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光敏性偶氮苯聚合物波导光栅的制备及其特性

作　者: 罗艳华
导　师: 张其锦
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 偶氮苯聚合物光致折射率变化光致取向光致双折射平面光栅聚合物光纤长周期双折射光纤光栅可擦写光纤光栅
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

偶氮苯聚合物材料在光子学的方方面面均以表现出巨大的潜在应用,包括光子产生、光子调控、光子转换、光子存储和光子传输等。在光子传输系统中,可调的光纤器件如全光可调谐激光器,全光可调光分插复用器等是非常重要一部分。本论文主要围绕基于偶氮苯基团的光致可逆顺反异构、光致物质迁移和光致可逆的双折射这些特殊的光响应性能来制备波导光栅,特别是光纤波导光栅,为偶氮苯聚合物材料用于智能化光可控光纤通讯系统提供必要的理论和技术支持。本论文的研究内容从偶氮苯聚合物材料入手,充分研究它的光敏特性,再利用逐点法,掩模法等刻写偶氮苯聚合物平面光栅。在此技术基础之上,进一步利用振幅掩模法和干涉法在光敏性偶氮苯聚合物光纤上刻写光栅,并对光纤光栅特性进行研究。全文主要内容包括以下几个方面:1.首先概述了偶氮苯聚合物材料的基本特性,包括光致异构化、光致取向、光致双折射、光致物质迁移和液晶性能,然后列举了偶氮苯聚合物材料在光子学各领域(光子产生、光子调控、光子转换、光子存储、光子传输)的一些应用;最后阐明本工作的目的意义——无损伤刻写出高双折射和全光可擦除的光纤光栅,并且最终实现全光可调光学器件及系统。2.介绍了表面等离子体共振技术用于研究和表征薄膜的折射率和膜厚的原理;随后利用吸收光谱技术,分析了偶氮苯聚合物的光致异构化,进一步研究了照射光强对光致异构化程度及速率的影响,异构化程度随着光强的增加而增加,而异构化速率则随光强的增加线性增加;然后又利用表面等离子体共振技术分析研究了光致异构化导致的折射率变化,并从实验和理论上建立了描述光致异构化与光致折射率变化之间关系;再结合光强对异构化程度及速率的影响,讨论了光强对光致折射率变化的大小及速率的影响;最后,基于偶氮苯聚合物光致折射率的变化可以实现光开关功能,然后研究了光强对光开关的影响。3.通过对影响偶氮苯聚合物光致取向和双折射的各种化学和物理因素的分析,选用2-[4-(4-氰基偶氮苯基)苯氧基]乙基甲基丙烯酸酯(2CN)偶氮苯单体作为制备偶氮苯聚合物光纤的材料,并在常温常压下,可用波长落在偶氮苯线性吸收带或532nm线偏振的激光来刻写偶氮苯聚合物光纤光栅。为有效地提高光致双折射及其稳定,今后可以考虑利用非共价型聚电解质,提高偶氮苯聚合物的浓度,与其它长π-共轭基团共聚形成协同作用和掺杂贵金属纳米粒子。利用线偏光诱导双折射后,可以用非偏光或圆偏光进行“擦除”,最终实现光致双折射的可逆擦写。4.利用逐点写入法,双频光栅法和振幅掩模法,在偶氮苯聚合物薄膜中刻写长周期的一维或二维平面光栅,并对光栅的可擦除性、偏振性、稳定性、表面形貌等做了进一步分析和研究。结果表明:目前比较适合用于偶氮苯聚合物长周期光纤光栅刻写的方法有偏振直写法和振幅掩模法两种。同时,利用相位掩模法和干涉法,在偶氮苯聚合物薄膜中刻写出短周期的表面浮雕光栅和纯偏振光栅。结果表明:相位掩模法和干涉法均适用于偶氮苯聚合物短周期光纤光栅的刻写。5.利用Teflon绳技术制备出偶氮苯聚合物光纤,发现由于纤芯材料的再溶解和扩散效应,偶氮苯单体掺杂聚合物光纤纤芯折射率比设计值小,并且纤芯比设计值大;而利用扩散系数小的偶氮苯共聚物掺杂聚合物光纤纤芯折射率跟设计值差别不大,但目前其导光性能较差。随后利用振幅掩模法,在偶氮苯聚合物光纤中刻写出双折射长周期光纤光栅,并从理论上分析了形成原因,长周期双折射光纤光栅与传统长周期光纤光栅之间的差别,及其特殊应用。最后利用两种周期性调制的干涉光场,在偶氮苯聚合物光纤中刻写Bragg光纤光栅。其中,利用偏振态调制的光场,刻写出的偏振态调制的偶氮苯聚合物光纤光栅,可以利用圆偏光擦除,并可以进行多次反复的擦写;而利用强度调制的光场,光纤光栅也可擦写,但可重复性较差。该结果为偶氮苯聚合物光纤光栅用于智能可调光通讯器件奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-49
  1.1 引言  15-17
  1.2 偶氮苯小分子  17
  1.3 偶氮苯聚合物  17-19
  1.4 偶氮苯聚合物的光致异构化  19-21
    1.4.1 偶氮苯小分子的光致异构化  19
    1.4.2 偶氮苯聚合物的光致异构化  19-21
  1.5 偶氮苯液晶聚合物  21-22
  1.6 偶氮苯聚合物光致取向和光致双折射  22-25
  1.7 偶氮苯聚合物光致物质迁移  25-26
  1.8 偶氮苯聚合物在光子学方面的一些应用  26-38
    1.8.1 光子产生  26-28
      1.8.1.1 调控光致发光  26-28
      1.8.1.2 激光光源  28
    1.8.2 光子调控  28-30
      1.8.2.1 光开关  28-29
      1.8.2.2 偏振态调制  29-30
      1.8.2.3 分束器  30
    1.8.3 光子转换  30-31
      1.8.3.1 非线性光学特性  30-31
    1.8.4 光子存储  31-37
      1.8.4.1 显示  31
      1.8.4.2 全息存储  31-34
      1.8.4.3 表面浮雕光栅  34-36
      1.8.4.4 纯偏振光栅  36-37
    1.8.5 光子传输  37-38
      1.8.5.1 平面光波导  37-38
      1.8.5.2 光纤光波导  38
  1.9 研究目的和意义  38-39
  1.10 主要研究内容  39-41
  参考文献  41-49
第2章偶氮苯聚合物的光致折射率变化  49-69
  2.1 引言  49-50
  2.2 偶氮苯聚合物材料制备及测试  50-56
    2.2.1 偶氮苯单体的合成  50-53
      2.2.1.1 对氨基苯甲腈的合成  50
      2.2.1.2 4-羟基-4’-腈基偶氮苯的合成  50-51
      2.2.1.3 4-腈基-4’-(2-羟基乙氧基)偶氮苯的合成  51-52
      2.2.1.4 ２-[4-（4-氰基偶氮苯基）苯氧基]乙基甲基丙烯酸酯  52-53
    2.2.2 偶氮苯聚合物的合成  53
    2.2.3 偶氮苯聚合物薄膜的制备  53
    2.2.4 实验原理及装置  53-56
      2.2.4.1 表面等离子体共振技术的原理  53-54
      2.2.4.2 折射率与膜厚的测试  54-55
      2.2.4.3 PSP技术实验装置  55-56
      2.2.4.4 其他实验装置  56
  2.3 偶氮苯聚合物的光致异构化  56-58
  2.4 偶氮苯聚合物光致折射率变化  58-59
  2.5 异构化与折射率变化之间的关系  59-62
  2.6 照射光强的影响  62-63
  2.7 折射率变化动力学与聚合物组成的关系  63-65
  2.8 偶氮苯聚合物光开关  65-67
  2.9 小结  67-68
  参考文献  68-69
第3章偶氮苯聚合物的光致双折射  69-91
  3.1 引言  69
  3.2 实验  69-70
    3.2.1 实验装置  69-70
    3.2.2 样品制备  70
  3.3 化学结构的影响因素  70-78
    3.3.1 简单掺杂与键合型偶氮苯聚合物  70-72
    3.3.2 苯环上的取代基  72-73
    3.3.3 间隔基团长度  73-75
    3.3.4 交联  75-76
    3.3.5 单双偶氮苯  76-78
  3.4 物理条件的影响因素  78-84
    3.4.1 偶氮苯基团浓度  78-79
    3.4.2 刻写光  79-82
    3.4.3 其他物理因素  82-84
      3.4.3.1 受限效应  82
      3.4.3.2 样品厚度  82-83
      3.4.3.3 压力  83
      3.4.3.4 温度  83-84
  3.5 制备高而稳定双折射偶氮苯材料的一些方法  84-85
  3.6 光致双折射的光擦除和光致手性  85-86
  3.7 小结  86-87
  参考文献  87-91
第4章偶氮苯聚合物平面光栅  91-115
  4.1 引言  91-92
  4.2 刻写长周期平面光栅  92-101
    4.2.1 逐点写入法  92-95
      4.2.1.1 狭缝逐点写入法  92-94
      4.2.1.2 偏振点光源直写法  94-95
    4.2.2 双频光栅法  95-97
    4.2.3 振幅掩模法  97-101
      4.2.3.1 实验装置  97-98
      4.2.3.2 长周期光栅及其衍射  98
      4.2.3.3 长周期表面浮雕光栅  98-99
      4.2.3.4 偏振长周期光栅  99-100
      4.2.3.5 偏振光栅和表面浮雕光栅的稳定性  100
      4.2.3.6 最低浓度的寻找  100-101
  4.3 刻写短周期平面光栅  101-111
    4.3.1 相位掩模法  101-109
      4.3.1.1 实验装置  101-102
      4.3.1.2 偶氮苯聚合物材料对刻写光源的光敏性  102-104
      4.3.1.3 相位掩模制得的短周期光栅  104-105
      4.3.1.4 理论分析  105-109
    4.3.2 干涉法  109-111
  4.4 小结  111-112
  参考文献  112-115
第5章偶氮苯聚合物光纤波导光栅  115-133
  5.1 引言  115
  5.2 偶氮苯聚合物光纤波导的制备  115-122
    5.2.1 聚合物光纤预制棒的制备系统  115-117
    5.2.2 偶氮苯掺杂聚合物光纤材料准备  117-118
    5.2.3 包层预制棒的制备  118-119
    5.2.4 偶氮苯光纤纤芯的制备  119
    5.2.5 偶氮苯聚合物光纤径向折射率分布  119-122
    5.2.6 偶氮苯聚合物光纤的拉制  122
  5.3 偶氮苯聚合物长周期双折射光纤光栅的刻写  122-127
    5.3.1 偶氮苯聚合物光纤中的取向  122-124
    5.3.2 偶氮苯长周期光纤光栅的理论分析  124-126
    5.3.3 偶氮苯长周期光纤光栅的刻写  126-127
  5.4 偏振可擦写的Bragg光纤光栅  127-130
    5.4.1 偏振可擦写Bragg光纤光栅的制备及表征  127-129
    5.4.2 偏振可擦写Bragg光纤光栅的理论分析  129-130
  5.5 小结  130-131
  参考文献  131-133
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  133-137
致谢  137-138

光敏性偶氮苯聚合物波导光栅的制备及其特性

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