新型全息材料光致聚合物中全息顯示技術(shù)及信息存儲(chǔ)性能驗(yàn)證

王智斌

（湖北聯(lián)合天誠(chéng)防偽技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

全息影像技術(shù)是3D 技術(shù)的一個(gè)重要分支，它可以再現(xiàn)物體或場(chǎng)景的強(qiáng)度信息、位相信息，從而得到最接近真實(shí)物體或場(chǎng)景的三維圖像，目前該技術(shù)已經(jīng)在藝術(shù)展覽、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、軍事工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在全息技術(shù)成熟發(fā)展背景下，對(duì)全息存儲(chǔ)容量也提出了更高的要求。目前較為常用的銀鹽材料（如鹵化銀）雖然具有分辨率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但是需要顯影、定影、漂白等一系列后處理過程，不僅提高了操作成本，而且還會(huì)影響成像質(zhì)量。光致聚合物能夠克服傳統(tǒng)全息存儲(chǔ)介質(zhì)的各種缺陷，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型全息材料。

1 新型全息材料光致聚合物的樣品制備

光致聚合物的核心組成有單體、光引發(fā)劑、協(xié)引劑、交聯(lián)劑等。其制備原理是利用光引發(fā)劑、協(xié)引劑的誘發(fā)作用，使單體受到光照作用后發(fā)生聚合反應(yīng)，然后將多個(gè)分子量較小的單體聚合成分子量較大的聚合物。單體作為組成光致聚合物的關(guān)鍵，選擇合適的單體材料對(duì)提高聚合速率，以及保證聚合體穩(wěn)定性有顯著作用。目前應(yīng)用效果較好的單體材料有丙烯酸、甲基丙烯酸等。光致聚合物的制備方法如下：

1.1 確定材料類型及配合比。聚合物單體選用丙烯酸酯（TMPTA），該材料的每個(gè)單體分子中含有3 對(duì)碳-碳雙鍵，在發(fā)生聚合時(shí)每對(duì)碳- 碳雙鍵都能吸收能量展開成為不飽和的單鍵，這些單鍵又能進(jìn)行重組，從而聚合形成大分子。光引發(fā)劑選用四氯四碘熒光素鈉（RB），該材料能吸收波長(zhǎng)在400-600nm 內(nèi)的可見光，如圖1 所示。協(xié)引劑選用苯氨基醋酸（NPG），配合光引發(fā)劑能促使單體進(jìn)行聚合反應(yīng)。交聯(lián)劑選用N- 乙烯基吡咯烷酮（NVP），該材料可交聯(lián)聚合大分子。在選定材料類型后，還要協(xié)調(diào)每一種材料的比例，4 種材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為70.5%、1.1%、2.4%、26.0%。

圖1 RB 在可見光范圍內(nèi)的吸收譜

1.2 配制混合溶液。根據(jù)確定的成分比例，分別量取4 種溶液，將其均勻混合后放置到一個(gè)完全不透光的暗盒中，將暗盒放入超聲波儀上，超聲處理60min。之后將暗盒取出，靜置15min，用注射器抽取上層溶液，移入另一暗盒中，以備使用。

1.3 準(zhǔn)備一塊尺寸為5cm×5cm 的干凈玻璃，用蘸有酒精的醫(yī)用棉簽擦拭，然后使用去離子水沖洗。放置于干燥爐中烘干，用錫紙包裹以備使用。

1.4 取2 塊處理好的玻璃放到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，另取3 塊厚度為100μm 的調(diào)節(jié)墊片，分別放到其中一塊玻璃的邊緣處，然后蓋上另一塊玻璃，并涂抹AB 膠，這樣就得到了一個(gè)三面密封、一面開口的樣品盒。然后從無墊片的開口處灌注準(zhǔn)備好的聚合物混合液。等到混合液灌滿樣品盒后，使用AB 膠將開口封閉，等到混合液完全固化后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2 所示。

圖2 聚合物混合液制作示意圖

2 光致聚合物的全息顯示技術(shù)

2.1 角度尋址方式與角度復(fù)用存儲(chǔ)

根據(jù)耦合光束設(shè)置方式的不同，可以將體全息圖的角度尋址劃分成2 種：一是物光（O）和參考光（R）相對(duì)于介質(zhì)法線方向?qū)ΨQ，同時(shí)改變兩束光的角度；二是在物光和參考光之間固定一束光，改變另一束光的方向。在全息存儲(chǔ)中，水平角度如果偏大，在角度復(fù)用時(shí)容易出現(xiàn)相鄰全息頁(yè)間發(fā)生串?dāng)_的情況；反之，水平角度如果偏小，則會(huì)導(dǎo)致單點(diǎn)全息圖的角度復(fù)用存儲(chǔ)能力下降。因此，全息存儲(chǔ)中科學(xué)確定水平角度十分關(guān)鍵?；隈詈喜ɡ碚?，水平選擇角公式為：

上式中ΔO 為布拉格（Bragg）衍射主瓣的全寬度，Δθ 為相對(duì)于Bragg 角的偏移量。θO和θR分別表示物光與介質(zhì)法線之間的夾角、參考光與介質(zhì)法線之間的夾角。d 為光源與反射面之間的距離。在θO=θR的情況下，物光與參考光基于介質(zhì)法線完全對(duì)稱，此時(shí)形成非傾斜光柵，則式（1）可轉(zhuǎn)化為：

如果θO和θR都比較小，此時(shí)光柵的頻率高但是角度選擇性差；如果θO和θR都比較大，因?yàn)榻橘|(zhì)折射的影響，角度選擇性同樣很差，因此為了獲得較好的復(fù)用存儲(chǔ)能力，一般使θO和θR的取值范圍在30-60°之間。

2.2 二維正弦光柵直寫

光致聚合物的單體在聚合時(shí)，會(huì)根據(jù)光場(chǎng)分布在介質(zhì)內(nèi)形成折射率調(diào)制，從而記錄全息圖。聚合物的存儲(chǔ)性能越強(qiáng)，則記錄的信息越豐富，相應(yīng)的全息圖的真實(shí)度越高。為驗(yàn)證光致聚合物的信息存儲(chǔ)性能，本文使用Matlab 軟件模擬正弦光柵直接照射聚合物，觀察聚合物中是否有光柵記錄。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 全息光柵直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖3 所示，固體激光器產(chǎn)生一束波長(zhǎng)為532nm 的光，該光束首先經(jīng)過半波片調(diào)節(jié)激光功率，然后經(jīng)過空間濾波器處理后變成直面波，通過凸透鏡照射到偏振分光棱鏡上。在空間光調(diào)制器的作用下，讓光束穿過位于樣品上方的另一塊凸透鏡，并且利用凸透鏡的聚焦作用，使縮小的光柵圖像聚焦于一點(diǎn)照射到樣品上。持續(xù)照射約3-5 秒后，關(guān)閉激光器。然后將樣品取出，并玻璃樣品周圍的密封膠。使用鑷子夾住樣品上下方的玻璃板，放到酒精中持續(xù)浸泡120 分鐘。注意期間要始終保證沒有強(qiáng)烈的光照。然后將玻璃板撤去，將樣品放到電子顯微鏡下觀察。可以觀察到樣品中記錄了完整的光柵結(jié)構(gòu)，說明光致聚合物確實(shí)可以作為全息信息存儲(chǔ)介質(zhì)。

2.3 全息圖像記錄

在確認(rèn)光致聚合物材料具有信息存儲(chǔ)能力后，設(shè)計(jì)了基于全息光致聚合物材料的單點(diǎn)記錄靜態(tài)全息圖實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該材料在儲(chǔ)存全息圖方面的實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 全息記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖4 所示，全息記錄系統(tǒng)中使用功率為420mW、波長(zhǎng)為473nm 的固體激光器，發(fā)出的光束經(jīng)半波片照射到偏振分光棱鏡上，在棱鏡的另一端射出兩束光，即物光和參考光。其中，物光在空間濾波器的作用下擴(kuò)束準(zhǔn)直，并經(jīng)過空間光調(diào)制器在凸透鏡的聚焦作用下，在聚合物樣品上加載全息圖；而參考光經(jīng)平面鏡反射后直接照射到聚合物樣品上。在物光和參考光的相互干涉下，將信息記錄到樣品中。完成記錄后，再使用1 臺(tái)高壓汞燈（He-Ne 激光器）用波長(zhǎng)為488nm 的藍(lán)光、波長(zhǎng)為532nm 的綠光、波長(zhǎng)為632nm 的紅光，分別探測(cè)記錄位置。每一種激光均記錄了兩條信息，分別是漢字“我”和字母“A”。觀察全息圖像的再現(xiàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)聚合物樣品上藍(lán)色的“我”和“A”記錄最清晰，其次是紅色，最后是綠色。說明光致聚合物對(duì)波長(zhǎng)為488nm 的藍(lán)光吸收能力較差，因此光柵結(jié)構(gòu)較好，可以完整記錄全息信息。

2.4 單光束反射式模擬全息圖記錄

通過上文實(shí)驗(yàn)證明光致聚合物樣本可以記錄簡(jiǎn)單的二維圖像信息。而全息影像為三維立體圖像，因此基于全息顯示技術(shù)的聚合物樣本除了能夠存儲(chǔ)二維圖像信息外，還必須能夠完整記錄物體的三維形貌。為驗(yàn)證這一功能，設(shè)計(jì)了單光束記錄反射全息圖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 單光束記錄模擬全息圖

該實(shí)驗(yàn)中由激光器發(fā)出波長(zhǎng)為488nm 的光束，在低光強(qiáng)下長(zhǎng)時(shí)間曝光提高記錄效果。選擇一枚硬幣作為被記錄物體，從硬幣反射到聚合物樣品上的光作為物光。從激光器發(fā)出的光，依次經(jīng)過衰減器、快門、擴(kuò)束器后照射到聚合物樣品上，作為參考光。兩種光在聚合物樣品上發(fā)生干涉，從而在聚合物樣品中記錄下硬幣的三維形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將該聚合物樣品放置到電子顯微鏡下可以觀察到清晰的硬幣三維圖像。該實(shí)驗(yàn)證明了光致聚合物能夠記錄和重建三維全息圖。

3 光致聚合物信息存儲(chǔ)性能驗(yàn)證

隨著全息影像技術(shù)的成熟發(fā)展，全息材料的種類也變得更加豐富?，F(xiàn)階段常用的全息記錄介質(zhì)材料除了光致聚合物外，還有重鉻酸鹽明膠、光折變晶體、鹵化銀薄膜等幾種。其中，重鉻酸鹽明膠的存儲(chǔ)容量較大，但是本身屬于重金屬材料，具有一定的毒性；光折變晶體是近幾年新出現(xiàn)的一種全息材料，具有分辨率高、連續(xù)性好等優(yōu)勢(shì)，但是受到現(xiàn)有技術(shù)條件限制，使用成本較高。鹵化銀的價(jià)格不高，并且在分辨率、穩(wěn)定性方面也有一定優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為廣泛。為進(jìn)一步驗(yàn)證光致聚合物和鹵化銀兩種全息材料的信息存儲(chǔ)性能，設(shè)計(jì)了2 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一是在空間光調(diào)制器上加載全息圖，該全息圖衍射出的立體三維信息作為物光，與參考光在記錄介質(zhì)處產(chǎn)生干涉；實(shí)驗(yàn)二是利用空間光調(diào)制器的多通道特性，使物光與參考光均照射在記錄介質(zhì)平面（H）上，利用全息圖衍射生成三維立體模型。該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 全息圖記錄系統(tǒng)

兩次實(shí)驗(yàn)中，使用超細(xì)微粒鹵化銀制作的記錄介質(zhì)與光致聚合物樣品，均成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)字全息圖像記錄。鹵化銀乳膠中的全息圖像具有分辨率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但是受到光調(diào)制器的限制，全息圖的視差角度偏小，可能會(huì)影響日常觀看需求。另外，鹵化銀乳膠雖然能完整記錄全息信息，但是后處理流程較為繁瑣，包括顯影、定影、漂白等幾道流程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)操作不當(dāng)，都會(huì)影響最終的成像質(zhì)量。相比之下，光致聚合物記錄的全息信息比較全面、分辨率較高，并且不需要后處理，因此綜合應(yīng)用效果更好。

4 結(jié)論

新型全息材料的研制和應(yīng)用是推動(dòng)全息影像技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。光致聚合物相比于鹵化銀、重鉻酸鹽明膠等傳統(tǒng)的全息材料，具有分辨率高、綠色環(huán)保、成本較低等一系列優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，以丙烯酸酯（TMPTA）為單體制作的光致聚合物，可以較為完整地記錄全息圖，全息顯示分辨率高，信息存儲(chǔ)能力較強(qiáng)，具有廣闊的發(fā)展前景。