EVA制备的全息存储卡的短波长全息存储性能及环境性能研究

张保民 康斌斌 周必成 马 晨 张 立 赵小文 郭晋红 樊建军 马富花

（中国电子科技集团公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

EVA制备的全息存储卡的短波长全息存储性能及环境性能研究

张保民 康斌斌 周必成 马 晨 张 立 赵小文 郭晋红 樊建军 马富花

（中国电子科技集团公司第三十三研究所 山西 太原 030006）

本文对采用EVA热熔胶膜封装的一种环氧树脂类光致聚合物全息存储卡，进行了441nm波长下的全息特性进行了研究，衍射效率≥50％，分辨率≥3000线对/mm，曝光灵敏度适度，全息存储图像清晰。该全息存储卡具有宽温（-10℃≤T≤60℃）、耐湿（95％RH）、不易划伤特点。

全息存储；光致聚合物；乙烯-醋酸乙烯共聚物

引言

信息存储技术作为信息技术的核心之一，一直伴随着、推动着IT业各方面技术的协同发展，是当今IT领域中少数发展最为迅速的热点之一。信息存储技术主要包括磁存储、光存储、半导体存储以及各种新型存储技术。光存储中，全息存储技术因其采用以页的形式进行光记录和读取，在容量和速度方面有着巨大的潜力，是高密度电子信息存储最有力的竞争者。在全息存储所适用的材料中，光致聚合物具有高的衍射效率、高的灵敏度、大的动态范围以及易于合成、成本低廉、化学组成范围宽、能大规模生产、并可实现干法在线处理等优点使其具有更广泛的商业实用价值，从而成为首选材料[1-4]。

以EVA为热粘结剂、聚碳酸酯膜为封装外表面制备的一种环氧树脂类光致聚合物全息存储卡，在532nm波长下已进行了全息存储性能研究[5]。在光存储中，光记录波长越短，记录光斑越小。以DVD光盘与蓝光光盘比较为例，DVD光盘工作波长为650nm，其最小记录标记尺寸是0.4μm，蓝光光盘工作波长为405nm，最小记录标记尺寸缩小到0.14-0.2μm[12]。因此缩短光存储中光记录波长对提高光信息存储密度很有意义。本文采用He-Cd激光器发出的441nm激光，对采用EVA为热粘结剂制备出的环氧树脂类全息存储卡，开展了短波长的全息存储性能测试研究。

记录介质环境适应性越强越好。单独的高分子光致聚合物材料抗划伤能力不强，而且裸露在空气中，会影响其耐老化性能，导致光存储性能下降。而EVA具有坚韧、透明、耐温、耐寒、粘结强度大、耐湿性好等特性，它也能与所用环氧树脂类光聚物材料粘合。两者结合制备的一种全息存储卡，我们对其开展了环境适应性研究，包括耐高低温、耐高湿度。

1 实验

1.1 环氧树脂类光聚物制备

在暗室、洁净度为104级、室温、相对湿度30％～55％的实验环境条件下，环氧树脂类光聚物全息存储材料制作步骤为：

1）双酚A二缩水甘油醚：（BADGE）7.2g、五乙烯六胺（PHA）：2.24g混合，常温超声分散30分钟；

2）再加入Irgacure784：0.104g、苯基甲基丙烯酸酯（BzMA）：3.2g，常温超声分散30分钟；

由于制备的环氧树脂类光聚物的量较少，所以这里采用超声分散方法混合，分散时采用自来水冷却。

3）采用滴涂法，按照所需形状（矩形或圆形）、尺寸，将光聚物水溶液涂敷在所需尺寸的基片上，膜厚度330±20nm，卡基片选2mm厚的光学级的聚碳酸酯或光学玻璃。

4）置于真空干燥箱中，真空度0.001MPa、30℃条件下自然固化24～48小时后，得到光聚物全息记录膜。

1.2 全息存储卡的制备

在洁净度为104级的暗环境下，将涂敷环氧树脂类光聚物材料的光学级的聚碳酸酯（聚碳酸酯在下侧，涂敷的光聚物材料已固化）或光学玻璃的上方，水平布放0.38mm厚的EVA热熔胶膜，然后在EVA热熔胶膜的平面上放置1mm厚的聚碳酸酯，两者要全覆盖下方；将放置好的逐层材料置于真空工作腔内，施加0.2Mpa的压强（上下两板挤压）；真空工作腔抽真空0.1分钟，真空度达到：10-3Mpa，逐层材料侧方施压均为1.2Mpa，并使接近EVA热熔胶膜一侧的施压板（上方的施压板）温度保持90℃，保持温度及施压时间30秒；打开真空工作腔，降温至常温后，取出粘接好的卡，修剪边缘（主要是裁掉溢出的EVA热熔胶膜）。从而得到基片为聚碳酸酯或光学玻璃、涂覆有环氧树脂类光聚物记录层的全息存储卡样品，见下图1，左图基片为聚碳酸酯，右图基片为60×60mm光学玻璃。这里制备的全息存储卡存储层边缘不齐整，可通过全息存储层涂敷在预留涂敷槽基片的方法得到解决[5]。

图1.采用EVA热熔胶膜制备的环氧树脂类光致聚合物全息存储卡Fig1. Using EVA hot melt adhesive film preparation of the epoxy photopolymer holographic memory card

1.3 实验光路

实验测试光路如图2所示。短波长光源选用相干性优良的441nm波长的He-Cd激光器。激光束经分光镜分成物光与参考光，物光与参考光的光强比为1︰1， M1、M2为反射镜；L1为扩束镜，L2、L3为傅里叶透镜；O为信息载体；PC为连接电控旋转台的电脑；PM为激光功率计；SH为快门。

图2：实验光路图Fig2. The experimental setup

2 结果与讨论

2.1 在441nm短波长下的衍射效率及分辨率测试

对所制备的环氧树脂类光聚物薄膜进行可见光连续波段的吸收光谱测试，得到吸收光谱图，见图3。由图可见，样品薄膜的光吸收区在400-600nm区间，吸收峰值约在490nm处。490-600nm一侧的光性能，采用532nm波长的相干激光，我们已进行了研究[5]，400-490nm一侧的光性能，我们采用He-Cd激光器发出的441nm波长的相干激光进行探讨。

图3.所制全息存储薄膜的可见光波段的吸收光谱Fig3. Absorption spectra of the holographic film in visible band

a. 衍射效率

衍射效率定义为一级有效衍射光强度与有效入射光强度的比值[10]，可表示为

式中 为衍射光强度， 为参考光强度， 为基片反射光强度。这里，参考光与物光保持光强相等并且呈30°夹角，曝光能量为9 mW/cm2。图4所示为厚度为330um光聚物薄膜下测得的衍射效率与曝光能量的变化关系曲线。

图4：曝光时间与衍射效率关系图Fig.4∶ Diffraction efficiency versus exposure time

当He-Cd激光的曝光能量达到260mJ/cm2时，光聚物达到最大衍射效率57％。衍射光的产生是由于材料发生光致聚合反应导致出现折射率调制。曝光初始时，材料中单体产生光致聚合反应，随着曝光量的持续，单体聚合反应基本结束，衍射效率达到最大，再继续曝光，衍射效率趋于稳定，达到饱和。继续曝光衍射效率下降的原因可能是光聚物层的串扰噪声造成的。

根据Kogelnik 理论及灵敏度计算公式：

可获得样品的灵敏度为2.9×10-3cm2/mJ。

b. 分辨率

分辨率是用来体现全息材料存储全息图像清晰度能力大小的量值，定义为全息材料能记录光强调制的最小周期[9]，透射型全息材料存储一般要求大于3000线对/mm。

当两束光对称入射，两束光夹角θ，即入射角θ1=θ2=θ/2时，干涉条纹的间距为[10]

对应的，单位长度内，包含的相干条纹数为

将全息存储记录时的物光和参考光对称入射到记录介质上，由（3）式， 记录光波长、物光和参考光夹角为 的全息存储记录，其分辨率为

我们取θ=90°时曝光，观察到衍射光斑，此时N=3206线对/mm，大于3000线对/mm。

2.2 在441nm短波长下的全息存储

这里全息信息存储测试采用角复用技术，测试光路如图2所示。保持参、物光光路夹角为15°不变，制备的存储卡片置于旋转转台上，旋转轴处于记录层上，记录光斑处于旋转轴上。旋转转台旋转2°，旋转前后在制备的存储卡片同一位置处记录2幅图片，每次曝光10s。然后用参考光分别在相同角度方向上再现存储信息，如图5所示。从图中看，再现图像的对比度较强，保真度较好，说明材料的信噪比较高。由此可知，所制备的材料在可见光范围的短波长频段，仍具有较好的全息存储性能。

图5：(a) 左图为原始图像 (b) 右图为再现图像Fig.5∶ (a) The original image (b) The reconstruction image

2.3 环境适应性分析

采用上方法制备的全息存储卡，依据GB/ T2423-2008，放在恒温恒湿箱中，经高低温贮存实验，湿热实验，测试其环境适应性。实验后观察产品外观，并测试其衍射效率、灵敏度等指标。经高低温工作实验，验证全息存储卡在低温-10℃、高温60℃的环境中保持正常安全的全息存储性能和工作性能。具体实验如下表：

试验项目试验依据标准条款主要试验仪器试验具体条件试验结果高温贮存GB/T2423.2-2008温湿交变试验箱CH600C外观无变化。光学指标性能无变化。低温贮存GB/T2423.1-2008温湿交变试验箱CH600C高温60℃，保持24小时。外观无变化。光学指标性能无变化。湿热GB/T2423.3-2008温湿交变试验箱CH600C低温-10℃，保持24小时。温度30℃-60℃，湿度95％，做一个周期24小时。外观无变化。光学指标性能无变化。高温工作GB/T2423.2-2008温湿交变试验箱CH600C外观无变化。可实现全息记录。低温工作GB/T2423.1-2008温湿交变试验箱CH600C高温60℃，保持24小时。低温-10℃，保持24小时。外观无变化。可实现全息记录。

我们制备的全息存储卡在分别经历低温-10℃，24小时；高温60℃，24小时及温度30℃-60℃，湿度95％，湿热试验后，观察到试验样品表面完好，外观无变化，没有出现存储卡开裂、分离、脱落等现象。测试其衍射效率、灵敏度、透射率、角复用等指标，指标值稳定，基本没有变化。全息存储卡在高温60℃，低温-10℃的工作环境中可以正常的实现全息存储记录。说明所制备的全息存储卡环境适应性能良好。

需要说明的是，在做环境适应性试验时，我们选用的是532nm激光，主要是从光源的小型化考虑，目前常用的532nm小型激光器已具有不错的相干性，用其搭建的小型光性能测试平台可置于恒温恒湿箱中，如图6所示。

图6 进行高低温存储贮存、工作实验及湿热实验的恒温恒湿箱内部Fig6. The internal environment of constant temperature and humidity box experiment

为了检测抗湿性能，我们制备了一个玻璃小槽，小槽侧面面积较大的侧面选用光学玻璃，两侧面保持平行，存储卡用夹具固定在一侧玻璃上并置于水中。在专门设计的湿度环境工作实验中，产生了很强的衍射光斑，验证了其抗湿能力，图7分别为在水中实现全息存储工作的全景及放大图。图7全景图为完成光记录后，观察衍射情况。图7放大图中，白屏上3亮斑中的中间亮斑即为一级衍射光斑。

图7. 水中实现全息存储工作的全景及放大图Fig7. Panoramic view and local view of the work of holographic storage in water

3 结论

对采用EVA热熔胶膜封装的一种环氧树脂类光致聚合物全息存储卡，我们使用波长为441nm的He-Cd激光器研究了其短波长下的全息存储特性。研究表明，该材料的衍射效率达57％，灵敏度为2.9×10-3cm2/mJ，分辨率大于3000线对/mm；该存储介质可采用角复用技术实现全息存储图像，再现图像较为清晰，对比度与保真度较为满意。说明该材料在短波长段同样具有较好的全息存储性能，具备高密度全息存储的潜质。

测试了该存储卡在高低温差达70℃，湿度达95％下的环境适应性，样品的外观及全息存储指标值稳定，环境适应性能良好，同时验证了EVA热熔胶膜封装工艺的可行性。

[1] R. A. Lessard, G. Manivannan. Holographic recording material: an overview[J]. Proc. 1995, SPIE 2405: 2-23.

[2] Chen ma, Baomin Zhang, Li zhang, et al. Study on Holographic characteristics of a novel single dyesensitised photopolymer using blue and green light[J]. Journal of modern Optics, 2011, 58：1051-1059.

[3] 马晨，张保民，张立，等. 碱性品红光致聚合物薄膜的光致光衍射[J]. 物理学报，2010，25（9）：396-401.

[4] 姚华文，黄明举、陈仲裕，等. 绿敏光致聚合物的制备及其光全息存储性能研究[J]. 光学学报，2002，22：1021-1024.

[5] 张保民，马晨，郭晋红，等. EVA热熔胶膜用于环氧树脂类光致聚合物全息存储卡的制备工艺研究[J]. 光电工程，2015，42（1）：39-44.

[6] 弓巧霞，黄明举，顾冬红，干福熹. 用于全息记录的光致聚合物材料的研究进展[J]. 功能材料，2004增刊(35)：145-151.

[7] 王承遇、陶瑛，等. 玻璃材料手册[M]. 化学工业出版社，2007：87-96.

[8]Kevin Curtis, Lisa Dhar, Adrian Hill, William Wilson and Mark Ayres Holographic Data Storage. From Theory to Practical Systems[M] 2010 WILEY Publication.

[9] 陶世荃，王大勇，江竹青，等. 光全息存储[M]. 北京：北京工业大学出版社，1998：125-133.

[10] 母国光，战元龄. 光学[M]. 人民教育出版社，1978:203-213.

[11] 光致聚合物型全息存储光盘的制备方法CN 102054498 B

[12] 宗欣.自主创新 为建立中国光盘新格式而奋斗[J]. 记录媒体技术，2005，3（5）：1-5.

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资助项目(项目号2011021021-3)

张保民(1962-)，男(汉族)，山西省太原市人。高级工程师，硕士，中国电子科技集团公司第三十三研究所，主要从事光全息存储等方面研究。

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