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彩虹全息光栅材料的应用

2022-04-21

  一、彩虹全息光栅

  彩虹全息光栅是指光栅周期连续变化的全息光栅。这类光栅在新型光学滤波器及仿生光子晶体等领域具有广阔的应用前景。通过柱面透镜改变入射光波的出射方向,使到达全息材料表面的入射角连续变化,可制得具有梯度周期结构的彩虹全息光栅。根据布拉格条件,光栅周期(Λi)由两束相干激光之间的夹角(θi)决定:

  当两束激光之间的夹角θi,连续变化时,光栅周期(Λi)也发生连续变化。Bowman等利用硫醇-丙烯酸酯/硫醇烯丙基醚正交二阶反应型全息高分子材料制备了直径为4mm的彩虹全息光栅。在白色光源的照射下,观察者通过调整视角,不仅可以观察到蓝色、绿色、橙色和红色的单色图案,也可以观察到红绿蓝三色图案。采用原子力显微镜(AFM)对彩虹全息光栅进行表征,发现该光栅在不同空间位置确实具有不同的光栅周期,周期宽度在(789±2)nm至(867±4)nm之间变化。

  二、全息数据存储

  二阶反应型全息高分子材料具有优异的尺寸稳定性、较低的体积收缩率、较高的感光灵敏度以及优异的长期存储稳定性,适用于全息数据存储。

  早在1998年,美国加州理工学院Psaltis等就研究了PQ-PMMA二阶反应型全息高分子材料的数据存储性能。在数据存储领域,通常以每200μm厚的样品能够存储的数据量来衡量材料的存储能力。当PQ-PMMA全息高分子材料的厚度为3mm时,每200μm厚度的动态存储范围可达3.2。与DuPont公司的HRF-150产品相比(每200μm厚度可实现13的动态存储范围),PQ-PMMA全息高分子材料虽然存储容量不高,但感光灵敏度更高、体积收缩率更低。2000年,台湾交通大学Whang等改进了PQ-PMMA材料,将每200μm的动态存储范围提高到3.5。

  Bowman等研究了硫醇-丙烯酸酯/硫醇-炔丙基醚全息高分子材料的全息数据存储性能。通过角度多路复用技术,在厚度为100μum的样品中同时记录了41个光栅。硫醇-丙烯酸酯/硫醇-炔丙基醚全息高分子材料的折射率调制度可达0.0036,光聚合体积收缩率仅为1.1%,每200μm的动态存储范围达5.6。然而,由于硫醇-炔烃反应较慢,材料的感光灵敏度不高。

  三、图像存储

  图像存储要求全息材料具有较高的衍射效率,从而在白光下呈现清晰明亮的图像。在不发生过调制的情况下,衍射效率与材料的折射率调制度及厚度呈正相关。PQ-PMMA全息高分子材料由于折射率调制度较低(通常为1×10-5~1×10-4),应用于图像存储时,应当增加材料厚度以提高衍射效率。较厚的全息材料具有优异的多路复用能力,例如,在同一样品中可通过角度多路复用技术存储多幅全息图。孙秀东等在3mm×3mm的PQ-PMMA中,以大功率脉冲激光为光源,实现了5幅全息图的超快速存储,每幅全息图所需曝光时间仅为300ns。

  四、应力传感器

  Sakhno等采用PDMS/BP全息高分子材料制备了应力传感器。用白光从特定角度照射全息光栅时,衍射光束的波长与光栅周期密切相关。因此,将PDMS/BP全息高分子材料拉伸时光栅周期会发生改变,从而导致衍射光束的波长和颜色发生变化。当拉伸应变分别为0%、25%和75%时,对应衍射光束的颜色分别为蓝色、绿色和红色。他们也测试了这种应力传感器的可循环次数,当应变在0~30%之间变化时,最大衍射波长的变化幅度可达135nm,并且在约1000次循环中保持了较好的稳定性。

  五、二阶反应型全息高分子材料的发展展望

  二阶反应型全息高分子材料具有优异的尺寸稳定性和较低的体积收缩率,已广泛应用于全息光学元件、全息图像存储、高密度数据存储和应力传感器等领域,部分二阶反应型全息高分子材料已实现商品化。然而,二阶反应型全息高分子材料面临的主要挑战是材料的性能仍有待提高,除聚氨酯/丙烯酸酯体系外,其余体系的折射率调制度相对较低。此外,正交点击化学反应为二阶反应型全息高分子材料的发展带来了新机遇,研究新的点击化学反应对发展高效、高性能的正交二阶反应新体系具有重要意义。

  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。