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摘要目前光致聚合材料在众多的领域扮演着越来越重要的角色，其中掺杂有菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合材料因其具有的优良光学特性而受到广泛重视，被视为极具前景的光致聚合材料之一。为了能够更加深入的理解 PQ/PMMA材料内部的光化学反应机制以及动态效应，本文从基本理论出发，尝试运用数学方法构建内部反应模型并与宏观的光学参数联系起来。其中，曝光时材料内存在的复合、漂白、以及扩散机制是模型的重点，本文根据模拟输出结果对此进行了详细的分析，讨论以及修正。同时，运用得到模型，就不同曝光条件下材料受到的影响也进行了讨论。综合全文，本文主要介绍了关于PQ/PMMA光致聚合材料在全息曝光下的内部光化学反应机制以及动态效应。30952
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毕业论文关键词 全息存储材料 PQ/PMMA 光化学反应机制 动态效应
Title The photochemical kinetics and dynamic effects induced byholographic exposures in PQ/PMMA photopolymer material
Abstract Currently, photopolymerization materials plays a more and more importantrole in many optical fields .Phenanthrenequinone doped poly(polymethylmethacrylate) photopolymer material is the one recieving ever greater attentiondue to its attractive and regarded as a promising photopolymerization material.In order to have a deeper understanding of the internal photochemical reactionmechanism and dynamic effect in PQ/PMMA material , this paper trys to usemathematical method from the basic theory to construct internal reaction modeland contact with macroscopic optical parameters. This model focus on therecovery, bleaching, and diffusion mechanism in the material during exposure ,andaccording to the analog output results more detailed analysis, discussion andrevision is made in this paper. At the same time, the influence of differentexposure condition to material is also discussed. This paper mainly introducesthe photochemical kinetics and dynamic effects induced by holographic exposuresin PQ/PMMA photopolymer material.
Keywords Holographic material Photopolymer PQ/PMMA Photochemical kinetics
目 次
1 绪论 1
2 光化学反应机制 2
3 单光源曝光下的光化学反应模型 6
3.1 模型的建立 6
3.2 光化学反应机制中漂白与复合的忽略 9
3.3 透射率的拟合 12
4 全息曝光下的光化学反应模型 13
4.1 模型的建立与求解 14
4.2 曝光强度对扩散效应的影响 16
4.3 扩散系数的反向模型验证 20
结论 22
致谢 24
参考文献 25
1 绪论光致聚合材料因其具有的优异光学记录特性，运用于包括体全息技术在内的众多光学应用领域，被视为极具前景和竞争力的存储记录载体的候选者之一[1]。为了进一步了解各种材料自身的物理特性和化学特性，掌握材料的光学特性极限，以便更精准地应用，探索材料内部的光化学反应机制和动态效应就显得十分重要了。 通过实验检测获得材料的宏观光学参数，再用数学手段建立内部机制模型，最后将模拟结果和实验结果进行拟合，是目前的研究思路。在过往的研究中，运用上述方法对聚乙烯醇-丙烯酰胺（Polyvinylalcohol/Acrylamide，简称 PVA/AA）材料已进行过运用并取得了一定结果[2-5]。而在本文中，对于掺杂有菲醌（PQ）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，即 PQ/PMMA材料，也将运用同样的思路和方法进行研究。PQ/PMMA 聚合材料的制备过程是将由 MMA 单体（C5H8O2）聚合形成的 PMMA（[C5H8O2]n）长分子链作为载体，掺入作为光引发剂的PQ 分子得到[6-8]。这种材料常温下为固态，并且由于 PMMA本身对光不敏感，没有传统光致聚合物被诟病的光致收缩效应[9]，因此拥有极大的应用前景。就目前的理论研究来看，在全息记录等条件下，波长敏感的相干光源的照射会使作为光致引发剂的游离 PQ分子于光栅明场区域激发， 发生光化学反应， 与本身对光不敏感的 PMMA聚合分子链相连接。这会使材料中明场区域的组分浓度发生变化，导致与暗场相比，材料的投射率等系数产生了显著的差异，从而记录下了全息光栅的信息[10,11]。需要注意的是，在明场区域发生光化学反应的激发态PQ分子， 以及暗场未激发的PQ分子由于存在浓度上的差异，会形成浓度梯度，继而引发发生扩散效应。因此，在引入空间变量后，本文在模型构建上加入了扩散机制[2-4]，具体称为一文非区域性光致聚合扩散模型（One-dimensional (1D) NonlocalPhoto-polymerization Driven Diffusion Model，简称 NPDD模型） 。本文接下来的内容安排如下：在第二章，根据已知理论，我们将具体从分子层面上理解和推导 PQ/PMMA材料在曝光过程中发生的光化学反应步骤；在第三章，我们将从最简单的单束光直接对材料曝光入手，构建在光照条件均等，无扩散机制的条件下 PQ/PMMA 材料的数学模型。并且根据模型的模拟结果，证明在现有理论中，材料的复合及漂白机制[12,14]能够被忽略的假设；在第四章中，我们将引入扩散机制，构建在全息曝光下的 PQ/PMMA 的数学模型，并结合数据拟合不同曝光强度对材料光化学反应的影响，讨论扩散机制中扩散系数对整体的影响；最后我们会给出一系列参考性的结论，同时对 PQ/PMMA材料的研究做出进一步的展望。