基于聚合物纳米复合薄膜材料的全息光开关性能调控关键技术研究

The project studies the performance control characteristics of the optical switching in PQ/PMMA photopolymer film materials ascribed to the volume grating diffraction by using multi-point coherent technology, based on the research background of volume holographic recording. The nanoparticles doping, component optimization, method improvement are used to prepare new type photopolymer film material. Doping polyamide nanowire to PQ/PMMA photopolymer film materials, we wish to obtain more suitable internet photopolymer film material for the applications of all-optical switching. The light beam transmitting method and COMSOL software are employed to simulate and analysis the switching states and optimization the structure parameters. The light path configuration and experimental conditions of the multi-point coherent grating recording system are discussed. The new grating structures are manufactured by using photolithography. Finally, the holographic encoding type all-optical switching principled sample machine is set up to realize the route selection of the beam. This study will further expand the applications of volume holographic recording technology and provide theoretical and experimental basis for the manufacture of the photopolymer film materials and the boost of the application of all-optical switching, which has important scientific significance and value.

本项目以体全息光栅记录为研究背景，利用多点干涉技术在聚合物薄膜中构建体光栅，探讨基于体光栅衍射的全息编码型光开关调控关键技术与开光特性。通过掺杂纳米粒子、优化成分结构、改善制备工艺，探索新型聚合物薄膜体系材料的合成技术。研究聚酰胺纳米线掺杂对材料性能的影响，探索制备互联网络型聚合物薄膜材料的工艺条件，对材料的光栅衍射特性进行测量与表征。采用光束传播法，利用COMSOL软件对开关的各个状态进行模拟和分析，并对结构参量进行优化设计。探索基于多点干涉的体光栅记录的光路配置与实验条件，借助光刻技术，在材料中构建新型体光栅，研究其光开关调控性能。制作基于体全息光栅衍射的全息编码型光开关器件原理样机，实验研究该全光开关器件的光开光性能调控特性。本研究将进一步扩展体全息技术的应用，为新型快响应聚合物薄膜材料的研制和光开关器件应用的推进提供理论依据和实验基础，具有重要的科学意义和应用价值。

a. 研制了三种全息光学材料用于全息光开关器件：无机晶体—铌酸锂晶体(In:Fe:Cu:LiNbO3晶体和Zr:Fe:LiNbO3晶体)，阳离子引发剂掺杂的PMMA聚合物(阳离子引发剂掺杂的PMMA聚合物由单体MMA在聚合成长链的PMMA也充当材料的基底，热引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)，阳离子光引发剂钛茂(Ti))，聚甲基丙稀酸羟乙酯（PHEMA）水凝胶系统(采用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）与二甲氨基甲基丙烯酸乙酯（DMA）作为制备凝胶基底的共单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）作为交联剂，菲醌（PQ）作为凝胶的光敏成分与全息光栅的光敏单体，偶氮二异丁氰（AIBN）作为引发基底聚合的热引发剂)。通过优化成分结构、改善制备工艺，探索新型体系材料的合成技术，获得了适合于全光开关应用的全息光开光材料。.b. 利用 COMSOL 软件对远场相位差的模拟仿真，从理论上推导球面波作参考光时，体全息图的衍射效率和布拉格失配量之间的关系，得到了相对衍射效率与晶体旋转角度之间的关系。搭建了透射式光栅记录平台，来研究材料的全息光栅衍射特性。实现了532nm与488nm两种波长的光栅的独立记录。利用光栅性能测试装置研究了材料的光栅衍射特性，实验测量衍射效率、响应时间常数、灵敏度、折射率调制度、动态范围以及热稳定性等重要特征参数。同时，研究了聚甲基丙稀酸羟乙酯（PHEMA）水凝胶系统的全息传感温敏特性。为进一步全息光栅调制的全息光开关器件奠定了实验依据。.c. 搭建了体全息光栅衍射的全息编码型光开关器件原理样机，实验研究该全光开关器件的光开光性能调控特性，基于波长-角度-偏振混合编码技术，设计并搭建波长-角度-偏振选择型光开关自选通原理样机，实现单一波长的角度选择型自选通1×N 光开关、偏振选择型1×N 光开关，并在此基础上，实现角度波长偏振选择型N×N 光开关。.本研究进一步扩展了体光栅技术的应用领域，为新型高效的无机晶体、聚合物材料、凝胶系统的研制和全光开关器件应用的推进提供了实验基础和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。