（光学专业论文）有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究.pdf

论文题目：有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 堑垄系( 所) 丝堂专业 学生姓名堑麴导, j 4 i - g g 盆宣导师职称垫撞 摘要：“言息技术和光通信技术的飞速发展，使人们尽情地享受着网络通信时代给人们带来 、 的快捷和便利。各种网络传输介质( 例如光纤和光波导等) 的传输光信号性能的不断改善、 各种新型信号源和信号接收设备的不断更新，都给网络通信技术不断带来革新。与此同时， 低损耗氧化硅系玻璃光波导( 以下简称玻璃光波导) 是集成光学中的基础部件，在现在和 将来的各种应用中，从数据存储到信息传输，它都起着重要的作用。溶胶一凝胶( s o l - - g e l ) 方法作为一种新的玻璃材料制备方法，在低损耗玻璃光波导的制备中得到了广泛的应用。 与传统的玻璃材料制备方法相比，溶胶一凝胶方法将更有应用价值，因为它更加简单、安 全，制备过程无需经历高温，也更为稳定，并且能在多种材料的基板上制膜。人们采用溶 、 胶一凝胶方法研制出传输损耗小于0 5 d b c m 的玻璃光波导。广一 一 本论文主要包括以下几部分工作： 1 采用溶胶一凝胶( s o l - - g e l ) 方法制备了有机染料r h b 掺杂的t i s i 光波导材料和d c m 掺杂的p m m a 厂r e o s 光波导材料。 2 对这种有机染料掺杂的玻璃平面光波导进行了系列的表征。f 采用改进的布儒斯特角 法和棱镜耦合法分别测量了衬底材料的折射率以及光波导层的折射率及厚度。测量了 光波导样品的荧光光谱和放大的自发辐射( a s e ) 光谱。对复杂的a s es p i k e 现象进 行了初步研究。卜一一 3 对有机染料d c m 掺杂的p m m a t e o s 复合材料平面光波导中a s e 进行了研究。，通过 改变有机( p i c 姒a ) 无机( t e o s ) 材料的复合比例，可以调整波导层的折射率，同时通 过对波导层厚度的有效控制，利用非对称平面光波导的零阶模式截止条件，在一定范围 内实现了对d c m 掺杂的p m m a t e o s 复合材料的a s e 波长进行选择，实现了调谐， 波长选择范围达到3 0 n t o 。这种全新的光波导模式调谐方法，适用于固体可调谐激光器 、 的宽带调谐。广才 4 采用溶胶一凝胶方法及紫外光刻工艺制备了直径为1 5 9 m 的有机染料r h b 掺杂的s i z r 微盘列阵。f 观察到了微盘的“回廊耳语”模( w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e s ) 。将光学传感 器原理与微腔原理相结合，把微盘列阵结构运用到传感器领域中，观察到了微盘列阵 、 光学p h 值传感现象。 o 关键词：光波导、溶胶一凝胶法、波长调谐、微盘列阵 分类号：0 4 3 r e s e a r c ho n o p t i c a le f f e c t s o f o r g a n i cd y ed o p e dg l a s sw a v e g u i d e s a b s t r a c t ：d h et ot h ed e v e l o p m e n to fi t & o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e m a n k i n di se n j o y i n gt h ec o n v e n i e n c ea n ds p e e d i n e s sb r o u g h tb yt h ea g eo fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i sr e n o v a t e da l lt h et i m e w i t ht h e i m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kt r a n s m i t t i n gm e d i a ，s u c ha sf i b e r sa n d w a v e g u i d e s a n d t h ei n n o v a t i o no f a l lk i n d so f n o v e ll i g h ts o u r c e sa n ds i g n a lr e c e i v i n g d e v i c e s m e a n w h i l e ，l o w l o s sw a v e g u i d e s ，t h ef u n d a m e n t a lc o m p o n e n t so fi n t e g r a t e d o p t i c s ，w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nm a n ya p p l i c a t i o na r e a sf r o md a t as t o r a g et o s i g n a lt r a n s m i s s i o nn o w a n di nt h ef u t u r e s o l g e lt e c h n i q u e a san o v e lm e t h o d ，h a s b e e na p p l i e dw i d e l yi nf a b r i c a t i o no fl o w l o s s g l a s sw a v e g u i d e s c o m p a r e dw i m t r a d i t i o n a lm e t h o d s o l g e lt e c h n i q u eh a sm o r ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i ti sm o r e c o n v e n i e n t ，m o r es a f ea n dm o r es t a b l e i na d d i t i o n ，t h i sm e t h o dc a l lf a b r i c a t ef i l m so n s e v e r a lk i n d so f s u b s t r a t e s b yu s i n gs o l g e lt e c h n i q u e ，s c i e n t i s t sh a v ef a b r i c a r e dg l a s s w a v e g u i d e sw i t ht r a n s m i s s i o nl o s s 1 e s st h a l l 0 5 d b c m t h ew o r kt ob ed e s c r i b e d p r i m a r i l yf o c h so ns u c ha s p e c t so f t h i sa r e aa so r g a n i cd y ed o p e dg l a s sw a v e g u i d e s f a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n ds o m eo p t i c a le f f e c t s t h i st h e s i sw o r k m a i n l yc o v e r s ： 1 l o w l o s s o r g a n i cd y e r h b d o p e d t i s i w a v e g u i d e s a n dd c md o p e d p m m a t e o sw a v e g u i d e sw e r ef a b r i c a t e dw i t hs 0 1 g e lt e c h n i q u e s 2 t h e o r g a n i cd y ed o p e dg l a s sw a v e g u i d e sw e r ec h a r a c t e r i z e d b yu s eo fi m p r o v e d b r o w s t e ra n g l em e t h o da n dp r i s mc o u p l i n gm e t h o d t i l er e f r a c t i v ei n d e xo f s u b s t r a t ea n dt h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so f w a v e g u i d e f i l mw e r em e a s u r e d r e s p e c t i v e l y as e to fm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rf l u o r e s c e n ts p e c t r u mh a sb e e n b u i l t t h ef l u o r e s c e n ta n da m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) s p e c t r aw e r e m e a s u r e da n da n a l y z e d 3 t h ea s es p e c t r u mo fo r g a n i cd y ed c m d o p e dp m m a t e o sh y b r i dp l a n a r w a v e g u i d e w a s a n a l y z e d 。刀砖r e f r a c t i v ei n d e xo f w a v e g u i d ef i l mc a l lb em o d i f i e d b yc h a n g i n g t h er a t i oo fo r g a n i c m a t e r i a l ( p m m a ) a n di n o r g a n i c m a t e r i a l ( t e o s ) b e s i d e s ，t h et h i c k n e s s o ft h e w a v e g u i d ef i l mc a nb ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gt h ed i p c o a t i n gc o n d i t i o n t h u s ，u t i l i z i n gt h ez e r o o r d e rm o d ec u t o f f c o n d i t i o n ，w er e a l i z e dt h et u n a b i l i t yo fa s ew a v e l e n g t hi no r g a n i cd y ed c m d o p e dp m m a t e o sh y b r i dw a v e g u i d e t h et u n i n gr a n g ec a nr e a c hu dt o3 0r i m t h i sn o v e l w a v e g u i d e sm o d e - t u n i n gm e t h o dc a nb ea p p l i e di nw i d er a n g e w a v e l e n g t ht u n i n go f s o l i d s t a t et u n a b l e1 a s e r s 4 o r g a n i cd y er h bd o p e ds i z rh y b r i dm i c r o d i s ka r r a yw a sf a b r i c a t e db ys o l g e l t e c h n i q u ea n du l t r a v i o l e tp h o t o e t c h i n g t h ed i a m e t e ro ft h em i c r o d i s ki s l5g m w ea l s oo b s e r v e dt h e w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e s ( w g m s ) o fm i c r o d i s k c o m b i n i n gt h et h e o r i e s o fo p t i c a ls e n s o rw i t hm i c r o c a v i t y , a n da p p l y i n gt h e s t r u c t u r eo fm i c r o d i s k a r r a yi nt h ef i e l do fo p t i c a ls e n s o r , w eo b s e r v e do p t i c a ld h i n d i c a t o rs e n s i n gp h e n o m e n o n k e yw o r d s ：w a v e g u i d e ，s o l - g e lt e c h n i q u e ，w a v e l e n g t ht u n i n g ，m i c r o d i s ka r r a y s o r tn o ：0 4 3 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 第一章绪论 信息技术和光通信技术的飞速发展，使人们尽情地享受着网络通信时代给 人们带来的快捷和便利。各种网络传输介质( 例如光纤和光波导等) 的传输光 信号性能的不断改善、各种新型信号源和信号接收设备的不断更新，都给网络 通信技术不断带来革新。与此同时，玻璃光波导光放大器因其可以直接将光信 号加以放大而不需要进行光电、电光转换，成为了联系这种远程光通信的桥梁。 低损耗氧化硅系光波导( 以下简称玻璃光波导) 是集成光学中的基础部件， 在现在和将来的各种应用中，从数据存储到信息传输，它都起着重要的作用。 在低损耗玻璃光波导的研究中，人们分别采用热氧化法、溅射法、火焰水解法、 化学气相沉积法、等离子体化学沉积法等研制出传输损耗为0 2 l d b c m 的玻璃光波导。而本文所介绍的溶胶一凝胶法( s o l - - g e l ) 将更有应用价值，因 为它更加简单、安全，也更为稳定，并且能在多种材料的基板上制膜。它与传 统的玻璃材料制备方法相比具有许多独特的优点：材料制备过程无需经历温度， 可以保证掺入其中的某些功能材料分子的活性；利用溶液中的化学反应，原料 可在分子水平均匀混合，制得传统方法难以得到的材料；制备过程易于控制， 制得的材料均匀性好、纯度高；制备设备便宜简单，便于操作。 当光信号在光传输介质中传输时，光损耗总是在一定程度上存在着，造成 传输光信号的衰减。为了保证光信号被顺利传输和接收，在光信号传输了一定 距离之后需要对其进行放大。历史上人们曾使用电放大器。首先将光信号转换 成电信号，用电放大器加以放大后再转换为光信号。这种电子元件的使用限制 了通信带宽和通信速率。现在被广泛使用的光纤放大器克服了以上种种缺陷， 极大地提高了网络通信的容量和传输速率。 随着光纤放大器的发展，平面光波导放大器正吸引着越来越多人的关注。 一般的光纤放大器长度在1 0 m 以上，而平面光波导放大器与之相比具有更小的 尺寸，长度仅几厘米。小尺寸的平面光波导放大器将有助于最终实现低成本化。 更为重要的是，尺寸小使得平面光波导放大器极易与其它有源、无源光学器件 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 集成，因而在集成光学领域具有十分广阔的应用前景。平面光波导放大器作为 一种集成光学元件在通信网络方面具有极大的应用潜力。同时，平面光波导也 将被广泛应用于诸如传感器、信号处理等其他领域。 有机染料掺杂的平面光波导中的放大自发辐射( a s e ) 现象被广泛研究。由于 有机染料在平面光波导中容易实现高功率密度下的可调谐性及高效率，因此基 于有机染料掺杂的平面光波导及其器件具有广泛的应用前景。对于固体可调谐 染料激光器，一般通过改变染料掺杂浓度以及利用外腔调谐等来实现波长调谐。 现在的平面光波导固体可调谐染料激光器通常是使用分布反馈( d f b ) 和分布布拉 格反射( d b r ) 选择受激辐射波长。采用波导光栅可实现窄线宽激光输出，但用光 栅调谐工艺要求高、增加成本、结构复杂且调谐范围非常有限。一种新的光波 导模式调谐方法，将适用于固体可调谐激光器的宽带调谐。 现代集成光电子学的飞速发展呼唤微米量级的、低阈值功率的激光器及其 相关光电子器件的出现。光学微腔的研究为新型发光器件的研制提供了物理基 础。而作为光学微腔典型结构之一的光学微盘，以其相对简单的制备工艺和高 的品质因子q 值而引人注目。“回廊耳语”模( “帆i s p e f i n gg a l l e w ”m o d e s ， w g m s ) 是达成这种高q 值微谐振腔的成功方法。沿着具有不同折射率的两种 材料之间曲面边界的全内反射可以得到沿边界传播的高q 值模。 论文第二章介绍了采用溶胶一凝胶方法制备有机染料掺杂的玻璃光波导 材料，并用提拉法制备了玻璃平面光波导。第三章介绍了对制备的有机染料 掺杂的玻璃平面光波导的光学参数及其光谱特性进行的表征。第四章介绍了 一种全新的波导模式调谐方法，并实现了固体染料光放大的宽带波长调谐。 论文最后一章简单介绍了微腔光波导光放大效应，观察到了微盘列阵的“回 廊耳语”模。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 第二章有机染料掺杂平面光波导的制备 溶胶一凝胶技术是指线度为1 l o o n m 的固体颗粒( 称为胶体) 均匀地分散 在适当的液体中形成的单相溶液( 称为溶胶或s 0 1 ) ，并在一定的反应条件( 温 度、湿度、酸碱度、压力等) 下转变为具有一定强度多孔的固体胶块( 称为凝 胶或g e l ) 的过程。它与传统的玻璃材料制备方法相比具有许多独特的优点。 首先，材料制备过程无需经历高温，可以保证掺入其中的某些功能材料分子的 活性，例如一些生物功能材料分子等；其次，它利用溶液中的化学反应，原料 可在分子水平均匀混合，如果在溶液中掺入一些具有一定功能的材料分子，例 如掺入具有光放大功能的有机染料分子，这些功能材料分子可以十分均匀地分 布在所制备的材料当中，制得传统方法难以得到的材料；这种制备过程易于控 制，制得的材料均匀性好、纯度高；此外，采用溶胶一凝胶方法制备玻璃材料 的制备设备便宜简单，便于操作。溶胶一凝胶技术自应用到光学领域以来，越 来越受到人们的青睐，人们采用块状工艺( m o n o l i t hp r o c e s s i n g ) 制各了透 镜，利用拉制( d r a w i n g ) 或提拉( d i p - - c o a t i n g ) 的工艺制备了光纤，利用甩 膜( s p i n c o a t i n g ) 或提拉的工艺制备了各种用途的光学薄膜及光波导等等。 我们采用溶胶一凝胶方法制备了有机染料掺杂的光波导材料，并且利用提 拉法制备了有机染料掺杂的平面玻璃光波导。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 2 1 采用溶胶一凝胶法制各有机染料掺杂的光波导材料 2 1 1r h b 掺杂的t i s i 光波导材料 我们所制备的光波导的衬底材料为石英玻璃( s i o ：) 或p y r e x 玻璃。光波通 过在波导层和包层( 衬底层和空气层) 之间发生的全反射而得以在光波导层中 传播。如图2 1 1 所示。 圈2 i i 波导层 要使光在波导层与衬底层之间发生全反射，就必须使所制备的波导层折射 率大于衬底材料( 石英玻璃或p y r e x 玻璃) 的折射率。所制备的溶液是由一s i 一0 一t i 键链接而成的高分子聚合物，其中t i 加入s i o 键之间，提高了所制 薄膜的折射率，控制t i 的加入比例可以控制薄膜的折射率。 应 正硅酸乙酯的水解过程如下： 一s i i 一口一c 2 h 5 + h 2 0 ：一s l i o h + c 2 h 5 0 h l l 水解后可发生聚合反应 i s i 一0 一c 2 h 5 + ：一l i 一一l 一+ c 25 0 h ( 2 - - - - 2 0 h s0s ih 212 ) = 一i 一一一+ c ，。o h ) l| 这时加入一定比例的正钛酸乙酯，将与部分水解的正硅酸乙酯发生如下反 lf - - s i - - o h + c 2 h 5 一o t i 一= ll 之后的水解、聚合过程如下： l s i o t i 一+ c 2 h 5 0 h ( 2 1 - 3 ) 11 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 水解 1i f i e t 。一i i 一。一1 t 。pr + z h z 。= h 。一 t 一。一1 i 一。h + ( 2 - - i - - 4 ) il i l p r o h + e t o h 聚合： 2 h o 一6 i o 一；i o h ： ( 2 一l 一5 ) jj l|jl h 0 一s i o t i - - 0 一s i 一0 一t i o h + h ，o l i ji 由此发生聚合，并在其它的s i - - 0 e t 键和t i - - 0 p r 键上发生类似反应，形 成空间网状的高分子聚合物( 这里一e t 和一p r 都是指烷基官能团，对于所有 的正硅酸乙酯，它们都是指一c ：h 。) 。 待充分水解聚合以后，往溶液中加入适量的有机染料r h b ，其分子结构如图 2 1 2 所示。r h b 填充在由s i - - 0 e t 键和t i - - 0 p r 键组成的空间网状的高分子 聚合物当中。溶液配置流程图如图2 1 3 所示。 ( h 5 c 2 ) 2 n c 2 8 h 3 l n 2 0 3 c m w ：4 7 9 0 2 n ( c 2 h 5 ) 2 c i h 图2 il 2r 确分子结构示意萤 由以上反应方程可以看出，正硅酸乙酯的水解程度和加入正钛酸乙酯的多 少，直接影响到溶液中一s i o s i 一键和- - s i o t i 一键的多少及其相互比 例，最终对光波导薄膜的折射率和损耗程度产生影响。 在实际反应中，正钛酸乙酯的水解速度很快，比正硅酸乙酯的水解速度大 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 几个数量级。在向部分水解的正硅酸乙酯中加入正钛酸乙酯时，如果速度过快 或数量过大，正钛酸乙酯迅速水解，而且先于与s i o 键聚合而发生自身的聚 合反应，形成由- - t i o t i 键组成的较大的分子团簇。溶液中的这种较大的 分子集团会使传输的光信号受到较强的散射，致使光波导的损耗显著增加。因 此，溶液配制过程中以及波导膜的制备过程中，控制正钛酸乙酯的水解速度， 使之与正硅酸乙酯的水解速度相适合至关重要。 匿2 i 3 有机染料掺杂的t i s i 玻璃光波导溶液配锄。 流程图l 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 以上所介绍的光波导溶液配制过程中是用h c i 作为催化剂，正钛酸乙酯的 水解速度很快。如果成膜的时候空气中的湿度太大，会使正钛酸乙酯过快水解 而在膜中形成较大颗粒，使制成的光波导对光的散射过大，严重增加了损耗。 因此，用以上溶液制备光波导时对环境的干燥程度要求很高。现在采用另外一 种溶液配方，用s j c i 。作为催化剂，使硅烷氧化物和钛烷氧化物的水解速度差 异显著减小，大大降低了成膜过程中对环境的要求。溶液配制流程如图2 1 4 所示。 虽2 1 。4有机染料掺杂的h s i 玻璃光波导溶液 配钠流程萤2 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 s i c l 。作为催化剂的溶液中，首先发生称为乙醇质子注入的过程 2 r o h + 一s ji c 1 ： r o 妄o ic 1 + 一一c 1 = 【r o s 一c 1 r h i = r - - o - - s 。i 一- + - r o h 2 + + c l i 接着发生水解： i 比0 + _ 0 一i 卜叶肿h 2 km 一门卜f h + 一0 r h i = 一s i o h + r 0 心十+ r o h 。 实验表明，用s i c i 。作为催化剂的溶液与用h c i 作催化剂的溶液相比，所制 出的光波导膜的粗糙程度更低，而且更加均匀。它对制膜过程中控制湿度的要 求大大降低，使制出的薄膜质量更加稳定，而且对光信号的损耗也大大降低。 这是由于硅烷氧化物和钛烷氧化物的水解速度更为接近，在聚合过程中同种原 子聚合( 即产生一s i o s i 一键和- - t i 一0 一t i 一键) 的机会相对来说大大减 小，而异种原子聚合( 即产生- - s i o t i 一键) 的机会相对增加，这减少了物 理性质不同的原子集团的产生，使得薄膜的物理性质更加均匀，从而对光传播 的损耗也就随之大大减小了。 ，l i 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 2 1 2d c m 掺杂的p 删i t e o s 光波导材料 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 是- - e e 常用的有机基质材料，其折射率为1 4 9 。 p m m a 具有制备简单，客体有机染料分子与之相容性好，荧光效率高等优点，人 们对这一类主客体掺杂体系的光放大光学性质进行了广泛的研究。凝胶玻璃是 一种无机基质材料，折射率约为1 4 5 。凝胶玻璃具有刚性强，热稳定性好的优 点，但难以制备厚膜且有机分子在其中荧光效率低的缺点，使其在光放大领域 难以被广泛应用。溶胶一凝胶技术提供了一种合成兼有有机和无机材料特性的 有机无机复合材料的方法。一般来说，这一类有机无机复合材料是有机分子、 有机低聚物或小分子的聚合物均匀地分散在无机基质中，有机和无机单元之间 通过范德华力和氢键相互作用。这种合成复合材料的方法简单，且制备的材料 具有许多独特的优点和广泛的应用价值。我们通过改变有机无机材料的复合比 例，一方面可以调整波导层的折射率，另一方面可以在一定程度上弥补有机染 料分子在凝胶玻璃中荧光效率低的不足。此外，采用有机、无机复合材料比较 容易制备厚膜。 我们所用p m m a 的平均分子量约为3 0 万，将之与正硅酸乙酉匕( t e o s ) 共溶 于适量的四氢呋喃( t h f ) 溶液中，加入浓度为0 1 5 m o l l 的盐酸，使t e o s 充分 水解，其中t e o s 与水的物质的量的比为1 ：4 。所制备的样品中p m m a ( 按甲基 丙烯酸甲酯，即m m a 计算) 与t e o s 的物质的量的比为1 ：1 。待t e o s 充分水解， 且p m m a 充分溶解后，将适量的有机染料d c m ( 分子结构如图2 1 5 所示) 加 入样品溶液中，搅拌。溶液配制流程如图2 16 所示。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 ( c h 3 ) 2 n c 1 9 h 1 7 n 3 0 m w ：3 0 3 3 6 c h 萤2 1 5d c 艟分子结构示意鸯 臣2 i 6 泰枫染料掺杂的p m m a t e o s 复合材料玻璃光波导 溶液配锄流程臣 0 0 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 2 2 采用提拉法制备有机染料掺杂的玻璃平面光波导 刁o 采用提拉法制备有机染料掺杂的玻璃平面光波导的提拉装置如图2 2 1 所 酉2 2 1提拉法装置示意强 提拉法就是将基板浸入配制好的光波导材料溶液当中，然后将基板以一定 的速度、朝一定的方向缓慢提拉出液面。溶液在基板上可以形成较为均匀的薄 膜。薄膜在烘干后牢固地附着于基板表面。提拉时必须适当地根据溶液的粘度 控制速度，一般速度越快，拉制的薄膜越厚。 需要指出的是，如果采用t i s i 玻璃光波导材料溶液的第一种配方( 第6 页，流程图1 ) ，使用h c i 作为催化剂，正钛酸乙酯的水解速度很快。成膜的时 候空气中的湿度不能太大，否则会使正钛酸乙酯过快水解而在膜中形成较大颗 粒，使制成的光波导对光的散射过大，严重增加了损耗。因此，如果使用以上 溶液，用提拉法制备光波导时对环境的干燥程度要求很高。同时，灰尘也会玷 污所制的薄膜，增加光波导的损耗。所以，提拉过程应在干燥箱中进行，一般 湿度不要超过3 0 。如果采用溶液配方2 ( 第7 页，流程图2 ) ，用s i c l 。作为 催化剂，使硅烷氧化物和钛烷氧化物的水解速度差异显著减小，可以大大降低 提拉成膜过程中对环境干燥程度的要求。 宣塑墨型堡墨堕型垄丝呈堂兰整壁竺窒旦 2 3 小结 我们分别用h c l 和s i c l 。作催化剂配制了有机染料r h b 掺杂的t i s i 玻璃光 波导材料溶液。配制了有机无机复合的p m m a t e o s 玻璃光波导材料溶液。采用 提拉法，使用以上不同配方的玻璃光波导材料溶液制备了玻璃光波导。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 第三章有机染料掺杂玻璃平面光波导的表征 采用溶胶一凝结方法制备了有机染料掺杂的玻璃光波导材料，并用提拉法 制备了有机染料掺杂的玻璃平面光波导之后，需要对这种平面光波导进行一系 列表征。我们采用改进的布儒斯特角法和棱镜耦合法分别测量了衬底材料的折 射率以及光波导层的折射率及厚度。吸收光谱和荧光光谱也是表征所制备的有 机染料掺杂的玻璃平面光波导性能的重要参数。我们使用u v 一3 1 0 1 p c 型紫外 一可见分光光度计在常温常压下测量了光波导样品的吸收光谱。我们自行建立 了一套荧光光谱测量装置，并且利用该装置测量了光波导样品的荧光光谱和放 大的自发辐射( a s e ) 光谱。利用该装置，通过对光波导样品的a s e 强度随泵 浦光脉冲次数的衰减测量，我们对不同的光波导材料的光稳定性进行了表征。 对d c m 掺杂的p m m a 光波导的a s e 光谱测量中，我们观察到了复杂的a s e s p i k e ，并对此进行了初步研究。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 3 1 折射率及厚度表征 3 1 1 用改进的布儒斯特角法测村底材料的折射率 测量光学透明介质折射率的方法很多，例如用最小偏向角法测量棱镜的折 射率，用掠入射线法测量固体和液体的折射率，以及用阿贝折射仪测量固体、 液体、粉末的折射率等。以上方法都是从几何光学原理来考虑和选择的测量方 法。这里我们利用光波的偏振特性来测量介质和薄膜的折射率。 界面两侧邻近点的入射场、反射场和折射场如图3 1 1 所示。 过 夕、 o|x 扣l ， z 1 萤3 。l 。l 器面两佼l 邻近点的入射场、反射场和折射场示意萤 塑塑墨型塑垄蕉型垄鎏曼堂兰塑蜜丛窒一旦 各分量满足菲涅耳公式： t 2 s i n o , c o s 0 。 j 一s i n ( p , + o , ) c o s ( o 。一只) 9 丁：型呈堡! ! 堡爿， 2 i 万再了 驴器等爿， 耻一器s m 鬻4 i + ，j 其中a 、r 、t 分别表示入射场、反射场和折射场的电矢量，p 和s 分别表示电 矢量的p 分量和s 分量，0 和e 。表示入射角和折射角。 由( 3 - - 1 1 ) 式可以看出，当0 。+ o 。= n 2 时，k = 0 ，而r o ，光波在介质 反射中只有垂直于入射面的光扰动。由折射定律 s i n 0 。= ns i n o t = ns i n ( 9 0 0 - 0 。) n = t g 0 此时，0 可用0 b 表示。( 3 一l 一2 ) 式又称为布儒斯特( d b r e w s t e r ) 定律。0 b 又 称为布儒斯特角。实验时先测定0 。，再利用( 3 一i 一2 ) 式即可求得介质的折射 率n 。 为了较精确地测定e 。，采用改进的布儒斯特角法。由菲涅耳公式可知，线偏 振光经过介质表面反射后仍是线偏振光，但偏振方向可能要改变。假设入射偏 振光的光扰动方向与入射面法线的夹角为平。，如图3 1 2 所示。 是反射光波光扰动的法线与入射面法线的夹角。 利用( 3 1 一i ) 式 t g 缈。= 鲁= 一器鲁等等= 一器鲁等t g 妒。( 3 - l 一3 ) 为了方便起见，用光偏振方向与入射面的夹角0 【来表示( a + ( p 。= 9 0 0 ) ，可 以证明：对于不同a 值，生的比值也不同。用生较大( a 较小) 的入射 a pa p 光波来确定0 b 的大小，灵敏度较高。一般d 取3 0 1 0 0 。( p r e 的曲线大致如图 3 1 3 所示。用实验仪器测定q g r 0 的曲线，该曲线与横坐标轴的交点就是0 。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 入射面 入射面 t g i ；o a - - a 月t j j 赠。 a 。 oa 。r r 刃 u rr 、 、a 图31 2 3 0 0 0 b 6 0 09 0 0 豳3i3 1 6 6 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 实验测量装置如图3 1 4 所示。 计算机 酉3l 。4 甬改进的森儒赣特角法襁4 量衬底材料折射率的实验装置强 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 用这种方法我们测量了石英衬底的折射率。激光器波长为6 3 2 8 a 。测量结 果如图3 1 5 所示。 4 04 55 05 56 0 0 ( d e g r e e ) 国3 7l 5 采甬改进的布儒期特角法撼量石英挂底折射率的中f e j 啦线 理论值n = 1 4 5 7 1 ( 6 3 2 8 a ) 实验测量值n = t g ( 5 5 5 2 9 。) = 1 4 5 6 6 精度可达0 0 0 1 。如果采用计算机控制精密步进电机带动转台转动，即提高 角度测量精度，可进一步提高折射率测量精度。 0 0 0 0 0 0 o 9 6 3 3 6 9 一$勒占一寺 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 3 1 2 用棱镜耦合法测量波导材料的折射率及厚度 棱镜耦合法经常被用作激发光波导中的传播模式，如图3 1 6 所示。对于每 一种模式，必须调节相应的入射角e 。才能将之耦合进光波导。耦合波矢量关系 如图3 1 7 所示。 瀑2 图3j ? 6 固3l7 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 即 要实现耦合，波矢必须满足如下关系 k ，s i n7 =k fs i n 由 n ps i ny = n ，s i n 矽= n 。 n 。称为波导的有效折射率。 波导的有效折射率n 。与波导的折射率n f 、波导膜的厚度d 以及波长九有如 下关系 型譬芦旦一2 矽。一2 矽，= 2 mr c ，脚= 0 , 1 2 ( 3 - - 1 6 ) 十。与十；是由菲涅耳公式得出的光波在波导内传播时发生相邻两次内全反射时的 位相变化。 对于t e 模式，k 。= k 。= 1 以= t a n 一1 瞰糕2 2 ) 17 2 】 班= t a n 一1 缸( 糟2 2 ) 1 7 2 对于t m 模式，k 。= n 2 f n 2 0 ，k 。= n 2 f n 2 。 波导模式满足如下关系 其中m = 0 ，1 ，2 ， 由图3 1 6 ，利用折射定律，可得 n 。= 门，s i n= 门ps i n y = ( 胛；一，z ；s i n 0 2 。) 2s i nc t c o s es i n 0 。 ( 3 1 - 9 ) 品 严 黪 伽 叭 吲吲 啪帮”蟠 。 争 型 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 式中的正负号取决于入射光线处于棱镜法线的哪侧，如图3 1 6 所示时取负 号。方程( 3 1 8 ) 中包含两个未知数珥和d 。因此，测量两个不同模式的0 。， 即可得到一个二元方程组，解此二元方程组即可求得n f 和d 。如果测量两个以 上不同模式的e 。，可以减少偶然误差，提高测量的精确度。 实验测量装置如图3 1 8 所示。光波导样品及棱镜固定在一个由计算机精确 控制的转台上。激光束经过起偏器后成为t e 或t m 线偏振光。该线偏振光经 过分束片( 石英玻璃) 和准直孔，通过棱镜耦合进入光波导，耦合传输线由探 头2 在光波导端面探测。接收屏上可以观测到i t i 线，如图3 19 所示。当0 ，。= o 时，激光束将通过分束片( 石英玻璃) 反射进入探头1 ，从而定出o 。的零点。 探头l 和探头2 的电信号进入计算机。测定两个不同模式的0 。后，代入方程( 3 1 8 ) ，解二元方程组即可求得1 3 ，和d 。用该装置测量光波导薄膜的折射率精 度可达0 0 0 0 1 。 计算m 和d 的程序实例参见附录。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 离 民3 1 8 鼹棱镜辗合法灏量光波导薄膜秘挝折鼹率的实验飘量 装置酉 酉3 1 9m 线示意。 2 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 3 2 吸收光谱表征 采用u v 31 0 1 p c 型岛津紫外一可见分光光度计在室温常压下测量了r h b 掺 杂的t i s i 玻璃光波导样品的吸收光谱，如图3 2 1 所示。吸收峰位于5 6 0 r i m ， 吸收尾延伸至7 0 0 n t o 以上。同时测量了d c m 掺杂的p m m a t e o s 光波导样品 的吸收光谱，吸收光谱如图3 2 2 所示。吸收峰位于4 6 0 n m ，吸收尾延伸至6 0 5 n m 以上 8 禹 d 旮 乏 ol o 00 9 00 8 00 7 o0 6 00 5 00 4 00 3 5 0 06 0 0t 0 0e o o w a v e i e n g t h ( r i m ) 图3 。2 。lr h b 掺杂的t i s i 玻璃光波导榉品的吸收光谱 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 0 w a v e l e n g t h ( n r f l ) 函3 2 2 d c m 掺杂的p m m a 堰e o s 光波导样品的吸收光谱 啡 哪 心oc日口loo 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 3 3荧光光谱及a s e 光谱表征 采用如图3 _ 3 1 所示的测量装置测量了样品的荧光光谱和a s e 光谱。 光阑 球面透镜柱面透镜样品 i 倍频n d ：y a gl i 光纤 l i 计笪加l - j o m q - q 单耋仪 图3 i3 1实验装置示意强 以调q 的n d ：y a g 激光器( 1 0 6 4 t i n ) 的倍频光( 5 3 2 n m ) 作为泵浦光，脉冲宽度 为l o n s ，重复频率1 0 h z ，5 3 2 n m 光的泵浦能量在0 4 m j 1 2 m j p u l s e 范围内连 续可调。将圆形光斑通过光阑会聚透镜( f = 5 c m ) 和柱面镜( f = 1 5 c m ) 后聚焦成长 度在2 3 c m 的线形光斑，垂直泵浦样品。用光纤在光波导中a s e 的出射方向收 集a s e 信号，在非a s e 出射方向收集荧光信号，将信号导入0 3 4 m 的光栅光谱 仪后由光学多道分析仪系统( o m a i i i ) 进行接收，数据由计算机进行处理。整个 测量过程均在室温常压下进行。 r h b 掺杂的t i s i 玻璃光波导样品的荧光光谱如图3 3 2 中b 所示，a s e 光 谱如图3 3 2 中a 所示。此玻璃光波导存在一个以上的模式。荧光光谱的峰值 在5 7 5 0 a 附近，a s e 光谱的峰值在5 9 5 0 a 附近，相对于荧光光谱的峰值发生了 显著的红移。由图3 2 1 可知，尉1 b 在5 7 5 0 a 处的吸收明显大于5 9 5 0a 处的吸 收。一般情况下，a s e 总是出现在总增益最大处。尽管r h b 的荧光光谱峰值在 5 7 5 0 a 附近，但此处的吸收很大，总增益较小。由此可见，峰值红移是由于r h b 的吸收和增益共同引起的，在5 9 5 0a 处总增益达到最大。 壹垫鲞整堡墨壁堡垄垫量垄兰塑些堕茎一翌 图3 3 3 所示为d c m 掺杂的p m m a f l t e o s 玻璃光波导样品的荧光光谱( a ) 和a s e 光谱( b ) 。此玻璃光波导也存在一个以上的模式。荧光光谱的峰值在s s s o a 附近，a s e 光谱的峰值在6 0 7 0 a 附近，相对于荧光光谱的峰值发生了显著的红 移。峰值红移是也是由于d c m 的吸收( 见图3 2 2 ) 和增益共同引起的，在6 0 7 0 a 处总增益最大。 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 匿3 3 2r h b 掺杂的t $ i 玻璃光波导样品的荧光光谱( b ) 刃a s e ? 光谱( a ) 5 4 0 05 6 0 05 8 0 06 0 0 06 2 0 06 4 0 06 6 0 0 6 8 0 07 0 0 0 w a v e l e n g t h ( a ) 强3 3 3d c 融掺杂的p 凇t e o s 玻璃光波导样品的 荧光光谱( 8 ) 和a s e 光谱( a ) l n e)未c磐c一 一z一言celu 有机染料掺杂玻璃光波导光学效应研究 此外，我们还测量了d c m 掺杂的p m m a 光波导的a s e 强度随抽运能量 变化关系，如图3 3 4 所示。荧光光谱如图3 3 4 中a 所示，荧光峰值在5 6 0 0 a 。 随着抽运能量由o 4 m j p u