[发明专利]光致聚合物组合物、透射式衍射光栅及其制备方法

说明书

本发明涉及一种光致聚合物组合物、透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；所述基质单体包括折射率为1.5以下的含氟丙烯酸酯类单体，和/或，取代或未取代的脂肪酸乙烯酯。

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透射式衍射光栅，特别指用于全息记录的光致聚合物组合物、透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，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。因此，尝试提高透射式衍射光栅的Δn值等性能也是本领域一个热点和难点。

引用文献2中，Bayfol HX等商用的光致聚合物通常采用两步法制造，先通过热固化得到聚氨酯基质，将书写单体分散在聚氨酯的交联网络中，然后经光固化得到光致聚合物光栅。Bayfol HX反射式曝光(光栅周期220nm)时Δn达到0.035，但当用透射式曝光时，伴随着光栅周期的增大，此时得到的光栅的Δn不到0.01。

引用文献3中，Alim等尝试合成了一种高折射率的含硫单体1,3-双(苯硫基)-2-丙基丙烯酸酯，它的硫醚键可以提高书写单体在聚氨酯中的溶解性，单体浓度为40wt％、50wt％和60wt％时，Δn分别为0.021、0.025和0.029。

然而，如上所述，Bayfol HX等商用的光致聚合物通常采用两步法制造，将书写单体分散在聚氨酯的交联网络中，然后经光固化得到光致聚合物光栅。因此，书写单体在聚氨酯网络中运动受限，因此造成相分离收到抑制，当光栅周期增加时Δn快速下降，并且进一步提高Δn的前景尚具有一定的困难。

同时，Alim等所使用的高折射率单体为1,3-双(苯硫基)-2-丙基丙烯酸酯，成本高且合成所用的原料苯硫酚为剧毒物。而采用其它常用的高折射率单体，如2,4,6-丙烯酸三溴苯酯，单体在聚氨酯基质中溶解性差，造成最终透射光栅的Δn较低。

此外，引用文献4中讨论了不同光引发体系(基于染料，共引发剂和氧化还原添加剂的PIS)对全息光栅记录效率的影响，其采用六官能团聚氨酯丙烯酸酯寡聚物(折射率1.50左右)作为书写单体，但实际测得由其制备的透射式光栅的Δn值约为0.015.