甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光柵的制作及其偏振態(tài)轉(zhuǎn)化

李 琳,付申成，李金環(huán)，張麗秋

(1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院 物理學(xué)師范專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 長(zhǎng)春 130024;2.長(zhǎng)春市第二實(shí)驗(yàn)中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光柵的制作及其偏振態(tài)轉(zhuǎn)化

李 琳1,付申成1，李金環(huán)1，張麗秋2

(1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院 物理學(xué)師范專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 長(zhǎng)春 130024;2.長(zhǎng)春市第二實(shí)驗(yàn)中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

研究了摻雜有甲基橙的聚乙烯醇聚合物膜在偏振全息圖光感應(yīng)轉(zhuǎn)化的光學(xué)各向異性和偏振特性. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：甲基橙/聚乙烯醇薄膜能夠產(chǎn)生各向異性的周期性分布，并可以有效地轉(zhuǎn)化紅光的圓偏振態(tài),可將其應(yīng)用于高密度光存儲(chǔ)及功能集成化的光子型器件.

甲基橙/聚乙烯醇薄膜；相位光柵；光取向；光致各向異性；光異構(gòu)；偏振全息

偏振全息光柵在信息存儲(chǔ)中扮演重要的角色，它不僅可以將白光分解為各種單頻光而且還能夠作為波片改變激光的偏振狀態(tài)、構(gòu)筑多功能光學(xué)器件[1]. 此外，微電子工藝、集成電路的快速發(fā)展也要求光電功能器件的集成化程度進(jìn)一步提高，這將進(jìn)一步推動(dòng)光子學(xué)、全光信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展. 因此高性能偏振全息光柵的薄膜材料的研發(fā)將是光電子信息科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題. 目前涉及到的偏振全息材料包括偶氮液晶聚合物[2]、菌紫質(zhì)[3]、螺吡喃[4]、螺噁嗪[5-6]、俘精酸酐[7]、硫化砷[8]及銀/氧化鈦[9]. 在這些材料中，偶氮染料憑借其優(yōu)異的光致各向異性特性和光學(xué)穩(wěn)態(tài)特性，在偏振全息領(lǐng)域占有十分重要的地位.

光致各向異性是產(chǎn)生光致雙折射、形成偏振全息光柵的必要條件，同時(shí)對(duì)于單色偏振光能夠形成有效的相位延遲. 本文利用水浴熱溶解光致變色分子,滴涂法制備光學(xué)透明的甲基橙/聚乙烯醇薄膜，獲得了優(yōu)異的光學(xué)各向異性特性，該薄膜具有很強(qiáng)的光束分解及偏振轉(zhuǎn)化能力.

1 理論分析

1.1 光致各向異性

光致各向異性是指光敏感介質(zhì)或元件在偏振光誘導(dǎo)下所產(chǎn)生的雙折射或二向色性的現(xiàn)象. 光致雙折射指的是，在偏振光誘導(dǎo)下，各向異性的光敏感介質(zhì)或元件對(duì)不同振動(dòng)方向的光，產(chǎn)生的具有不同折射指數(shù)的現(xiàn)象；而光致二向色性指吸收系數(shù)空間取向各異的現(xiàn)象. 大多數(shù)光致各向異性材料都同時(shí)具備這2種光學(xué)性質(zhì)，而且其中1種表現(xiàn)得更加明顯.

典型的偶氮化合物的光致變色反應(yīng)表現(xiàn)為2種異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化過程. 它有藍(lán)色的反式(E型)和黃色的順式(Z型)2種異構(gòu)體，如圖1所示.

圖1 偏振光激發(fā)順反異構(gòu)產(chǎn)生各向異性

1.2 正交圓偏振干涉的瓊斯矩陣

對(duì)一平面單色光波做相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理,能夠表示成與之等效的復(fù)指數(shù)形式，即瓊斯矩陣. 瓊斯矩陣一般用來描述完全偏振光[10]. 左旋圓偏振光的瓊斯矢量可以表示為

(1)

右旋圓偏振光可以表示為

(2)

將2束相干泵浦光照射于樣品上，在交疊區(qū)域就會(huì)發(fā)現(xiàn)該介質(zhì)的物理性質(zhì)(如吸收系數(shù)或折射率)將會(huì)出現(xiàn)空間調(diào)制. 反之，去掉相干的泵浦光束后，干涉光柵也會(huì)消失，介質(zhì)在空間上周期分布的物理特性也不斷地消退或者呈現(xiàn)新的分布. 這種現(xiàn)象在多數(shù)固體、液體以及氣體中都可以實(shí)現(xiàn)，并稱之為動(dòng)態(tài)光柵或者叫做瞬態(tài)光柵效應(yīng). 通過監(jiān)測(cè)對(duì)介質(zhì)的物理特性不產(chǎn)生作用的第3束光的衍射信號(hào)或者是泵浦光的自衍射信號(hào)變化表示動(dòng)態(tài)光柵動(dòng)力學(xué)過程. 本文所采用的全息干涉模式為左旋-右旋干涉模式，即2束相干的寫入光分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，其瓊斯矩陣的表示如下描述：對(duì)左旋-右旋干涉模式來說，物光及參考光束在引入光程差之后的瓊斯矩陣可以表示為

(3)

(4)

二者在XOY平面上的合成光場(chǎng)矩陣表示為

(5)

這是由空間周期調(diào)制的線偏振光組成的，而干涉條紋的光強(qiáng)表達(dá)式為

Isum=|Esum|2=2A2,

(6)

與Δφ無關(guān)，空間均勻分布. 由此可以得出正交偏振干涉模式(即EO·ER=0)是純的矢量光柵.

根據(jù)以上瓊斯矩陣的表示，可繪制出左旋-右旋干涉模式圖，如圖2所示.

圖2 強(qiáng)度相等的2列正交圓偏振光的干涉圖樣

對(duì)于正交圓偏振干涉模式來說，其偏振全息光柵的透射矩陣可以表示為[11-12]

(7)

當(dāng)探測(cè)光為左旋圓偏振光時(shí)，±1級(jí)衍射光場(chǎng)可以表示為

E+1=0,

(8)

(9)

相應(yīng)地，衍射效率可表示為

η+1,lcp=0,

(10)

η-1,lcp=sin2(Δφ/2).

(11)

其中Δφ表示的是由于光致各向異性產(chǎn)生的相位調(diào)制.

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 樣品制備

甲基橙(methyl orange,MO)是本實(shí)驗(yàn)使用的偶氮化合物的染料，其分子結(jié)構(gòu)式如圖3所示.

圖3 甲基橙的分子結(jié)構(gòu)式

薄膜中加入聚乙烯醇(PVA)，它是易溶于水的有機(jī)聚合物，純度很高. 樣品制備步驟如下：使用電子天平稱取低分子量的PVA 0.178 g溶于10 mL的去離子水中，再稱0.833 mg的MO溶于7 mL去離子水中，并將樣品密封好后放在水浴鍋里，將溫度設(shè)置80 ℃，加熱1 h后取出得到飽和水溶液，冷卻后將二者混合搖勻. 實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)保證多次稱量以減少實(shí)驗(yàn)操作誤差. 洗凈并吹干玻璃片，使用移液槍抽取適量的樣品溶液，使用滴涂法均勻地將溶液滴在玻璃片上. 用玻璃器皿蓋上樣品，以防止灰塵落入樣品表面并控制樣品熱蒸發(fā)速度. 紅外燈烘干20 min后取出均勻清晰的膜. 膜厚通過臺(tái)階儀測(cè)試約為3.2 μm. 圖4是制得的MO-PVA薄膜放在文字上呈現(xiàn)的示意圖.

圖4 MO-PVA薄膜

2.2 光路搭建

選用403.4 nm的藍(lán)紫激光器作為寫入光源，兩束相干寫入光的偏振態(tài)分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，光強(qiáng)均為5 mW(即寫入光強(qiáng)比為1∶1)，光束經(jīng)反射鏡M3反射至分束器，一部分光束反射到M4經(jīng)1/4波片后照射到薄膜樣品上，另一部分經(jīng)過M5反射后經(jīng)1/4波片照射到薄膜樣品上. 其中1/4波片的作用是將線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光[13-17]，操作中要保證2個(gè)波片的前表面分別與光束正交，并測(cè)得兩束相干光入射到樣品之前的夾角為9°. 基于樣品對(duì)671 nm波長(zhǎng)的光吸收較少，實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為671 nm的半導(dǎo)體激光器作為探測(cè)光源，671 nm激光器輸出功率為1 mW. 讀出光與寫入光要打到樣品的同一點(diǎn)上. 引入671 nm的 1/4波片時(shí)，在+1級(jí)衍射點(diǎn)處用光電二極管信號(hào)接收器接收衍射信號(hào)，其光敏感范圍介于400～1 000 nm之間，另一端連接至電腦，利用光電信息處理軟件顯示衍射效率隨時(shí)間變化的圖像. 利用Origin處理分析數(shù)據(jù)繪制全息動(dòng)力學(xué)曲線. 實(shí)驗(yàn)光路見圖5.

圖5 實(shí)驗(yàn)光路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中使用671 nm左旋圓偏振光對(duì)左旋-右旋偏振全息光柵進(jìn)行了探測(cè). 實(shí)驗(yàn)中獲得的衍射讀出光斑的照片如圖6所示，僅在-1級(jí)衍射點(diǎn)處觀察到衍射光斑，+1級(jí)沒有衍射信號(hào).

圖6 偏振全息光柵衍射信號(hào)分布圖

3.1 動(dòng)力學(xué)分析

圖7給出了左旋、右旋圓偏振光干涉后的全息光柵衍射效率實(shí)時(shí)曲線(圓點(diǎn)表示，這里衍射效率的定義為：衍射光強(qiáng)與透過樣品之后的入射光強(qiáng)之比). 從圖7中可以明顯地看出，衍射光強(qiáng)度在寫入光打開后上升較為明顯，逐步趨于穩(wěn)定. 本實(shí)驗(yàn)中的樣品對(duì)偏振光敏感，在其偏振全息記錄過程中能夠獲得較高的衍射效率. 此實(shí)驗(yàn)采用的動(dòng)力學(xué)公式為

η=ηisomer+ηorient=

(12)

其中η為衍射效率,ηisomer表示異構(gòu)化過程對(duì)衍射效率的貢獻(xiàn),ηorient表示取向化過程對(duì)衍射效率的貢獻(xiàn)；τisomer為異構(gòu)化的時(shí)間常量，τorient為取向化的時(shí)間常量. 通過數(shù)據(jù)擬合得到的結(jié)果為ηisomer=(0.66±0.03)×10-3，ηorient=(1.28±0.02)×10-3，τisomer-1=(0.143±0.013) s-1，τorient-1=(0.013 5±0.000 5) s-1. 由響應(yīng)時(shí)間常量分析得出異構(gòu)化過程響應(yīng)速度比較快而取向化過程響應(yīng)速度相對(duì)較慢. 經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，繪制出全息動(dòng)力學(xué)理論曲線如圖7中的紅線所示.

圖7 全息動(dòng)力學(xué)曲線

根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)，從大約50 s之后出現(xiàn)了衍射信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間波動(dòng)的現(xiàn)象，表明在實(shí)驗(yàn)過程存在系統(tǒng)噪聲. 此現(xiàn)象可能由以下2方面因素導(dǎo)致：一方面可能源于探測(cè)器在捕獲弱信號(hào)的過程中，一定干擾的光電流或光電壓在時(shí)域空間的隨機(jī)化行為造成曲線有一定波動(dòng)；另一方面，偶氮分子的熱隨機(jī)化運(yùn)動(dòng)對(duì)衍射效率也有一定影響，這種熱運(yùn)動(dòng)引起的局域或非局域的振蕩，也是全息動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的因素之一.

3.2 偏振轉(zhuǎn)化特性研究

通過Thorlab公司生產(chǎn)的PAX5710偏振計(jì)測(cè)量得到讀出光為標(biāo)準(zhǔn)的左旋圓偏振光，其+1級(jí)衍射光的偏振狀態(tài)處呈現(xiàn)出右旋圓偏振狀態(tài)的衍射信號(hào)，而-1級(jí)衍射點(diǎn)沒有衍射信號(hào). 此過程體現(xiàn)了本樣品薄膜具有偏振轉(zhuǎn)化的特性. 其偏振轉(zhuǎn)化過程如圖8所示.

圖8 偏振轉(zhuǎn)化過程示意圖

為了進(jìn)一步證明所獲得全息光柵為純的相位光柵，進(jìn)行了讀出光偏振態(tài)變化下的+1級(jí)衍射信號(hào)的依賴特性的實(shí)驗(yàn)，如圖9所示. 通過旋轉(zhuǎn)671 nm的1/4波片可以實(shí)現(xiàn)讀出光偏振態(tài)從左旋圓偏振光到線偏振光再到右旋圓偏振光的變化. 記錄時(shí)間從280～320 s，671 nm的1/4波片旋轉(zhuǎn)360°，發(fā)現(xiàn)衍射效率從最大值可降低為0，并呈現(xiàn)出類似于正弦曲線的周期性變化規(guī)律，該結(jié)果表明：左旋-右旋干涉模式下的甲基橙/聚乙烯醇薄膜能夠形成純的矢量光柵. 如果適當(dāng)增加薄膜厚度、染料分子濃度、薄膜平整度可能實(shí)現(xiàn)該體系下的高階衍射輸出并獲得全息光柵的高衍射效率.

圖9 -1級(jí)衍射光強(qiáng)隨讀出光偏振態(tài)變化的動(dòng)力學(xué)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了甲基橙/聚乙烯醇聚合物薄膜在左旋-右旋偏振光干涉下的薄膜衍射效率隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)過程. 探究了讀出光偏振狀態(tài)與衍射光偏振狀態(tài)之間的關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)中使用2束403.4 nm、偏振態(tài)分別為右旋和左旋的圓偏光作為記錄光，671 nm左旋圓偏振光作為讀出光，得到-1級(jí)衍射狀態(tài)為右旋圓偏光，+1級(jí)無衍射信號(hào). 改變讀出光偏振態(tài)從左旋至右旋，其光強(qiáng)可降為零并能夠?qū)崿F(xiàn)周期性變化，即說明該全息光柵為純的矢量光柵. 研究結(jié)果表明甲基橙/聚乙烯醇薄膜具備了光束分解和偏振態(tài)轉(zhuǎn)化的光學(xué)功能集成能力.

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[責(zé)任編輯：郭 偉]

Research of phase grating and polarization transformation inmethyl orange/PVA films

LI Lin1， FU Shen-cheng1， LI Jin-huan1， ZHANG Li-qiu2

(1. National Experimental Teaching Demonstrating Center of Physics Normal Profession,School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;2. No.2 Experimental Middle School of Changchun, Changchun 130022, China)

The researches of photoinduced anisotropy, polarization holographic properties and polarization transformation were carried out in methyl orange doped polyvinyl alcohol (MO/PVA) polymer films. It was found that anisotropic periodic distribution was formed in the MO/PVA film, which could produce effective conversion of red laser light with circular polarization state. It would be applied to the high-density optical storage and functional type integrated photonic devices.

methyl orange/polyvinyl alcohol film; phase grating; photo-orientation; photo-induced anisotropy; photo-isomerization; polarization holography

2016-06-16；修改日期：2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61007006);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No.20161020 0043);東北師范大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(No.130028607)

李 琳(1996-)，女，河南安陽(yáng)人，東北師大學(xué)物理學(xué)院2014級(jí)本科生.

付申成(1979-)，男，吉林省吉林市人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，從事材料物理與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

O484.41

A

1005-4642(2017)04-0051-05