葛蘊(yùn)秋，景玉丹，易 貝，楊旭慧，嚴(yán)旭輝，亢麗紅,付申成,b

(東北師范大學(xué) a.物理學(xué)院；b.物理學(xué)師范專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 長(zhǎng)春 130024)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、CCD、CMOS、空間光調(diào)制器等光電器件的出現(xiàn)，全息技術(shù)得到了飛速發(fā)展[1-2]. 信息時(shí)代的來(lái)臨，數(shù)字化存儲(chǔ)技術(shù)成為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國(guó)家創(chuàng)新能力提升、國(guó)防信息安全的重要組成部分. 發(fā)展更加先進(jìn)、可靠、高性能的存儲(chǔ)技術(shù)和存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)信息資源數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)是十分必要的，而具有海量存儲(chǔ)能力的激光全息存儲(chǔ)系統(tǒng)是理想的發(fā)展方向之一[3-4]. 推進(jìn)全息存儲(chǔ)發(fā)展的關(guān)鍵是找到合適的存儲(chǔ)介質(zhì)和制膜技術(shù). 從制作成本和存儲(chǔ)效果看，光致聚合物是全息存儲(chǔ)的理想介質(zhì). 但光致聚合物薄膜存在皺縮的問(wèn)題導(dǎo)致衍射效率受限，如何在增大薄膜存儲(chǔ)容量的同時(shí)抑制光致褶皺現(xiàn)象更具有實(shí)際意義.

本文將偶氮光聚物作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過(guò)無(wú)機(jī)納米多孔模板的空間限域特性減少皺縮現(xiàn)象，提升衍射效率，并且從光化學(xué)原理研究并解釋了薄膜記錄及再現(xiàn)機(jī)理，通過(guò)測(cè)量薄膜的全息動(dòng)力學(xué)特性，分析無(wú)機(jī)納米多孔模板的作用，利用馬赫-曾德?tīng)柟饴愤M(jìn)行薄膜存儲(chǔ). 通過(guò)金相顯微鏡觀察薄膜存儲(chǔ)的全息圖信息并且分析影響衍射效率的因素.

1 制備高質(zhì)量的光聚物薄膜

實(shí)驗(yàn)器材：TiO2，PDR1，三氯甲烷，玻片，稱量紙，錫紙，電子天平，移液槍，磁力攪拌器.

實(shí)驗(yàn)步驟：

1)稱量藥品. 剪取稱量紙(用于存放PDR1)，對(duì)天平進(jìn)行調(diào)平后，放紙清零，根據(jù)PDR1占溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的配比[5]，稱取8.9 mg PDR1放入離心管中.

2)用移液槍量取250 μL三氯甲烷與PDR1溶液混合，并用錫紙包裝，避光存放.

3)滴涂法制備光致聚合物薄膜. 取80 μL PDR1溶液滴于玻璃襯底上；取80 μL PDR1溶液滴于3層TiO2襯底上；將培養(yǎng)皿倒扣，并用遮光布遮光處理，靜置24 h[6].

4)分別制作出2種樣品膜：PDR1/玻璃襯底(圖1)和PDR1/3層TiO2襯底(圖2).

圖1 PDR1/玻璃襯底

圖2 PDR1/3層TiO2襯底

2 光聚物的存儲(chǔ)及再現(xiàn)機(jī)理

實(shí)驗(yàn)中使用的存儲(chǔ)介質(zhì)光致變色性能良好，通過(guò)吸收短波長(zhǎng)光能，促使偶氮分子產(chǎn)生反式→順式異構(gòu)化，產(chǎn)生吸光度和折射率的變化. 入射的2束相干光發(fā)生干涉，導(dǎo)致照射到薄膜表面的光強(qiáng)周期性變化，由于光致變色效應(yīng)，照射一段時(shí)間后薄膜的吸收系數(shù)和折射率均呈周期性改變，此時(shí)薄膜近似于透射光柵，再用參考光照射，由衍射原理讀取光柵生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)信息[7].

3 薄膜的全息動(dòng)力學(xué)特性

搭建全息動(dòng)力學(xué)測(cè)試光路，使用藍(lán)光激光源(λ=473 nm,P=10 mW)作為寫入光；紅光激光源(λ=671 nm,P=0.5 mW)作為讀出光[8]，測(cè)試薄膜的全息動(dòng)力學(xué)特性.

由圖3可知，以玻璃作為襯底的薄膜在500 s內(nèi)達(dá)到極值，以TiO2作為襯底的薄膜在800～1 000 s達(dá)到極值，此后檢測(cè)到的光強(qiáng)隨時(shí)間平緩減弱. 從圖3中還可以看出無(wú)機(jī)納米(TiO2)模板可以有效增強(qiáng)衍射效率，因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)可以起到固定的作用，減少薄膜皺縮現(xiàn)象[9].

圖3 薄膜全息動(dòng)力學(xué)特性

4 研究薄膜的數(shù)字全息特性

4.1 搭建馬赫-曾德?tīng)柟饴?/h3>

研究薄膜數(shù)字全息特性的光路圖如圖4所示. 為得到干涉效果較好的條紋，應(yīng)使2束光的光程相等，令BS1，BS2，M1和M2構(gòu)成正方形，最終得到2束幾乎平行但仍存在交角的干涉光.

圖4 馬赫-曾德?tīng)柟饴?/p>

在1個(gè)光臂中加入空間光調(diào)制器，使目標(biāo)圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出，經(jīng)空間光調(diào)制器將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為光學(xué)信息，讓CCD或薄膜采集到此信息. 利用金相顯微鏡觀察薄膜表面并與CCD接收的信息相比較.

4.2 薄膜與CCD接收全息圖的效果對(duì)比

首先進(jìn)行直條紋圖像的存儲(chǔ). 圖5為利用CCD接收觀察到的直條紋干涉圖像，通過(guò)調(diào)整兩相干光交角使條紋達(dá)到合適的寬度.

圖5 CCD對(duì)干涉直條紋的接收效果

圖6為利用金相顯微鏡，在PDR1/玻璃襯底膜和PDR1/3層TiO2襯底膜表面所觀察到的直條紋圖像，可以看出PDR1/3層TiO2襯底膜上所形成的條紋圖像更加清晰，更真實(shí)地復(fù)制了干涉光場(chǎng)的信息.

接著加入空間光調(diào)制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出圖7樣式的三角形圖像，圖8為利用CCD接收觀察到的干涉圖像. 圖9為在PDR1/玻璃襯底膜和PDR1/3層TiO2襯底膜表面所觀察到的三角形圖像. 可以看出PDR1/玻璃襯底膜上的圖像發(fā)生了較大形變，且有部分圖像信息丟失，PDR1/3層TiO2襯底膜上的圖像無(wú)明顯形變，圖像信息完整. 由此可以看出無(wú)機(jī)納米襯底(TiO2)可以有效增強(qiáng)衍射效率，使存儲(chǔ)的圖像質(zhì)量更高.

(a)PDR1/玻璃襯底表面

(b)PDR1/3層TiO2襯底圖6 金相顯微鏡觀察到的直條紋圖像

圖7 輸入空間光調(diào)制器中的三角形圖像

圖8 CCD對(duì)三角形圖像的接收效果

(a)PDR1/玻璃襯底膜

(b)PDR1/3層TiO2襯底膜圖9 薄膜中存儲(chǔ)的三角形圖像

5 影響薄膜衍射效率的因素分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載光聚物的無(wú)機(jī)納米多孔薄膜能夠有效記錄全息圖，但其存儲(chǔ)性能仍有提升空間，如薄膜均勻性的提升[10]. 在金相顯微鏡下能夠觀察到滴涂法制備的薄膜邊緣存在一定的不均勻，后期可通過(guò)增大滴涂面積得以改善.

實(shí)驗(yàn)中需注意保證薄膜厚度，控制滴涂均勻性，減少薄膜中的雜質(zhì)，調(diào)控光強(qiáng)及測(cè)試時(shí)間，優(yōu)化薄膜存儲(chǔ)條件，盡可能消除實(shí)驗(yàn)室外部環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)最佳的信息記錄效果.

6 結(jié)束語(yǔ)

利用TiO2納米多孔膜的空間限域效應(yīng)改善光致聚合物薄膜的褶皺問(wèn)題，制作出高質(zhì)量的全息存儲(chǔ)介質(zhì). 通過(guò)光化學(xué)原理研究了光致聚合物薄膜存儲(chǔ)機(jī)理，合理設(shè)計(jì)薄膜存儲(chǔ)光路，通過(guò)TiO2模板與平層玻璃襯底負(fù)載的光致聚合物動(dòng)力學(xué)曲線和實(shí)際圖像存儲(chǔ)效果對(duì)比，驗(yàn)證了TiO2模板可以有效提升全息存儲(chǔ)效率，實(shí)現(xiàn)高密度信息記錄.