光致異構(gòu)有機(jī)聚合物光開關(guān)效應(yīng)的研究*

徐四六，李隨源，劉曉花

（1.湖北科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.焦作師范學(xué)院 光電學(xué)院，河南 焦作）

0 引言

21世紀(jì)是信息高速發(fā)展的時(shí)代，信息化成為帶動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎.光纖通信從一般性的服務(wù)設(shè)施，已成為社會生存和發(fā)展的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，其是信息時(shí)代的典型代表.然而，現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)，光纖被當(dāng)作“導(dǎo)線”，其大帶寬、大流量等優(yōu)越性并未充分發(fā)揮.現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)里，必須經(jīng)過光信號→電子信號→光信號的過程轉(zhuǎn)換，相對很慢.而電子器件的數(shù)據(jù)處理速率限制了變換、中繼放大、復(fù)用等過程，制約了信息傳輸交換數(shù)據(jù)速率的進(jìn)一步提高，因而形成了一個電子“瓶頸”，嚴(yán)重制約了信息網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.處理這一問題最為有效的方法是采用全光通信與網(wǎng)絡(luò)，在光域上實(shí)現(xiàn)交換和傳輸，使信息網(wǎng)絡(luò)成為透明的、無阻塞的新一代通信網(wǎng).而其關(guān)鍵器件：如光開關(guān)、光邏輯門等實(shí)現(xiàn)全光化是全光網(wǎng)絡(luò)的真正實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志［1］.

本文研究了偶氮苯聚合物光致異構(gòu)效應(yīng)與聚合物折射率變化量的關(guān)系.從理論上對偶氮苯聚合物材料制成的全光開關(guān)效應(yīng)進(jìn)行了分析.基于“角度燒孔”理論，建立化簡的“角度燒孔”模型，由偶氮苯光致異構(gòu)效應(yīng)的特點(diǎn)出發(fā)，得到了偶氮苯生色基團(tuán)分子光致異構(gòu)效應(yīng)對聚合物折射率變化的影響，根據(jù)“角度燒孔”模型的速率方程推導(dǎo)出光致偶氮苯聚合物材料折射率改變規(guī)律，分析了折射率改變隨著光強(qiáng)的變化的關(guān)系.

1 偶氮苯聚合物光致異構(gòu)的機(jī)理

偶氮化合物是指分子結(jié)構(gòu)中含有偶氮基團(tuán)（－N=N－）的化合物.而分子結(jié)構(gòu)中含有偶氮基團(tuán)的聚合物又稱為偶氮聚合物.根據(jù)偶氮基團(tuán)在聚合物基體中的位置，可以分為主客型、主鏈型、側(cè)鏈型、交聯(lián)型偶氮聚合物，偶氮化合物是最重要的有機(jī)聚合物之一［2］.

對這一問題的研究可以追溯到1937年，Hartley發(fā)現(xiàn)紫外光能夠?qū)ε嫉街械牡?=氮雙鍵的構(gòu)型產(chǎn)生影響，此后，人們便對偶氮苯及其衍生物的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究［3］.在其吸收帶內(nèi)波長的光激勵下，有機(jī)聚合物材料可以實(shí)現(xiàn)可逆的光致異構(gòu)，表現(xiàn)為光致各向異性、二向色性和光致折射率改變等奇異的光學(xué)特性，它在光學(xué)信息處理、光存儲、光孤子以及光學(xué)器件等研究領(lǐng)域有很大潛在應(yīng)用，因而廣為關(guān)注.

在特定波長的光照射下，偶氮苯會發(fā)生光致異構(gòu)化.光致異構(gòu)會引起生色團(tuán)以及聚合物基體的運(yùn)動.根據(jù)規(guī)模的大小，這些運(yùn)動可以分為以下三類［4］：最小運(yùn)動的規(guī)模的分子運(yùn)動（molecularmotion） ；中等規(guī)模的疇運(yùn)動（domain motion） ；大規(guī)模的整體（massmotion） ，也稱為宏觀運(yùn)動（macroscopicmotion） .

關(guān)于光致異構(gòu)非線性效應(yīng)的角度燒孔機(jī)制（AHB） ，有三個基本假設(shè)［5］：Trans態(tài) 分子作棒狀假設(shè)，Cis 態(tài)分子作球狀假設(shè)；假定分子在經(jīng)歷了Trans→Cis→Trans異構(gòu)之后，其Trans態(tài) 分子（設(shè)為棒狀）的方向不變，即假設(shè)分子不轉(zhuǎn)動；在計(jì)算折射率改變時(shí)，只計(jì)算Trans態(tài) 分子的密度.

2 自然光作為背景光

2.1 線偏振信號光引起的折射率改變

自然光是指非相干光從各個方向均勻照射的情況，其光致異構(gòu)的速率方程為：

這里T＇和T0分別為光照下和無光照下Trans態(tài)分子的方位角密度，θ為線偏振信號光電場方向與Trans態(tài)分子軸的夾角，qTS與qCS分別為信號光的量子產(chǎn)率，qTb與qCb則對應(yīng)于背景光.σTS與σCS分別為信號光引起的Trans－Cis和Cis－Trans異構(gòu)的吸收截面張量元，σTb與σCb則對應(yīng)于背景光.K為熱致Cis－Trans異構(gòu)速率.

方程（1）式右邊第一項(xiàng)表征信號光激發(fā)的Trans－Cis異構(gòu)，第二項(xiàng)表征信號光激發(fā)的Cis－Trans異 構(gòu)，第三項(xiàng)與第四項(xiàng)對應(yīng)背景光，第五項(xiàng)表征熱導(dǎo)致的Cis－Trans弛 豫.其中線偏振的信號光引起的Trans－Cis括 異構(gòu)的有效吸收截面為σTbcos2θ，而自然光的背景光引起的Trans－Cis異 構(gòu)的有效吸收截而為σTb/3，該情況的光引起的Cis－Trans異構(gòu)的有效吸收截面為σCb與σCS.

無信號光時(shí)，Trans態(tài)分子的密度為：

代入上式分別得：

由于信號光所引起的折射率改變?yōu)椋海?/p>

這里Ω為立體角，S是與材料和信號光波長相關(guān)的正參數(shù)，θ仍然是信號光電場方向與Trans態(tài) 分子軸的夾角.

將（4）、（5）式代入（6）式得：

對于線偏振信號光，Trans態(tài) 分子的分布以信號光電場方向?yàn)檩S軸對稱，因此立體角dΩ=sinθdθdφ，代入（7）式并對其求積分，化簡得到線偏振引起地折射率改變：

2.2 圓偏振信號光引起的折射率改變

在非相干光從各個方向均勻照射的自然光情況下，其光致異構(gòu)的速率方程為：

這里T＇ 和T0分別為光照下和無光照下Trans態(tài) 分子的方位角密度，θ＇為圓偏振的信號光的波矢方向與Trans態(tài) 分子軸的夾角，qTS與qCS分別為信號光的量子產(chǎn)率，qTb與qCb則對應(yīng)于背景光.σTS與σCS分別為信號光引起的Trans－Cis和Cis－Trans異 構(gòu)的吸收截面張量元，σTb與σCb則對應(yīng)于背景光.K為熱致Cis－Trans異 構(gòu)速率.

方程（9）式右邊第一項(xiàng)表征信號光激發(fā)的Trans－Cis異構(gòu)，第二項(xiàng)表征信號光激發(fā)的Cis－Trans異構(gòu)，第三項(xiàng)與第四項(xiàng)對應(yīng)背景光，第五項(xiàng)表征熱導(dǎo)致的Cis－Trans弛豫.其中圓偏振的信號光引起的Trans－Cis括 異構(gòu)的有效吸收截面為σTSsin2θ＇/2，而自然光的背景光引起的Trans－Cis異構(gòu)的有效吸收截而為σTb/3，該情況的光引起的Cis－Trans異構(gòu)的有效吸收截面為σCb與σCS.

無信號光時(shí)，Trans態(tài) 分子的密度為：

代入上式分別得：

又將（12）、（13）式代入方程 △（n2）=S·?cos2θ（T＇－T）d，：Ω得到線偏振引起地折射率改變

2.3 折射率改變隨光強(qiáng)變化關(guān)系

下面是對（9）和（14）式取不同α、β及γ的值，使用MATLAB進(jìn)行模擬所作的△（n2）/4πST0－I圖：

圖1 參數(shù)β=γ=0.1，α取值從上至下分別為：4、1、0.6和 0.2

同時(shí)從圖中可以看出：（1）、圓偏振光的值始終比線偏振光的值大；（2）、隨著光強(qiáng)I的增大，折射率改變將趨于飽和；（3）、當(dāng)β與γ相同時(shí)，折射率改變會隨著的α的增大而在增大，且始終 ＞0.

圖2 參數(shù)α=γ=0.1，β取值從上至下分別為：0.2、0.6、1和 3

同時(shí)從圖中可以看出：（1）、圓偏振光的值始終比線偏振光的值大；（2）、隨著光強(qiáng)I的 增大，折射率改變將趨于飽和；（3）、當(dāng)α?與γ相同時(shí)，折射率改變會隨著的β的增大而在減小，并由正值變?yōu)樨?fù)值.

圖3 參數(shù)α=β=0.2，γ取值從上至下分別為：0.3、0.6、1和 5

同時(shí)從圖中可以看出：（1）、圓偏振光的值始終比線偏振光的值大；（2）、隨著光強(qiáng)I的 增大，折射率改變將趨于飽和；（3）、當(dāng)α與β相同時(shí)，折射率改變會隨著的γ的增大而在減小，并由正值變?yōu)樨?fù)值.

而圖1、圖2及圖3中參數(shù)α，β與γ的取值由所選的材料及其背景光與信號光的波長所決定，而信號光與背景光的波長組合也是多種多樣，適當(dāng)?shù)倪x取背景光和信號光的波長，可獲得參數(shù)的值［17］.

3 全光開關(guān)效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)中，用一束激光（Laser2）作為激發(fā)光產(chǎn)生光致異構(gòu)，用另一束激光（Laser1）作為探測光探測樣品因光致異構(gòu)所產(chǎn)生的全光開關(guān)性能.實(shí)驗(yàn)簡易示意圖如下［18，19］：

圖4 全光開關(guān)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖4中以Laser1作為信號光源，以Laser2作為背景光源.Laser1激發(fā)的信號光經(jīng)過起偏器P1后照射在樣品上，再經(jīng)過檢偏器P3后被探測器（dicetor）接收；Laser2激發(fā)的背景光經(jīng)過起偏器P2再通過斬波器斬波，成為脈沖光信號，并對樣品進(jìn)行激發(fā).濾光片（filter）是為了將透射過樣品或是散射的光束（Laser2）濾掉.

實(shí)驗(yàn)中當(dāng)Laser2開啟時(shí)，探測器接收的信號光透射強(qiáng)度迅速增強(qiáng)；當(dāng)Laser2關(guān)閉時(shí)，探測器接收的信號光透射強(qiáng)度又快速衰減，因此實(shí)現(xiàn)了全光開關(guān)效應(yīng).

由第三部分分析可知，開啟背景光時(shí)，背景光與信號光的共同作用使偶氮苯分子發(fā)生光致異構(gòu)從而改變了材料的折射率.由圖1－3模擬的結(jié)果看出，折射率改變?yōu)檎禃r(shí)，全光開關(guān)將處于開啟狀態(tài)，信號光透射出樣品，探測器接收到信號.無背景光時(shí)，樣品的折射率改變始終為負(fù)值，此時(shí)偶氮苯分子重要發(fā)生熱致弛豫，重新回到雜亂無序的初始狀態(tài).因此信號光沒有透射樣品時(shí)，全光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài).

由于背景光與信號光的偏振狀態(tài)還可以有很多的組合方式，其中自然光可以看做各個方向均勻的偏振光，不同的組合對開關(guān)的響應(yīng)與弛豫速度、信號的本底、調(diào)制深度等都有不同的效果.同時(shí)樣品的材料選擇及成膜情況也是影響全光開關(guān)效應(yīng)的重要因素.

［1］［日］菊池和朗.光信息網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］王羅新，王曉工.偶氮苯順反異構(gòu)化機(jī)理研究進(jìn)展［J］.化學(xué)通報(bào)，2008，71，（4）：243～248.

［3］黎愛珍，李有君，朱偉玲，等.偶氮苯光致異構(gòu)反飽和吸收的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的理論研究［J］.大學(xué)物理，2008，27，（5）.

［4］羅鍛斌，佘衛(wèi)龍，吳水珠，等.不同生色團(tuán)對聚合物薄膜全光開關(guān)效應(yīng)的影響［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（8）：1073～1078.

［5］馮曉強(qiáng)，陳烽，侯詢.光致變色的研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用化學(xué)，2000，21（3）：1 ～6.

［6］羅鍛斌，嚴(yán)崐，佘衛(wèi)龍，等.毫秒有機(jī)聚合物薄膜全光開關(guān)［J］.中國激光，2004，31（1）：92 ～96