光信息材料

第二章光信息材料光信息材料是指光信息存储材料。

光信息存储技术是在激光光源出现以后开始发展起来的，由于它具有信息存储密度高(比磁盘高几百倍)，易于快速随机存取，能存储图像与数字两种信息等优点，从20世纪70年代初露头角以来，得到世界各国的普遍重视。

光信息存储技术有全息存储和逐点存储两种类型。

全息存储是利用全息照相原理将信息存储在记录介质中，读出时通过光电探测器将光信号再转变成电信号输出。

逐点存储是通过受信号调制的激光束与记录介质相互作用时产生的状态变化(如熔化、相变)逐点记录信号的，读小时再用激光束投射到记录介质表面，从反射光的强度变化中读出信息。

全息存储所用的记录介质称为全息材料，逐点存储所用的记录介质对应于磁盘而被称为光盘材料。

本章在介绍有关光信息存储技术的基本原理的基础上，对这两种材料分别予以介绍。

2．1全息材料全息照相术是一种与普通照相术完全不同的照相技术。

普通照相是利用透镜成像原理，在感光放片上记录被摄物体表面光强分布的平面像，只能从一定角度，一个侧面反映被摄物体。

全息成像过程则是利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹形式把图像记录下来，然后以光照射这种干板，就能以立体形式再现物体的原来图像。

由于它记录了物体的全部信息(振幅和相位)，所以称为全息照相术(Holography),源于希腊语，“完全记录”的意思。

1．基本原理全息照相术的基本原理如图14—1所示，(a)中从点光源发出的相干激光束A与从另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉，形成(b)、(c)所示的干涉条纹。

如果将这种干板显影，则可变成一种衍射光栅，即全息照片。

如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹时参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在显影了的干板(衍射光栅)上位衍射。

由图14—1(d)可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。

结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向亡被衍射。

同理，非常复杂的干涉条纹被记录下来，如果用相干光照射物体时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。

换言之，在物体原来所在的位置上将再现出它的像，这就是全息照相术的基本原理。

2．全息过程的数学描述在了全息术的基本原理以后，可将全息过程用简单的数学公式来去示。

为此先作一些规定。

将坐标xy取在全息图平面上．原点o在全息图中心，z轴垂直于全息图平面，xz面平行于参考光束和物光束主光线的入射面。

光波自左向右传播。

物在xy的左边为实物，在右边为虚物；像在xy面的左边为虚像，在右边为实保。

设在全息图平面上物光、参考光和再现用的照明光的复振幅分别为在xy平面上，参考光和物光相叠加以后的光强度(I)公式可写成下述形式二、全息图的分类全息图分类的依据为：记录全息图所采用的几何配置的方式；强加在照明光波上的调制的类型；记录材料的厚度和成像的方法：表14—1列出了全息因的分类。

表中各类全息图中的任何一种，可被记录成厚全息图或薄全息图。

薄全息图亦称平面全息图，它的记录介质的厚度比所记录的条纹间隔要小；厚全息图亦称体积全息图，其记录介质的厚度等于或大于所记录的条纹间隔。

通常用Q参量来区分体积全息图和平面全息图,Q参量定义为式中 λ——照明光波的波长；n ——记录材料的折射率d ——记录材料的厚度；A ——被记录到的条纹的间隔。

一般把Q ＞10的全息图看作体积全息图，而把其余情况下的全息图看作平面全息图。

全息图包可根据再现照明波的衍射机理进行分类。

在振幅型全息图中、干涉图记录到的是记录介质发生的密度变化，而当再现时，照明光波的振幅就被进行了相应的调制；而在位相全息图中，被加在再现照明波上的是相位调制。

三、全息材料的特征值1、曝光量H曝光量表示在全息材料表面上单位面积所接受的光能多少，它等于光强度与曝光时间的乘积，用下式表示H=Φt式中 H —曝光量（mJ/cm 2）；Φ—光强度[单位时间内通过单位面积的能量（mJ/cm 2·s ）]；t —曝光时间（s ）。

2、衍射效率η衍射效率η等于总的有效成像光强度Φ衍射与用来照明全息图的总光强度Φ入射之比，即η=Φ衍射/Φ入射表2-2列出了各类全息图的最大理论衍射效率值。

表2-2 各类全息图的最大理论衍射效率值3、灵敏度和光谱灵敏度灵敏度是指全息材料在接受光的作用后，其反应的灵敏程度。

在全息技术中，材料的灵敏度φ用下式表示H V /ηφ=式中 η—衍射效率；V —报光强度的条纹反衬度；H—平均曝光量。

上式表明在获得相同的衍射效率的情况下，所需的V值和Hm值越小时越灵敏。

每种全息材料都有一波长的红限，波长大于红限的光不能与材料起光化学反应；另外每种全息材料都有它自己的吸收带，在吸收带内的波长才能起光化学反应，这就是光谱灵敏度。

4、分辨率全息材料的分辨率是指它所能记录的光强空间调制的最小周期，其单位是cy/mm。

分辨率并不完全取决于全息材料本身，还与全息图种类、记录夹角等因素有关。

表1—3为反射体积全息图对分辨率的要求。

四、全息材料的种类常用的全息材料种类，见图14—4。

1卤化银乳胶卤化银乳胶是将颗粒很细的(0．1—2μm)卤化银混合弥散在明胶中，再加一定的敏化剂制成。

常见的银盐干板是由乳胶层、底层、玻璃板和防光晕层组成。

卤化银乳胶记录全息图的机理与普通记录原理相同，即潜影形成的理论，这里不再赘述。

卤化银乳胶材料的最大优点是灵敏度比其他材料高，并可成为全色。

它的光谱灵敏度在蓝光的紫外光谱区域，常在乳剂表面吸附一层对长波光谱区有吸收的染料，使卤化银乳剂的感光灵敏度扩展到长波区域。

卤化银乳胶的缺点是分辨率不高，噪声大和容易引起光散射。

表14—5列出了部分卤化银乳胶及性能。

2．重铬酸盐明胶重铬酸盐明胶是将明胶溶液加入少量的重铬酸盐溶液配制而成，是一种重要的全息材料。

重铬酸盐明胶的光化学过程为：溶解在明胶中的重铬酸盐是感光敏化剂，当曝光时，由于光的吸收作用，使Cr6+变为Cr3+，而Cr3+与明胶分子起反应，引起交联使明胶硬化。

接着在水中洗掉未曝光的重铬酸盐部分，和在异丙醇中快速脱水干燥，使曝光部分的折射率提高，成为高衍射效率的位相全息图。

重铬酸盐明胶材料的优点是分辨率高和衍射效率高。

用它记录平面全息图时，分辨率最高到1000cy／mm，衍射效率达30％；作体积全息图时，分辨率最高达10000cy√mm，衍射效率约为90％，几乎接近于理论值。

重铬酸盐明胶的缺点是感光度低，而且灵敏波长在蓝光部分。

如果要用633nm波长还需要加其他的染料敏化，常用的染料有亚甲基蓝和亚甲基绿。

重铬酸盐明胶的另一缺点是全息图经醇脱水后，乳胶面呈现白色，即产生“白膜”(milk white)。

白膜的出现增加了全息图的散射，降低了衍射效率。

白膜的形成机理：认为白膜是溶于热水中的低分子量明胶和较能旋转的明胶分子长支链或交联度低的明胶分子的长端链，经不良溶剂脱水后蜡缩成较紧缩无规线团沉积在明胶表面上。

这种线团的直径与可见光波长属同一数量级时，就会散射入射光而呈乳白色，即形成白膜。

如选择适当溶解度的溶剂使蜷缩的无规线团溶剂化而舒展、又不对明胶主体内交联度高的高分子链有明显作用，就既以既消除白膜，又不降低衍射效率。

经研究实验找到了二甲基亚矾、甲酰胺和乙二醇三种溶剂，分别用异丙醇和乙醇为前两者和后者的脱除剂，用天津I型或Kodak649型全息干版做记录介质，在控制相对湿度和干版不受潮的情况下，按所订的可消除白膜全漂白工艺过程操作，所制得的今息光栅的衍射效率可稳定在70％左右，透过率在80％以上。

3．光导热塑料光导热塑料是一种浮雕型位相全息记录材料。

这种材料是在玻璃片基上镀上透明的导电膜，再在上面徐布厚度为2—3μm的光电导体和厚度约为1μm的热塑性塑料而构成的。

光导热塑料的记录原理如图14—3所示，进行曝光前，在光导热塑料上装上电极，当用4—8kv的电压使之产生电晕放电后，就使热塑性塑料带电并具有感光性能。

然后在材料上曝光，同时使电流流到片基的透明电极上，当发热到60℃左右时，利用其产生的热量使热塑性塑料变软。

再使柔软的热塑性塑料表面带电，依靠静电力可使塑料产牛与曝光量相应的变形，光导热塑料可以擦除后重复使用，擦除的方法是适当的加热，恢复到原来的情况后冷却。

光导热塑料作为全息材料的优点是对可见光敏感，干法显影，适合于实时观察；衍射效率高，能重复使用。

缺点是分辨率较低(＜2000cy／mm)，高质量薄膜制造田困难。

4．光致抗蚀剂光致抗蚀剂是用于制造集成电路或超大规模集成电路的材料。

把光致抗蚀剂以几微米的厚度涂布在玻璃支持体上制成干板，曝光之后通过显影，没有曝光部分的抗蚀剂就被溶解掉，产生浮雕像。

光致抗蚀剂分为负性和正性光致抗蚀剂两种。

负性光致抗蚀剂是指那些光交联型光敏树脂，如聚肉桂酸酪型、双叠氮——环化橡胶型等，它是在曝光的地方吸收光，变得不溶解，显影后未曝光部分被溶解掉。

正性光致抗蚀剂是指那些光分解型光敏树脂，如邻醌偶氮型等，它是曝光部分被溶解掉。

光致抗蚀剂是一种位相型全息材料，其优点是衍射效率高，分辨率在1000cy ／mm左右。

缺点是感光度很低，如用448nm的氩离子激光器记录．曝光量约为2000J／cm2。

常用的光致抗蚀剂参见表14—6。

5．光致变色材料光致变色材料的光化学过程和材料种类见表14—7。

用于全息存储时，无机光致变色材料多于有机材料。

这类材料的优点是不需显影，而且可以用热或光的方式擦除后重复使用。

缺点是灵敏度较低，存储信息时间短。

6．光致聚合物光致聚合物作为全息材料的基本原理是由于光的作用、使小分子或单体被聚合成大分子或聚合物，使材料在曝光前后产生折射率差。

光致聚合物由单体材料，如丙烯酸、内烯腈、苯乙烯和光敏剂、交联剂等组分组成。

光致聚合物的灵敏度比光致抗蚀剂和光致变色材料的高，分辨率可达到3000cy/mm。

其优点是干显影和快速处理，可以得到高分辨率的全息图。

当曝光充足时，可长期保存。

表14—8列出了几种常用聚合物商品型号及性能。

编者课题组研究的丙烯酸锂型全息记录材料把丙烯酸锂作为单体，聚乙烯亚胺为活化剂、业甲基兰染料作敏化剂在玻璃基片上作成干版。

它原料便宜，工艺简单，不需湿法处理，衍射效率可达70％，且可用红光记录。

此外，还发现N —乙烯基咔唑对PMMA型感光片有络合增感作用。

用514．5nm光在其上记录全息光栅，在相同的曝光量(2—14J．cm+2)下，折射率差△n可以提高三倍左右。

7．光折变材料光折变材料是能吸收外来光而产生材料内载流子的迁移，由此形成一个空间载流子的重新分布和相应的电场，通过电光效应，使材料的折射率受到调制的材料。

材料中产生光折变效应的必要条件是：①能生成可移动的载流子；②对光有吸收；③能传输载流子；④有能浦获载流子的势阱；⑤有一定的电光系数，对于有机分子要求有二阶非线性光学性质。