[发明专利]一种基于光致聚合物浓度扩散模型优化材料折射率调制度和衍射效率的方法

说明书

本发明公开了一种一种基于光致聚合物浓度扩散模型优化材料折射率调制度和衍射效率的方法，该方法包括：进行预实验，记录各组分的初始浓度；记录曝光强度以及衍射效率随曝光时间的变化情况；对实验结果曲线拟合，得到聚合速率和扩散速率；设置浓度扩散模型周期性边界条件，将扩散速率、聚合速率、曝光强度以及各组分初始浓度代入模型；计算最优曝光时间和最优活性粒子浓度。本发明实现了光致聚合物折射率调制和衍射效率的优化，有效减少了重复性实验的次数，且有较高的准确性。

技术领域

本发明涉及一种基于光致聚合物浓度扩散模型优化材料折射率调制度和衍射效率的方法。

背景技术

光致聚合物是一种全息记录材料，由于其灵活性、低成本和易于制备而被应用于全息波导显示、光学全息存储、全息防伪、光通信、全息太阳能集中器。

对于光致聚合物，浓度扩散模型可以准确地描述折射率调制度与曝光强度、曝光时间、聚合系数和扩散系数之间的关系，并且在数值上可以模拟出各组分时间和空间上的分布情况。浓度扩散模型在描述体全息光栅的形成机理中起着重要作用。

光致聚合物组分主要包括单体、基质、活性粒子、产物和引发剂组分。其中，产物和单体在亮区和暗区的折射率差对光致聚合物的折射率调制度起决定作用。一般来说，折射率调制度越大，衍射效率就越高。

单体的折射率一般在1.50～1.65之间，基质折射率大小一般在1.45～1.52之间。在实验中，为得到合适的组分浓度来尽可能提高折射率调制度，往往都是采用设置浓度梯度和控制变量法，进行多组实验来获取最优组分浓度。除了获取最优组分浓度之外，同时还需要通过多组重复、独立的实验来寻找合适的曝光时间和曝光强度来提高折射率调制度。

可以看出上述方法是通过进行多组实验的方式来实现折射率调制度和衍射效率的优化，这种方法工作量大、效率低、不可控性强，对实验环境稳定要求高，且其准确度有赖于浓度梯度的大小和实验次数的限制。

发明内容

技术问题：针对现有方法的不足，本发明设计了一种基于光致聚合物浓度扩散模型优化材料折射率调制度和衍射效率的方法，用于解决现有技术方案工作量大、效率低、不可控性强，对实验环境稳定要求高，且其准确度有赖于浓度梯度的大小和实验次数的限制等问题。

技术方案：一种基于光致聚合物浓度扩散模型优化材料折射率调制度和衍射效率的方法，所述方法包括：

第一步，进行预实验，记录各组分材料的浓度作为浓度扩散模型各组分的初始浓度；

第二步，记录曝光强度以及衍射效率随曝光时间的变化情况，也就是记录光致聚合物衍射效率在此曝光强度下、不同曝光时间下的数值；

第三步，利用衍射效率表达式，对实验结果进行曲线拟合，得到各组分的聚合速率和扩散速率；

第四步，设置浓度扩散模型周期性边界条件，所述浓度扩散模型按一维无限长模型进行处理，边界条件为周期性边界条件；

第五步，将通过曲线拟合得到的扩散速率和聚合速率以及组分浓度作为初值代入浓度扩散模型中计算；

第六步，由浓度扩散模型得出任意曝光时间下的组分浓度空间分布情况，由组分浓度计算出折射率调制度最大时的曝光时间，也即最优曝光时间；在特定曝光时间和曝光强度下，改变活性粒子的浓度来使折射率调制度最大，此时的活性粒子浓度即为最优活性粒子浓度。

第一步预实验中中，曝光光强在一维无穷长模型中为余弦分布，以使一维分布为亮区和暗区。

第三步曲线拟合时，所用算法为Levenberg-Marquardt算法和最优化算法。

第四步浓度扩散模型中，组分浓度的扩散方程由菲克第一定律和体积守恒定律得出。

有益效果：