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菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物全息光栅动力学研究

刘鸿鹏  
【摘要】: 光学体全息信息存储以其大存储容量,高传输速率与存储密度成为下一代信息存储的首选技术。全息存储技术经过多年的发展,低成本的存储材料与小型化的存储系统使得该技术迈向了实用化。存储材料中,菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(英文简称PQ-PMMA)光致聚合物材料由于能够制备获得较高的厚度,同时具有高的衍射效率,较低的材料成本等优势而成为了全息技术的候选材料。然而该材料较低的响应速率与高的全息散射限制了其自身的应用。尽管目前人们针对材料性能改善进行了大量的实验研究工作,但至今没有系统地研究材料的光化学反应动力学过程,而且通过分析内部光化学动力学过程来改善材料的全息性能没有受到人们的重视。本文建立了PQ-PMMA光致聚合物的光化学反应扩散模型,从理论与实验两方面研究了该光致聚合物材料全息光栅形成与演化的动力学过程。动力学过程的研究有助于认识材料内部光化学反应,能够为材料全息性能的改善提供重要的理论与实验依据,加快材料的全息存储实用化进程。 本文将PQ-PMMA光致聚合物光栅形成动力学过程分为如下三个阶段,分别为短时曝光后光栅的暗增强过程,连续曝光光栅形成的动力学过程与光栅达到稳态后的长期衰减过程。本文分析各个阶段的光化学反应,基于光致聚合的非局域效应提出了适合于该材料的动力学扩散模型,并结合实验描述光栅的动态形成过程,为研究材料的内部反应与改善材料全息性能提供了一种从微观到宏观的手段。 光致聚合物动力学参数是描述光化学反应过程的重要基础。文中应用全息散射方法确定了PQ-PMMA光致聚合物材料中的量子产率与摩尔吸收系数两个动力学参数,并结合光敏染料的光漂白作用更准确地确定了这两个参数的取值范围。而后应用扩散模型描述了短时曝光后光栅暗增强动力学过程。PQ分子扩散是暗增强动力学的重要影响因素,文中确定了增强速率、幅度与PQ分子浓度的关系,给出了曝光能量与暗增强的定量关系。结果表明暗增强能够大幅提高衍射效率,改善材料的光敏性能。 本文首次观察到复用光栅的暗增强效应。研究表明该暗增强过程能够有效改善材料的响应区域,使材料从饱和返回为线性,进而有效提高信息存储容量。同时由于复用光栅中强弱光栅的增幅差别,在等曝光能量下利用增幅的特征改善了复用衍射效率均匀性,从而避免使用复杂的曝光序列技术。 在连续曝光光栅形成过程中,本文将复杂的光化学反应过程同时引入描述光栅建立的非局域扩散模型,通过解析形式与数值求解两种方法描述了光栅形成的动力学过程,确定一个PQ分子参与的一对一聚合反应为主要的光反应过程,然后应用该模型分析了光致聚合物中普遍存在的体积收缩效应。 当光栅强度达到稳态时研究了环境因素,特别是温度对全息光栅长期衰减动力学过程的影响。光产物大分子的扩散是导致衰减的重要原因,本文确定了该扩散系数与温度的定量关系,估算出较低温度下全息图的存储寿命能够达到一年以上。通过实验发现,均匀非相干光曝光是改善光栅长期稳定的有效方法,最后确定将上述两种方法相结合能够有效保持信息的长期稳定。


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