現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、偶氮染料摻雜聚合物薄膜的光學(xué)特性董春萍 1223408002物理三班摘要有機(jī)偶氮染料摻雜的聚合物材料成本低、易于制備、并具有實(shí)時(shí)可擦除的光存儲(chǔ)性能， 是比較理想的光存儲(chǔ)材料，它在可擦除光盤(pán)、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光圖象處理及全息術(shù)等方面 具有廣闊的應(yīng)用前景，因此日益受到人們的重視。了解偶氮染料摻雜聚合物薄膜的可擦除光 存儲(chǔ)的物理機(jī)制，掌握測(cè)量光柵生長(zhǎng)曲線、擦除曲線和拍攝所存圖象信息的方法，探討該系 列材料在高科技中的應(yīng)用。由于光計(jì)算、光存儲(chǔ)和光信息處理等方面實(shí)際應(yīng)用的需要，人們 對(duì)可重復(fù)使用的低功率存儲(chǔ)器件的材料及性能研究極為關(guān)注。與其它材料相比，偶氮聚合物 介質(zhì)由于具有良好的光學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、溶

2、解性和制備方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是很有發(fā)展前途 的光存儲(chǔ)材料之一。關(guān)鍵詞：偶氮染料、光儲(chǔ)存、光致雙折射引言：偶氮化合物具有良好的光熱穩(wěn)定性、 溶解性和容易制備等特點(diǎn)，而且最重要的一 點(diǎn)是通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾，吸收峰可以移到短波 區(qū)，是一類(lèi)新型的高密度光盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)，偶 氮化合物的分子結(jié)構(gòu)是在兩個(gè)苯環(huán)之問(wèn)以N 一N雙鍵連接為特征，在光的作用下，偶氮 化合物能產(chǎn)生反式(trans )和順式(cis)之間的 異構(gòu)化反應(yīng)舊1，它既有光色效應(yīng)又有光致 雙折射效應(yīng)，通過(guò)采用不同波長(zhǎng)的光束對(duì)偶 氮基團(tuán)進(jìn)行照射，可以使其可逆地在trans和 cis之間進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致吸收特性的變化 (光致變色效應(yīng))舊。偶氮基團(tuán)的這些特性，

3、 使得通過(guò)光照可以實(shí)現(xiàn)信息的儲(chǔ)存和擦 除.由于cis基團(tuán)沒(méi)有trans穩(wěn)定，在室溫下會(huì) 自發(fā)進(jìn)行熱異構(gòu)化，從cis返回到trans.熱異 構(gòu)化時(shí)間一般在數(shù)分鐘，故光色效應(yīng)的壽命 不長(zhǎng)，而光致雙折射因分子間的相互作用可 以保持很長(zhǎng)時(shí)間，因此通常利用偶氮化合物 的光致雙折射效應(yīng)進(jìn)行信息存儲(chǔ)，我們的實(shí) 驗(yàn)主要就其光存儲(chǔ)性能和光致雙折射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理：一、偶氮染料的結(jié)構(gòu)特征與性能偶氮染料是一類(lèi)具有光異構(gòu)特征的有機(jī) 光學(xué)材料，其分子結(jié)構(gòu)是在兩個(gè)芳環(huán)之間以 N=N雙鍵連接為特征。它們的基本結(jié)構(gòu)特 征，即骨架決定了它們的主要吸收峰的范圍 (最大吸收峰在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi))。偶氮染料還具有一定共軛性，一般來(lái)說(shuō)，共軛程度

4、 越大，分子的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的能級(jí) 差越小，其吸收峰發(fā)生紅移。偶氮染料的第 二結(jié)構(gòu)特征(苯環(huán)上的取代基)對(duì)吸收峰的 位置具有一定影響。取代基的電子效應(yīng)(誘 導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng))影響分子中電子云密度 分布，使分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)差 發(fā)生變化，其吸收峰發(fā)生移動(dòng)。(a) 光異構(gòu)過(guò)程(b)偶氮分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖偶氮材料的光異構(gòu)特性偶氮染料是一種偏振敏感的有機(jī)染料，它具 有反式(trans)和順式(cis)兩種分子結(jié)構(gòu)， 如圖9-1 (a)所示(其中R1和R2表示不同 的取代基，本實(shí)驗(yàn)所用甲基橙的取代基R1 為NaO3S , R2為N (CH3) 2 )。它們的分 子主軸均為氮氮雙鍵。兩者對(duì)應(yīng)

5、能態(tài)的能量 是反式結(jié)構(gòu)能量低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；順式結(jié)構(gòu)能 量高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以一般情況下偶氮分 子多以穩(wěn)定的反式結(jié)構(gòu)存在。圖9-1 (b)是 偶氮分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)用激 光激發(fā)時(shí)，反式偶氮分子的基態(tài)粒子So吸 收一個(gè)光子后，躍遷到第一激發(fā)態(tài)的某一振 動(dòng)能級(jí)S上，并迅速馳豫到第一激發(fā)態(tài)的 最低能級(jí)vS上。處于S1能級(jí)上的粒子可以 進(jìn)一步吸收一個(gè)光子并躍遷到第二重激發(fā) 態(tài)S2上，也可經(jīng)過(guò)系間躍遷無(wú)輻射馳豫到 三重激發(fā)態(tài)T1上，這種躍遷由S1與T1間能 級(jí)差決定。差距越小，躍遷越容易。T1態(tài)的 粒子可以吸收光子躍遷到T2態(tài)上，也可通 過(guò)無(wú)輻射躍遷回到S態(tài)上。同時(shí)當(dāng)激光強(qiáng) 度達(dá)到一定值后，S2

6、、OT2等能級(jí)上的粒子還 可以進(jìn)一步吸收光子躍遷到更高一級(jí)激發(fā) 態(tài)上去。處于高能級(jí)激發(fā)態(tài)上的粒子還可以 通過(guò)無(wú)輻射躍遷的方式和較低能級(jí)躍遷，其 能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觾?nèi)能，或以磷光與熒光的形 式輻射出去。由于偶氮Trans、Cis構(gòu)型的最 低三重態(tài)（T1和T1 ）相距很近，且Trans 式三重態(tài)（T1）壽命較長(zhǎng)，處在T1態(tài)的分 子除可回落到S。態(tài)外，還能從T1態(tài)轉(zhuǎn)移至 Cis的最低三重態(tài)T1 上，而轉(zhuǎn)移至T1 上的 分子馳豫到S，則完成從Trans到Cis的轉(zhuǎn) 變。這樣偶氮分子就由反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖浇Y(jié) 構(gòu)，這種現(xiàn)象叫光致異構(gòu)。通常情況下，偶 氮染料的順式異構(gòu)體不穩(wěn)定，在光照或熱激 發(fā)下會(huì)向周?chē)|(zhì)中輻射

7、能量回到穩(wěn)定的 反式結(jié)構(gòu)，利用偶氮分子的這種光異構(gòu)特性 可以實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)。二、偶氮類(lèi)染料的光存儲(chǔ)機(jī)制用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，即為 光存儲(chǔ)。這一思想于1963年由美國(guó)Polaroid 公司的Pieter J Van Heerden首次提出。但技 術(shù)和材料問(wèn)題一直阻礙著光存儲(chǔ)走向?qū)嵱?化。無(wú)機(jī)光存儲(chǔ)材料往往靈敏度低、價(jià)格昂 貴?，F(xiàn)在人們已經(jīng)找到一些性能理想的有機(jī) 材料，它們具有可擦除性，可以多次重復(fù)使 用而性質(zhì)基本不變，而且價(jià)格便宜、制膜方 便。本專(zhuān)題介紹的是一種水溶性有機(jī)偶氮染 料，將它和聚乙烯醇分別溶于水，按不同比 例混合，涂附在載玻片上，待水分揮發(fā)后即 可制成含不同染料濃度的聚合物薄膜材

8、料。 本實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量該薄膜的光柵生 長(zhǎng)曲線、擦除曲線和拍攝所存圖象的信息， 理解可擦除光存儲(chǔ)的物理機(jī)制，探討該系列 材料在高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置圖由上述吸收譜的分析可知，可用YAG 倍頻激光器532 nm的P偏振光作為寫(xiě)入 光，HeNe激光器632.8 nm光作為讀出光， 實(shí)驗(yàn)光路如圖9-3所示。在兩束P偏振光的 寫(xiě)入條件下，既有強(qiáng)度調(diào)制的標(biāo)量存儲(chǔ)，又 有偏振調(diào)制的矢量存儲(chǔ)。標(biāo)量存儲(chǔ)記錄的是 異構(gòu)相位光柵，矢量存儲(chǔ)記錄的是取向相位 光柵。光異構(gòu)反應(yīng)屬于快過(guò)程，分子取向?qū)?于慢過(guò)程。光柵的生長(zhǎng)機(jī)制兩束等強(qiáng)度的相干P偏振光作為寫(xiě)入 光（波長(zhǎng)人=514.5nm），交疊照射在樣

9、品（圖 中的H）上，兩束光的夾角為29,由于這兩 束光滿足頻率一定（由同一激光器發(fā)出）， 振動(dòng)方向相同（均為P偏振），位相差恒定， 因此在樣品上產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，條 紋間距A=M2sin（9/2），條紋的光強(qiáng)分布為周 期性正弦分布。條紋亮區(qū)的樣品中，不斷有 反式偶氮染料分子吸收光子轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖椒?子，產(chǎn)生的順式分子不斷地被偏振光的電場(chǎng) 取向，最終亮條紋區(qū)所有順式分子，其分子 主軸的排列方向都平行于干涉場(chǎng)偏振光的 電矢量。暗條紋區(qū)只產(chǎn)生少量的順式分子， 多數(shù)偶氮分子以反式結(jié)構(gòu)存在且呈無(wú)規(guī)則 排列。其中光致異構(gòu)過(guò)程相對(duì)較快，順式分 子的取向過(guò)程相對(duì)較慢。在一定溫度、一定 光強(qiáng)下，最終樣品中偶氮

10、染料的順式分子濃 度和反式分子濃度將達(dá)到一穩(wěn)定比例，產(chǎn)生 的順式分子逐漸被電矢量取向。由于干涉條 紋的光強(qiáng)呈正弦分布，所以順式分子的濃度 及其規(guī)則排列也呈周期性正弦分布，順式分 子的這種排列方式使得樣品的折射率產(chǎn)生 周期性變化。這種由于分子的光致異構(gòu)周期 性排列而導(dǎo)致的折射率的周期性變化，叫做 光折變效應(yīng)。任何能對(duì)入射光的振幅、或位相、或二 者同時(shí)加上一個(gè)周期性的空間調(diào)制的光學(xué) 器件，都可以稱作光柵。上述周期性變化的 折射率能夠?qū)θ肷涔獾奈幌嗉由弦粋€(gè)周期 性的調(diào)制，稱作折射率光柵或相位光柵。其 中由偶氮分子異構(gòu)產(chǎn)生的相位光柵稱為異 構(gòu)相位光柵，是標(biāo)量存儲(chǔ)，由順式分子規(guī)則 取向形成的相位光柵成為

11、取向相位光柵，這 是矢量存儲(chǔ)。順式分子濃度的逐漸增大和分 子取向的逐漸加強(qiáng)的過(guò)程，也就是相位光柵 的生長(zhǎng)過(guò)程。由于本實(shí)驗(yàn)用波長(zhǎng)為532nm的綠光為 寫(xiě)入光，樣品厚度大約100|im，形成的光柵 可以看作體光柵。樣品對(duì)該波長(zhǎng)的光是強(qiáng)吸 收的，因此，樣品的前表面光照相對(duì)充分， 而其內(nèi)部和后表面光照相對(duì)不足。樣品前表 面干涉條紋的明暗對(duì)比度較大，明暗條紋中 順式分子濃度和順式分子的周期性排列的 差別也較大，此處的相位光柵較強(qiáng)；反之， 樣品內(nèi)部和后表面形成的相位光柵較弱。這 時(shí)樣品前表面的光柵起主要作用，樣品的衍 射效率較低。由于樣品對(duì)紅光不敏感，用一 束紅光照射在折射率光柵上作為讀出光，在 樣品的另

12、一側(cè)就會(huì)產(chǎn)生不同級(jí)次的衍射條 紋(光柵方程dsinO=n人)。本實(shí)驗(yàn)可以明顯 觀察到紅光的一級(jí)衍射信號(hào)。在光柵生長(zhǎng)過(guò) 程中，用一束紅光作為讀出光(人=632.8nm)， 通過(guò)監(jiān)測(cè)紅光一級(jí)衍射信號(hào)強(qiáng)度的變化，即 可檢測(cè)到相位光柵的生長(zhǎng)過(guò)程。光柵擦除機(jī)制光柵生成后，關(guān)閉一束寫(xiě)入光，另一束 寫(xiě)入光即為擦除光。擦除光均勻照在光柵 上，原先暗區(qū)或光強(qiáng)較弱的區(qū)域中反式分子 就會(huì)吸收光子轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖椒肿?，并且被擦?光的電矢量取向；原先較亮的條紋區(qū)，則由 于光強(qiáng)的減弱，順式分子的數(shù)目減少。最終 擦除光照射的整個(gè)區(qū)域內(nèi)，順式分子的濃度 將達(dá)到穩(wěn)定值，且大小分布均勻，取向一致， 這樣順式分子的濃度及取向的周期性分

13、布 被破壞，光柵被擦除。同樣在擦除過(guò)程中， 加上一束紅光，監(jiān)測(cè)其一級(jí)衍射信號(hào)強(qiáng)度的 變化，即可檢測(cè)到光柵擦除的情況。如果用 圓偏光或橢圓偏光擦除的話，則擦除速度會(huì) 更快一些。五、光致雙折射的測(cè)量偶氮染料摻雜聚合物薄膜的光致雙折 射的大小可用一束樣品不吸收的探測(cè)光來(lái) 測(cè)量。樣品被放置在兩塊正交偏振片和 P2之間，用一束泵浦光照射樣品，由于泵浦 光的作用，在樣品中產(chǎn)生了光致雙折射，因 此在檢偏器P2后將有探測(cè)光信號(hào)出現(xiàn)。圖10-1給出了單色光順次通過(guò)兩正交 偏振片中一種向?qū)跃恼穹纸馇闆r。 圖中P1和？2相互正交，設(shè)晶片的光軸與P1 成a角。從P1射出的線偏振光進(jìn)入晶片后 分解為尋常光和非尋

14、常光，非尋常光的振動(dòng) 沿光軸，與P1成a角。Ae是晶體中非常光 的振幅，A。是尋常光的振幅，Ae和A。相 互垂直。則：A =Acosa ; A。=Asina。令 晶片的厚度為d：光從晶片另一表面出射時(shí)， e光和o光的位相差為：6 =2n d(n -n )/入。 光通過(guò)第二片振偏片P2時(shí)，A和A分分別在 P2方向上的投影為：:OA =A sin a =Acos a sin a =Asin(2 a )/2;Ao=Aocosa =Asina cosa =Asin(2a )/2從P2出射的振幅分別為A和Ao的兩束偏振 光之間的相位差為： 8 = 8+兀=2nd(n -n )/人+兀 由此出射光強(qiáng)： O

15、 I =A、2 +A、2 +2A A CC6 e o e o= 1/2 I sin2 (2 a ) l c oos2n d(n n ) /入=I sin2 (2 a ) sin 02 n d(nn。)/入(1)式中，I為經(jīng)過(guò)P后的光強(qiáng)，I t為經(jīng)過(guò)P2 后的光強(qiáng)，a為晶體軸與P1的透光方向的 夾角，d為晶片的厚度，n與no分別為、 o光的折射率。由公式(1)即可測(cè)得偶氮聚合物光致 雙折射An = no的大小。實(shí)驗(yàn)光路如圖 所示。由于本實(shí)驗(yàn)所用材料在532cm處有吸 收，因此半導(dǎo)體所發(fā)激光作為泵浦光照射樣 品，可誘導(dǎo)產(chǎn)生雙折射。由于樣品在632.8nm 處沒(méi)有吸收，氦氖激光可作為探測(cè)光，監(jiān)測(cè) 光

16、致雙折射的產(chǎn)生。在氦氖激光的光路里， 樣品被放在兩正交的偏振片P1和P2之間， 偏振片P1和P2的偏振方向垂直，由偏振片 P2透過(guò)的信號(hào)光由CCD接收，并連接進(jìn)入 計(jì)算機(jī)PC。實(shí)驗(yàn)步驟：觀察光柵生長(zhǎng)過(guò)程，研究光生長(zhǎng)規(guī)律， 畫(huà)出光柵生長(zhǎng)曲線。按圖搭好光路，打開(kāi)激光器電源，待激 光穩(wěn)定后，仔細(xì)調(diào)節(jié)光路，觀察到一級(jí) 衍射信號(hào)為止。關(guān)閉一束寫(xiě)入光，待衍 射信號(hào)為零后，打開(kāi)讀出光，同時(shí)利用CCD采集衍射信號(hào)，直到衍射信號(hào)強(qiáng)度 達(dá)到飽和最后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，并畫(huà)出光柵生長(zhǎng)曲線。取寫(xiě)入光功 率為10 mW，重復(fù)上術(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析 比較不同寫(xiě)入光功率下的光柵生長(zhǎng)過(guò) 程。研究不同寫(xiě)入光功率對(duì)光柵生長(zhǎng)的影

17、 響，測(cè)量衍射信號(hào)強(qiáng)度隨寫(xiě)入光功率的 關(guān)系。寫(xiě)入光功率分別取4 mW、8 mW、12 mW、16 mW、20 mW、24 mW、28 mW， 讀出光功率取1Mw，在每一寫(xiě)入光功率 下，分別采集衍射信號(hào)的最大值，處理 數(shù)據(jù)后，作出衍射信號(hào)強(qiáng)度隨寫(xiě)入光功 率變化曲線，分析衍射信號(hào)強(qiáng)度隨寫(xiě)入 光功率變化關(guān)系。測(cè)量擦除光功率與擦除速度的關(guān)系。保持寫(xiě)入條件一定(保持寫(xiě)入光功率10 mW，讀出光功率1Mw)，當(dāng)信號(hào)穩(wěn)定， 即光柵生長(zhǎng)達(dá)到飽和時(shí)，關(guān)閉一束寫(xiě)入 光，同時(shí)利用CCD采集擦除信號(hào)。變化 擦除光(即剩下的那束寫(xiě)入光)功率分別 為 10 mW、5 mW、1 mW，用 CCD 分 別記錄每一擦除光功率情

18、況下，衍射信號(hào) 強(qiáng)度隨擦除時(shí)間的變化，最后用計(jì)算機(jī)處 理數(shù)據(jù)，并作出光柵擦除角度、光路的設(shè)計(jì)按圖10-2所示，布置光路。打開(kāi)He-Ne 激光器，它發(fā)的光作為探測(cè)光。旋轉(zhuǎn)偏 振片P，使透過(guò)偏振片P的探測(cè)光最強(qiáng)， 樣品放于偏振片P1和P2之間，旋轉(zhuǎn)偏振 片？2，使透過(guò)偏振片P2的光最弱，或沒(méi) 有，即使偏振片P2不透光。打開(kāi)半導(dǎo)體激光器，它發(fā)的光作為泵浦 光，使它與探測(cè)光重疊成一個(gè)光斑照射 在樣品上。觀察透過(guò)偏振片P2的光，即為光致雙折 射信號(hào)。將其接入CCD，通過(guò)計(jì)算機(jī)采 集數(shù)據(jù)。、研究泵浦光功率變化對(duì)光致雙折射的 影響。令探測(cè)光功率為1mW，泵浦光 功率分別為10mW、20 mW、30 mW，

19、研究光致雙折射隨泵浦光功率變化關(guān) 系。、同一泵浦光功率下，測(cè)試光致雙折射 的生長(zhǎng)和衰減過(guò)程。、研究光致雙折射隨泵浦光與探測(cè)光片偏振方向夾角。的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：第一部分1、光路的設(shè)計(jì)按圖所示，布置光路。打開(kāi)He-Ne激光 器，它發(fā)的光作為探測(cè)光。旋轉(zhuǎn)偏振片 P1，使透過(guò)偏振片P1的探測(cè)光最強(qiáng)，樣 品放于偏振片P1和P2之間，旋轉(zhuǎn)偏振片 P2,使透過(guò)偏振片P2的光最弱，或沒(méi)有， 即使偏振片P2不透光。打開(kāi)半導(dǎo)體激光器，它發(fā)的光作為泵浦 光，使它與探測(cè)光重疊成一個(gè)光斑照射 在樣品上。觀察透過(guò)偏振片P2的光，即為光致雙折 射信號(hào)。將其接入CCD，通過(guò)計(jì)算機(jī)采 集數(shù)據(jù)。2、研究泵浦光功率變化對(duì)光致雙折射的影 響。令探測(cè)光功率為1mW，泵浦光功率 分別為10mW、20 mW、30 mW,研究 光致雙折射隨泵浦光功率變化關(guān)系。3、同一泵浦光功率下