一种有机光致聚合物全息存储材料的光敏剂浓度序列

摘要

一种有机光致聚合物全息存储材料的光敏剂浓度序列，根据Beer定律，一定光强的入射光通过存储材料后，得出第一层材料吸收的光强的关系式，进而得出经过第一层材料后的透射光强的关系式，当材料分成s层，则得出第s层的吸收光强关系式为了克服传统材料中沿厚度方向的光栅衰减情况，使每层材料吸收光强相等，能够得到一个材料中的各个层光敏剂浓度关系式，当给出第一层存储材料的光敏剂浓度值，根据该式能够得到每层存储材料的光敏剂浓度值，即构成了存储材料的光敏剂浓度序列。使用该序列制作出有机光致聚合物全息存储材料克服了传统材料中沿厚度方向的光栅衰减情况，增加了材料的有效光学厚度，优化了材料的存储性能。

说明书

技术领域

本发明涉及的是光学全息存储技术领域，具体地说是一种通过多层膜方式来提高 有机光致聚合物全息存储材料有效光学厚度的技术。

背景技术

当前，一些传统的信息存储技术已接近各自的理论极限，光学全息存储以其存储 密度高、传输速率快、高冗余度及强抗干扰能力被公认为是下一代的存储技术。全息 技术的应用在很大程度上取决于存储介质，光致聚合物材料以其易通过掺杂实现短波 长记录，曝光后无需后续处理即可记录永久光栅，价格低廉，能够大规模生产等优点 成为人们研究的热点。

如果要实现大容量全息存储，有机聚合物材料的厚度应该高于500μm。但是当材 料厚度高于500μm时，由于材料中光敏剂的吸收，入射光沿材料厚度方向逐渐衰减， 如Beer定律所述。这样，全息记录过程中形成的折射率光栅沿材料厚度方向逐渐衰 减，使得材料的光学厚度大大减小，对全息存储产生不利影响。通过本技术制备的有 机聚合物材料，由于在材料厚度方向存在光敏剂浓度值的梯度，所以抑制了光栅衰减 的现象，提高了材料的有效光学厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过多层膜方式来提高有机光致聚合物全息存储材 料有效光学厚度、从而优化其存储性能的方法。

为了实现以上目的所采用的技术方案如下：

根据Beer定律，一定光强的入射光通过材料后，第一层材料吸收的光强为： I₁＝I₀(1-exp(-ε[YE]₁d₁))，经过第一层材料后的透射光强为：I′₁＝I₀exp(-ε[YE]₁d₁)， 其中I₀为初始入射光强，ε为材料摩尔吸收系数，[YE]₁为该层材料的光敏剂浓度，d₁为该层材料厚度。依此类推，若将材料分成s层，则第s层的吸收光强为：

I_s＝I₀exp(-ε[YE]₁d₁)exp(-ε[YE]₂d₂)……exp(-ε[YE]_s-1d_s-1)(1-exp(-ε[YE]_sd_s))。

为了克服传统材料中沿厚度方向的光栅衰减情况，令每层材料吸收光强相等，可以得 到材料中的各个层光敏剂浓度关系式：

${\left[\mathrm{YE}\right]}_2=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{1}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_1$

${\left[\mathrm{YE}\right]}_3=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{2}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_2$

……

${\left[\mathrm{YE}\right]}_s=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{s-1}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_{s-1}$

这样，给出第一层材料的光敏剂浓度值，根据上式可以得到每层材料的光敏剂浓 度值，即构成了材料的光敏剂浓度序列。

依据该光敏剂浓度序列，进行如下步骤制备出多层膜有机光致聚合物全息存储材 料，下面以三层丙烯酰胺-光致聚合物材料，方法如下：

第一步：将聚乙烯醇均匀溶解在去离子水中，制成一定浓度的粘稠溶液，分别取 适量的丙烯酰胺，亚甲基双丙烯酰胺和三乙醇胺加入上述粘稠溶液，制成混合溶液；

第二步：根据上面计算过程中求得的光敏剂浓度[YE]₁、[YE]₂和[YE]₃，分别取适 量的光敏剂曙红加入上述混合液中，制备出含不同光敏剂浓度的混合溶液；

第三步：首先将光敏剂浓度为[YE]₃的相应混合液涂抹在玻璃片上，移至暗室数 小时，待材料干燥至一定程度后，将光敏剂浓度为[YE]₂相应混合溶液涂抹在第一层 材料上，于暗室干燥一定程度后，再将光敏剂浓度为[YE]₁的相应混合溶液涂抹在第 二层材料上，于暗室干燥成膜后即可进行全息记录。

该制备技术工艺简单，实施方便，应用广泛，多种光致聚合物全息存储材料可用 此技术制备，如材料光敏剂可选用藻红、赤藓红、刚果红、亚甲基蓝和罗丹明等等， 而成膜物质也可为聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、醋酸丁酸纤维素 和聚苯乙烯等。

使用该序列制作出的有机光致聚合物全息存储材料克服了传统材料中沿厚度方 向的光栅衰减情况，增加了材料的有效光学厚度，优化了材料的存储性能。

附图说明

图1是多层膜材料示意图。

图2是传统材料内的折射率光栅三维分布图。

图3是多层膜材料内的折射率光栅三维分布图。

图4使三种不同材料的Bragg角度选择性曲线图：210μm和540μm厚的是传统 材料；510μm厚的是三层膜材料。

具体实施方式

如图1所示，根据Beer定律，一定光强的入射光通过材料后，第一层材料吸收 的光强为：I₁＝I₀(1-exp(-ε[YE]₁d₁))，经过第一层材料后的透射光强为： I′₁＝I₀exp(-ε[YE]₁d₁)，其中I₀为初始入射光强，ε为材料摩尔吸收系数，[YE]₁为该层 材料的光敏剂浓度，d₁为该层材料厚度。依此类推，若将材料分成s层，则第s层的 吸收光强为：

I_s＝I₀exp(-ε[YE]₁d₁)exp(-ε[YE]₂d₂)……exp(-ε[YE]_s-1d_s-1)(1-exp(-ε[YE]_sd_s))。

为了克服传统材料中沿厚度方向的光栅衰减情况，令每层材料吸收光强相等，可以得 到材料中的各个层光敏剂浓度关系式：

${\left[\mathrm{YE}\right]}_2=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{1}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_1$

${\left[\mathrm{YE}\right]}_3=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{2}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_2$

……

${\left[\mathrm{YE}\right]}_s=-\frac{\ln (2\exp (-ϵ{\left[\mathrm{YE}\right]}_{s-1}d)-1)}{\mathrm{ϵd}}-{\left[\mathrm{YE}\right]}_{s-1}$

这样，给出第一层材料的光敏剂浓度值，根据上式可以得到每层材料的光敏剂浓 度值，即构成了材料的光敏剂浓度序列。

下面以有机光致聚合物全息存储材料-丙烯酰胺聚合物材料(三层膜)为例，对 本技术作更详细的描述：

实施例1

1、根据光敏剂浓度序列公式和丙烯酰胺材料的相关参数，计算出该材料的光敏 剂浓度序列值：5.32×10^-4mol/L，6.21×10^-4mol/L和7.43×10^-4mol/L：

第一步：将聚乙烯醇均匀溶解在去离子水中，制成乙烯醇质量分数为10％的粘稠 溶液，分别取适量的丙烯酰胺，亚甲基双丙烯酰胺和三乙醇胺加入上述粘稠溶液，制 成混合溶液，该混合液中含有：丙烯酰胺的浓度为0.4mol/L，亚甲基双丙烯酰胺的浓 度为0.04mol/L，三乙醇胺的浓度为0.2mol/L；

第二步：根据光敏剂浓度序列公式求得的光敏剂浓度5.32×10^-4mol/L， 6.21×10^-4mol/L和7.43×10^-4mol/L，将上述混合液分成三份，取适量的光敏剂曙红分 别加入上述三份混合液中，制备出含有上述求得的三种不同光敏剂浓度的混合溶液；

第三步：首先将光敏剂浓度为7.43×10^-4mol/L的相应混合液涂抹在玻璃片上，移 至暗室数小时，待材料干燥至一定程度后，将光敏剂浓度为6.21×10^-4mol/L的相应混 合溶液涂抹在第一层材料上，于暗室干燥一定程度后，再将光敏剂浓度为 5.32×10^-4mol/L的相应混合溶液涂抹在第二层材料上，于暗室干燥成膜后即可进行全 息记录。

实施例2

2、根据光敏剂浓度序列公式和丙烯酰胺材料的相关参数，计算出该材料的光敏 剂浓度序列值：5.89×10^-4mol/L，6.98×10^-4mol/L和8.58×10^-4mol/L：

第一步：将聚乙烯醇均匀溶解在去离子水中，制成乙烯醇质量分数为10％的粘稠 溶液，分别取适量的丙烯酰胺，亚甲基双丙烯酰胺和三乙醇胺加入上述粘稠溶液，制 成混合溶液，该混合液中含有：丙烯酰胺的浓度为0.5mol/L，亚甲基双丙烯酰胺的浓 度为0.05mol/L，三乙醇胺的浓度为0.25mol/L；

第二步：根据光敏剂浓度序列公式求得的光敏剂浓度5.89×10^-4mol/L， 6.98×10^-4mol/L和8.58×10^-4mol/L，将上述混合液分成三份，取适量的光敏剂曙红分 别加入上述三份混合液中，制备出含有上述求得的三种不同光敏剂浓度的混合溶液；

第三步：首先将光敏剂浓度为8.58×10^-4mol/L的相应混合液涂抹在玻璃片上，移 至暗室数小时，待材料干燥至一定程度后，将光敏剂浓度为6.98×10^-4mol/L的相应混 合溶液涂抹在第一层材料上，于暗室干燥一定程度后，再将光敏剂浓度为 5.89×10^-4mol/L的相应混合溶液涂抹在第二层材料上，于暗室干燥成膜后即可进行全 息记录。

我们实验上测量了该多层膜材料的Bragg角度选择性曲线，同时作为对比，我们 也测量了传统材料的Bragg曲线，如图4所示：210μm和540μm厚度的材料是传统 材料，510μm厚度的材料是三层膜材料。210μm和540μm厚度的材料的角度选择性 曲线宽度没有明显差别，说明尽管其物理厚度有很大差别，但他们却有相似的有效光 学厚度，这是由于沿材料厚度方向的光栅衰减现象所致；而采用多层膜技术制备的 510μm三层膜材料却展示了更窄的角度选择性宽度，在采用多层膜技术制备的材料 中，由于多层膜技术有效克服了沿材料厚度方向的光栅衰减现象，从而在材料内部形 成了更加均匀的折射率光栅，提高了材料的有效光学厚度，优化了材料存储性能。