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面向光栅元件的纳米颗粒掺杂型光致聚合物全息记录特性研究

曹琳  
【摘要】:光致聚合物是一种新型激光全息记录材料,相比于传统的全息记录材料,它具备高衍射效率,高分辨率,高感光灵敏度,可干法处理,工艺简单,成本低廉等优势。光致聚合物作为体全息记录材料从上世纪九十年代得到迅速发展,近年来,不仅在体全息存储方面的获得了丰硕的研究成果,基于此制备的各种光学器件,如分布式反馈激光器,光纤布拉格光栅等相关研究也获得了飞速的进展,共同推动着光致聚合物材料的研究。尽管光致聚合物材料器件相比传统光学器件有着很大优势,但是现阶段科技条件下,由于高分子材料自身结构组成上的特点,材料存在着一定的缺陷,例如折射率调制度低,聚合反应体积收缩率大,耐热性差,抗氧化性低等,都限制了光致聚合物更广泛的应用。因此,研制性能优异的光致聚合物材料具有重要的意义和巨大的经济效益。本文的工作重点在于从光致聚合物材料反应机理出发,通过掺杂纳米颗粒等手段,探究了其对材料光学与机械特性影响,制备了用于全息衍射元件记录的高性能柔性纳米复合材料。论文的主要研究内容如下:充分调研了光致聚合物常用单体材料的研究现状,详细阐述了单体材料的优缺点。深入研究了光致聚合物全息记录的基本原理,系统的阐述了纳米颗粒掺杂型光致聚合物的扩散动力学模型。介绍了评价光致聚合物的主要参数,设计并搭建了光致聚合物全息测试系统。自主编写了适用于全息光学记录与获取数据的电控系统,对光栅形成过程进行实时的监测,使光栅的记录及评价具有实时性、自动化和可视化的特性。通过将硫醇-烯烃单体的优异光学特性与硫醇-丙烯酸酯材料的自支撑性结合起来,并在材料中掺杂纳米颗粒,得到了性能优异且具有自支撑性的柔性纳米复合材料。首先,通过验证硫醇-丙烯酸酯材料的成膜特性,选取了记录介质的基底材料。其次,深入研究了掺杂SiO_2纳米颗粒的光栅特性,探究了掺杂SiO_2纳米颗粒材料的最佳曝光强度和掺杂浓度。由于单体材料在聚合前具有成膜基底,对单体和纳米颗粒的扩散有一定的抑制作用,高SiO_2掺杂浓度时,材料会过于粘稠导致其衍射效率下降。为了更加有效的增大衍射效率,选择了具有较大折射率的单壁碳纳米管作为纳米材料。在材料中加入了共引发剂BzO_2,增加了自由基浓度,增大了单体转化率,将光栅的衍射效率提高至64%,同时将最佳曝光强度的降低至0.25 mW/cm~2。随后,通过掺杂单壁碳纳米管,在最佳的掺杂浓度下,获得衍射效率高达95%以上,折射率调制度达到2.80×10~(-3)的体全息光栅。最后,对样品的灵敏度、吸收光谱和消光光谱进行了表征,并使用场发射扫描电子显微镜观测了样品的表面形貌及厚度,实验结果证实了该材料的优异光学性能。单壁碳纳米管的掺杂不仅能增强材料的光学性质,还增大了材料的机械性能,使用纳米压痕仪测量了材料的硬度和杨氏模量。实验结果表明,通过掺杂单壁碳纳米管,在不改变其杨氏模量的条件下,使材料的硬度提高了4倍。本论文系统的研究了掺杂纳米颗粒对光致聚合物的影响,制备了具备高衍射效率,高折射率调制,高灵敏度的柔性薄膜材料。这些优异的性能可将光致聚合物的应用拓展到可穿戴设备,显示器和光学传感器等许多方面。


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