[发明专利]光致聚合物组合物、反射式衍射光栅及其制备方法

说明书

本发明涉及光致聚合物组合物、反射式衍射光栅及其制备方法，所述组合物包括如下组分：书写单体，基质单体，以及光引发剂体系，所述书写单体包括折射率为1.55以上的丙烯酸酯类单体和/或环氧类化合物，并且，所述书写单体的平均官能团数为大于2；所述基质单体包括折射率为1.5以下的可聚合单体。

技术领域

本发明属于光学材料和设备领域，具体涉及光致记录材料及其形成的反射式衍射光栅，特别指用于全息记录的光致聚合物组合物、反射式衍射光栅及其制备方法或者是使用光致聚合物形成的全息记录体系。

背景技术

全息光致聚合物(photopolymer)广泛应用于3D显示、安全防伪和数据存储等高科技领域。增强现实(AR)设备的兴起，激发了人们对使用光致聚合物制作全息图的兴趣。

光波导器件是AR领域中的一项关键技术。目前，行业普遍采用光刻技术制造光波导器件。光刻技术设备要求很高，开发周期长、费用高。相比之下，光致聚合物只需要一步全息曝光就能完成，工艺简单、成本低，因此具有广阔的应用前景。

光致聚合物组合物主要有单体、基质和引发剂组成。全息记录时，两束相干光在光致聚合物中产生明暗相间的条纹。亮区中书写单体在引发剂作用下发生聚合，此时书写单体向亮区聚集，而基质单体逐渐向暗区聚集；亮区和暗区的不同种类单体浓度差使导致发生相分离，随着单体的迁移，在亮区和暗区形成折射率差即折射率调制度(Δn)。如一些文献所指出的那样，Δn的大小决定了光致聚合物光栅产品的性能，是光致聚合物光栅的重要性能参数。

通常认为，经过将光致聚合物组合物膜固化而得到的光栅的Δn由组合物中单体相分离程度和折射率共同决定。单体相分离程度跟体系粘度直接相关，光聚合时体系粘度越小越有利于单体的迁移。进一步，本领域中使用光致聚合物组合物形成的光栅分为透射式衍射光栅以及反射式衍射光栅。通常情况下，反射式光栅周期小于透射式光栅。比如，532nm曝光时透射式衍射光栅的周期为230nm以上，而反射时衍射光栅的周期为230nm以下。也就是说，在透射式衍射光栅的曝光中，由于光栅周期相对较长，因此，导致相分离的单体迁移(例如书写单体从暗区向亮区迁移)的距离较长，导致得到的最终的光栅的Δn相对于反射式衍射光栅要小。

另外，虽然反射式衍射光栅理论上能够获得相对于透射式光栅更高的折射率调制度，但从现有的制备这些反射式衍射光栅的光致聚合物组合物的组成来看，可能更为复杂，通常需要借助成膜剂或者基体聚合物等组分来实现光栅结构的制备。而成膜剂和基体聚合物的存在也限制了书写单体的迁移。

目前杜邦公司(US5013632，US5098803，US4950567，US4959284，US4987230，US4994347，US5292620，US5402514)，宝丽来公司，佳能公司，富士公司和科思创公司(CN107223121A，CN102667934B，CN102667936B)等都推出了各自研发的光敏/光致聚合物全息记录材料。

引用文献1公开了拜尔(Bayer)公司开发的光致聚合物材料，该材料为一种聚氨酯组合物，所述组合物包含写入单体组分和作为写入单体基质的聚合物或相应基质前体，所述写入单体组分包含占所述聚氨酯组合物总重的至少10％重量的一种或多种特定结构的不饱和尿烷作为写入单体。

引用文献2公开了一种利用阳离子开环聚合的方法制备了光致聚合物。

此外，液相的体系光致聚合物有利于单体扩散。如引用文献3所述的那样，采用二季戊四醇戊-/己-丙烯酸(DPHA)和三(4-羟基苯基)甲烷三缩水甘油基醚(TPMTG)为书写单体，不含成膜组分。全息曝光后形成周期分布的富DPHA相和富TPMTG相反射式光栅，空间分辨率达到7400line/mm。但是其Δn较小，仅为0.0014。

可见，虽然本领域中反射式衍射光栅已经进行了一定程度的研究，但上述多数产品仍然存在折射率调制度不够高和/或角度选择性不够大的问题。

引用文献：