甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光柵的制作及其偏振態轉化

李 琳,付申成，李金環，張麗秋

(1.東北師范大學 物理學院 物理學師范專業國家級實驗教學示范中心，吉林 長春 130024;2.長春市第二實驗中學，吉林 長春 130022)

甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光柵的制作及其偏振態轉化

李 琳1,付申成1，李金環1，張麗秋2

(1.東北師范大學 物理學院 物理學師范專業國家級實驗教學示范中心，吉林 長春 130024;2.長春市第二實驗中學，吉林 長春 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轉化的光學各向異性和偏振特性. 實驗結果表明：甲基橙/聚乙烯醇薄膜能夠產生各向異性的周期性分布，并可以有效地轉化紅光的圓偏振態,可將其應用于高密度光存儲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；偏振全息

偏振全息光柵在信息存儲中扮演重要的角色，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、構筑多功能光學器件[1]. 此外，微電子工藝、集成電路的快速發展也要求光電功能器件的集成化程度進一步提高，這將進一步推動光子學、全光信息網絡的發展. 因此高性能偏振全息光柵的薄膜材料的研發將是光電子信息科學領域的重要研究課題. 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[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，偶氮染料憑借其優異的光致各向異性特性和光學穩態特性，在偏振全息領域占有十分重要的地位.

光致各向異性是產生光致雙折射、形成偏振全息光柵的必要條件，同時對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,滴涂法制備光學透明的甲基橙/聚乙烯醇薄膜，獲得了優異的光學各向異性特性，該薄膜具有很強的光束分解及偏振轉化能力.

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或元件在偏振光誘導下所產生的雙折射或二向色性的現象. 光致雙折射指的是，在偏振光誘導下，各向異性的光敏感介質或元件對不同振動方向的光，產生的具有不同折射指數的現象；而光致二向色性指吸收系數空間取向各異的現象. 大多數光致各向異性材料都同時具備這2種光學性質，而且其中1種表現得更加明顯.

典型的偶氮化合物的光致變色反應表現為2種異構體的相互轉化過程. 它有藍色的反式(E型)和黃色的順式(Z型)2種異構體，如圖1所示.

圖1 偏振光激發順反異構產生各向異性

1.2 正交圓偏振干涉的瓊斯矩陣

對一平面單色光波做相應的數學處理,能夠表示成與之等效的復指數形式，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，在交疊區域就會發現該介質的物理性質(如吸收系數或折射率)將會出現空間調制. 反之，去掉相干的泵浦光束后，干涉光柵也會消失，介質在空間上周期分布的物理特性也不斷地消退或者呈現新的分布. 這種現象在多數固體、液體以及氣體中都可以實現，并稱之為動態光柵或者叫做瞬態光柵效應. 通過監測對介質的物理特性不產生作用的第3束光的衍射信號或者是泵浦光的自衍射信號變化表示動態光柵動力學過程. 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平面上的合成光場矩陣表示為

(5)

這是由空間周期調制的線偏振光組成的，而干涉條紋的光強表達式為

Isum=|Esum|2=2A2,

(6)

與Δφ無關，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 強度相等的2列正交圓偏振光的干涉圖樣

對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)

當探測光為左旋圓偏振光時，±1級衍射光場可以表示為

E+1=0,

(8)

(9)

相應地，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生的相位調制.

2 實驗研究

2.1 樣品制備

甲基橙(methyl orange,MO)是本實驗使用的偶氮化合物的染料，其分子結構式如圖3所示.

圖3 甲基橙的分子結構式

薄膜中加入聚乙烯醇(PVA)，它是易溶于水的有機聚合物，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. 實驗過程中應保證多次稱量以減少實驗操作誤差. 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速度. 紅外燈烘干20 min后取出均勻清晰的膜. 膜厚通過臺階儀測試約為3.2 μm. 圖4是制得的MO-PVA薄膜放在文字上呈現的示意圖.

圖4 MO-PVA薄膜

2.2 光路搭建

選用403.4 nm的藍紫激光器作為寫入光源，兩束相干寫入光的偏振態分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，光強均為5 mW(即寫入光強比為1∶1)，光束經反射鏡M3反射至分束器，一部分光束反射到M4經1/4波片后照射到薄膜樣品上，另一部分經過M5反射后經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化為圓偏振光[13-17]，操作中要保證2個波片的前表面分別與光束正交，并測得兩束相干光入射到樣品之前的夾角為9°. 基于樣品對671 nm波長的光吸收較少，實驗采用波長為671 nm的半導體激光器作為探測光源，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上. 引入671 nm的 1/4波片時，在+1級衍射點處用光電二極管信號接收器接收衍射信號，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間變化的圖像. 利用Origin處理分析數據繪制全息動力學曲線. 實驗光路見圖5.

圖5 實驗光路圖

3 實驗結果與討論

實驗中使用671 nm左旋圓偏振光對左旋-右旋偏振全息光柵進行了探測. 實驗中獲得的衍射讀出光斑的照片如圖6所示，僅在-1級衍射點處觀察到衍射光斑，+1級沒有衍射信號.

圖6 偏振全息光柵衍射信號分布圖

3.1 動力學分析

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時曲線(圓點表示，這里衍射效率的定義為：衍射光強與透過樣品之后的入射光強之比). 從圖7中可以明顯地看出，衍射光強度在寫入光打開后上升較為明顯，逐步趨于穩定. 本實驗中的樣品對偏振光敏感，在其偏振全息記錄過程中能夠獲得較高的衍射效率. 此實驗采用的動力學公式為

η=ηisomer+ηorient=

(12)

其中η為衍射效率,ηisomer表示異構化過程對衍射效率的貢獻,ηorient表示取向化過程對衍射效率的貢獻；τisomer為異構化的時間常量，τorient為取向化的時間常量. 通過數據擬合得到的結果為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. 由響應時間常量分析得出異構化過程響應速度比較快而取向化過程響應速度相對較慢. 經過對數據的處理，繪制出全息動力學理論曲線如圖7中的紅線所示.

圖7 全息動力學曲線

根據圖7可以發現，從大約50 s之后出現了衍射信號強度隨時間波動的現象，表明在實驗過程存在系統噪聲. 此現象可能由以下2方面因素導致：一方面可能源于探測器在捕獲弱信號的過程中，一定干擾的光電流或光電壓在時域空間的隨機化行為造成曲線有一定波動；另一方面，偶氮分子的熱隨機化運動對衍射效率也有一定影響，這種熱運動引起的局域或非局域的振蕩，也是全息動力學不穩定的因素之一.

3.2 偏振轉化特性研究

通過Thorlab公司生產的PAX5710偏振計測量得到讀出光為標準的左旋圓偏振光，其+1級衍射光的偏振狀態處呈現出右旋圓偏振狀態的衍射信號，而-1級衍射點沒有衍射信號. 此過程體現了本樣品薄膜具有偏振轉化的特性. 其偏振轉化過程如圖8所示.

圖8 偏振轉化過程示意圖

為了進一步證明所獲得全息光柵為純的相位光柵，進行了讀出光偏振態變化下的+1級衍射信號的依賴特性的實驗，如圖9所示. 通過旋轉671 nm的1/4波片可以實現讀出光偏振態從左旋圓偏振光到線偏振光再到右旋圓偏振光的變化. 記錄時間從280～320 s，671 nm的1/4波片旋轉360°，發現衍射效率從最大值可降低為0，并呈現出類似于正弦曲線的周期性變化規律，該結果表明：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. 如果適當增加薄膜厚度、染料分子濃度、薄膜平整度可能實現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級衍射光強隨讀出光偏振態變化的動力學曲線

4 結束語

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間變化的動力學過程. 探究了讀出光偏振狀態與衍射光偏振狀態之間的關系. 實驗中使用2束403.4 nm、偏振態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級衍射狀態為右旋圓偏光，+1級無衍射信號. 改變讀出光偏振態從左旋至右旋，其光強可降為零并能夠實現周期性變化，即說明該全息光柵為純的矢量光柵. 研究結果表明甲基橙/聚乙烯醇薄膜具備了光束分解和偏振態轉化的光學功能集成能力.

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[責任編輯：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

國家自然科學基金項目(No.61007006);國家級大學生創新創業訓練計劃項目(No.20161020 0043);東北師范大學重點實驗室開放課題(No.130028607)

李 琳(1996-)，女，河南安陽人，東北師大學物理學院2014級本科生.

付申成(1979-)，男，吉林省吉林市人，東北師范大學物理學院副教授，博士，從事材料物理與物理實驗教學研究.

O484.41

A

1005-4642(2017)04-0051-05