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3D全息光折变高分子材料的应用

2022-04-16

  一、实时3D显示

  自2009年3D电影《阿凡达》在商业上取得巨大成功以来,3D电影产业链迅速发展。目前影院的3D电影仍需佩戴偏光眼镜观看,难以满足人们对裸眼3D显示的期待。全息光折变高分子材料具有优异的可逆擦写性能,可应用于实时3D显示。例如,美国亚利桑那大学Peyghambarian等以PATPD/CAAN共聚物为高分子基体和光电导体、PCBM为光敏剂、ECZ为增塑剂、氟代二氰基苯乙烯为生色团,制备了全息光折变高分子材料,配合纳秒脉冲激光器,实现了2s更新一幅全息图的裸眼3D显示。从图3-15可以看出,所显示的全息图像逼真、立体效果好。

  二、可擦写数据存储

  全息数据存储由于具有超高的存储密度而备受关注,而全息光折变高分子材料的优势在于数据的可逆擦写。然而,数据的存储寿命与写入速率之间还存在矛盾,例如,通过降低生色团的弛豫速率可以提高数据的存储寿命,但同时却降低了数据的写入速率。为此科学家们进行了不懈的探索,发现对全息光折变高分子材料进行退火处理是解决这一矛盾的有效途径,即选用玻璃化温度较高的全息光折变高分子材料,加热至玻璃化温度进行全息记录,通过强化生色团的取向增强效应和提高载流子迁移速率提高数据的写入速率。随后将全息光折变高分子材料迅速冷却至室温,将生色团的取向结构固定下来,以提高数据的存储寿命。例如,美国纽约州立大学布法罗分校Prasad等采用PVK为高分子基体和光电导体、C60为光敏剂、TCP为增塑剂、DEANST为生色团,制备了玻璃化温度为69℃的全息光折变高分子材料。将材料升温至72℃进行全息记录,然后降温至20℃将数据固定下来。需要注意的是,退火处理易导致非均匀热扩散,从而损害全息光折变高分子材料的光学品质,因此退火温度不宜比材料玻璃化温度高得太多。

  三、光学相关性检测

  光学相关(optical correlation)在军事、航海、安全等领域应用广泛,其基本原理是将数据库中的图像与目标图像进行对比,从而确认二者的相关性。全息光折变高分子材料在光学相关性检测中的应用值得关注,为此科学家们发明了联合变换(joint-transform)和匹配滤波(matched-filter)技术。联合变换技术的原理是:将一束带有已知图像信息的激光与另一束带有待测图像信息的激光同时辐照全息光折变高分子材料,两束激光相干形成全息光栅。在进行图像检测时,采用第三束不参与相干过程的光照射光栅,产生衍射信号就表明已知图像与待测图像存在相关性。匹配滤波技术的原理是:采用一束带有已知图像信息的激光与另一束参考激光同时照射全息光折变高分子材料,记录全息图像。在进行图像检测时,采用带有待测图像信息的激光照射该全息图,检测输出端的相干光强以实现光学相关性检测。

  韩国汉阳大学Kim等以PSX-CZ为高分子基体和光电导体、TNF为光敏剂、DB-P-DC为生色团,制备了全息光折变高分子材料,并采用联合变换技术进行图像相关性检测。将两束含有图像信息的写入光(s偏振)同时照射全息光折变高分子材料,产生全息光栅;同时,第三束s偏振的入射光被半波滤光片转换为p偏振光,以检测全息光折变高分子材料中的光栅结构。当两束s光所载图像具有高度相关性时,检测器可接收到p光的信号。当两束s光所载图像不同时,如两个掩模版分别带有“COPM”和“M”的文字,检测器不能检测到信号。

  四、新奇滤波器

  新奇滤波器(novelty filter),是将静止物体的信息过滤掉,只显示运动物体信息的一种新奇装备,在跟踪移动物体、相位测量及生物医学检测等领域应用广泛。由于全息光折变高分子材料形成的全息光栅具有非定域特征,两束互相耦合的光发生能量转移,其中一束出射光的强度大幅减弱,而另一束出射光的强度大幅增强,因此是制备新奇滤波器的理想材料。例如,斯坦福大学Moerner等以PVK为高分子基体和光电导体、C60为光敏剂、BBP为增塑剂、AODCST为生色团,制备了全息光折变高分子材料,并应用于新奇滤波器,当关闭参考光时,物光将物体信息投影到全息光折变高分子材料中,在出射端显示物光所载信。当打开参考光时,与物光同时辐照全息光折变高分子材料,通过干涉形成光栅。由于能量从物光向参考光转移,检测器检测到的图像信号逐渐减弱,直至消失。此时,如果快速移动物体,则在参考光与物光同时辐照全息光折变高分子材料的情况下,只有当物体的运动速率快于全息光栅的刷新速率时,携带物体信息的物光才能到达检测器;反之,检测器无法探测到物光信息。

  五、无损检测

  基于激光全息的超声检测是一种非侵入式无损检测技术,可以实现对超声振动的远程检测,从而获取材料内部的缺陷信息。基于激光全息的超声检测装置主要由激光系统和检测系统组成,用分光镜将激光分成两束同源相干光,其中一束光照射待测物体,所产生的反射光作为物光,经过全息光折变高分子材料后到达检测器;另一束光作为参考光直接照射全息光折变高分子材料。这两束光相互干涉,在全息光折变高分子材料内部形成全息光栅结构,导致物光和参考光中的一束光增强、一束光减弱。此时,如果有超声波使待测物体表面发生振动,经物体表面反射的物光会产生偏移,导致全息光折变高分子材料中的光栅周期发生改变,进而影响到达检测器的物光信号。

  基于全息光折变高分子材料的无损检测,具有远程监测、动态监测的优势,使人类免于苛刻、有害环境的侵害,应用前景广阔。

  文章内容引用自专业教材,以便高分子科学工程、光学工程等领域的科技工作者作研究参考,未经本书原作者的许可,任何第三方不得复制或者转载本文内容。