光致異構有機聚合物光開關效應的研究*

徐四六，李隨源，劉曉花

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

0 引言

21世紀是信息高速發展的時代，信息化成為帶動社會經濟發展的引擎.光纖通信從一般性的服務設施，已成為社會生存和發展的神經中樞系統，其是信息時代的典型代表.然而，現有的光纖通信系統，光纖被當作“導線”，其大帶寬、大流量等優越性并未充分發揮.現有的光網絡里，必須經過光信號→電子信號→光信號的過程轉換，相對很慢.而電子器件的數據處理速率限制了變換、中繼放大、復用等過程，制約了信息傳輸交換數據速率的進一步提高，因而形成了一個電子“瓶頸”，嚴重制約了信息網絡的應用.處理這一問題最為有效的方法是采用全光通信與網絡，在光域上實現交換和傳輸，使信息網絡成為透明的、無阻塞的新一代通信網.而其關鍵器件：如光開關、光邏輯門等實現全光化是全光網絡的真正實現的標志［1］.

本文研究了偶氮苯聚合物光致異構效應與聚合物折射率變化量的關系.從理論上對偶氮苯聚合物材料制成的全光開關效應進行了分析.基于“角度燒孔”理論，建立化簡的“角度燒孔”模型，由偶氮苯光致異構效應的特點出發，得到了偶氮苯生色基團分子光致異構效應對聚合物折射率變化的影響，根據“角度燒孔”模型的速率方程推導出光致偶氮苯聚合物材料折射率改變規律，分析了折射率改變隨著光強的變化的關系.

1 偶氮苯聚合物光致異構的機理

偶氮化合物是指分子結構中含有偶氮基團（－N=N－）的化合物.而分子結構中含有偶氮基團的聚合物又稱為偶氮聚合物.根據偶氮基團在聚合物基體中的位置，可以分為主客型、主鏈型、側鏈型、交聯型偶氮聚合物，偶氮化合物是最重要的有機聚合物之一［2］.

對這一問題的研究可以追溯到1937年，Hartley發現紫外光能夠對偶氮苯中的氮 =氮雙鍵的構型產生影響，此后，人們便對偶氮苯及其衍生物的光學性質進行了大量的研究［3］.在其吸收帶內波長的光激勵下，有機聚合物材料可以實現可逆的光致異構，表現為光致各向異性、二向色性和光致折射率改變等奇異的光學特性，它在光學信息處理、光存儲、光孤子以及光學器件等研究領域有很大潛在應用，因而廣為關注.

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

關于光致異構非線性效應的角度燒孔機制（AHB） ，有三個基本假設［5］：Trans態 分子作棒狀假設，Cis 態分子作球狀假設；假定分子在經歷了Trans→Cis→Trans異構之后，其Trans態 分子（設為棒狀）的方向不變，即假設分子不轉動；在計算折射率改變時，只計算Trans態 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，其光致異構的速率方程為：

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

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

無信號光時，Trans態分子的密度為：

代入上式分別得：

由于信號光所引起的折射率改變為：）

這里Ω為立體角，S是與材料和信號光波長相關的正參數，θ仍然是信號光電場方向與Trans態 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 分子的分布以信號光電場方向為軸軸對稱，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，其光致異構的速率方程為：

這里T＇ 和T0分別為光照下和無光照下Trans態 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 分子軸的夾角，qTS與qCS分別為信號光的量子產率，qTb與qCb則對應于背景光.σTS與σCS分別為信號光引起的Trans－Cis和Cis－Trans異 構的吸收截面張量元，σTb與σCb則對應于背景光.K為熱致Cis－Trans異 構速率.

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

無信號光時，Trans態 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 折射率改變隨光強變化關系

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

圖1 參數β=γ=0.1，α取值從上至下分別為：4、1、0.6和 0.2

同時從圖中可以看出：（1）、圓偏振光的值始終比線偏振光的值大；（2）、隨著光強I的增大，折射率改變將趨于飽和；（3）、當β與γ相同時，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α=γ=0.1，β取值從上至下分別為：0.2、0.6、1和 3

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

圖3 參數α=β=0.2，γ取值從上至下分別為：0.3、0.6、1和 5

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

而圖1、圖2及圖3中參數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，適當的選取背景光和信號光的波長，可獲得參數的值［17］.

3 全光開關效應

實驗中，用一束激光（Laser2）作為激發光產生光致異構，用另一束激光（Laser1）作為探測光探測樣品因光致異構所產生的全光開關性能.實驗簡易示意圖如下［18，19］：

圖4 全光開關實驗示意圖

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

實驗中當Laser2開啟時，探測器接收的信號光透射強度迅速增強；當Laser2關閉時，探測器接收的信號光透射強度又快速衰減，因此實現了全光開關效應.

由第三部分分析可知，開啟背景光時，背景光與信號光的共同作用使偶氮苯分子發生光致異構從而改變了材料的折射率.由圖1－3模擬的結果看出，折射率改變為正值時，全光開關將處于開啟狀態，信號光透射出樣品，探測器接收到信號.無背景光時，樣品的折射率改變始終為負值，此時偶氮苯分子重要發生熱致弛豫，重新回到雜亂無序的初始狀態.因此信號光沒有透射樣品時，全光開關處于關閉狀態.

由于背景光與信號光的偏振狀態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，不同的組合對開關的響應與弛豫速度、信號的本底、調制深度等都有不同的效果.同時樣品的材料選擇及成膜情況也是影響全光開關效應的重要因素.

［1］［日］菊池和朗.光信息網絡［M］.北京：科學出版社，2005.

［2］王羅新，王曉工.偶氮苯順反異構化機理研究進展［J］.化學通報，2008，71，（4）：243～248.

［3］黎愛珍，李有君，朱偉玲，等.偶氮苯光致異構反飽和吸收的光學雙穩態開關的理論研究［J］.大學物理，2008，27，（5）.

［4］羅鍛斌，佘衛龍，吳水珠，等.不同生色團對聚合物薄膜全光開關效應的影響［J］.光學學報，2004，24（8）：1073～1078.

［5］馮曉強，陳烽，侯詢.光致變色的研究進展［J］.應用化學，2000，21（3）：1 ～6.

［6］羅鍛斌，嚴崐，佘衛龍，等.毫秒有機聚合物薄膜全光開關［J］.中國激光，2004，31（1）：92 ～96