光致聚合物(photopolymer)全息存储材料,以聚合物为基体、光引发剂为光敏物质,具有易加工成型、性能稳定和可永久读取等优点。光致聚合物进行全息信息存储的基本原理是:当相干光场照射到含有聚合物基体、单体和光敏剂以及其他活性组份的混合物时,相干亮区的光敏剂吸收光子形成活化中心,继而引发附近单体产生光聚合反应。因此,亮暗区域将形成化学势差,暗区单体将持续向亮区扩散,直至化学势稳定,产生稳定的明暗条纹形成全息图,反应机理图1 所示。 |
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图1. 光致聚合物的光反应机理 | |
目前,丙烯酸酯类聚合物由于同时具备结构稳定、衍射效率高、光致收缩可忽略和易制备成块体材料等优势,非常适合用于全息数据存储,受到国内外学者和研究机构的关注。其中,菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PQ/PMMA)材料是研究较为深入,最有可能实现商用的。 早在 1977 年,A Bloom 等人将多种光敏感分子掺杂到未饱和聚酯(polyesters)当中,制备了厚度达到 2 mm 的块状材料,其中使用甲基丙烯酸甲酯(MMA)制备的全息聚合物材料,获得了高达70%的衍射效率。这种全息材料以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子聚合物为基体,性能稳定,几乎不会产生光致收缩。直到1996年,A. V. Veniaminov等人率先使用菲醌(PQ)作为光敏剂,制备了 PQ 掺杂 PMMA 聚合物全息薄膜以来,人们才逐渐开始将目光聚焦到 PQ/PMMA 全息光致聚合物上。接着,美国加州理工学院的 G. J. Steckman 等人于 1998 年,使用高温高压热引发聚合方法,制备了 3mm 厚的 PQ/PMMA 全息盘式材料,并测得 35% 的光栅衍射效率,单点复用 50 幅全息图的动态范围数为 4.8。1999 年,台湾国立交通大学的林煊辉等人,使用 ~0.5% 的 AIBN(偶氮二异丁腈)作为热引发剂,在 MMA 单体中加入 0.7% 的 PQ 作为光敏剂,使用热聚合法制备了厚度从 1.2 到 7.2mm 不等的块状 PQ/PMMA 光致聚合物材料。并且使用 4.8mm 的材料在 8mJ/cm2 的曝光量下,通过角度复用实现了高达 355 个光栅的全息记录。2000年,林煊辉提出通过两步聚合法,将使用自由基引发的热聚合反应与光致聚合反应分为两个阶段,可以有效抑制 PQ/PMMA 材料的光致收缩;同年,他们制备了 8mm 的 PQ/PMMA 块状材料,将材料的动态范围数进一步提升到 14。自此,通过两步法制备 PQ/PMMA 材料的方案基本确立,有关 PQ/PMMA 反应机理的研究也围绕着热聚合和光聚合反应逐步展开。 |