現(xiàn)代光學實驗報告

1、偶氮染料摻雜聚合物薄膜的光學特性董春萍 1223408002物理三班摘要有機偶氮染料摻雜的聚合物材料成本低、易于制備、并具有實時可擦除的光存儲性能， 是比較理想的光存儲材料，它在可擦除光盤、高密度數(shù)據(jù)存儲、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 存儲的物理機制，掌握測量光柵生長曲線、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。由于光計算、光存儲和光信息處理等方面實際應(yīng)用的需要，人們 對可重復(fù)使用的低功率存儲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性能、熱穩(wěn)定性、溶

2、解性和制備方法簡單等特點，是很有發(fā)展前途 的光存儲材料之一。關(guān)鍵詞：偶氮染料、光儲存、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，而且最重要的一 點是通過結(jié)構(gòu)修飾，吸收峰可以移到短波 區(qū)，是一類新型的高密度光盤存儲介質(zhì)，偶 氮化合物的分子結(jié)構(gòu)是在兩個苯環(huán)之問以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)，通過采用不同波長的光束對偶 氮基團進行照射，可以使其可逆地在trans和 cis之間進行轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致吸收特性的變化 (光致變色效應(yīng))舊。偶氮基團的這些特性，

3、 使得通過光照可以實現(xiàn)信息的儲存和擦 除.由于cis基團沒有trans穩(wěn)定，在室溫下會 自發(fā)進行熱異構(gòu)化，從cis返回到trans.熱異 構(gòu)化時間一般在數(shù)分鐘，故光色效應(yīng)的壽命 不長，而光致雙折射因分子間的相互作用可 以保持很長時間，因此通常利用偶氮化合物 的光致雙折射效應(yīng)進行信息存儲，我們的實 驗主要就其光存儲性能和光致雙折射進行實驗原理：一、偶氮染料的結(jié)構(gòu)特征與性能偶氮染料是一類具有光異構(gòu)特征的有機 光學材料，其分子結(jié)構(gòu)是在兩個芳環(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 (最大吸收峰在可見光區(qū)內(nèi))。偶氮染料還具有一定共軛性，一般來說，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 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)之間的能級差 發(fā)生變化，其吸收峰發(fā)生移動。(a) 光異構(gòu)過程(b)偶氮分子的能級結(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，本實驗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 偶氮分子的能級結(jié)構(gòu)圖，由圖可見，當用激 光激發(fā)時，反式偶氮分子的基態(tài)粒子So吸 收一個光子后，躍遷到第一激發(fā)態(tài)的某一振 動能級S上，并迅速馳豫到第一激發(fā)態(tài)的 最低能級vS上。處于S1能級上的粒子可以 進一步吸收一個光子并躍遷到第二重激發(fā) 態(tài)S2上，也可經(jīng)過系間躍遷無輻射馳豫到 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 過無輻射躍遷回到S態(tài)上。同時當激光強 度達到一定值后，S2

6、、OT2等能級上的粒子還 可以進一步吸收光子躍遷到更高一級激發(fā) 態(tài)上去。處于高能級激發(fā)態(tài)上的粒子還可以 通過無輻射躍遷的方式和較低能級躍遷，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，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)下會向周圍基質(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 可以實現(xiàn)光存儲。二、偶氮類染料的光存儲機制用全息技術(shù)實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的存儲，即為 光存儲。這一思想于1963年由美國Polaroid 公司的Pieter J Van Heerden首次提出。但技 術(shù)和材料問題一直阻礙著光存儲走向?qū)嵱?化。無機光存儲材料往往靈敏度低、價格昂 貴。現(xiàn)在人們已經(jīng)找到一些性能理想的有機 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，而且價格便宜、制膜方 便。本專題介紹的是一種水溶性有機偶氮染 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。 本實驗的目的是通過測量該薄膜的光柵生 長曲線、擦除曲線和拍攝所存圖象的信息， 理解可擦除光存儲的物理機制，探討該系列 材料在高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。全息光存儲實驗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偏振光作為寫入 光，HeNe激光器632.8 nm光作為讀出光， 實驗光路如圖9-3所示。在兩束P偏振光的 寫入條件下，既有強度調(diào)制的標量存儲，又 有偏振調(diào)制的矢量存儲。標量存儲記錄的是 異構(gòu)相位光柵，矢量存儲記錄的是取向相位 光柵。光異構(gòu)反應(yīng)屬于快過程，分子取向?qū)?于慢過程。光柵的生長機制兩束等強度的相干P偏振光作為寫入 光（波長人=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 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)存在且呈無規(guī)則 排列。其中光致異構(gòu)過程相對較快，順式分 子的取向過程相對較慢。在一定溫度、一定 光強下，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)。任何能對入射光的振幅、或位相、或二 者同時加上一個周期性的空間調(diào)制的光學 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€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，是標量存儲，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。順式分子濃度的逐漸增大和分 子取向的逐漸加強的過程，也就是相位光柵 的生長過程。由于本實驗用波長為532nm的綠光為 寫入光，樣品厚度大約100|im，形成的光柵 可以看作體光柵。樣品對該波長的光是強吸 收的，因此，樣品的前表面光照相對充分， 而其內(nèi)部和后表面光照相對不足。樣品前表 面干涉條紋的明暗對比度較大，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；反之， 樣品內(nèi)部和后表面形成的相位光柵較弱。這 時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)就會產(chǎn)生不同級次的衍射條 紋(光柵方程dsinO=n人)。本實驗可以明顯 觀察到紅光的一級衍射信號。在光柵生長過 程中，用一束紅光作為讀出光(人=632.8nm)， 通過監(jiān)測紅光一級衍射信號強度的變化，即 可檢測到相位光柵的生長過程。光柵擦除機制光柵生成后，關(guān)閉一束寫入光，另一束 寫入光即為擦除光。擦除光均勻照在光柵 上，原先暗區(qū)或光強較弱的區(qū)域中反式分子 就會吸收光子轉(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 于光強的減弱，順式分子的數(shù)目減少。最終 擦除光照射的整個區(qū)域內(nèi)，順式分子的濃度 將達到穩(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。同樣在擦除過程中， 加上一束紅光，監(jiān)測其一級衍射信號強度的 變化，即可檢測到光柵擦除的情況。如果用 圓偏光或橢圓偏光擦除的話，則擦除速度會 更快一些。五、光致雙折射的測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光來 測量。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后將有探測光信號出現(xiàn)。圖10-1給出了單色光順次通過兩正交 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射出的線偏振光進入晶片后 分解為尋常光和非尋

14、常光，非尋常光的振動 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， e光和o光的位相差為：6 =2n d(n -n )/入。 光通過第二片振偏片P2時，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： 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P后的光強，I t為經(jīng)過P2 后的光強，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)即可測得偶氮聚合物光致 雙折射An = no的大小。實驗光路如圖 所示。由于本實驗所用材料在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 處沒有吸收，氦氖激光可作為探測光，監(jiān)測 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透過的信號光由CCD接收，并連接進入 計算機PC。實驗步驟：觀察光柵生長過程，研究光生長規(guī)律， 畫出光柵生長曲線。按圖搭好光路，打開激光器電源，待激 光穩(wěn)定后，仔細調(diào)節(jié)光路，觀察到一級 衍射信號為止。關(guān)閉一束寫入光，待衍 射信號為零后，打開讀出光，同時利用CCD采集衍射信號，直到衍射信號強度 達到飽和最后利用計算機進行數(shù)據(jù)處 理，并畫出光柵生長曲線。取寫入光功 率為10 mW，重復(fù)上術(shù)實驗過程，分析 比較不同寫入光功率下的光柵生長過 程。研究不同寫入光功率對光柵生長的影

17、 響，測量衍射信號強度隨寫入光功率的 關(guān)系。寫入光功率分別取4 mW、8 mW、12 mW、16 mW、20 mW、24 mW、28 mW， 讀出光功率取1Mw，在每一寫入光功率 下，分別采集衍射信號的最大值，處理 數(shù)據(jù)后，作出衍射信號強度隨寫入光功 率變化曲線，分析衍射信號強度隨寫入 光功率變化關(guān)系。測量擦除光功率與擦除速度的關(guān)系。保持寫入條件一定(保持寫入光功率10 mW，讀出光功率1Mw)，當信號穩(wěn)定， 即光柵生長達到飽和時，關(guān)閉一束寫入 光，同時利用CCD采集擦除信號。變化 擦除光(即剩下的那束寫入光)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 強度隨擦除時間的變化，最后用計算機處 理數(shù)據(jù)，并作出光柵擦除角度、光路的設(shè)計按圖10-2所示，布置光路。打開He-Ne 激光器，它發(fā)的光作為探測光。旋轉(zhuǎn)偏 振片P，使透過偏振片P的探測光最強， 樣品放于偏振片P1和P2之間，旋轉(zhuǎn)偏振 片？2，使透過偏振片P2的光最弱，或沒 有，即使偏振片P2不透光。打開半導(dǎo)體激光器，它發(fā)的光作為泵浦 光，使它與探測光重疊成一個光斑照射 在樣品上。觀察透過偏振片P2的光，即為光致雙折 射信號。將其接入CCD，通過計算機采 集數(shù)據(jù)。、研究泵浦光功率變化對光致雙折射的 影響。令探測光功率為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，測試光致雙折射 的生長和衰減過程。、研究光致雙折射隨泵浦光與探測光片偏振方向夾角。的關(guān)系。三、實驗內(nèi)容：第一部分1、光路的設(shè)計按圖所示，布置光路。打開He-Ne激光 器，它發(fā)的光作為探測光。旋轉(zhuǎn)偏振片 P1，使透過偏振片P1的探測光最強，樣 品放于偏振片P1和P2之間，旋轉(zhuǎn)偏振片 P2,使透過偏振片P2的光最弱，或沒有， 即使偏振片P2不透光。打開半導(dǎo)體激光器，它發(fā)的光作為泵浦 光，使它與探測光重疊成一個光斑照射 在樣品上。觀察透過偏振片P2的光，即為光致雙折 射信號。將其接入CCD，通過計算機采 集數(shù)據(jù)。2、研究泵浦光功率變化對光致雙折射的影 響。令探測光功率為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