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作为光网络中的关键器件之一,光开关已成为当前研究的热点。偶氮苯聚合物是一种很有应用前景的有机光开关材料,其最吸引人的光学特性就是它的光致异构和光致取向效应。本论文研究了偶氮苯聚合物光致异构和光致取向引起的光致双折射效应及其全光开关效应。
制备了偶氮苯化合物分散红1(DR1)、分散红13(DR13)或分散黄7(DY7)掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯咔唑(PVK)聚合物,研究了它们的光致双折射性质及光致双折射的影响因素如生色团分子类型、掺杂浓度、泵浦光强和样品厚度等。通过对传统光致双折射实验的改进,我们首次测量了样品光致双折射的一维空间分布,并考察了光致双折射空间分布的弛豫演化情况,证实了生色团分子的取向运动及其引起的周边分子相互运动的存在。
用传统pump-probe实验方法考察了DR1掺杂PMMA(或PVK)聚合物薄膜的全光开关效应,发现开关信号不稳定、本底高、响应较慢及调制深度低。致使很难获得高频率的全光开关效应,调制频率为150Hz时,信号已很微弱,调制频率约300Hz时,开关信号已消失。
分析了传统实验中开关信号差的原因,利用圆偏光对双折射擦除的性质和正交线偏振光产生的生色团光致取向竞争的机制,首次提出了双光泵浦的光开关实验方法,并设计了三种泵浦方案。在样品给定的条件下,开关信号得到了显著改善。对于DR1(5%)掺杂的PVK薄膜,频率为30Hz时的开关信号调制深度可达95%,对于DR1(3%)掺杂的PMMA薄膜,在双光泵浦下获得了1000Hz的高频开关信号,开关响应时间达亚毫秒量级(约400微秒)。
为寻求新的开关材料,我们还制备了几种含C=C或C=N双键的丙烯酸酯聚合物,实验发现它们的光致双折射和光开关效应都很弱,甚至没有效应,但通过推拉电子基团的修饰,它们有明显的光致双折射和光开关效应。实验还发现在相同实验条件下,这类聚合物样品的荧光强度要比偶氮聚合物样品的强约两个数量级,而且荧光响应非常快。