应用全息散射确定光致聚合物的光化学反应参数

天津理工大学本科毕业设计（论文）选题审批表届：2015 学院（系）：理学院 专业：应用物理 2014年 11 月 15 日学生姓名王旭学号20113561指导教师于丹职称讲师所选题目应用全息散射确定光致聚合物的光化学反应参数题目来源 科学技术选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等）：有机光致聚合物是一种新型的极具潜力的全息存储介质，为了避免记录过程中发生体积收缩，一般的聚合物材料呈薄膜状，这大大限制了存储容量。菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（简称PQ/PMMA）具有可忽略的收缩特性，能够制备成毫米量级的厚度，其良好的全息性能获得了各国研究人员的广泛关注。在相干光的照射下，PQ/PMMA光致聚合物内部的光化学反应与典型的链式聚合反应有很大的差别。PQ分子吸收光子形成自由基，与PMMA基底发生光链接，这是引起折射率调制度增加的根本原因。这一独特的光化学反应过程使得我们能够应用全息散射来确定光化学反应参数。本题目能够使学生对PQ/PMMA光致聚合物材料有较全面的了解，并学会应用全息散射方法确定光化学反应过程中的各种动力学参数。能够培养学生的科研能力，使学生掌握科研入门的基本流程与研究方法。签字： 年 月 日指导教师意见院（系）专家组意见教研室（研究所）意见签字：年 月 日签字：年 月 日签字：年 月 日注：（1）“选题理由”由拟题人填写。 （2）本表一式二份，一份院系留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书（毕业论文）中。 天津理工大学教务处制表 天 津 理 工 大 学本科毕业设计任务书题目：应用全息散射确定光致聚合物光化学反应参数学生姓名 王旭 届 2015 学院（系） 理学院 专业 应用物理 指导教师 于丹 职称 讲师 下达任务日期 2014.12.01 天津理工大学教务处制一、毕业论文内容及要求本毕业论文主要是应用全息散射方法确定菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物（英文简称PQ/PMMA）中光化学反应过程的相关参数。自行搭建全息散射实验光路，测量由于材料内部杂质与浓度不均匀导致的瑞利散射现象，获得散射比随时间的变化。同时理论上推导光化学反应动力学过程参量表达式，将理论与实验对比，采用最优化拟合方式获取材料相关参数。基本内容：1、查找文献资料，了解论文内容，有针对性的阅读文献； 2、学习全息散射实验相关操作过程，实验方法； 3、制备光致聚合物材料； 4、进行全息散射测试，并记录实验结果； 5、理论编程实现实验结果与理论参数间的有机联系，从而获取相关参数。基本要求：1、定期汇报学习情况，并与指导教师交流；2、自行制备光致聚合物材料；3、理论学习需要循序渐进，多看文献，多积累；4、通过毕业论文使学生了解并掌握基本全息相关知识；5、写出合格的毕业论文。 二、毕业设计（论文）进度计划及检查情况记录表序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12014.12.012015.02.20开题准备，查阅相关文献资料22015.02.202015.03.05开题。对本题目做深入了解，查找相关文献并阅读，写出计划表32015.03.052015.03.31学习全息散射相关实验方法与操作42015.03.312015.04.16进行散射实验，获取实验数据，中期检查62015.04.162015.04.22理论分析，数值模拟，并与实验结果拟合对比，获取参数72015.04.222015.05.26完成毕业论文8答辩注：（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。 （2）毕业设计（论文）任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明书（毕业论文）内。天津理工大学本科毕业论文开题报告届：2015 学院（系）：理学院 专业：应用物理 2015年 3 月 8 日 毕业论文题目应用全息散射确定光致聚合物的光化学反应参数学生姓名王旭学号20113561指导教师于丹职称讲师一、 课题的意义菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（简称PQ/PMMA）光致聚合物材料具有可忽略的收缩特性，能够制备成毫米量级的厚度，是一种极具潜力的高密度大容量全息存储介质。在相干光照射下，PQ/PMMA光致聚合物内部的PQ分子吸收光子形成自由基，再与PMMA基底发生光链接反应，最终引起折射率调制度的增加。这种光化学反应与典型的链式聚合反应有很大的差别，正是这一独特的光化学反应过程使得我们能够应用全息散射方法确定光化学反应的参数。通过本题目的研究学生能够对PQ/PMMA光致聚合物材料有比较全面的了解，包括材料的制备方法，全息散射测试方法以及应用理论模拟与实验结果对比确定光化学反应动力学参数的计算方法等。通过本题目的训练，基本掌握热致聚合方法制备毫米量级的PQ/PMMA光致聚合物；学会全息散射测试方法；同时学会光化学反应动力学参数的计算方法。通过查找资料，翻译英文文献，应用学过的光学基础和实验知识，研究本课题的任务，使学生掌握科研入门的基本流程与研究方法。按照任务书规定的时间，完成应用全息散射确定光致聚合物的光化学反应参数。二、 国内外发展状况Carretero等人通过测试丙烯酰胺聚合物材料的透射时间曲线，计算了量子产率和摩尔吸收系数这两个重要的光化学反应动力学参数。但是这种方法并不适用于PQ/PMMA材料，因为PQ/PMMA材料具有较高的透射率和较强的全息散射特性。全息散射通常被认为是限制光学体全息存储介质存储容量的一个缺点，然而利用全息散射能够计算出光致聚合物的光化学反应动力学参数，将其缺点转换成为优势。三、 研究内容1. 掌握PQ/PMMA光致聚合物的制备方法；2. 学会搭建实验测试光路，学会全息散射的实验方法；3. 进行全息散射测试，记录实验结果；4. 通过理论编程实现实验结果与理论参数之间的有机联系，计算光化学反应参数；5. 写出高水平的毕业论文。四、 完成本课题的过程和方法1. 查阅相关的文献资料；2. 对本题目做深入了解，学习全息散射相关实验方法与操作；3. 进行全息散射实验，获取实验数据；4. 理论分析，数值模拟，并与实验结果拟合对比，计算光化学反应参数。五、 参考文献 1. H. Liu, D. Yu, Y. Jiang, and X. Sun, Appl. Phys. B 95(3), 513518(2009).2. L. Carretero, S. Blaya, R. Mallavia, F. Madrigal, A. Belndez, A. Fimia, Appl. Opt. 37, 44964499(1998).3. S. Blaya, L. Carretero, R. Mallavia, F. Madrigal, A. Fimia, R. F. Madrigal, Appl. Opt. 38, 955962(1999).4. M. A. Ellabban, M. Fally, R. A. Rupp, Applied Physics, Part IV, June(2001).5. M. A. Ellabban, G. Mandula, M. Fally, Appl. Phys. Lett. 78, 844846(2001).指导教师意见学生对本课题有浓厚的兴趣，前期文献翻译与查阅资料准备充分，完成本题目没有问题。希望他通过认真实验与反复测试，能够获得理想的计算结果，并写出高水平的毕业论文。签字： 年 月 日天津理工大学教务处制表应用全息散射确定光致聚合物光化学反应参数摘要 当下是信息技术飞速发展的年代，如今人们的生活已经发展成及接受和存储信息的大数据时代。在对这些巨大信息存储时，我们需要一个更为优良的存储技术来代替普通的存储技术。所以导致光学体的全息技术迅速成为存储技术的焦点，光学题全息技术就是一种新型的存储技术，它对于数据的存储具有密度高，寿命长且容易携带等优点。光学体全息技术对于数据的输入和读出是采用非接触的方式，这与普通的存储技术相比大大提高了信息的传输速率。在信息数据存储方面，传统的存储技术是将信息数据中所有数据的每一个小的数据点都占有一定的存储空间，在数据存储密度较大时，由于存储介质存在缺陷尺寸，将会引起数据的丢失。光学体全息存储是将信息以图片的形式存在也就是说将所有信息作为一个整体的形式存储在介质中，在数据密度增大时，只会引起数据的存储信息强弱的变化，不会导致数据的丢失，这对数据的存储安全更加有利。光学体全息技术存储数据的材料有很多种，例如：银盐材料、重铬酸盐明胶（DCG)、光折变晶体、光致聚合物等。 而我们只采用光致聚合物这材料进行研究。 本实验采用的是光致聚合物作为光学体全息技术的材料，光致聚合物是一种混合型材料，它本身包括：单体、热引发剂和粘结剂。但再聚合过程中会导致材料的体积发生改变，需要调整入射光的角度才能形成最大的衍射光栅。 本次试验从众多光致聚合物材料中选取一种最适合试验的材料是掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ-PMMA）作为实验样品。此材料具有可忽略的收缩和能够制备成毫米量级厚度的特性，是一种非常有潜力的大容量高且密度全息存储介质。令人遗憾的是PQ-PMMA材料还不是很理想，材料的缺点为较高的全息散射和较低的响应速率，这大大影响了材料在应用方面的前景。但是人们很少的去研究光化学动力学方面来改善材料本身的缺点。 本文章是建立起模型后在对测量出的参数进行分析，建立的模型光化学反应的扩散模型。采用该模型的主要原因为光致聚合物具有非局域的效应，且更适合材料的动力学参数的测算。从而去研究光化学内部的动力学过程。其光化学反应的动力学参数：量子产率和摩尔吸收系数是光化学反应进行状态主要物理量。 光致聚合物在相干光照射下，PQ-PMMA光致聚合物内部的PQ分子吸收光子形成自由基，再与PMMA基底发生光链接反应，最终引起折射率调制度的增加。这种光化学反应与典型的链式聚合反应有很大的差别，正是这一特殊的光化学反应过程使得我们能够应用全息散射方法确定光化学反应的参数。全息散射的方法论证了它在确定一些具有高透明度和强全息散射的物质，例如确定PQ-PMMA的动力参数。首先我们定义了一个聚合速率参数，这个参数是由散射损失的暂时演化所确定的。两个基本的动力参数为量子产率和摩尔吸光效率，通过非线性拟合聚合速率参数作为厚度函数的曲线而得到这两个动力参数。采用波长为532nm的激光光经过空间滤波器和准直透镜变成一束准直的平行光。然后在去照射不同角度的PQ-PMMA材料。用探测器探测到入射光强度和透射光强度。然后在用公式进行计算出两个参数分别为计算出量子产率和摩尔吸收系数这两个动力学参数的平均值分别为2.7mol/einstein和/mol。利用透射率测量法再次对这两个动力学参数的合理性进行验证。关键词： 量子产率 摩尔吸收系数 光致聚合物ABSTRACTToday, men have entered the information era where all kinds of information are intertwined in our life. To store these massive information, we need to substitute advanced storage technology for conventional storage technology, thus making optical holographic technology become the focus of storage technology. Optical holographic technology as a new type of storage technology is characterized by high density, long lifetime and easiness to carry in terms of data storage. Optical holographic technology inputs and reads data in anon-contact manner, greatly increasing the transmission rate of information as compared to ordinary storage technologies. When it comes to information storage, each information data occupies a space in traditional storage technologies. In the case of an increase in storage density, data loss will ensue due to the defect size existing in storage medium. Optical holographic storage stores information in medium in the form of hologram. When data density increases, only the strength of data storage will be affected and data loss will not be caused, which is more conducive to data storage.The materials used by optical holographic technology include silver salt materials, dichromated gelatin (DCG), photorefractive crystal and photopolymer.Photopolymer, a hybrid material consisting of monomer, thermal initiator and binder, is what adopted as the material for optical holographic technology in this experiment. However, since the volume of materials will be changed during polymerization, the angle of incident light needs to be adjusted to form the largest diffraction grating.Phenanthrenequinone-mixed polymethyl methacrylate(PQ-PMMA) is a photopolymer material with negligible shrinkage and the characteristic of preparing millimeter-level thickness, acting as a holographic storage medium featuring great potential, high capacity and high density. But there still exist such shortcomings as higher holographic scattering and a low response rate in PQ-PMMA material, exerting a great influence on the prospect of its application. But the important parameters can be analyzed and calculated by using holographic scattering to study the photochemical reaction within polymers. Using holographic scattering, this paper calculates the quantum yield and molar absorption coefficient of the photopolymer PQ-PMMA.Under coherent light exposure, the PQ molecules within the photopolymer PQ-PMMA absorb photons to form free radicals, produce optical link reaction with PMMA substrate and finally cause an increase in the modulation degree of refractive index. There exists a substantial difference between this photochemical reaction and typical chain-reaction polymerization. It is this special photochemical reaction that enables us to use the method of holographic scattering to determine the parameters of photochemical reaction.A laser with a wavelength of 532 nm was transformed into a beam of collimating parallel light through a spatial filter and a collimating lens to irradiate the PQ-PMMA material of different angles. Incident light intensity and transmission light intensity were detected with a detector. And then, the formula was applied to calculate two parameters, namely, quantum yield and molar absorption coefficient, whose mean values were, 2.7mol/einstein and 1.3X /mol, respectively. Then, the method of transmissivity measurement was used to validate the rationality of these two kinetic parameters.“Key Words”: Quantum yield Molar absorption coefficient Photopolymer目 录第一章 绪论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2 PQ/PMMA光致聚合物的介绍31.3 主要研究内容4第二章 光化学反应过程6第三章 样品制备和实验装置83.1 PQ-PMMA光致聚合物的制备83.2 全息散射实验装置10第四章 实验测试与结果分析124.1 单光束全息散射测试124.2 光化学反应参数的确定154.3 应用透射测量方法计算动力学数.16第五章 结论17参考文献18致 谢20第一章：绪论1.1 课题的研究背景在近几年，人们关于光致聚合物的全息信息的存储和光学数据处理的兴趣已经提升了。与目前光盘，半导体的传统数据存储技术相比较，全息存储技术有更对信息数据的存储有一定的竞争力。首先全息技术在存储速度、容量和可靠性都是大大高于普通的数据存储技术。其次，与传统的存储设备相比较，全息存储技术的对所存入和读出的数据内容是才用不予存储设备相接触的方式，这样大大提高了存储器的使用寿命同时也保证了数据的安全性和可靠性。并且提高了信息读取的速度，并且在断绝电能的状况下，数据可在感光介质上存放百年之久。传统数据存储的技术达到了极限，要适应社会的快速全面的发展，全息存储技术将作为这场存储改革的关键技术。在全息技术中信息存放在介质上，可以利用光在同一位置的不同角度去存储不同的信息。在如今这个数据时代我们需要这样的存储技术但同样也要发展更优良的存储介质。 全息技术这一新型技术在人们生活上的应用，能否可以大规模的替代传统的存储技术，很大程度上要考虑全息介质的制备，由于现在科技发展迅速，如果没有很高的性价比，很容易被快速发展的社会所淘汰。而本实验所采用的光致聚合物PQ-PMMA这种有机材料，由于存储的专业性能高，制备简单且价格低廉，是作为全息介质的最佳选择。1.2 PQ-PMMA光致聚合物介绍大部分光致聚合物在固化后体积都会收缩，这大大影响了全息介质高密度的数据存储。导致许多科学家想要制备出固化后材料无收缩或者收缩极小不会对数据的存储带来影响的材料。而菲醌（PQ）掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）正符合现代科学家对材料的要求，所以此材料引起了学者的广泛关注。 菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸（PQ-PMMA）为有机光致聚合物，将淡黄色的粉末PQ和热引发剂AIBN加入到溶液MMA中混合均匀，通过加热使混合溶液进行链式反应对液体进行固化。 当PQ分子在吸收光子后形成了自由基，在与PMMA发生一对一的反应链接反应，由于反应过程中有较少的低聚物形成，这大大减小了材料体积的收缩。其材料本身具有较低的体积收缩的特性和有较大厚度的特征，PQ-PMMA光致聚合物是一种潜在的全息存储材料，因为它具有形成较厚的材料的能力，这种特性能使衍射效率增加，还具有可忽略的收缩特性以及数据存储的高稳定性。这使材料的大密度的数据存储和高速的读取技术已经备受人们关注。1.3主要研究内容具有较高厚度的全息存储材料可以实现分层存储的全息信息，所以人们致力研发高厚底的全息材料，高厚度的材料同样也有一定的弊端，由于厚度的增加相干光在材料内部光路长度增大和材料内部本身的不均匀这两种原因最后导致了全息散射的增强。 用一束准直的单色光通过照射在光致聚合物材料时，以前情况产生散射：1.空气中的颗粒与材料前后表面的反射。2.材料内部的不均匀和杂质。当散射光与入射到材料内部的入射光形成干涉，会出现噪声光栅的形成。噪声光栅对于高密度存储的光致聚合物是重要的不利因素，它会严重的影响光致聚合物本身的信息存储容量。所以我们想要提高光致聚合物的存储性能首先要一直噪声光栅的形成。另一方面，人们还致力研究材料内部的动力学过程，其中描述材料全息性能的主要参考量是动力学参数。我们利用全息散射的方式来确定动力学参数，因为全息散射能够快捷、准确的对光化学过程进行反馈，而且测出的动力学参数更加准确合理。通过全息散射的显现测得实验数据，最后在对两个重要的描述动力学过程的动力学参数：量子产率和摩尔吸收系数进行确定。本实验采用单数光对PQ-PMMA光致聚合物样品进行照射来研究全息散射。首先用532nm的激光在通过滤波器和准直透镜变成一束准备的激光，用来作为实验的光源还可以做为实验的自身诱导的相位光栅 。试验中的读出光源不仅包含记录光，还包含波长为633nm的He-Na激光。同一组噪声光栅的读出是由记录光和光源还有633nm的He-Na激光共同组成。根据公式我们如果的得到聚合速率参数就可以得到两个重要的动力学参数我们可以通过聚合速率参数的非线性拟合曲线得出：当样品厚度不断增加，速率参数的值也不断地增加。原因是因为样品厚度的增加会引起相干光在样品内部的光路长度，这就增加了散射光栅的形成数目，所以散射增长聚合速率参数增大。在通过非线性拟合的方式我们就可以得到两个重要的动力学参数。第二章：光化学反应过程分析我们在分析材料内部进行的光化学的反应过程时，没有考虑链式聚合反应，这是由于其反应过程非常复杂，为了分析简便只考虑单一变量，这个变量为PQ 分子的浓度,基于这种考虑PQ-PMMA材料内部的光化学反应可以用下述的几个式子来描述 （2-1） （2-2） （2-3） 其中聚合物材料的MMA分子或者为大分子PMMA由R代表，被分子吸收光子后形成的自由激子由代表，反应物分子中的氢原子由H代表，反应形成了光产物大分子，而光产物大分子是由两种自由激子键合后形成。激子产生速率的常数、引发速率常数和终止速率常数分别为、。形成的光栅折射率调试度主要受PQ分子的浓度变化的影响。因此本文仅研究PQ分子的浓度。根据已发表的文献报道，PQ分子的扩散系数是非常小的值因此我们在分析光化学反应过程时，忽略了PQ分子的扩散。在实验过程中当激光连续照射在PQ-PMMA材料上时，PQ分子的消耗量受自由基产生速率和引发反应速率影响，三者关系如下式所述 =+ （2-4）（2-4）中的为自由基产生的速率、为引发反应速率、【PQ】为光敏剂PQ分子的浓度。在吸收光的过程中，自由基产生速率与引发反应速率的关系为：=fPQ，表达式中“f”作为反应的系数，代表了仅有一部分自由基参与了反应，因此方程式（2-4）可解为 PQ(t)=exp(-ft)=PQexp(-/) (2-5)表达式（2-5）中E代表曝光能量，=/f=1/k,其中k定义为聚合速率参数，表达式中的为曝光的初始时刻PQ分子的浓度。PQ分子引发单体MMA聚合形成的光产物的浓度增长速率可以表示为 （2-6） 根据Lorentz-Lorentz可知：材料空间中任意一点的折射率调制度与材料的主要成分的调制度浓度成正比关系。可以表示为 （2-7）将方程（2-5）、（2-6）分别带入（2-7）中，可得到最终折射率调制度的增长形式，如下所示=-exp(-) （2-8）方程（2-8）中的表示为与分子有关的常数。第三章：样品制备和实验装置3.1 PQ/PMMA光致聚合物的制备本文章中所做实验用到的样品为PQ-PMMA有机光致聚合物样品。此样品的制备方式是由黄色的PQ粉末和透明液体MMA混合而成的溶液。在对混合的溶液通过热引发聚合物方式得到成型的样品。实验中所采用的制备方式与文献中体块材料的制备方法类似。全息光栅动力学的关键因素是由PQ分子的浓度决定。在室温下，MMA的溶液只能溶解0.7wt%（质量百分比)的PQ分子，最后导致在室温下制备的材料最大值接近于1.0wt%（质量百分比)。本文章的实验中提出一种操作性强，可行性高的方法来有效的提高材料内部PQ分子的浓度。制备过程如下所述：第一步、将液态的MMA中加入两种物质，首先加入的是热引发剂AIBN其质量百分比为0.5wt%，其次加入适量的PQ粉末。第二步、我们将均匀混合后的溶液静置24小时以排除混合热引发剂和PQ粉末液体中的气泡，并沉淀不溶于液体的杂质。第三步、有两种选择方式来对混合溶液进行处理，首先选择在常温下应用坩埚过滤，由混合溶液在室温下PQ分子在MMA溶液的溶解度较低。不能很好的提高制备后材料中的PQ分子浓度。所以我们本实验不采用在常温下用坩埚过滤的实验方法。另一种方式也是常见于文献中的报道，其在材料中最高PQ分子浓度可达到1.0wt%，大大提高了在常温下的制备材料中的PQ分子浓度。高浓度的PQ分子使制备后的材料的调制率的增加，也加大了数据的存储量。因此在本文中将混有热引发剂和PQ分子的混合溶液升温致60摄氏度附近放置2个小时，此步骤是为了增大PQ分子在混合溶液中的溶解度。由于在常温下有未溶于溶液中的PQ分子在静置升温后能大量融入混合溶液中，所以在高温下静置是提高溶液中PQ分子浓度的很好的方法。然后再用虑孔为20微米的过滤坩埚进行多次过滤，此步骤是为了过滤出多余的不溶于溶液中的PQ粉末。最终可得到澄清的混合溶液。在此时混合澄清溶液中的PQ分子的质量百分比约为1.0wt%。为了防止由于温度的下降而使混合溶液中的PQ分子的溶解度降低，从而影响制备后材料的质量。我们需要将材料在60下静置24小时，然后在引发MMA自身的链式聚合反应。链式聚合反应需要的条件是：“将混合物溶液升至80保持1015分钟用来引发MMA的分子自身的链式聚合反应。”最后形成PMMA聚合物基底。再将温度降到60静置120小时。经过热引发后，我们可以得到具有0.1mol/L浓度的PQ分子，且厚度范围在0.5-4mm的聚合材料。在图2-1是展示了实验室自行制备的且厚度具有毫米量级的PQ-PMMA光致聚合物材料。在本文章的后续章节中均采用此方法制备PQ-PMMA光致聚合物的实验样品，而样品中的PQ分子浓度也才用相同的数值为1.0mol/L 。 3.2 全息散射实验装置本文全系散射采用的实验装置为单束光束记录的方式。此单束光束光源是由二极管泵谱的半导体激光器产生，波长为532nm偏振方向为s的激光。此光源经过空间滤波器和准直透镜后作为自身诱导的相位光栅。实验装置的读出光源为633nm的He-Ne激光和记录光共同组成。记录光与读出光都垂直于样品，并在同一条直线上，这样就可以形成一组噪声光栅。在形成噪声光栅时要除去散射光的影响，所以在样品的前后表面放置1mm孔径的小孔消除散射光的影响。 PQ-PMMA样品放置在一个分辨率为0.0025度的点转台，PQ-PMMA样品与转台的中心重合。其样品的轴线要与电转控台的轴线重合，这样可以实现转动电转控台来控制材料中心轴的转动运动。从而能够探测到光栅由于角度的改变而出现的曲线，最后通过观察曲线的变化而进行选择。探测器用于检测实时的由样品透射出的光的强度变化，探测器用于检测入射光的强度的变化，这种方法可以很好地消除一起带来的误差，实验装置如图2-2所示。探测散射图像时，用摄像机进行实时记录，并将屏幕放在材料的后面进行检测。第四章：实验测试与结果分析4.1 单光束全息散射测试全息散射通常是被认为是影响高厚度全息存储材料的不利因素。但是通过与二波耦合装置相比较，全息散射具有实验装置简单、稳定放置震动产生及实验结果的可靠性和能较大程度的排除误差的干扰等优点，所以被认为是高效的研究材料性能的一种技术与手段。 根据上文的实验装置和测试方法，测试过程如下描述。在实验开始我们用一束单光束来照射PQ-PMMA样品形成了噪声光栅。这束单束光束持续的垂直照射在PQ-PMMA材料上时，我们可以再样品后面的屏幕上观察到散射的图案，如图2-3。在单束光照射持续照射的过程初期，我们可以观察到透射光是呈现均匀分布的趋势，随着照射时间的增加，在90s以后我们可以再材料后的屏幕上观察到环形图案慢慢的变的明显，由于PQ-PMMA样品的内部的不均匀所以导致了散射光的出现，在持续照射PQ-PMMA材料的的过程中，材料内部的散射现象增强，在材料后面的屏幕上观察到图案变的越来越明显。在持续照射PQ-PMMA样品过程中不仅有散射反应，在材料的外表面还会产生反射的现象。噪声光栅就是散射光与反射光发生干涉后形成。放置材料后的屏幕上出现的散射环形就是来源于被噪声光栅衍射的散射光的空间分布。而散射环的直径和方向都是和来自材料后表面的反射光的方向有关。实验用两种不同波长的光去探测衍射图案，两种波长分别为532nm和633nm的光去沿着材料的竖直轴去转动PQ-PMMA材料，探测后的图案如2-4的示意图所示。其中用两束光去探测的原因是可以进行有效的对比衍射图案。材料沿着竖直的反向转动在用两束不同波长的红光和绿光去照射而得到示意图2-4（a）。你这用波长为633nm的红光去照射到旋转的材料，PQ-PMMA的样品是沿着入射面平行的轴旋转。最后可以再样品后的屏幕上出现两个不同的散射环。其中一个观察到的环状图案是由PQ-PMMA样品在旋转较小的角度后半径迅速达到无穷。波长为532nm和633nm的两个数光去照射PQ-PMMA样品后的到两个不同的散射环，但是散射图案都是在同侧产生，且随着角度的变化半径不断地增长，两个波长不同的光所对应的散射环的半径是不同的，其中半径的大小和照射的光的波长成正比的关系。其他的人员也曾对上述的的衍射现象进行过研究，上述出现两个环状图案的现象首先被等人于1973年报道。用两束不同波长的光去照射样品导致两个半径不同的散射环图案的现象被等的研究人员去利用波矢球结构去解释说明。本文也试图去解释双光束衍射现象，如图2-4(b)就是对实验现象进行了解说。实验样品PQ-PMMA室各向同性的材料。记录光和散射光形成干涉现象而导致折射率调制的变化。波失球是以为圆心，|=2n/为半径，噪声光栅的波矢为。波失球包含两个球来对噪声光栅进行描述，在图2-4(b)中一个较大的实线球为主球，另一个虚线球为共轭球。其实验过程需要遵循能量与能量守恒原理。主球和共轭球相交的交线在材料后的屏幕上投影会出现两个光锥。在波矢空间中主球和共轭球相交，而两球的相交线上形成两个光锥，在屏幕上出现的散射环形图案就是由两光锥投影后得到图案。由上文可知屏幕上出现两个不同大小的散射环形，其中半径较大的来自于只求的郊县，而半径较小的则是来自于读出光波矢球与共轭球的交线。当用记录光去读出时，只能形成一个散射环，以为记录光只能与主球产生一个交线。散射光锥的锥角由下面的公式进行表示 （2-1）在（2-1）中代表读出光在材料内部的读出角度，为读出光波长，为记录光波长。正号和负号相应为共轭球和主球。用波长不同的光波去对主球和共轭球交线进行照射，在屏幕后的投影形成不同的锥角，其中较小的锥角的变化趋势如2-5所描述，图中圆形和方形的符号分别代表波长不同的两束光，其中633nm的红光用圆形标记去标注，而532nm的绿光则用方形图形去标记。根据（2-1）公式去对测得的实验数据进行拟合，从拟合后的曲线可以看出随着读出光波的波长不断增大，而散射锥角的角度也不断增大。此实验结果可以很好地验证了全息散射的实验法师导致了散射环形图案。4.2 光化学反应参数的确定实验采用的PQ-PMMA样品厚度为1mm，在伴随曝光能量的不断增加，测量出散射比平方根的变化，最后绘制出2-8图 的曲线，实验所测的数据用图中的符号表示。图中的实线代表着（2-11）方程的拟合曲线。分析图中曲线所得出的结论为：样品PQ-PMMA的曝光能量和散射损失呈现一定的线性的关系。随着曝光能量的增大，散射的损失显著增加。而散射比曲线反映出的则是散射随时间增加的过程。本文章上文部分探测的透射光强度，就是由探测器探测出的透射强度随曝光能量的增加而逐渐降低的过程，直到最后达到一个稳定且最小的值。所以通过对数据的拟合可以得到反比于聚合速率参数的曝光能量常数为。在引发自由激子的产生过程中是包含了光化学电荷的转移。每一个光子的形成所吸收的激子数和相应需要的光强乘积都与单体自由基产生有关。所以链引发反应速率可以写成 （2-12） (2-13) (2-14)在上述表达式中、分别代表自由基产生的量子产率、样品的厚度、摩尔吸收的系数，T是聚合物材料的透射率，定义为,是考虑反射光损失的参数，为材料吸收的光强度，但同时要考虑到，进一步可以得到 （2-15）而当t=0时。PQ-PMMA的聚合物样品的厚度和聚合反应速率之间能表示出反应关系可以表示为 （2-16）通过分析方程（2-16）我们可以得出，聚合反应速率随样品厚度d变化的曲线，应用方程（2-16）进行非线性的拟合，以便确定两个重要的动力学参数的数值摩尔吸收系数和量子产率。 示意图（2-9）是利用方程（2-16）对实验数据进行拟合后的图形，该图形反映了聚合速率参数的变化曲线。图中曲线表示随着PQ-PMMA材料厚度的增大，相干光在材料内部所经过的光程变大。这就是材料内部形成了更多的散射光栅，再利用软件对聚合参数进行非线性的拟合，便可以得到两个重要的动力学参数：摩尔吸收系数和量子产率。用532nm的光去照射PQ-PMMA样品会有较小的吸收量，导致PQ分子的动力学参数要小于亚甲基蓝（MB）和天蓝C（Azure-C）染料。4.3应用透射测量方法计算动力学参数 本实验利用透射测量的方法对全息散射的方法对测量出的两个重要的动力学参数：摩尔吸收系数和量子产率的正确性进行进一步验证。由于在曝光初期，材料所表现出来的特性是在厚度上的吸收光的情况，所以表现出的透射率变化较小。由（2-14）的透射率和光敏分子浓度的关系式可以的到摩尔吸收系数的初始表达式 (2-17) 根据关系式（2-17）其中的参数都已被测量出来，成为已知的物理量，表达式中PQ-PMMA的样品初始的透射率为、厚度为d。表达式（2-17）在PQ-PMMA样品被照射的初始时刻由于表现的是吸收光的情况，可以计算出摩尔吸收系数的参数值。在与摩尔吸收系数相同的条件下，根据关系式(2-15)我们可以得到初始时间段里的量子产率，通过软件在对数据进行拟合形成拟合曲线，可以近似的表示出量子产率 (2-18)量子产率的近似表达式中各个参数的数值都是可以从实验中直接获得。所以透射率的参数值全部可以通过测量获得。不同样品的散射损失的时间常数是不同的，其中表达式（2-18）中的就是用来表示不同样品的散射损失的时间常数获得。不同厚度的样品的透射率数值列于2-2表中。两个动力学参数可以由上述表达式计算。计算出量子产率和摩尔吸收系数这两个动力学参数的平均值分别为2.7mol/einstein和/mol。利用透射率测量法再次测量的两个动力学参数的数值基本与散射法测量出的数值非常接近。从而说明获得的参数值是合理的，同时也证明了利用全息散射方式来确定参数值的是合理的也是可行的方法。第五章结论 本论文在改善光致聚合物材料的全息性对研究和分析光化学动力学有着重要的意义。在对于光致聚合物PQ-PMMA曝光后形成的光栅有三个过程。本文章为适应材料的特性而建立起来光化学扩散模型。利用理论和实验的两种手段来确定光化学动力学参数的合理性。还提出了对于材料的改善方案，其方案从微观到宏观的都有提及。主要的工作内容总结如下：1. 利用全息散射反映材料参数变化是一种显著的实验方式，通过实验现象可以对全息材料进行性能的估算，与二波耦合实验装置相比更体现出全息散射的实验装置简单，操作性强，有效的防止震动对实验效果的干扰。随着样品厚度的增加，聚合速率参数k的值也在不断地增长，由于相干光在材料内部的相干光路长度增大，在PQ-PMMA材料内部更多的散射光栅被形成，最后观察到散射速率不断增加，从而确定了动力学参数：摩尔吸收系数和量子产率的值。2.全息散射的方法来确定光致聚合物PQ-PMMA的两个重要的动力学参数：摩尔吸收系数和量子产率。根据实验测出的散射损失时间的变化和理论上聚合反应速率方程联系起来。在通过非线性拟合的方式对实验数据进行计算，的出两个动力学参数分别为 量子产率，摩尔吸收系数为。、3.制备高厚度的PQ-PMMA光致聚合物材料时，在掺杂了PQ粉末和PMMA溶液的混合物静置，为了提高PQ分子的溶解率，我们采用在60高温下静