EVA制備的全息存儲(chǔ)卡的短波長全息存儲(chǔ)性能及環(huán)境性能研究

張保民 康斌斌 周必成 馬 晨 張 立 趙小文 郭晉紅 樊建軍 馬富花

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

EVA制備的全息存儲(chǔ)卡的短波長全息存儲(chǔ)性能及環(huán)境性能研究

張保民 康斌斌 周必成 馬 晨 張 立 趙小文 郭晉紅 樊建軍 馬富花

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

本文對采用EVA熱熔膠膜封裝的一種環(huán)氧樹脂類光致聚合物全息存儲(chǔ)卡，進(jìn)行了441nm波長下的全息特性進(jìn)行了研究，衍射效率≥50％，分辨率≥3000線對/mm，曝光靈敏度適度，全息存儲(chǔ)圖像清晰。該全息存儲(chǔ)卡具有寬溫（-10℃≤T≤60℃）、耐濕（95％RH）、不易劃傷特點(diǎn)。

全息存儲(chǔ)；光致聚合物；乙烯-醋酸乙烯共聚物

引言

信息存儲(chǔ)技術(shù)作為信息技術(shù)的核心之一，一直伴隨著、推動(dòng)著IT業(yè)各方面技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，是當(dāng)今IT領(lǐng)域中少數(shù)發(fā)展最為迅速的熱點(diǎn)之一。信息存儲(chǔ)技術(shù)主要包括磁存儲(chǔ)、光存儲(chǔ)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)以及各種新型存儲(chǔ)技術(shù)。光存儲(chǔ)中，全息存儲(chǔ)技術(shù)因其采用以頁的形式進(jìn)行光記錄和讀取，在容量和速度方面有著巨大的潛力，是高密度電子信息存儲(chǔ)最有力的競爭者。在全息存儲(chǔ)所適用的材料中，光致聚合物具有高的衍射效率、高的靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍以及易于合成、成本低廉、化學(xué)組成范圍寬、能大規(guī)模生產(chǎn)、并可實(shí)現(xiàn)干法在線處理等優(yōu)點(diǎn)使其具有更廣泛的商業(yè)實(shí)用價(jià)值，從而成為首選材料[1-4]。

以EVA為熱粘結(jié)劑、聚碳酸酯膜為封裝外表面制備的一種環(huán)氧樹脂類光致聚合物全息存儲(chǔ)卡，在532nm波長下已進(jìn)行了全息存儲(chǔ)性能研究[5]。在光存儲(chǔ)中，光記錄波長越短，記錄光斑越小。以DVD光盤與藍(lán)光光盤比較為例，DVD光盤工作波長為650nm，其最小記錄標(biāo)記尺寸是0.4μm，藍(lán)光光盤工作波長為405nm，最小記錄標(biāo)記尺寸縮小到0.14-0.2μm[12]。因此縮短光存儲(chǔ)中光記錄波長對提高光信息存儲(chǔ)密度很有意義。本文采用He-Cd激光器發(fā)出的441nm激光，對采用EVA為熱粘結(jié)劑制備出的環(huán)氧樹脂類全息存儲(chǔ)卡，開展了短波長的全息存儲(chǔ)性能測試研究。

記錄介質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性越強(qiáng)越好。單獨(dú)的高分子光致聚合物材料抗劃傷能力不強(qiáng)，而且裸露在空氣中，會(huì)影響其耐老化性能，導(dǎo)致光存儲(chǔ)性能下降。而EVA具有堅(jiān)韌、透明、耐溫、耐寒、粘結(jié)強(qiáng)度大、耐濕性好等特性，它也能與所用環(huán)氧樹脂類光聚物材料粘合。兩者結(jié)合制備的一種全息存儲(chǔ)卡，我們對其開展了環(huán)境適應(yīng)性研究，包括耐高低溫、耐高濕度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 環(huán)氧樹脂類光聚物制備

在暗室、潔凈度為104級(jí)、室溫、相對濕度30％～55％的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，環(huán)氧樹脂類光聚物全息存儲(chǔ)材料制作步驟為：

1）雙酚A二縮水甘油醚：（BADGE）7.2g、五乙烯六胺（PHA）：2.24g混合，常溫超聲分散30分鐘；

2）再加入Irgacure784：0.104g、苯基甲基丙烯酸酯（BzMA）：3.2g，常溫超聲分散30分鐘；

由于制備的環(huán)氧樹脂類光聚物的量較少，所以這里采用超聲分散方法混合，分散時(shí)采用自來水冷卻。

3）采用滴涂法，按照所需形狀（矩形或圓形）、尺寸，將光聚物水溶液涂敷在所需尺寸的基片上，膜厚度330±20nm，卡基片選2mm厚的光學(xué)級(jí)的聚碳酸酯或光學(xué)玻璃。

4）置于真空干燥箱中，真空度0.001MPa、30℃條件下自然固化24～48小時(shí)后，得到光聚物全息記錄膜。

1.2 全息存儲(chǔ)卡的制備

在潔凈度為104級(jí)的暗環(huán)境下，將涂敷環(huán)氧樹脂類光聚物材料的光學(xué)級(jí)的聚碳酸酯（聚碳酸酯在下側(cè)，涂敷的光聚物材料已固化）或光學(xué)玻璃的上方，水平布放0.38mm厚的EVA熱熔膠膜，然后在EVA熱熔膠膜的平面上放置1mm厚的聚碳酸酯，兩者要全覆蓋下方；將放置好的逐層材料置于真空工作腔內(nèi)，施加0.2Mpa的壓強(qiáng)（上下兩板擠壓）；真空工作腔抽真空0.1分鐘，真空度達(dá)到：10-3Mpa，逐層材料側(cè)方施壓均為1.2Mpa，并使接近EVA熱熔膠膜一側(cè)的施壓板（上方的施壓板）溫度保持90℃，保持溫度及施壓時(shí)間30秒；打開真空工作腔，降溫至常溫后，取出粘接好的卡，修剪邊緣（主要是裁掉溢出的EVA熱熔膠膜）。從而得到基片為聚碳酸酯或光學(xué)玻璃、涂覆有環(huán)氧樹脂類光聚物記錄層的全息存儲(chǔ)卡樣品，見下圖1，左圖基片為聚碳酸酯，右圖基片為60×60mm光學(xué)玻璃。這里制備的全息存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)層邊緣不齊整，可通過全息存儲(chǔ)層涂敷在預(yù)留涂敷槽基片的方法得到解決[5]。

圖1.采用EVA熱熔膠膜制備的環(huán)氧樹脂類光致聚合物全息存儲(chǔ)卡Fig1. Using EVA hot melt adhesive film preparation of the epoxy photopolymer holographic memory card

1.3 實(shí)驗(yàn)光路

實(shí)驗(yàn)測試光路如圖2所示。短波長光源選用相干性優(yōu)良的441nm波長的He-Cd激光器。激光束經(jīng)分光鏡分成物光與參考光，物光與參考光的光強(qiáng)比為1︰1， M1、M2為反射鏡；L1為擴(kuò)束鏡，L2、L3為傅里葉透鏡；O為信息載體；PC為連接電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的電腦；PM為激光功率計(jì)；SH為快門。

圖2：實(shí)驗(yàn)光路圖Fig2. The experimental setup

2 結(jié)果與討論

2.1 在441nm短波長下的衍射效率及分辨率測試

對所制備的環(huán)氧樹脂類光聚物薄膜進(jìn)行可見光連續(xù)波段的吸收光譜測試，得到吸收光譜圖，見圖3。由圖可見，樣品薄膜的光吸收區(qū)在400-600nm區(qū)間，吸收峰值約在490nm處。490-600nm一側(cè)的光性能，采用532nm波長的相干激光，我們已進(jìn)行了研究[5]，400-490nm一側(cè)的光性能，我們采用He-Cd激光器發(fā)出的441nm波長的相干激光進(jìn)行探討。

圖3.所制全息存儲(chǔ)薄膜的可見光波段的吸收光譜Fig3. Absorption spectra of the holographic film in visible band

a. 衍射效率

衍射效率定義為一級(jí)有效衍射光強(qiáng)度與有效入射光強(qiáng)度的比值[10]，可表示為

式中 為衍射光強(qiáng)度， 為參考光強(qiáng)度， 為基片反射光強(qiáng)度。這里，參考光與物光保持光強(qiáng)相等并且呈30°夾角，曝光能量為9 mW/cm2。圖4所示為厚度為330um光聚物薄膜下測得的衍射效率與曝光能量的變化關(guān)系曲線。

圖4：曝光時(shí)間與衍射效率關(guān)系圖Fig.4∶ Diffraction efficiency versus exposure time

當(dāng)He-Cd激光的曝光能量達(dá)到260mJ/cm2時(shí)，光聚物達(dá)到最大衍射效率57％。衍射光的產(chǎn)生是由于材料發(fā)生光致聚合反應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)折射率調(diào)制。曝光初始時(shí)，材料中單體產(chǎn)生光致聚合反應(yīng)，隨著曝光量的持續(xù)，單體聚合反應(yīng)基本結(jié)束，衍射效率達(dá)到最大，再繼續(xù)曝光，衍射效率趨于穩(wěn)定，達(dá)到飽和。繼續(xù)曝光衍射效率下降的原因可能是光聚物層的串?dāng)_噪聲造成的。

根據(jù)Kogelnik 理論及靈敏度計(jì)算公式：

可獲得樣品的靈敏度為2.9×10-3cm2/mJ。

b. 分辨率

分辨率是用來體現(xiàn)全息材料存儲(chǔ)全息圖像清晰度能力大小的量值，定義為全息材料能記錄光強(qiáng)調(diào)制的最小周期[9]，透射型全息材料存儲(chǔ)一般要求大于3000線對/mm。

當(dāng)兩束光對稱入射，兩束光夾角θ，即入射角θ1=θ2=θ/2時(shí)，干涉條紋的間距為[10]

對應(yīng)的，單位長度內(nèi)，包含的相干條紋數(shù)為

將全息存儲(chǔ)記錄時(shí)的物光和參考光對稱入射到記錄介質(zhì)上，由（3）式， 記錄光波長、物光和參考光夾角為 的全息存儲(chǔ)記錄，其分辨率為

我們?nèi)ˇ?90°時(shí)曝光，觀察到衍射光斑，此時(shí)N=3206線對/mm，大于3000線對/mm。

2.2 在441nm短波長下的全息存儲(chǔ)

這里全息信息存儲(chǔ)測試采用角復(fù)用技術(shù)，測試光路如圖2所示。保持參、物光光路夾角為15°不變，制備的存儲(chǔ)卡片置于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)軸處于記錄層上，記錄光斑處于旋轉(zhuǎn)軸上。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)2°，旋轉(zhuǎn)前后在制備的存儲(chǔ)卡片同一位置處記錄2幅圖片，每次曝光10s。然后用參考光分別在相同角度方向上再現(xiàn)存儲(chǔ)信息，如圖5所示。從圖中看，再現(xiàn)圖像的對比度較強(qiáng)，保真度較好，說明材料的信噪比較高。由此可知，所制備的材料在可見光范圍的短波長頻段，仍具有較好的全息存儲(chǔ)性能。

圖5：(a) 左圖為原始圖像 (b) 右圖為再現(xiàn)圖像Fig.5∶ (a) The original image (b) The reconstruction image

2.3 環(huán)境適應(yīng)性分析

采用上方法制備的全息存儲(chǔ)卡，依據(jù)GB/ T2423-2008，放在恒溫恒濕箱中，經(jīng)高低溫貯存實(shí)驗(yàn)，濕熱實(shí)驗(yàn)，測試其環(huán)境適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)后觀察產(chǎn)品外觀，并測試其衍射效率、靈敏度等指標(biāo)。經(jīng)高低溫工作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證全息存儲(chǔ)卡在低溫-10℃、高溫60℃的環(huán)境中保持正常安全的全息存儲(chǔ)性能和工作性能。具體實(shí)驗(yàn)如下表：

試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條款主要試驗(yàn)儀器試驗(yàn)具體條件試驗(yàn)結(jié)果高溫貯存GB/T2423.2-2008溫濕交變試驗(yàn)箱CH600C外觀無變化。光學(xué)指標(biāo)性能無變化。低溫貯存GB/T2423.1-2008溫濕交變試驗(yàn)箱CH600C高溫60℃，保持24小時(shí)。外觀無變化。光學(xué)指標(biāo)性能無變化。濕熱GB/T2423.3-2008溫濕交變試驗(yàn)箱CH600C低溫-10℃，保持24小時(shí)。溫度30℃-60℃，濕度95％，做一個(gè)周期24小時(shí)。外觀無變化。光學(xué)指標(biāo)性能無變化。高溫工作GB/T2423.2-2008溫濕交變試驗(yàn)箱CH600C外觀無變化?？蓪?shí)現(xiàn)全息記錄。低溫工作GB/T2423.1-2008溫濕交變試驗(yàn)箱CH600C高溫60℃，保持24小時(shí)。低溫-10℃，保持24小時(shí)。外觀無變化?？蓪?shí)現(xiàn)全息記錄。

我們制備的全息存儲(chǔ)卡在分別經(jīng)歷低溫-10℃，24小時(shí)；高溫60℃，24小時(shí)及溫度30℃-60℃，濕度95％，濕熱試驗(yàn)后，觀察到試驗(yàn)樣品表面完好，外觀無變化，沒有出現(xiàn)存儲(chǔ)卡開裂、分離、脫落等現(xiàn)象。測試其衍射效率、靈敏度、透射率、角復(fù)用等指標(biāo)，指標(biāo)值穩(wěn)定，基本沒有變化。全息存儲(chǔ)卡在高溫60℃，低溫-10℃的工作環(huán)境中可以正常的實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)記錄。說明所制備的全息存儲(chǔ)卡環(huán)境適應(yīng)性能良好。

需要說明的是，在做環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)時(shí)，我們選用的是532nm激光，主要是從光源的小型化考慮，目前常用的532nm小型激光器已具有不錯(cuò)的相干性，用其搭建的小型光性能測試平臺(tái)可置于恒溫恒濕箱中，如圖6所示。

圖6 進(jìn)行高低溫存儲(chǔ)貯存、工作實(shí)驗(yàn)及濕熱實(shí)驗(yàn)的恒溫恒濕箱內(nèi)部Fig6. The internal environment of constant temperature and humidity box experiment

為了檢測抗?jié)裥阅埽覀冎苽淞艘粋€(gè)玻璃小槽，小槽側(cè)面面積較大的側(cè)面選用光學(xué)玻璃，兩側(cè)面保持平行，存儲(chǔ)卡用夾具固定在一側(cè)玻璃上并置于水中。在專門設(shè)計(jì)的濕度環(huán)境工作實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生了很強(qiáng)的衍射光斑，驗(yàn)證了其抗?jié)衲芰?，圖7分別為在水中實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)工作的全景及放大圖。圖7全景圖為完成光記錄后，觀察衍射情況。圖7放大圖中，白屏上3亮斑中的中間亮斑即為一級(jí)衍射光斑。

圖7. 水中實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)工作的全景及放大圖Fig7. Panoramic view and local view of the work of holographic storage in water

3 結(jié)論

對采用EVA熱熔膠膜封裝的一種環(huán)氧樹脂類光致聚合物全息存儲(chǔ)卡，我們使用波長為441nm的He-Cd激光器研究了其短波長下的全息存儲(chǔ)特性。研究表明，該材料的衍射效率達(dá)57％，靈敏度為2.9×10-3cm2/mJ，分辨率大于3000線對/mm；該存儲(chǔ)介質(zhì)可采用角復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)圖像，再現(xiàn)圖像較為清晰，對比度與保真度較為滿意。說明該材料在短波長段同樣具有較好的全息存儲(chǔ)性能，具備高密度全息存儲(chǔ)的潛質(zhì)。

測試了該存儲(chǔ)卡在高低溫差達(dá)70℃，濕度達(dá)95％下的環(huán)境適應(yīng)性，樣品的外觀及全息存儲(chǔ)指標(biāo)值穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性能良好，同時(shí)驗(yàn)證了EVA熱熔膠膜封裝工藝的可行性。

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The short wavelength holographic storage properties and environmental performance of the holographic storage card prepared by EVA

ZHANG Bao-min, KANG Bin-bin, ZHOU Bi-cheng, MA Chen, ZHANG Li, ZHAO Xiao Wen, GUO Jin-Hong, FAN Jian-jun, MA Fu-hua (33th Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Taiyuan 030006,China)

In this paper, an epoxy resin prepared photopolymer holographic memory card was prepared by using EVA hot melt adhesive film, and its holographic characteristics of 441nm wavelength were studied. The diffraction efficiency ≥ 50％, resolution ≥3000 line pairs / mm, exposure sensitivity moderate, and its holographic storage images clearly. The holographic storage card with wide temperature (-10℃≤T≤60℃), humidity (95％RH), is not easy to scratch..

Holographic Storage; Photopolymer; Ethylene Viny Acetate

TQ58

A

1009-5624-（2016）01-0032-05

山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào)2011021021-3)

張保民(1962-)，男(漢族)，山西省太原市人。高級(jí)工程師，碩士，中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，主要從事光全息存儲(chǔ)等方面研究。

E-mail：bm-yl-163@163.com。電話：13834116563