實驗結果與討論

4.1.2.1 綠光記錄，紅光讀取

如圖4.5 為 1、2、4、8mm 四種不同厚度，繞射效率隨著時間變化的情形，

我們已經將 x 軸用時間乘上光強度換算成單位面積所接受的能量加以表示。首 先，繞射效率隨著曝光量的增加在剛開始都會上升，上升到一個最大值之後，反 而開始下降。1mm 時最高點發生在 40J/cm²；2mm 時最高點發生在 25 J/cm²；4mm 與8mm 則分別在 11 J/cm²與6 J/cm²的時候發生一個高點後，下降，然後又再上 升。會在高點發生之後出現繞射效率下降的原因，我們相信是因為如3.3.3 節所 述的扇射光柵的形成所致。因為扇射光柵之形成，一方面扇射光變強，造成原本 處在暗紋處的材料也受到光而產生反應，降低了光柵週期結構的調變量；另一方 面，因為扇射光變強，將大部份入射光的能量散射至不符合布拉格條件的的方 向，造成繞射光的減少。比較有趣的現象是，繞射效率的曲線會有上下振盪的現 象。隨著厚度的增加，振盪的越厲害，在8mm 時，甚至振盪的超過了第一個最 高值。相信是因為高分子材料中殘存 MMA 單體擴散造成的。由文獻^[12]可知，

材料中剩餘的 MMA 單體會有從濃度較高的地方往濃度較低的地方擴散的現 圖4.4 直接讀取綠光的繞射效率光路圖

半波片

θ

g^′

532nm

擴束器

光偵測器 快門

PQ:PMMA Nd:Yag 雷射

偏振分光鏡

半波片 快門

反射鏡

反射鏡

象。所以隨著曝光時間增加，光柵漸強，但是在亮區的MMA 單體與 PQ 結合使 的 MMA 單體在亮區的濃度降低，所以 MMA 單體會從暗區往亮區移動，使的 MMA 在空間中的分佈朝向比較均勻的分佈。因此，光柵週期結構的調變量也會 減少，造成繞射效率下降。但是從暗區擴散到亮區的MMA 單體還可以繼續參與 反應，所以可以讓繞射效率往上升。所以擴散的結果使的兩個對繞射效率相反效 應的現象同時發生、抗衡，因此我們就看到了繞射效率會有上下振盪的情形。而 擴散現象與MMA 單體濃度的梯度有關，所以在厚度較厚時，反應較快，較容易 造成MMA 單體濃度不均的現象，所以可以看到在 8mm 時，其振盪情形較為劇 烈，甚至會使繞射效率高過於第一個最高點。關於擴散現象的推論，在4.2.2 動 態範圍的量測實驗中，會再次被觀察到。再來比較四者的繞射效率，可以看到隨 著厚度增加，最大繞射效率是增加的。但是在厚度為8mm 時，因為擴散現象的 影響，其繞射效率卻只與厚度為4mm 的相仿，並沒有明顯的再增加。另外，有 了繞射效率，可以利用(2.58)式倒推折射率調變量 n1之大小，如圖 4.6 所示。可 以看到，材料的折射率變化大約在10^-5的數量級左右。而厚度較厚的材料折射率 變化反而較低，相信是因為較厚的材料有較高的敏感度，所以全像光柵很快的被 記錄，可是扇射光柵也一樣很快的形成，所以繞射效率很快的長上去後又馬上的 被拉下來，實際上單位體積參與反應的感光分子反而不如較薄的材料多，也就是 說材料其實並沒有被曝光到飽合值，所以折射率變化也較低。與文獻^[10]中3.4×10^-4 相比，差了一個數量級，而繞射效率也比4.8mm 厚的材料的 60％差，可見其實 我們所做的材料在折射率變化及繞射效率上的表現上較差。

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 4 6 8

10 t=1mm

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50 60 70

0 5 10 15

20 t=2mm

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(a)t = 1mm (b)t = 2mm

0 10 20 30 40 50 60 70

0 5 10 15 20 25

t=4mm

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

t=8mm

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(c)t = 4mm (d)t = 8mm 圖4.5 綠光記錄，紅光讀取之繞射效率

0 10 20 30 40 50 60 70 80 5.0x10^-6

1.0x10^-5 1.5x10^-5 2.0x10^-5 2.5x10^-5 3.0x10^-5 3.5x10^-5 4.0x10^-5 4.5x10^-5

5.0x10^-5 t=1mm

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50 60 70

0.0 5.0x10^-6 1.0x10^-5 1.5x10^-5 2.0x10^-5 2.5x10^-5 3.0x10^-5

3.5x10^-5 t=2mm

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(a)t = 1mm (b)t = 2mm

0 10 20 30 40 50 60 70

0.0 2.0x10^-6 4.0x10^-6 6.0x10^-6 8.0x10^-6 1.0x10^-5 1.2x10^-5 1.4x10^-5 1.6x10^-5

1.8x10^-5 t=4mm

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50 60 70

4.0x10^-6 5.0x10^-6 6.0x10^-6 7.0x10^-6 8.0x10^-6 9.0x10^-6

t=8mm

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(c)t = 4mm (d)t = 8mm

4.1.2.2 綠光記錄，綠光讀取，記錄光強度為 20mW/cm

²

如圖4.7 為 1、2、4、8mm 四種不同厚度，繞射效率隨著時間變化的情形，

同樣的，我們將x 軸用時間乘上光強度換算成單位面積所接受的能量加以表示。

可以看到，繞射效率有明顯的改善，1mm 的材料曝光 49.5J/cm²時可達最高值28

％；2mm 的材料曝光 41.1J/cm²時可達最高值50％；4mm 的材料曝光 11.8J/cm² 時可達最高值86％；8mm 的材料曝光 6.3J/cm²時可達最高值51％。與圖 4.5 相 同的，可以看到因為扇射光柵之增強，會使得繞射效率在曝光一段時間後出現一 個最高值，然後開始下降。利用(2.58)式倒推折射率調變量 n1之大小如圖 4.8 所 示，變化大小一樣大約在10^-5的數量級。再來觀察曲線上下振盪的現象，在厚度 為 4mm 時看到了較大上下振盪的現象，可是此處 8mm 的部份雖然有觀察到振 盪的現象，但不如4mm 來的大。比較折射率變化的話，8mm 一樣是最小的。原 因也是相同的，因為扇射光柵快速的建立使的繞射效率下降，但是材料並沒有曝 光到飽合，所以單位體積參與反應的分子較低，自然折射率變化是較低的。

圖4.6 綠光記錄，紅光讀取之折射率變化

0 20 40 60 80 100 0

5 10 15 20 25 30

t=1mm I=20mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50

t=2mm I=20mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(a) t = 1mm (b) t = 2mm

0 20 40 60 80 100

0 50 100

t=4mm I=20mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50

0 20 40 60

t=8mm I=20mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(c) t = 4mm (d) t = 8mm

0 20 40 60 80 100

0.0 1.0x10^-5 2.0x10^-5 3.0x10^-5 4.0x10^-5 5.0x10^-5 6.0x10^-5 7.0x10^-5 8.0x10^-5

9.0x10^-5 t=1mm

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 20 40 60 80 100

0.0 1.0x10^-5 2.0x10^-5 3.0x10^-5 4.0x10^-5 5.0x10^-5 6.0x10^-5

t=2mm I=20mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(a) t = 1mm (b) t = 2mm

0 20 40 60 80 100

0.0 5.0x10^-6 1.0x10^-5 1.5x10^-5 2.0x10^-5 2.5x10^-5 3.0x10^-5 3.5x10^-5 4.0x10^-5

4.5x10^-5 t=4mm

I=20mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 10 20 30 40 50

0.0 2.0x10^-6 4.0x10^-6 6.0x10^-6 8.0x10^-6 1.0x10^-5 1.2x10^-5 1.4x10^-5 1.6x10^-5

t=8mm I=20mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(c) t = 4mm (d) t = 8mm 圖4.7 低強度記錄，並直接讀取綠光之繞射效率

圖4.8 低強度記錄，並直接讀取綠光之折射率變化

4.1.2.3 綠光記錄，綠光讀取，記錄光強度為 200mW/cm

²

如圖4.9 為 1、2、4、8mm 四種不同厚度，繞射效率隨著時間變化的情形，

同樣的，我們將x 軸用時間乘上光強度換算成單位面積所接受的能量加以表示。

如圖，1mm 的材料曝光 128.2J/cm² 時可達最高值 38.9％；2mm 的材料曝光 44.9J/cm²時可達最高值 28.1％；4mm 的材料曝光 29.9J/cm²時可達最高值 33.1

％；8mm 的材料曝光 11.7J/cm²時可達最高值57.6％。首先觀察繞射效率上下振 盪的現象，在高強度曝光的時候，厚度為4mm、8mm 反而沒有明顯的上下振盪 現象，相較之下1mm、2mm 的振盪是較明顯的。我們的解釋是，影響繞射效率 的因素有四：1、兩道記錄全像光柵的記錄光，造成繞射效率上升；2、扇射光柵 的形成，造成全像光柵的繞射效率下降；3、MMA 單體的擴散，使光柵在空間 的調變量降低，造成全像光柵及扇射光柵的繞射效率下降；4、因為 MMA 單體 的擴散，使更多的MMA 單體從暗區移到亮區，因此全像光柵及扇射光柵的繞射 效率可以再往上升。這四個因素隨著曝光之後，互相制衡，造成全像光柵的繞射 效率上下振盪。甚至可以看到最高繞射效率出現所需的曝光能量，遠大於 3.3.3 節扇射實驗時扇射光柵建立所需要的能量，可見光柵的強度(不管是我們要的全 像光柵，或是我們不想要的扇射光柵)都受到了 MMA 單體擴散的影響。處此之 外，材料厚度造成光柵形成速率之不同，擴散速度亦受到影響，所以也間接影響 了繞射效率的振盪情形。最明顯的例子是2mm 與 4mm，在曝光強度為 20mW/cm² 時，2mm 厚的材料其全像光柵的繞射效率幾乎沒有振盪；而同樣的情形發生在 4mm、曝光強度為 200mW/cm²時。因此，尋求一個最匹配的條件為一個重要的 課題。再者，相同實驗做了多次量測時，發覺曲線上下振盪的狀況總是不一樣，

不管是對同一塊材料不同位置量測，或是對不同塊材料量測，也就是說材料的穩 定性並不是非常好，所以尋求材料穩定性的製程也是另一項重要課題。

再來觀察最大的繞射效率與曝光強度之間的關係。我們列表比較之：

繞射效率 1mm 2mm 4mm 8mm 20mW/cm² 28％ 50％ 86％ 51％

200mW/cm² 38.9％ 28.1％ 29.9％ 57.6％

可以看到，繞射效率的大小關係不全然與曝光強度有關係，在1、8mm 時，

較高的曝光強度有較高的繞射效率，在2、4mm 時則相反。因此，要得到最高的 繞射效率，必須尋找最佳的曝光強度。

表4.3

0 100 200 300 400 500 0

10 20 30 40

t=1mm I=234.27mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 50 100 150 200 250

0 5 10 15 20 25

30 t=2mm

I=221.66mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(a) t = 1mm (b) t = 2mm

0 50 100 150 200

0 5 10 15 20 25 30

35 t=4mm

I=221.66mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

0 20 40 60 80 100 120 140

0 10 20 30 40 50

60 t=8mm

I=234.27mW/cm2

Diffraction efficiency(%)

Exposure Energy(J/cm2)

(c) t = 4mm (d) t = 8mm

0 100 200 300 400 500

0.0 2.0x10^-5 4.0x10^-5 6.0x10^-5 8.0x10^-5 1.0x10^-4

t=1mm I=234.27mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 50 100 150 200 250

0.0 5.0x10^-6 1.0x10^-5 1.5x10^-5 2.0x10^-5 2.5x10^-5 3.0x10^-5 3.5x10^-5 4.0x10^-5

4.5x10^-5 t=2mm

I=221.66mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(a) t = 1mm (b) t = 2mm

0 50 100 150 200

0.0 5.0x10^-6 1.0x10^-5 1.5x10^-5 2.0x10^-5 2.5x10^-5

t=4mm I=221.66mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

0 20 40 60 80 100 120 140

0.0 2.0x10^-6 4.0x10^-6 6.0x10^-6 8.0x10^-6 1.0x10^-5 1.2x10^-5 1.4x10^-5 1.6x10^-5 1.8x10^-5

t=8mm I=234.27mW/cm2

n1

Exposure Energy(J/cm2)

(c) t = 4mm (d) t = 8mm 圖4.9 高強度記錄，並直接讀取綠光之繞射效率

圖4.10 高強度記錄，並直接讀取綠光之折射率變化

在文檔中 PQ:PMMA高分子全像片之製作與全像儲存特性的研究 (頁 57-63)