n ds e n s i t i v e ；p h o t o c h e m i c a lk i n e t i c s 目录 摘要i a b s t r a c t 。1i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光存储技术的研究现状2 1 2 1 光盘存储技术2 1 2 2 近场光学存储技术3 1 2 3 双光子存储技术4 1 2 4 光全息存储5 1 3 光全息存储技术的研究现状5 1 3 1 全息技术的历史和发展阶段5 1 3 2 全息存储技术的基本原理6 1 3 3 全息存储技术的特点8 1 3 4 光全息存储复用技术9 1 3 5 全息存储材料及性能研究1 1 1 4 光致聚合物存储材料研究1 3 1 4 1 光致聚合物的构成组分13 1 4 2 光致聚合物全息存储机理14 1 4 3 光致聚合物全息材料的研究进展14 参考文献16 第二章材料制备及光化反应动力学方法19 2 1 实验所用化学试剂19 2 1 1 单体19 2 1 2 粘接剂2 0 2 1 3 光敏剂( 染料) 。2 0 2 1 4 引发剂2 1 2 2 材料制备2 2 2 2 1 实验仪器介绍2 2 2 2 2 实验准备2 2 2 2 3 样品制备方法2 2 2 3 光致聚合物聚合效应的光化学反应动力学方法2 3 2 3 1 体光栅与布拉格( b r a g g ) 条件2 3 2 3 2 耦合波理论2 4 2 3 3 光致聚合物聚合过程光化反应原理2 5 2 3 4 光致聚合物聚合过程光化反应动力学参数2 6 2 4 全息特性参数测试2 7 2 4 1 透过率t 2 7 v 参考文献3 0 第三章v b 2 和a z u r ei 敏化的光致聚合物光化反应动力学3 1 3 1 引言3 1 3 2v b 2 单独敏化的光致聚合物光动力学3 1 3 2 1 样品的组成和吸收光谱3 1 3 2 2 不同染料浓度下样品衍射效率随曝光时间的变化关系3 2 3 2 3 不同染料浓度下样品透过率随曝光时间的变化特性3 3 3 2 4 不同染料浓度下样品的光动力学参数拟合3 4 3 3v b 2 和a z u r el 敏化的光致聚合物光动力学3 6 3 3 1 样品2 的组成和吸收光谱3 6 3 3 2 不同膜厚度下样品透过率随曝光时间的变化特性3 7 3 3 3 不同膜厚度下样品2 的光动力学参数拟合3 8 参考文献4 1 第四章v b 2 和a z u r ei | 敏化的光致聚合物光化反应动力学4 3 4 1 样品的组成和吸收光谱4 3 4 2 不同曝光强度下样品透过率随曝光时间的变化特性4 4 4 3 不同曝光强度下样品3 的光动力学参数拟合4 5 4 4 不同曝光波长下样品3 的样品透过率随曝光时间的变化关系4 7 4 5 不同曝光波长下样品3 的光动力学参数拟合4 8 参考文献5 1 第五章结论5 3 硕士期间完成的论文5 5 致谢：5 7 v i 鸽勰凹 一 一曲 一 一度 一 一制一s 调 刁度率 率敏射效灵折射光大 衍感最 2 3 4 乱t t 2 2 2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 l 世纪以来，随着社会的进步和网络信息技术的快速发展，在日常生活中，人们对 快速、高容量、高密度信息存储的需求越来越迫切l l 】。我们给朋友发送一封1 m 左右的 电子邮件，从开始发送到最终接收，需要占用超过5 0 m 的存储空间。美国2 0 1 0 年开始 运行的l s s t 望远镜，1 2 小时内就有大于3 0 0 0 0 g b 的图像信息需要存储和处理信 息时代，人们比任何时候都需要大容量的数据存储器。据有关统计，目前全球的信息存 储需求以大约一年7 5 的速度递增，如此海量的信息人们激励着人们越来越重视高密 度、高保真度、高传输率的数据存储技术手段研究和开剔2 圳。 以往的传统存储方式，如书籍、磁带已经无法满足人们的需要。磁盘存储是目前最 常用的大容量存储方式，但是其信息存储方面受到超顺磁性的限制，其存储容量、读写 速率等方面发展缓熳。按照“摩尔定律”，目前计算机硬盘容量每1 8 个月翻一番，但是 需要存储的数据增长去更为迅速：据有关统计，2 0 1 0 年全世界创建的数字信息总量大约 为9 8 8 0 亿g b ，这个数字约是2 0 0 6 年的6 倍，磁盘容量的增长远远不能满足人们的需求； 此外随着数据量的增长，企业业务越来越依赖信息系统，保证存储数据安全成为关键问 题，人们迫切需要寻找一种更安全存储方式。 另一方面，从能耗方面来看，一般情况下电能的利用效率大约为5 0 ，以此计算， 仅1 0 0 台服务器每天2 4 小时、每年3 6 5 天运行的耗电量将达到5 4 万度，按电费0 6 5 元度计算，将耗费3 5 1 万元。仅以美国g o o g l e 一家公司为例，人们保守估计，g o o g l e 全球的服务器数量( 3 0 多个数据中心) 至少在1 0 0 万台以上，按前文所述，g o o g l e 公司每 年在电费方面支出至少为3 5 1 亿。g o o g l e 公司宣称其旗下所属服务器数量占全球服务 器总量的2 ，按此预计，仅2 0 1 0 一年，全球数据中一i l , i 。耗导致的花费将达1 7 5 5 亿元。 然而，值得注意的是，这些昂贵、耗能的服务器中的数据大多时候都是被存储了起来， 难得被调用出来使用一次。 综合上述两方面，人们迫切需要体积更小、存储量更高、读写速度更快、能耗更低 的存储介质。于是，研究新型的存储技术手段和研发新型存储材料成为近年来信息存储 几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究 研究的热点【4 。 随着2 0 世纪4 0 年代末提出全息术，5 0 年代光学传递函数的产生，6 0 年代激光器的发 明，新的存储方式光学存储日渐成为现今主流的存储方式，如光盘存储等。而这些 主流的存储方式由于自身存在这样那样的缺点，无法进一步满足人们的需要，因而光全 息存储技术得以孕育而生。 光全息存储技术具有其他存储技术相比具有独特的优点【5 1 。第一，存储容量大，其 理论存储密度值可达到1 肿( 九为光波波长) ；第二，传输速率高，由于数据是以整个页 面进行存储与读出，其读取时间得到极大改善。具体来说，如果存储的图像是二值化数 字数据，每页数据量为3 2 0 2 6 4 ，忽略页间和页内串扰噪声，数据读出速率可达 5 - 2 8 g b i t s ；并且，由于受外界电磁场影n l ；j d , ，所以可以在强电磁场干扰的情况下使用。 因此，深入研究光全息存储技术的同时，开发出新型高性能的全息存储介质，是充分发 挥光全息存储技术优势和真正实现超高密度信息存储的重要手段之一。 1 2 光存储技术的研究现状 光存储技术是继磁存储技术之后快速发展并得到广泛应用的重要信息存储技术。近 年来光存储在技术上取得重大突破的同时，在生产工艺提高、量产和市场推广、占有率 方面也取得了巨大成功，其中光盘的使用已经遍及人们生活的各个方面，光存储技术已 经越来越被人们所重视和关注【6 1 。目前光信息存储技术主要包括光盘存储，近场光学存 储，双光子存储和光全息存储等四种重要技术。 1 2 1 光盘存储技术 2 0 世纪7 0 年代初，p h i l l i p 公司研究人员开始研究利用激光记录和重放模拟信息，并 于1 9 7 2 年9 月展示了长时间播放电视节目的光盘系统，随着数字技术的发展，如今光盘 存储技术已经相当成熟。它是将具有很高相干性和单色性的激光束照射到旋转的圆盘 ( 由保护层、标记层、反射铝层及基片组成) ，此激光束在记录介质层会聚至光衍射极 限的斑点( 一般小于l g m ) ，激光照射区域的记录介质受光或热的作用产生化学或物理 变化，导致该区域的某种光学性质( 如反射率等) 与周围区域产生较大的反差，从而实 现信息的录入，然后再通过激光束检测这些差异，完成信息的读出【7 1 。 2 第一章绪论 图1 1 只读型光盘的物理结构 光盘从c d r 、d v d r n 蓝光光盘b d 、a o d 或h d d v d ，最后到全息通用光盘h v d ， 存储容量从7 0 0 m b 、4 7 g b 、2 7 g b 提高n 5 0 0 g ( 2 0 0 9 年4 月，一张5 0 0 g 的全息光盘在g e 公司实验室诞生) 。以光盘为代表的数字式数据存储介质已是如今人们日常生活中不可 缺少的信息载体，它为信息社会中的人们提供了理想的存储和管理手段。随着光盘性能 的不断改进和性价比的提高，光盘已经在视听娱乐、电子出版、软件发行、文档管理、 图像存储、多媒体计算机技术中获得广泛应用，在存储市场领域占据了巨大的市场份额。 1 2 2 近场光学存储技术 近场光学存储技术来源近几十年发展起来的一门新兴学科近场光学，当入射光 束通过小孔径足够小的小孔后，最初始的束径是由小孔的尺寸决定。虽然光通过小孔会 迅速衍射到各个方向，但在靠近小孔的近场区域，光束的孔径将约等于小孔的尺寸，而不 取决于入射光束的波长【8 1 。正是由于近场光在传播过程中不受衍射极限效应限制，因此， 理论上可以无限制地缩小光斑大小，提高其光学分辨率，比传统光学分辨率提高了几十倍 甚至上百倍，根据有关文献报导，其理论估算面密度可达到2 5 3 0 m b m m 2 ，单通道数 据传输率可达到6 0 m b s ，因此近场光学存储技术对提高光盘存储密度和日益发展的信 息技术具有重要意义 9 1 。 3 几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究 峨配碴! 皇丝鉴翻 一一垄援坚照一+ 驾一+ 一一一一一一一一一。一一一一一一一一一一一 “ 泌，应邀i 心 ，= ? ”。i ：一 ：口4 ij j ：，一，一一 。| 一， ：二 图1 2 磁存储、传统光盘存储、近场光存储记录区域比较 近场光学存储技术不但具有存储密度高、存储容量大的优点，而且还可以利用其它 存储技术中已经成熟的相关技术，如硬盘驱动器中的磁头悬浮技术和光盘存储中的光头 飞行技术，而不用另外去进行新的系统设计和开发。这样可以大大降低近场存储产品的 价格，增加了竞争优势1 1 0 】。尽管如此，近场光学存储技术还需解决若干新问题，例如近 场光子与介质问互相作用时的量子产率、相位匹配强度、非线性效应等难题。目前建立 的已能够进行存取数据操作的实验系统可分为3 种：( 1 ) 固体浸没透镜( s i l ) 近场存储；( 2 ) 超分辨率近场结构( s u p e r r e n s ) 存储；( 3 ) 探针扫描显微术( p s m ) 近场存储。这三种方 法都是通过不同方法缩小记录光斑来提高存储密度。1 钔。 1 2 3 双光子存储技术 双光子技术是由美国国家科学院院d ：r e n t z e p i s 教授在1 9 8 9 年提出的，随着科技发 展，最近十年，双光子技术广泛应用于海量信息存储、纳米精密立体加工、非球面透镜 加工以及生物及医疗领域。2 0 0 7 年光数据存储( o d s ) 国际会议上，美国c a l l r e c a l l 公 司展示了利用双光子吸收效应，记录相当于3 0 0 g b 数据的光盘技术；当年的国际光存储 研讨会( i s o m ) 上，以色y l j m e m p l i e 公司介绍了利用双光子技术读取记录1 0 8 个数据记录 层的实验结果，并预测了如果平均每个记录层的容量定为5 g b ，在厚度为l m m 的记录材 料中，以5 1 t m 的间隔记录2 0 0 层数据，则可达到1 t b 的容量。 双光子存储技术是指：当两个光束( 不同频率) 沿不同方向照射并聚焦到记录介质 的同一区域，介质中的分子同时吸收该两个不同光束中的两个光子，从而被激发到高的 电子能态，致使该区域些物理、化学特性发生变化，双光子吸收激发使受激发点与未受 激发点的光学性质出现差异，任何光学性质的不同( 吸收光谱不同、折射率不同、荧光 量子产率不同) ，都可用作信息的光记录和光读出，实现多层信息记录与擦除。 4 第一章绪论 目前，光致变色材料、光致聚合材料、光致漂白材料、光致折变材料等是研究双光 子存储技术主要的介质材料。相信随着更先进的机聚合物材料的合成以及光学存储系统 的优化，基于双光子吸收的高密度多用光盘走向市场已为期不远。 1 2 4 光全息存储 虽然传统的磁存储、光盘存储技术仍在不断地改进以满足对存储系统更大和更快等 要求，但是它们只能在二维平面介质上以串行方式逐位读写信息，因此其存储密度、容 量和读写速度均受到极大的限制。以光盘存储为例，当波长处于紫外波段时，现有光盘 的塑料盘基对光的传输性能会有很大程度的减弱，而且大数值孔径的非球面透镜的制作 工艺比较复杂，同时由于这些技术在进行记录和读出数据时都是光学头直接在汜录介质 表面作机械运动，当记录介质被划伤或有瑕疵时，数据的记录和读出就会受到严重影响， 此外数据读写的寻址和定位速度也受到了一定的限制。与光盘等存储技术相比，光全息 存储技术可以利用全息复用技术提高存储密度，从而真j 下实现超高密度、超高速度的信 息存取。全息存储技术的最大优点就是超高密度，例如，可以在一个糖块大小的特殊立 方体中存储超过1 0 2 4 g b 大小的数据，1 5 0 0 张c d 光盘加起来才能存储这么大的信息。 除此之外，如果控制芯片的处理运算速度足够快，全息存储技术还大大提高存储密度和 容量，1 0 0 0 t b 的存储容量的全息存储材料也将不难制作出来。而由于磁存储的技术局 限性，目前硬盘所能达到的最大容量为7 5 0 g b ，这个容量只有全息存储技术的“立方体 糖块”的容量的0 7 5 ，这是其他存储技术无法达到的【l5 1 。全息存储技术是该章阐述的 主要内容，因此将在下节进行详细介绍。 1 3 光全息存储技术的研究现状 1 3 1 全息技术的历史和发展阶段 英国科学家丹尼斯盖伯( d e n n sg a b o r ) 于1 9 4 8 年制成世界上第一张全息图，他提 出一种记录光波振幅和相位的方法来实现信息存储，即全息术( h o l o g r a p h y ) ，随后他用 实验方法证实这一想法。d e n n sg a b o r 本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想， 虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从d e n n sg a b o r 制成第一张全息照 片到2 0 世纪5 0 年代末期，在这一段时期内的全息图，曝光光源是汞灯，物光和参考光 在一条光路上，全息图的成像质量很差，因此存在两个严重问题，一是再现的原始像和 共轭像不能分开，二是光源的相干性不好。这一时期的全息图被称为第一代全息图，全 5 几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究 息技术发展缓慢，标志着全息术的萌芽【1 6 】。 1 9 6 0 年激光的出现，提供了一种高相干度曝光光源，为全息技术的快速发展提供了 物质基础。针对2 0 世纪5 0 年代第一代全息技术存在的问题，1 9 6 2 年利思和乌帕特尼克 斯( l e i t ha n du p a t n i e k s ) 在盖伯全息术的基础上引入载频的概念，将通信理论中的载频 概念推广到空域中，发明了离轴全息术，有效地克服了当时全息图成像质量差的主要问 题孪生像，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术由于激光技术的发展，有效 解决了曝光光源的问题，而且在立体成像、干涉计量检测、信息存储等应用领域中获得 很大进展。这个时期的全息图没有色调信息，而且远远超过了当时经济的发展水平，制 作和观察这种全息图的代价是很昂贵的，全息术基本成了以高昂的经费来维持不切实际 的幻想的代名词。 1 9 6 9 年本顿( b e n t o n ) 发明了彩虹全息术，掀起以自光显示为特征的全息三维显示新 高潮，第三代全息技术随之出现并逐步得到发展。它不但用激光记录，而且能用白光再 现全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩，除此之外，它还具有图处理工 艺简单、易于复制等优点。 由于激光具有高相干性，所以在制作全息图时，要求拍摄系统中的各种元器件、曝、 光光源和记录介质的相对位置都要保持严格不变，因此，全息存储技术在日常的实际应 用中给人们带来了极大地不便。基于此，白光记录白光再现的全息存储技术第四代 全息图得到越来越多的科研人员的重视，相信随着科技的发展，全息存储技术最终能走 出黑暗实验室中的防震工作台，进入更加广泛的实用领域【1 7 】。 1 3 2 全息存储技术的基本原理 全息存储技术的基本原理来自光的干涉理论，即两束光( 物光和参考光) 在材料表 面相遇发生干涉，形成干涉条纹。如图1 3 中所示，物光是来自物方并携带有欲存储的调 制信号，另一束能量与物光相等的光称为参考光。在实验中物光和参考光都是由同一激 光器输出的激光束经过分光镜后被反射和折射而得到的，根据光的干涉理论，该两束光 在全息材料表面相遇时会发生干涉，从而形成干涉图样。当上述两束光在全息存储材料 中相遇并发生干涉时，干涉图样会使存储材料的化学或物理特性发生改变，存储材料在 折射率或者吸收率上的相应变化就作为干涉图样的“像”而被记录下来( 包括振幅和位相 信息) 。 6 第一章绪论 擎毒寒 糍悲 口。镌 图1 3 光全息存储示意图 l 竺一一 l 7 7 ： 全息匿的记录 质 全息圈的再现 图1 4 光全思存储、读取原理图 当读出记录数据时，如图1 4 所示，用和上述参考光完全相同的光照射存储材料，光束 与存储材料中的干涉图样全息图发生衍射，将衍射光成像于光电探测器阵列上并将其转变成 电信号，通过一些后期处理，就可实现原始数据的准确再现。 普通全息存储中存储和再现的是原始物体的全息图像，存储的是“模拟信号”，并不是“数 字信号”。而我们所说的全息光盘存储技术则是一种数字式存储方式，光被送到空间光调制 器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , 缩写为s l m ) q b 进行调制。二维数据页的“0 ”、“1 ”分别对应 s l m 像素阵列上的亮点和暗点，从而在s l m 的像素阵列上形成了一幅二维数据页的图像( 如 图1 5 - - 维全息图) 。从激光器发出的激光穿过s l m 而被二维数据页的图像所调制，并在存储 材料中和参考光相遇，实现对数字信息的存储。当采用不同角度的参考光时，可以在同一存 储材料的同一位置存储另外一幅完全不同的全息图，这就是全息光存储的一个重要技术特征 7 装锄 垅 ，糍 ， 几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究 复用技术。目前，常用的复用技术有：空间复用、角度复用、波长复用、位相复用等。 圈 图1 5 二维全思图 1 3 3 全息存储技术的特点 同传统磁存储和光盘存储相比，光全息存储具有以下独特优点【1 8 。2 5 1 ： ( 1 ) 存储密度高、容量大。利用全息图的布拉格选择性，理论上全息存储密度的上 限为1 妒，其中九为光波波长，在可见光范围内，该值可达1 0 1 2 b i t s c m 3 。在容量方面， 理论上，在l 张直径为1 2 0 m m 全息光盘上可存储近1 6 0 0 g b 的数据量，这相当于6 4 张 单层蓝光光盘( b l u e r a y ，2 5 g b ) ，3 4 0 多张d v d 光盘( 4 7 g b ) ，是现在主流的桌面计算机 硬盘机磁盘容量的3 倍。 ( 2 ) 数据并行传输，因而数据传输速率高。全息图采用整页存储和读出的方式，一 页中的所有信息位都被并行地记录和读出。因此可达到极高的数据传输率，其极限值将 主要由输入、输出器件( 主要包括空间光调制器s l m 和c c d 图像传感器) 来决定。采 用多通道并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率可达1 g b s ，是目前d v d 最高速 度( 1 6 x ，约2 2 m b s ) 的4 0 倍。 ( 3 ) 存储冗余度高，数据不易丢失。传统的磁盘或光盘存储技术，每l b y t e 数据都 要占据一定的空间位置，随着存储密度的增大，当存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小 想当时，必将引起对应数据丢失；另外，在日常使用过程中，如果因使用者不小心将磁 盘或光盘划伤，很可能造成存储的数据无法读取。而对全息存储来说，信息是以全息谱 图的形式存储在一定的扩展体积内，全息图中的每个细小部分都包含有被记录信息的全 部内容，因此，当全息图因擦伤出现划痕，造成全息图局部破坏时，其记录的内容也不 会丢失，全息图所记录的全部内容仍可被显示出来，仅仅是在还原时全息图再现的影像 反差会有所下降。 ( 4 ) 寻址速度快。在光全息存储技术中，参考光除可以采用可见光外，还可以采 用声光、电光等非机械式寻址方式，因而系统的寻址速度很快，数据访问时间可降至亚 毫秒级或更低。 ( 5 ) 具有关联寻址的特点。在光全息存储技术中，对于块状角度复用全息存储技 8 第一章绪论 术，如果在读出时不用参考光而改由物光中的某幅图像( 或其部分) 照射公共体积内由 角度多重法存储的多重全息图，那么将会读出一系列不同方向的“参考光”，各光的强 度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度，利用此关联特性，可以实现内容 寻址操作。该特点对基于图像相关运算的快速目标识别、自动导航、卫星星图匹配定位、 大型数据库的检索与管理等应用十分重要。 1 3 4 光全息存储复用技术 与其他存储技术相比，全息存储技术可以实现大容量存储，但是如果不引入各种复 用技术仍然不可能制造出超高容量的存储器，实现高密度存储。所谓复用技术，就是在 同部分介质存入多重全息图，以便增加存储密度或者是充分利用存储介质的厚度、长度 等几何尺寸进行多层全息存储或移位全息存储。复用技术就是根据偶合波理论，利用体 光栅的b r a g g 衍射特性( 角度和波长选择性) ，使我们可以利用不同角度或不同波长的的 入射光线，在同一体积中记录许多不同的全息图信息并且无显著的串扰噪声，从而实现 海量存储。主要的复用技术有： ( 1 )空间复用技术 空间复用技术是人们最早提出的复用技术，它是将数据页记录在存储介质的不同空 间区域。它大致可以用两种方式实现，第一种是将存储材料的有效空间分成许多层，在 各层分别进行记录和读出，第二种方式用移动存储材料、固定光束的方法进行记录和读 出【2 6 1 。空间复用的优点是相邻全息图在空间上不重叠，再现时原始数据页之间的串扰噪 音可以完全避免，每个全息图的衍射效率都可以达到单个全息图存储所能达到的最大衍 射效率；而且，这种方法的光路设计和构架比较简单，能充分利用存储介质的有效存储 空间。 ( 2 )角度复用技术 角度复用技术是基于b r a g g 条件提出的，是研究最为成熟的复用技术。它是利用改 变参考光入射角的方法，使不同的信息页可以互不相干的记录在同一空间区域。角度复 用技术大大提高了存储介质的存储密度，但由于密度增加，相邻数据页重叠放置于同一 空间区域，不但增加了相邻数据页之间的串扰噪音，还会由于后曝光的擦除效应，严重 地影响数据页再现时的衍射效率【2 7 】。 ( 3 ) 波长复用技术 波长复用技术在记录时只改变物光和参考光的波长，实现在同一区域记录多幅数据 9 几种宽带敏感的光致聚合物光化反应动力学研究 页从而提高介质存储密度的方法。该技术可实现比角度复用更高的存储密度。由于该技 术采用波长交换寻址不但避免了机械寻址的速度慢、不可靠等缺点，而且对相邻数据页 的串扰噪音有较强的抑制能力。但是该技术也有不足之处，例如对光源要求高、成本高、 体积大、不易集成和不利于规模生产等。 ( 4 ) 位相复用技术 该技术又称编码复用技术，在记录过程中物光和参考光的波长和方向都是固定的， 仅对参考光束进行位相调制编码，每个数据页的记录用一种位相调制的参考光束，在记 录介质的同一区域连续用多个位相调制的参考光束记录多个页面，达到提高存储密度的 目的。再现时，与之对应的全息图只能用当初位相调制的参考光束来读出。由此可知，每 一束参考光的位相调制码即为存储全息页面的地址，位相复用技术与其他复用技术相 比，寻址速度更快，数据传输速率更快。 ( 5 ) 环移角度复用技术 环移角度复用技术是使参考光束绕物做圆周的环移，每次移动一定的角度记录一张 数据页。该技术有利于提高存储密度，但是存储效率较差，通常与其他复用技术相结合 使用。 ( 6 ) 空间角度复用技术 顾名思义，空间角度复用技术就是将上述的空间和角度用两种复用技术结合起来的 复用技术。该技术允许相邻的全息图在空间上部分重叠，用不同的参考光予以鉴别。衍 射效率远大于单纯角度复用技术的衍射效率，在盘式全息存储系统中，使用球面参考光波， 其存储密度理论上接近1 0 0 b 岬2 【2 8 1 。 ( 7 )分块重叠存储技术 这是空间复用和波长复用或角度复用技术相结合的应用，以解决光源不能提供足够 多独立波长，或系统不能获得足够多的参考光角度及材料动态范围有限，以致不能在同 一体积中存放较多全息图等困难。由此提出的全息存储盘的存储密度比现在的光盘要提 高个以上的数量级【2 9 1 。 随着科技日新月异的发展，出现了许多新的复用技术，例如静态、动态散斑复用技 术、折叠移位复用技术、远距多模光纤束复用技术、多源角度复用技术等3 0 。3 4 1 ，相信随 着这些技术的发展成熟，容量更高、速度更快、可靠性更强的全息存储技