（光学专业论文）全息光致聚合物的光化反应动力学及全息存储特性研究.pdf

河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 摘要 光致聚合物材料因其具有高衍射效率、制作工艺简单、噪声小、实时记录、 价格低廉等特性，而成为近年全息存储材料研究的重点。本文在总结了目前光学 全息存储技术和光致聚合物材料的存储原理、性能研究现状的基础上，主要进行 了以下几方面的工作： 1 结合光致聚合物中光化学反应的基本过程及其理论函数模型，对采用不 同双染料敏化的光致聚合物的透射率曲线进行拟合得到了光化学反应理论模型中 的参数。在此基础上依托于实验数据，利用m a t l a b 实现曲线拟合并得到光致 聚合物中各光化学参数的新方法。 2 研究了双染料敏化的全息光致聚合物的光化学反应理论模型及其动力 学过程；研究了几种样品透射率随曝光时间、曝光强度、曝光波长的变化关系。 3 分析了几种材料光化反应动力学参数摩尔吸收系数、量子效率、光 化漂白速率常数随曝光强度、曝光波长盼变化关系，并解释了变化的原因。 4 研究了以不同种胺类作为引发剂以及不同引发剂浓度对光致聚合物的 全息性能及其光化漂白反应过程的影响。 5 研究了以不同种胺类作为引发剂的全息光致聚合物材料的最大衍射效 率、曝光灵敏度以及折射率调制度等全息特性参数的不同，分析了原因。 6 研究了全息光致聚合物材料在全息记录过程中氧阻聚抑制的影响。 关键词：光致聚合物；光化反应动力学；全息存储；理论拟合。 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 a b s t r a c t p h n t o p o l y m e rm a t e r i a l sh a v eb e c o m et h em o s tp o t e n t i a l c a n d i d a t eo fd i g i t a l h o l o g r a p h i cr e c o r d i n gi nr e c c n ty e a r s t h em a i nr e a s o n s f o r t h i sa r et h e s p e c i a l p r o p e r t i e so f t h e s em e d i a r s u c h 豁h i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ，e a s eo f p r e p a r a t i o n ， l o wn o i s e ，r e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n dl o wc o s t o nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gt h e p r o g r e s so f o p t i c a li n f o r m a t i o ns t o r a g et e c h n o l o g y ，t h eh o l o g r a p h i cs t o r a g ep r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o p o l y m e r ，w eh a v em a i n l ys t u d i e dt h ec o n t e n t si nt h i s d i s s e r t a t i o n 勰f o l l o w s ： 1 a n a l y z i n gt h eb 嬲菇p h o t o c h e m i c a lp r o c e s sa n dt h e o r e t i c a lf u n c t i o nm o d e lo f t h ep h o t o p o l y m e r b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e la n de x p e r i m e n t a ld a t u m an e w m e t h o di ss t u d i e dt oo b t a i nc u r v ef i t t i n ga n dt h ep h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n to ft h e p h o t o p o l y m e rb ym a t l a b 2 t h ep h o t o c h e m i c a lt h e o r e t i c a lm o d e la n dt h ek i n e t i c s p r o c e s s o ft h e p h o t o p o l y m e ra n dt h ev a r i a t i o n so ft r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya s 丑f u n c t i o no fe x p o s u r e t i m e ，e x p o s u r ei n t e n s i t y ，a n de x p o s u r ew a v e l e n g t hw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y o nt h e b a s eo f d u a l - c u r ep h o t o p o l y m e r i z a b l es y s t e m 3 t h ev a r i a t i o n so fp h o t o c h e m i c a ld y n a m i cp a r a m e t e r s t 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 ，p h o t o b l e a c h i n gc o e f f i c i e n ta n dq u a n t u my i e l dv e r s 岫e x p o s u r ei n t e n s i t y ， a n de x p o s u r ew a v e l e n g 血w e r es t u d i e d ，a n dt h ec 绷鞋啪o f t h e s ec h a n g e sa r ep r e s e n t e d 4 t h ed i f f e r e n c eo fh o l o g r a p h i cp a r a m e t e r sa n dp h o t o b l e a c h i n gk i n e t i c so f d i f f e r e n ta m i n e p h o t o i n t i a t o r s a n dd i f f e r e n tt e ac o n c e n t r a t i o n sw e r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 5 t h eh o i o g r a p m cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c h 舔m a x i m u md i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y s e n s i t i v i t ya n dm o d u l a t i o ni n d e xo fd i f f e r e n ta m i n ep h o t o i n i t i a t o r s 躺 c a l c u l a t e d ，a n dt h ec a u s e so f t h e s ed i f f e r e n c ew e r cp r e s e n t e d 6 e l i m i n a t i o no fo x y g e ni n h i b i t i o ni np h o t o p o l y m e rs y s t e m su s e da sh o l o g r a p h i c r e c o r d i n gm a t e r h l sa r e s t u d i e d k e yw o r d s ：p h o t o p o l y m e r , p h o t o c h e m i c a lk i n e t i c s ；h o l o g r a p h i cs t o r a g e ；t h e o r e t i c f i t t i n g 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学住中请。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酌，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、科研机构酌学位或证书而 段保存、汇鳊学位论文( 甄质文本和电子文本) 。 ( 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：睦盘 2 0c 7 年翻车。 学位论文指导教师签名： 2 0 j 率 三乒i ! 盟筝一 6 7 卑月d 日 河南大学光学专业2 0 0 4 缓硕士论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早 三百下匕 在信息技术的几个环节( 获取，传输，存储，显示，处理) 中，信息的存储 是重要环节之一。8 0 年代到9 0 年代，人们最关心的是信息处理，即如何提高计 算机芯片的处理速度和效率，全球掀起了计算机主处理器大战；9 0 年代后期通信 网络兴起，大家可以共享数据和通信，有人讲“网络就是计算机”，进入2 l 世纪， 人们要考虑如何有效她存储和管理越来越多的数据，以及如何应用这些数据。信 息存储空间日益拥挤，信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高，加之 网络的普及，2 1 世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起。就以目前的计算机系统 来讲，外部设备的价格就已超过主机。目前全球包括计算机系统、软件、网络以 及家用和服务等领域的存储市场已达7 0 0 多亿美元，跨世纪将超过1 0 0 0 亿美元， 将成为2 1 世纪的信息主要市场f 旧。 。 在现代数据存储中磁存储技术早已先入为主。磁盘、软磁盘和硬磁盘已普遍 应用，形成了巨大的产业。磁存储介质的存储密度在近2 0 年中有飞快的发展、几 乎每5 年增加l o 倍。光盘存储技术是2 0 世纪7 0 年代开拓出来的。光盘存储技术 发展到8 0 年代，便在声视领域内促成了激光口昌片和激光唱机产业的兴起。发展之 迅速，出乎人们的预料。与磁存储技术相比，光盘存储技术具有存储寿命长、非 接触式读写和擦除、信息的载噪比高、信息位的价格低等优点。光盘存储技术当 然目前还有它的不足之处，如光盘机( 或称驱动器) 比磁带机或磁盘驱动器要复 杂一些，因此价格还较贵。光盘机的信息或数据传输率目前比磁盘机低，平均数 据存取时间在2 0 1 0 0 m s 之间。 我国一直重视信息存储技术的研究和开发。“六五”和“七五”期间国家对 硬磁盘组织科技攻关。但是仍以磁性氧化物涂布法为主，最大容量只做到2 5 0 m b 。 与国外的差距太大，而以后我国基本上停止对硬磁盘的研究与开发。从“七五” 开始，我国组织力量开展了光盘存储技术的研究与开发，先后开发出实用化的可 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 擦重写的磁光光盘和相变光盘，可记录的c d 和可擦重写的c d 光盘( c d - - r w ) ， 有些存储材料和工艺也转向生产。目前d v d - - r 和d v d - - r w 的研究开发正在 进行中口。 信息存储涉及到材料科学、电子学、光电子学、光子学以及计算机科学等， 迎接2 1 世纪兆兆位( t b ) 时代，需要各方面的突破。随着光学技术、激光技术、 微电子技术、材料科学、细微n - r 技术、计算机与自动控制技术的发展，光存储 技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上将有巨大的发展潜 力。在下一个世纪初，光盘存储将在功能多样化，操作智能化方面都会有显著的 进展。随着光量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技 术的发展，光存储技术必将在本世纪成为信息产业中的支柱技术之一。 1 2 光学全息存储技术的研究与发展现状 图1 1 信息存储技术发展现状 信息存储的发展趋势是提高存储密度和提高数据传输率。近年来，各国信息 存储领域的研究人员为此展开了激烈的竞争，有关高密度高速信息存储的新思想、 2 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 新概念和新理论不断涌现，各种新材料、新器件和新技术也竞相问世。光存储技 术的发展趋向为：由远场光存储到近场光存储；由二维光存储到多维光存储；由 光热存储到光子存储。 从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下 能产生物理化学性质的改变并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质 发生变化，都可以作为光学存储的介质。目前最普遍、最成熟的光学存储技术是 光盘存储。另外还有很多种技术正在发展中，如双光子光存储嗍、近场光存储 9 - ”】、 持续光谱烧孔技术 1 4 , 1 5 和数字全息光存储技术【椎1 叼等。与双光子光存储、近场光 存储、持续光谱烧孔技术等存储方法相比，数字全息光存储是既能并行读写，提 高数据传输速率，又能三维体存储，增大存储容量的海量存储技术，同时很快的 存取时间以及高的冗余度等优点，能够解决磁存储技术固有的容量小、按位存取 等缺点，而成为当今计算机存储技术发展的主导方向。 1 2 1 光学全息存储基本原理 图1 2 数字存储基本原理 数字全息存储是利用光学全息的基本原理来进行二值化页面形式的光学信息 存储的方法，二值化光学信息页即数字化的光学信息，它是对信息进行数字化编 码后通过空间光调制器( s l m ) 调制成二值化光学信息页的。具体数字全息存储 可南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 信息的记录过程即是将二值化光学信息页作为光学全息技术中的物，将其透过或 反射的相干光束作为物光束与参考光束在记录介质的表面或体积中相干记录成全 息光栅即全息图。信息的读出即光学全息的再现过程，即用满足全息光栅b r a g g 条件的参考光束照射全息图，全息光栅的衍射将二值化光学信息页再现，用光学 方法将再现的二值化信息页成像到c c d 等光电探测器件的接收面上，再通过判 决电路将二值化光学信息恢复成原始的数字化信息流。 1 2 2 光学全息存储技术的研究进展 近年来，人们在从事高密度数字全息存储技术的研究过程中发现，由于实际 光路中各种光学元器件的参数和机械精度的限制，现有的数字全息存储技术以及 有限的全息复用技术已经难以实现理论上的信息记录密度，为此人们也不断的开 发出了新的存储技术并对现有的复用技术进行了改进。 a 全息存储技术： 1 双透镜扫描角度复用短焦距超高密度傅里叶变换全息存储【1 9 】 2 0 0 1 年，m m 实验室设计了一种利用振镜加双透镜扫描角度复用短焦距傅里 叶变换的存储技术，这种方法用图1 3 所示的装置在8 r a m 1 5 r a m 晶体中存储信息， 其特点是使用了焦距为3 0 m m 的超短焦距傅里时透镜在晶体中进行傅里叶全息存 储，复用采用角度复用的方法，角度复用是采用了扫描振镜加双透镜扫描的方法， 其空间光调制器是1 0 2 4 x 1 0 2 4 的分辨率，像素大小为1 2 8 1 m a ，利用硅作基底的反 射式液晶显示器，接受器c c d 填充因子大于9 0 的探测器阵列，像素大小为 1 2 1 m a ，每幅全息图的曝光时间平均为o 3 4 s ，相邻全息图之间参考光束的角度间 隔为0 0 1 6 0 ，参考光和物光的功率分别为1 5 4 r o w 和6 2 m w 。其另外一个特点是 在傅立叶透镜的傅立叶变换平面上放置一个1 7 m m x l 7 m m 的方孔光阑，以减少 页内像素之间的串扰噪声，还有为了减少其它散射光的影响，在晶体的角上粘贴 了黑色带纸，同时在距晶体l m m 远的地方放置了一个大小为4 5 r a m 4 5 m m 的方 孑l 形光阑。再现象在播获后采用非线性平衡的算法对其进行了加工。总的在晶体 4 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 的同一个位置存放了1 0 0 0 幅全息图，实现了1 1 x 1 0 d 的原始误码率，存储密度达 到了2 5 4 g i g a p i x e l s i n ? 。 图1 3m m 的d e m o n 2 数字全息存储实验装置 2 共轴数字全息光盘存储系统【2 0 】 图1 4 共轴数字全息光盘存储系统的示意图 2 0 0 4 年s t a n f o r d 大学的研究人员设计了一种共轴数字全息光盘存储系统，该 方法的基本原理图和示意图分别如图1 4 和图1 5 所示，其主要特点是将空间光调 制器放在光路的中间，参考光在边上，二者在同一光束中间共轴。该方法类似于 日本的o p w a r e 公司的共线偏振全息存储系统。 5 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 图1 5 共轴数字全息光盘驱动器的整体结构 3 共振全息存储技术伫1 】 该技术用了共振全息存储器的概念，共振全息存储器是利用激光谐振腔的工 作原理，将全息记录材料放在腔中，而其它记录和读出光路可以和谐振腔成一定 的角度，利用谐振腔的谐振原理可以大大增加全息存储器的衍射效率( 谐振衍射 效率) 和信息读出时的信噪比。文章同时给出了全息存储获得最大衍射效率的谐 振强度。 利用高斯光束作参考光可以起到切趾作用，能将输出信号强度的旁瓣压缩两 个数量级，但主瓣的宽度可能增加两倍左右，另外还能够将信噪比的对数压缩约 两个数量级。但是使用高斯光束必须用球面谐振腔，这是一种常用的非共振的谐 振腔，但这种谐振腔比平面f a b r y - p e r o t 谐振腔要稳定，因为高斯光束是这种谐振 腔的本征模。 4 共线偏振全息存储技术圈 2 0 0 4 年日本的o p t w a r e 公司发明了一种叫做共线偏振全息存储的技术，这种 方法将激光器发出的光经透镜变成平行光后经半波片，将光束分成p 偏振和s 偏 振的平面光，这些光同时入射到一个偏振分束器上面，一个被反射，形成参考光 束；一个透射，透射光经反射镜后入射到反射式空间光调制器s l m 上面，该空 6 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 间光调制器是一个d m d ( d e f l e c t i n gm i r r o rd e v i c eo rd i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) ， 它将通过编码的数字化信息调制进该光束，形成物光束，该光束又一次通过偏振 分束器后与参考光束经过一个由两个共焦透镜形成的滤波系统，滤波器是一个方 形小孔，因为空间光调制器相当于一个反射光栅，所以调制后的物光束中存在高 级衍射光，这些光叫冗余( r e d u n d e n t ) 光，这些冗余光形成了记录过程的噪声， 故必须滤去因此在共焦滤波系统的焦点处放置了一个方形的滤波小孔，只有低 级衍射光即携带信息的物光能透过，降低噪声。这些共线的光束经过一个半波片 后将s 偏振的参考光变成了与物光一样的p 偏振参考光。 这些光再次经过一个偏振分束仪后参考光被反射，物光透射，透射的物光经 反射镜和透镜后聚焦，再次经过一个透镜将参物光共同聚焦在记录介质上面，实 现数字化全息记录。读出时物光束关闭，只有参考光入射到介质上，该参考光将 再现的物光经介质中特殊的反射层沿记录光路反射到一个反射镜，经反射镜后光 束再一次经过一个共焦双透镜滤波系统后将再现的物光投射到c c d 上面完成读 出。 这种方法的显著特点是，用d m d 作空间光调制器；用一个小方孔滤去空间 光调制器反射的高阶衍射波，降低了存储的噪声；方形小孔使得记录在介质上的 全息图成方形，增加了系统的存储密度和容量。这种方法，使用的记录介质一般 是光致聚合物光盘，全息光盘盘片由基底p n c 记录层h r f 6 0 0 反射层a 蟓护层 等组成，基底上面有地址刻槽。 b 复用技术： 存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可 以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。传统意义上全息光存储中 的复用技术主要包括空间复用、角度复用、波长复用、位相复用和混合复用等。 空间复用技术是为了增加体全息存储的容量，将数据页的傅里叶全息图记录 在存储介质的不同空间区域。优点是相邻全息图在空间不重叠，再现时数据页之 间的串扰噪音可被避免，每个全息图的衍射效率均可以达到单个全息图存储所能 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 达到的饱和衍射效率，另外这种方法光路简单，能充分利用存储介质的有效存储 空间。其缺点是单独使用这种方法，不能增加介质的存储密度，影响容量。 根据体全息光栅的布拉格选择性，人们提出了角度复用、位相复用和波长复 用等技术。我们知道，体全息光栅的衍射对角度、波长和位相等都具有严格的选 择性。角度复用技术用改变参考光入射角度的方法在存储介质的同一空间区域上 记录许多不同信息数据页面的全息图，当读出时，仍然通过改变参考光的角度来 实现页面寻址和读出。位相复用技术又叫位相编码复用技术，在记录的过程中， 不改变光波的波长和每个光束的方向( 角度) ，只是在参考光束的光路上对参考光 束进行位相调制( p h a s em o d u l a t i n g ) ，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全息数据 页，再现时，只有用记录时位相调制的参考光束来再现与之对应的全息图象。如 同角度复用技术，波长复用技术也是建立在b r a g g 条件之上的，它是记录时物光 和参考光的方向( 角度) 均不改变，而只改变它们的波长，从而实现在存储介质的 同一区域记录很多数据页的全息图，提高全息存储的密度。 混合复用技术是将上述两种或两种以上复用技术混合使用的多幅全息图复用 存储的方法。这种方法将会大大提高数字化全息存储的密度和容量，在此不再赘 述。 近年来，人们在从事高密度数字全息存储技术的研究过程中发现，由于实际 光路中各种光学元器件的参数和机械精度的限制，这些有限的复用技术仍然难以 实现理论上的信息记录密度，为此人们也不断的开发出了新的复用技术以及对现 有的复用方法进行了改进，本节后面的部分就总结介绍这些新的方法和技术。 1 角度选择性的增强】 2 0 0 4 年w e i - c h i as u 和c h i e n - i - i o n gl i n 等人就研究了一种能够增强角度选 择性增加角度复用度的方法，这种方法使用在9 0 。设置的光折变晶体存储系统 中，主要是在信号光路上放置一块加密的位相板，即一个毛玻璃片即可，读出时 用相位共轭的方法，记录和读出过程中都是用平面波做参考光束，其优点是用平 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 面波做参考光束容易用一个反向传播的光束做共轭光束，而用球面波做参考光束， 必须使用相位共轭镜子，这样既增加了成本又因为相位共轭镜子反射面的限制增 大了能量的损耗。 图7 1 6 通过位相板加密增加角度复用度的数字化全息存储 ( a ) 加密信息的写入，( b ) 加密信息的读出 2 多模光纤束远距离复用技术剀 同样是在2 0 0 4 年b y o u n g h ol e e 等人提出了一种不同于其它多模光纤及其随 机花样全息复用方法的远距离用多模光纤束实现的复用方法，这种方法在参考光 支路上设置一个多模光纤束，可以分别用直接耦合或透镜耦合的方法将参考光束 耦合到多模光纤束上面，该多模光纤束具有导波性能，其能够随机花样输出，能 实现复用存储，具体设置如下图所示 图1 7 由多模光纤生成参考光束的远距离复用全息存储 对于直接耦合，由于没有经过聚焦所以能够耦合到多个多模光纤上面，但由 于是在同一个方向上传播，所以形成的模数较少，光束的空间频谱窄；而透镜耦 9 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 合经过了聚焦，所以只能耦合到一个或很少数目的多模光纤上面，但因为形成了 球面波，所以传播方向增多，形成的模数较多，光束的空间频率很宽。 理论分析和实验结果都表示，直接耦合对角度选择性有很大的提高，而对移 位复用的选择性比较差，而透镜耦合则相反，能够增大移位复用的选择性，对角 度选择性几乎为无穷大，原因在上述模式的多少和频带的宽窄上面。但是两种方 法的波长选择性是一样的。 3 p o l y t o p i c 复用技术【2 5 】 b n 腻、姘雳瓣 剐帮毒 ，飞 心躲? 越够 图1 8 用p o l y t o p i c 复用技术增加存储密度的示意图，a 传统角度复用方法 b p o l y t o p i c 角度复用方法 这种方法叫多源角度( p o l y t o p i c ) 复用技术，如图1 8 所示，它克服了传统 的角度移位复用技术对介质使用空间的浪费，将物光束的束腰移出介质，在角度 复用过程中，物光束的束腰部分不相互重叠，其它发散部分可以重叠，参考光束 在介质中与物光束交叠实现记录，相邻的全息图都通过移动介质一个位移使得物 光束的束腰不重叠而通过改变参考光束角度的方法实现记录，光路采用傅立叶全 l o 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 息记录的光路，读出时除了与参考光对应的全息页面被再现外，还有相邻页面也 被再现，为了保证读出再现时的信噪比，通常在物光束的束腰处放置一个光阑， 该光阑只让对应所需页面通过并到达接收面，实现信息的正确读出，而其它相邻 全息页面的再现图像则被遮挡，不能到达接收面。 4 折叠复用技术 2 0 1 q ) 图1 9 ( a ) 折叠移位复用系统的光路设置，( b ) 复用存储5 0 个数字全息图像中 第2 0 个的再现象，( c ) 第2 0 个再现象的像素强度分布 为了在比较厚的薄板形状的存储介质中实现超高密度全息存储，2 0 0 3 年 c h r i s t o p h em o s e r 等采用9 0 。入射，信号光以平面波形式垂直入射到平板上面的 不同位置，而参考光以球面波从侧面入射到介质内部，移位是通过参考光在侧面 的移动来实现的；重叠复用是参考光通过介质时类似波导传播，即光束在介质的 上下两个表面发生全反射，使参考光束在介质内多次重叠传播到介质内的不同地 方。理论和实验均表明参考光在侧面的移位复用选择性为 5 = 元 2 n a 这里a 为入射波长，而n a 为参考光在介质厚度侧面入射时的数值孔径，表 明这个选择性与材料的厚度和位置没有关系，而只和入射波长成正比，与数值孔 径成反比。实验与解析理论符合很好，用这种方法移位复用存储了5 0 张数字化全 l i 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 息页面，其中第2 0 页的信噪比达到了3 5 。对l m m 厚的铌酸锂晶体，采用5 3 2 n m 的记录波长得到了0 5 1 m a 的移位选择性。很明显，这种复用方法还有一个优势， 就是能使存储器做的比较小型化，这符合人们对全息存储器件的设计发展理念。 手 矗 上 图1 1 0 ( a ) 垂直移位复用示意图，( b ) 晶体中定域内反射的移位复用技术 1 2 3 光学全息存储材料的研究进展 不同的存储应用对可写与可擦除有不同的要求，一种材料不能满足所有要求， 所以必须对材料进行分类，了解性能。对体全息存储材料的特殊要求，特别是自 加工和厚度的要求，极大地缩小了可供选择的范围，现在已经开发出的体全息存 储材料包括无机存储材料和有机存储材料。 1无机材料 最常见的无机材料有光折变材料，如铌酸锂0 。i s b 0 3 ) 、铌酸锶钡( s b n ) 和钛酸 钡( b a t i 0 3 ) 鲫。无机存储材料的存储机理是干涉条纹的亮区激发电子到导带，漂移 到暗区并被俘获。无机晶体的主要优点是能够得到具有较高衍射效率的相位全息 图，晶体可以做到厘米量级厚度，且光学质量较好。但在存储或读出全息图时容 1 2 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 易引起电子空间电荷的重新分布，这就要求有后续的固化定影处理过程。另外要 保证低误码率，每一个c c d 像素接收到的光子数必须足够多解决固化定影的主 要方法是热固化定影，电固化定影和全息图曝光期间使用门控。 但采用无机晶体有如下缺点： ( 1 ) 无机晶体的响应速度较慢，目前存储一幅图像需要2 - 4 秒，适合做只读存储器： ( 2 ) 双掺杂和三掺杂无机晶体虽然杂响应速度上有较大的提高，但其衍射效率又 有所下降： ( 3 ) 晶体的制造成本较高，晶体的生长周期长，另外控制晶体的缺陷也比较复杂， 还有衍射效率较低等问题。目前国际上研究方面最多的还是掺杂铌酸锂晶体，其 中双掺杂和三掺杂铌酸锂晶体仍然是研究的主攻方向，掺杂化学计量的铌酸锂晶 体也成为国际上研究的热点。 2有机材料圆 体全息存储使用的有机材料主要分为有机光致聚合物( 光聚物) 材料和有机 光折变材料。使用有机光致聚合物的基本原理是散布在材料中的有机感光单体在 干涉图样的高密度区发生聚合，形成调制后的折射率梯度分布。相对于无机晶体 材料，有机光聚物由于价格便宜，衍射效率高，制备简便，不需要后湿化学处理 工艺等优点己经成为最有可能最先被用来作为体全息存储的材料。但曝光后有一 定程度的收缩是其缺点【凹，3 0 】，d u p o n t 公司的王丑强和o m n i d e x 系列光聚物和p o l a r o i d 公司生产的d m p 系列光聚物材料都具有优异的光学性能，使用简便。在含有非线 性聚合体的有机材料中掺入电荷传输媒介物制备有机光折变材料也是近来研究的 重点。由于有机光折变材料能够可擦重写的优点己经吸引了一大批的科学家去研 究它们，但要求高电压以及材料性能不稳定等是限制它们实用化的重要因素口1 邯】。 下面详细探讨全息光致聚合物材料的研究进展。 1 3 全息光致聚合物材料的研究与发展现状 1 3 1 影响光致聚合物全息性能的因素 对体全息光致聚合物材料性能的首要要求是光学质量、存储性能及稳定性。 1 3 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 这些性能直接影响到存储密度及可达到的容量、读出数据率和误码率。影响光聚 物光全息存储性能的因素很多，除了与光聚物配方有关的因素如折射率调制度、 最大衍射效率、收缩性、记录波长、体全息复用方式等有关外，还与光聚物膜的 厚度、温度、湿度、辐照激光的偏振特性、光聚物中氧含量等有关。 j e b o y d 掣”】研究了膜厚度对光聚物全息记录特性的影响。光聚物材料的曝 光时间常量、曝光能量常量及动态范围随厚度的增加而增加，而材料的灵敏度随 材料的厚度增加而减小。增加材料的厚度有利于增加高密度全息存储的密度和容 量，但不利于提高全息记录的速度。当温度低于材料的玻璃化温度时，温度的升 高有利于增加样品的最大折射率调制度、最大衍射效率和动态范围，有利于增加 存储的容量和密度；但当温度高于材料的玻璃化温度时温度的升高会降低样品的 最大折射率调制度、最大衍射效率和动态范围。在使用a s m 方法时，用平面波 做参考光用较小孔径比的透镜即可以获得比用球面波做参考光略高的容量和密 度，更有利于该系统的设计与实现。 氧对光聚物的光化学反应有重要影响。丙烯酸的光固化过程受到氧分子的抑 制作用。c c r o u t x e b a r g h o m 等研究了在自发展光聚物9 0 2 所扮演的角色，氧分子 在光聚物中的浓度般为2 x 1 0 刁m o l d m 3 。因与引发剂单体三重态先驱体的相互作用 速率常数为( 1 5 ) x 1 0 9 t o o l 1 s 1 。在曝光的初始阶段，氧分子的猝灭作用实际上抑制 了引发剂自由基的产生。此外，0 2 能够形成过氧化物自由基，因此，只要稳定态 o ：的浓度足够高，就会阻碍全息图的形成陬3 日。 1 3 2 全息光致聚合物材料的研究进展 近来d u p o n t 公司，p o l a r o i d 公司，c a n o n 公司等都投入巨资，用以开发新型适 合全息存储的光聚物材料。其中，d u p o n t 公司的光致聚合物材料的开发一直走在 世界的前列。d u p o n t 公司系统开发了光聚合型光全恳记录材料，推出了 珏蹬系列 和o m n id e x 系列产品，具有灵敏度高，光谱响应宽，光学全息性能好，贮存期长， 光学干法加工和加工宽容度大等特点 3 7 1 。己经有很多科学家利用d u p o n t 公司的光 聚物进行了体全息存储实验【3 8 , 3 9 1 ，a l l e np u 莉l d e m e t r ip s a l t i s 4 0 采用旋转复用和角度 1 4 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 复用对h r f - 1 5 0 光聚物进行了数字全息光存储实验，在一个1 0 0 i j t m 厚的光聚物中存 储了1 0 0 0 幅数字全息图，存储的面密度远低= j ：1 0 b i t s g m 2 ，将其中的1 0 0 幅图进行了 再现后发现图像质量优异。 为了克服光聚物材料的收缩特性，许多科学家致力于开发具有无收缩特性的 光聚物材料，或采取新方法以克服收缩对光存储所带来的不利因素“删。菲醌( p q ) 掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 由于在固化后体积不收缩，所以引起了人们越来 越多的兴趣 4 9 - 5 1 1 。g j s t e c k m a n y 时此研究较多 5 0 , 5 n ，他们将单体与生色团聚合在 一起形成p q ，p q 与p m m a 共聚形成以m o i 为基体的材料。当这个材料受到相 干光的辐照，形成两个光栅。一个由与p m m a 粘结的p q 分予形成，另一个由不与 ， p m m a 粘结的p q 分子形成。随后材料的升温使得不与p m m a 粘结的p q 分子的加速 扩散，最后导致衍射效率的全面上升。 a f j m i a 等瞰】报道了一个新的光聚物配方由t - m m a ，e g d m a ，2 1 s f ，d m a 构 成，他们得到该材料具有较高的衍射效率，在5 1 4 n m 处衍射效率为3 0 ，而名e 6 3 3 n m 处衍射效率为6 0 。为了减少由于材料的收缩和反射而引起的对光存储的影响问 题，m a r k mw a n g 和s a d i k c e s e n e t 5 3 1 从另一个角度加以考虑。数据的读出基于荧 光探测而非折射率调制。他们的材料由单体d p e p a ，交联剂v p d ，引发剂n p g 和 光敏剂c q 组成，记录波长由光敏剂决定，其吸收峰在4 8 8 a m 处，用a r + 激光器记录。 因为折射率调制或材料密度的变化在这种介质的读出过程中并不必要，所以可以 较少的考虑收缩。他们将7 0 t t m 厚的厚膜分成四层存储，得到了很小的层问串扰。 他们尝试使用r b 和b o d i p y r e d 等染料，同样得到较好的效果。 为了保持材料的体积稳定性，mg s c h n o e s 等酬采用了将光聚物填充于纳米 孔玻璃中的方法。此外，该材料的体积稳定性也得到证明，另外这种介质对温度 也不敏感。 1 4 论文研究内容及意义 f l a 2 0 世纪6 0 年代以来，光致聚合物就被用作全息记录材料。与其它传统的 全息记录材料相比，光致聚合物具有许多优点：较高的感光灵敏度、高分辨率、 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 高衍射效率、高信噪比以及价格低、易处理，并且可用全干法处理及快速显影， 产生的全息图像具有高的几何保真度，可以长期保存。在这些光聚物材料中，人 们在研究具有宽带敏感的全息记录材料，光栅的形成机制已经得到了广泛的研究， 但是对这些材料的光化动力学行为和机制的研究还不够深入，有关这些材料在多 波长记录过程中的光化学反应动力学研究还未见报道。由于光致聚合反应中染料 以及光引发剂的漂白速率以及量子产率和染料的摩尔吸收系数，都对光聚物的全 息性能有很大影响，因此本文将用对光化动力学参数分析的方法对以适用于波长 复用或多波长存储的双染料敏化的光致聚合物材料以及不同胺类引发剂在不同曝 光条件下的光化动力学过程进行研究，并研究了不同条件下各种胺类引发剂对光 致聚合物材料全息性能的影响。 本论文主要内容涉及光致聚合物中光化学反应的基本过程及其理论函数模 型，对采用不同双染料敏化的光致聚合物的透射率曲线进行拟合得到了光化学反 应理论模型中的参数。在此基础上依托于实验数据，利用m a t l a b 实现了曲线 拟合并得到光致聚合物中各光化学参数的新方法，分析了不同条件下样品透射率 随曝光时间、曝光强度、曝光波长的变化关系，为后面样品的光化动力学参数分 析作基础。并且用五种不同的胺类光引发剂引发光致聚合体系，由样品的衍射特 性曲线计算分析出样品的曝光灵敏度、折射率调制度等参数，分析了不同胺类以 及不同浓度下对光致聚合物全息特性的影响。 具体章节分别如下：第一章。本论文研究背景、研究意义和国内外全息存储 技术和复用技术的研究现状，以及全息光致聚合物全息存储的基本原理，全息光 致聚合物光化反应机理。第二章，实验，材料测试装置以及材料制备过程介绍。 第三章，计算分析与讨论，即赤藓红b 和亚甲基蓝、曙红y 和亚甲基蓝、孟加拉 玫瑰红和亚甲基蓝三种双染料共同敏化的光致聚合物光化反应特性测试以及不同 胺类引发的光致聚合物全息特性测试。第四章，结论。 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 【1 】 【2 】 【3 】3 【4 】 5 】5 【6 】 参考文献 干福熹主编，数字光盘存储技术，科学出版社，1 9 9 8 ：2 4 4 - 2 6 9 干福熹主编，数字光盘和光存储材料，上海科学出版社，1 9 9 2 ：1 9 8 - 2 1 2 干福熹，高密度光数据存储技术的发展，物理，1 9 9 9 ，2 8 ( 6 ) ：3 2 3 3 3 2 戎霭伦，陈强，光数据存储的新进展，物理，2 0 0 1 ，3 0 ( 1 ) ：6 1 7 陶世荃主编，光全息存储，北京工业大学出版社，1 9 9 8 ：1 3 7 周广勇，任燕，王东等，一种新型有机染料h e a s p s 在不同波长时的双光子 吸收和频率上转换性质研究，光学技术，2 0 0 1 ，2 7 ( 4 ) ：2 8 9 - 2 9 3 周广勇，王东，王筱梅等，有机染料c s p i 的双光子吸收和上转换性质，光学 技术，2 0 0 2 ，2 8 ( 4 ) ：3 7 2 3 7 3 m m w a n g ，s c e s e n e r ，f b m c c o r m i c k ，e ta l ，e x p e r i m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o no f at w o - p h o t o nm e m o r y ，o p t l e t t ， 1 9 9 7 ，2 2 ( 8 ) ：5 5 8 5 6 0 鲁拥华，明海，蔡定平等，近场高密度光存储，物理，2 0 0 2 ，3 1 ( 5 ) ：2 8 2 - 2 8 6 魏劲松，张约品，干福熹等，近场光存储及其研究进展，物理学进展，2 0 0 2 ， 2 2 ( 2 ) ：1 8 8 - 1 9 7 孙利群，章恩耀，王佳等，基于近场光学超衍射分辨力的高密度光存储， 光电子激光，2 0 0 1 年，1 2 ( 6 ) ：6 4 6 - 6 5 1 。 李进延，干福熹，超分辨技术在光盘中的应用研究，物理，2 0 0 2 ，3 1 0 ) ：2 2 - 2 6 许吉英，王佳，孙利群等，基于纳米孔径激光器的近场光存储的最新发展， 光学技术，2 0 0 2 ，2 8 ( 4 ) ：3 4 7 - 3 5 0 黄菁，唐列志，梁瑞生，光谱烧孔技术，光学技术，2 0 0 0 ，2 6 ( 4 ) ：3 7 9 3 8 2 虞家骥，光谱烧孔：下一代光存储技术，物理，19 9 2 ，2 1 ( 6 ) ：3 5 5 3 6 4 赵业权，王峰，王锐等，超大容量光学体全息存储技术与材料的研究动态， 高技术通讯，2 0 0 2 ：1 0 7 - 11 0 王凤涛，何庆声，王建岗等，大容量高密度体全息数据存储，光学技术， 2 0 0 2 ，2 8 ( 1 ) ：6 - 8 吲 阴呈l 胆m 兰_ 叫嘶 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 【1 8 】 【1 9 】 2 0 】 【2 1 】 【2 2 】 【2 3 1 2 4 】 李伟，谢长生，裴先登，体全息存储技术，光学技术，2 0 0 1 ，2 7 ( 3 ) ：2 8 3 2 8 8 g e o f f r e yw ：b u r r ，c m i c h a e lk f f e r s o n 。h a n sc o u f a l ，m a r kj u r i c h ，j o h n a h o f f 丑a g l e ，r o g e rm m a c f a r l a n e ，a n dr o b e r tm s h e l b y ，v o l u m e h o l o g r a p h i cd a t as t o r a g ea ta na r e a ld e n s i t yo f 2 5 0g i g a p i x e l s i n 2 ，o p t l e t t 2 0 0 1 ，2 6 ( 7 ) 4 4 4 4 4 6 ( i b m a l m a d e nr e s e r c hc e n t e r ) s e r g e is o r l o v ，w i l l i a mp h i l l i p s ，e r i cb j o h l s o n ，y u z u mt a k a s h l m a ， p a d m as a n d a r a m ，l a m b e r t u sh e s