Photopolymere

Photopolymer

Photopolymer (unbelichtet)

 
Im Bereich der holographischen Datenspeicherung werden neben elektrooptischen Kristallen verstärkt Photopolymere eingesetzt. Unter dem Begriff Photopolymere versteht man Systeme organischer Moleküle, bei denen unter Lichtexposition Polymerisationprozesse stattfinden, die den Brechungsindex verändern. Allgemeine Charakteristiken solcher Photopolymere sind sowohl die hervorragende Lichtempfindlichkeit und ein großer Dynamikbereich, als auch eine gute Langzeitstabilität und Bildqualität. Photopolymere sind selbstentwickelnde trockene Speichermaterialien, die im Gegensatz zu klassischen Aufnahmematerialien der Holographie wie Silberhalide keine Körnung aufweisen und keine chemische Entwicklung benötigen. Die geringen Herstellungskosten machen Photopolymere zu einem Speichermaterial für write-once, read-many (WORM) Medien. Die hohe Lichtempfindlichkeit erlaubt ausreichende Brechungsindex-änderungen, selbst bei geringen Belichtungszeiten von wenigen Nanosekunden. Die Photopolymerproben wurden in Kooperation mit dem "Center for Industrial and Engineering Optics" am "Dublin Institute of Technology" entwickelt. Es handelt sich bei den Proben um Acrylamid-Photopolymere, die 1997 von Martin et. al. erstmals untersucht worden sind.

 

 

Zusammensetzung der Photolymere

 

 

 
Im allgemeinen Fall ist ein Photopolymer aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt:

  1. Ein Farbstoff als Bestandteil des Photoinitalisierungsprozesses. Sein Absorptionsverhalten wird für einen schmalen Wellenlängenbereich abgestimmt.
  2. Ein Elektronendonator, der nach Reaktion mit dem Farbstoff freie Radikale produzieren kann.
  3. Ein Monomer, das mit Hilfe freier Radikale zu Ketten polymerisieren können.
  4. Ein Bindemittel, in welches die Komponenten eingebettet werden.

 

 

Polymerisation

 

 

Polymerisation

a) freie Monomere in PVA b) Polymerisation c) Diffusion der restlichen Monomere d) resultierende Brechungsindexänderung

Der Photopolymerisationsprozess (vgl. Abb. 2) beginnt, wenn ein Photon vom Farbstoff absorbiert wird und in einen angeregten Zustand übergeht. Das Farbstoffmolekül reagiert mit dem Elektronendonor, sodass ein freies Radikal produziert wird. Das produzierte Farbstoffradikal allein ist im Normalfall nicht reaktiv genug, um den Polymerisationsprozess auszulösen. Dieser findet erst statt, wenn ein freies Radikal mit einem Monomer reagiert und so das erste Glied einer Polymerkette entsteht. Das Anwachsen der Polymerketten geschieht aufgrund sukzessiver Anbindung weiterer Monomere an die reaktiven Polymerketten.

Inhomogen auspolymerisiertes Material ändert seinen Brechungsindex aufgrund von molaren Brechungsindexänderungen, Dichteänderungen und der Trennung chemischer Komponenten des Polymers. Molare Brechungsindexänderungen durch Bindungsrekonfiguration der Monomere sind weitaus geringer und bei den meisten Photopolymeren vernachlässigbar. Dichteänderungen werden hervorgerufen aufgrund der reduzierten Bindungsabstände von Monomeren nach Einbindung in die Polymerkette. Wird das Material mit einer sinusförmigen Intensitätsverteilung bestrahlt, tritt zusätzlich zur Polymerisation Diffusion von Monomeren aus den Intensitätsminima in Richtung der Intensitätsmaxima auf. Der Diffusionsprozess ist zum einen bedingt durch den chemischen Monomergradienten, zum anderen durch eine Dichteänderung des Materials.