（物理电子学专业论文）有机光学薄膜的研究.pdf

摘 y 2 13 要 ( 随着近年来有机材料认识的不断深入，新型高分子合成的不断取得成功，有机材 料的功能在不断丰富，品质不断提高，呈现出五彩缤纷、绚丽多彩的喜人景象。与无 机材料相比，有机材料具有成本较低、机械性能好、易于加工、并且种类变化无穷无 尽等优势，引起了人们的广泛关注。 本实验室，经过独特的设计，发展了真空热压与真空蒸发及“蒸气”输运等技术 相结合的一系列制备高质量有机光学薄膜的方法，并成功地应用于热透镜型全光开 关、光折变效应等的研究中。 由于分散了功能性有机小分子的高分子薄膜的各种组分具有极其灵活的选择性， 而且比例可调，所以样品的制备有极大的自由度。如热透镜型全光开关样品就是选择 在控制光波段有强吸收的染料，将其分散在合适的高分子材料中而制成的；而有机光 折变样品则根据光折变效应的四个要素，即产生载流子的光敏材料、载流子传输材料、 二阶非线性染料、载流子陷阱( 绝大多数时候它们是相互独立的) ，分别选择合适的 有机或高分子材料，用本实验室发展的成膜方法制成的。实验中使用的聚乙烯咔唑 ( p v k ) 为载流子传输材料( c t a ，c h a r g e t r a n s p o r t i n ga g e n t ) 、三硝基芴酮( t n f ) 为载流子光敏材料( c g ，c h a r g eg e n e r a t o r ) 、分散红l ( d r 一1 ) 为二阶非线性生色 团( n l o ，n o n l i n e a ro p t i c a lc h r o m o p h o r e ) 。高分子与有机小分子的比例均可相当 自由地调配，以求取得最佳效果。) 力 本文主要讲述了高分子光学薄膜的两种效应：热透镜效应及光折变效应。全文分 为两大部分。 第一部分为有机薄膜在热透镜型全光开关方面的应用。h 目对于以三阶非线性材 料、半导体材料制备的高速全光开关，这种光开关的开关能量低，没有频散，易于加 工，同时具有较高的响应速度和相当大的信噪比以及良好的波长匹配性。另外，热透 镜效应的样品还有望用作自调制稳光器件。卜了 第二部分是有机光折变效应的研究，光折变效应在光信息处理、高密度光存储、 光学相位共轭等诸多领域有着非常广阔的应用前景。( 相对于无机光折变晶体，有机薄 膜样品除易于制备、光损伤阈值高、介电常数较低、价廉物美等优点外，最大的特征 在于它们在分子设计及合成上有很大的灵活性，且具有较大的品质因素q ( q = n 3 r e 占，其中”、r 、占，分别为折射率、电光响应系数、介电常数) 。有机材 料中，可以在介电常数s ，较低的情形下得到较高的电光响应系数t ，所以品质因素可 达无机材料的1 0 倍甚至更高。双波耦合测试证明，制备的p v k - p b a ：t n f ：d r 一1 体 系薄膜中有明显的光折变效应，且对外加电场响应显著。由于制备过程中，没有使用 溶剂，耐压性能大大提高，有望极大地提高光折变效应的衍射效率。l 1 ， ， l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti no r g a n i cm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gp o l y m e r sc o m p o s i n g ， m o r ea n dm o r ep r o p e r t i e so fo r g a n i c sa r e d i s c o v e r e d c o m p a r e dw i t hi n o r g a n i c m a t e r i a l s ，o r g a n i cm a t e r i a l sa r ee a s yt og e ta n dc a l lf o r mi n t oav a r i e t yo f t h i nf i l m s f u r t h e rm o r e ，t h e i rk i n d sa r el i m i t l e s sa n dc a nb ed o p e dw i t hv a r i o u sm o l e c u l e so f q u i t e d i f f e r e n ts i z e s s o ，w h e nw ea r et oi m p r o v et h ep r o p e r t yo fd e v i c e s ，w ec a ns e e kh e l p f r o m o r g a n i c sa n dp o l y m e r s ，i np a r t i c u l a r i no u rl a b ，as e to fm e t h o d si s d e v e l o p e dt op r e p a r ep o l y m e rt h i nf i l m s ，s u c ha s v a c u u m h o t p r e s s ，v a c u u md e p o s i t i o na n dv a c u u mv a p o rd i s p e r s i n g t h ep o l y m e r t h i n f i l m sa r ep r e p a r e dw i t h o u tu s i n ga n yo r g a n i cs o l v e n ta n d t h e y a r et r a n s p a r e n t t h e yc a n b eu s e db o t hi na l l o p t i c a ls w i t c ha n dp h o t o r e f r a c t i v er e s e a r c h w h i l et h er a t i oo f i n g r e d i e n t sd o p e di n t op o l y m e rc a n b ec h a n g e d ，t h ep o l y m e rt h i n f i l m sa r e c h a n g e a b l ea c c o r d i n g t oo u r r e q u i r e m e n t s f o re x a m p l e ，n o to n l y a c h r o m o p h o r et h a t c a na b s o r bt h ep u m pl a s e rs t r o n g l y , b u ta l s oap o l y m e rt h a th a v e o b v i o u st h e r m a ll e n se f f e c ta r en e c e s s a r yf o rt h es a m p l eo fa l l o p t i c a ls w i t c h m e a n w h i l e t h e s a m p l e 谢t hp h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ts h o u l dh a v ef o u r i n g r e d i e n t s ：a p h o t o i o n i z a b l ec h a r g eg e n e r a t o r , ac h a r g e - t r a n s p o r t i n gm e d i u m ，t r a p p i n gs i t e s ，a n da n o n l i n e a r o p t i c a lc h r o m o p h o r e w e p r e s e n tt w oe f f e c t s ( t h e r m a ll e n sa n dp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t s ) i nt h i sp a p e r ，a n d i t sd i v i d e di n t ot w o p a r t s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h es t u d yo fa l lo p t i c a ls w i t c hb a s e do nt h e r m a ll e n se f f e c t t h eo p t i c a lt h e r m a l l e n se f f e c to fo u rs a m p l e sh a sh i g h e rs i g n a l t o - n o i s et h a nt h a ti n t r a d i t i o n a ld e v i c eu s i n gl i q u i ds a m p l e s o m es t u d i e si nt h er e a c t i n gf r e q u e n c yh a v e b e e nm a d ea n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d i nt h es e c o n d p a r t ，t h ep h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ti sd e s c r i b e d i th a sav a r i e t yo f p o t e n t i a l l yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s ，s u c h a s h i g h - d e n s i t yo p t i c a ld a t as t o r a g e ，i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa n dp h a s ec o n j u g a t i o n t h e r ea r es e v e r a lr e a s o n sf o rp u r s u i n g t h ed e v e l o p m e n to fo r g a n i cp h o t o r e f r a c t i v em a t e r i a la n dp o l y m e rp rm a t e r i a l s ，i n p a r t i c u l a r b e s i d e st h ea d v a n t a g e sm e n t i o n e da b o v e ，a n o t h e rm o t i v a t i o nc o m e sf r o ma c o n s i d e r a t i o no fas p e c i a lf i g u r e - o f - m e r i tt h a tc o m p a r e st h ei n d e xc h a n g i n gp o s s i b l ei n d i f f e r e n tm a t e r i a l s t h ef i g u r e o f - m e r i tm a yb ed e f i n e da s o = n 3 r e | a n di t h a sa p o t e n t i a li m p r o v e m e n t i np e r f o r m a n c eo f u p t oaf a c t o ro f10a si ni n o r g a n i cm a t e r i a l s t w o b e a m c o u p l i n gg a i n m e a s u r e m e n ti s p e r f o r m e d t o p r o v e t h a to b v i o u s p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c to c c a r si nt h es y s t e mp v k - p b a ：t n f ：d r 1 2 第1 部分 热透镜型全光开关 热透镜型全光开关 第一章引言 进入二1 一一世纪，信息量的剧增对信息的传播和处理技术提出了新的要求。 光学信息处理应用技术的飞速发展已经向人们展示了光子技术在许多方面的优越 性，如利用光子代替电子作为信息传输和数据处理的载体，用光学方法实现互联和 通信。目前，全光通信是新世纪通讯技术发展的热点之一。更具吸引力的是光子 具有高度并行和三维空间密集型互连的特点，它可以实现生物神经网络功能的人 工化。而光学神经网络，光计算机，则是信息科学技术发展的前沿课题。高速低耗 的全光型光开关作为一个纯光网元，可应用于全光通信，光计算机，它对于实现 高速大容量的信息传播，处理，具有极为重要的作用。 光开关有两种，一种是机械式，它是通过移动光纤本身或移动棱镜，反射镜和 透镜等中间物进行光的转换，其移动方式是通过人工或电磁铁的作用来完成的。其 转换速度一般为2 - 2 0 m s ，插入损耗为2 d b 左右，重复性差为0 0 5 d b 。传统的机械式 光开关响应速度慢，体积较大，已远远不能满足飞速发展的光通信的要求。另一 种是非机械式的，它是利用光电效应，声光效应及其它效应进行转换的。而作为高 速一超高速的光开关的研究均基于非机械式的光开关机理，如三阶非线性效应，半 导体量子阱效应等“。在实际应用方面，为满足三阶非线性开关器件的要求，目前 f 在继续探索具有更大的x ( 3 ) 和更高的开关速度的新材料“。此外，基于体块半 导体和多量子阱( m q w ) 的光开关器件的研究，半导体非线性材料的光开关应用也得 到了发展。但这一类光开关目前存在的问题是：开关能量过高，使激光源和非线 性达到最佳匹配较困难“。 文中探讨了另外一种非机械式的光开关，即基于激光热透镜效应的有机薄膜 全光开关。热透镜效应是指当一束激光照射至选定样品时，由于样品对激光能量 的吸收，引起不均匀的温度分布，进一步导致折射率沿激光光轴径向变化，从而 对激光产生会聚或发散作用。 1 9 6 4 年，j p g o r d o n 等首先在极性或非极性的液体中在h e 激光 ( 6 3 2 8 n m ) 的照射下发现了光的热透镜效应，据此，他给出了一个较简单的折 射率呈抛物线分布近似模型，推出了介质中形成的热透镜的焦距公式。其后， w h i n n e r y 等人“进一步研究了该效应，丰富发展了相应理论，并基于此效应，设 计了多种热一光谱仪。此后，在机理方面，s j s h e l d o n 等。对于连续光， w b j a c k s o n 。等对于脉冲光，r v y a s 和r g i p t a “”对于静止样品及流动样品，均 进行了相应的研究工作。 长期以来，光热透镜效应的应用主要集中在光热变换分光分析方面。业已设 计的许多种基于光热透镜效应的分析仪器主要也是基于以上用途，应用于光开关 方面的研究则开展较少。在我们的工作中，采用了一种新的制备有机薄膜的方法， 6 热透镜型全光开关 即利用真空热压及真空蒸发相结合的方法，将a g t c n q “2 等有机染料分散到透明高 分子树脂( 聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) ，和聚2 一羟基丙基甲基丙烯酸甲酯( p h p m a ) ) 中，制成了均匀透明的固态光学薄膜。此外，由于是固体有机薄膜，其体积小， 兼容性好，且薄膜中不含溶剂成分，没有气泡。通过实验测定，我们证实了有机 薄膜样品具有光热透镜效应，基于其热透镜效应制备的这类光开关能够获得很高 的响应速度，且信号可以具有很大的信噪比。 热透镜型全光开关 第二章脉冲光的热透镜效应理论 在如图i l 所示的光路图中，控制光在通过斩波器后将是脉冲光，再经聚焦 透镜打到样品，样品在吸热发生热透镜效应后，将会对信号光产生会聚或是发散 的作用，从而在光电倍增管中看到信号光强度的变化，当强弱可分辨时，实现了 光开关效果。 下面将对这一实验中的热透镜效应进行分析。 图i - 1 1 ) 热透镜的形成 根据基本热传导方程( c a r s l a w a n dj a e g e r ) ，在无边界的圆柱体的介质中，半 径，处、时刻为，时，单位强度的瞬时热流从，处、时刻，”传导过来，将满足下面 的方程： ( 热传导方程) g ( r ，r ，一r ”) = - i i 页；二而e x - 【：i ；i 等】，。( - j i 五舌：而) ( 一一) 其中d = k p c 。，d ( c m s e c 。) 热扩散系数，k ( c a l s e c - 1 k 1 ) 热传导系数， c p ( c a l g 。k 。) 热容量，。是一贝塞尔函数。在( r ，f ) 处的温升可以通过方程i 一 1 计算出来，其中热量就是脉冲对时间积分( 在，时间里) 的总量。用一个热源方程 q ( r ) 表示，那热量将对r 积分。因而，对于一个连续源q ( r ) 咖，我们将看到在 热透镜型全光开关 介质中的温升可以写成： 7 1 ( r ，f ) = d t c 。咖q ( r ) g ( v ，f ) ( i 一2 ) 其中t ：，一t ”，所以0 _ - z z b ：可将( 2 0 ) 简化为： l ( t , m ) - 1 ( 0 , 0 ) ：。旦二一一1 ：一 ( i 一2 1 ) ，( o ，0 ) d 2 【1 2 f ( t ，朋) 】f ( t ，m ) 2 z 一1 对于那些被忽略的项进行仔细研究发现，这样的简化将是误差很小的( 百分 之几) ，可以看到示波器中检测结果与理论很好地符合。进一步，我们只改变光强 大小，发现观察到的信号能很好地符合( 1 - - 2 1 ) 式。 热透镜型全光开关 双光束热透镜效应引入了同时检测的概念，所以交流信号必定是从( 1 - 2 1 ) 式中得到，在第m 个波形时的波动是探测光在f = 0 和t = f 时的强度差。 a ( o ，f ，m ) = i ( o ，m ) 一i ( r ，川) ( i 一2 2 ) 将其与i ( o ，0 ) 联系起来有： a ( 0 , r , m ) ：盟! 上型! ! l l ( r , m ) - 1 ( 0 , 0 ) ( i 一2 3 ) 1 ( 0 ，0 ) i ( o ，o )i ( 0 ，0 ) 如果实验是在低吸收、低热能的情况下做的，热透镜效应f e 4 , ，f ( t ，m ) _ 2 z 对于所有时刻都成立，此时( i 一2 1 ) 式可改写为： !：型! 丛! 竺! f ( t ，m ) 2 z l 1 1 2 z f ( t ，m ) = 志卟喜意朋= 善赢，9 ”z 。， 所以( 1 - - 2 3 ) 可以写成： 铲= 砉c c 志卜c 志朋 q l s 如果f ( t ，m ) _ _ 2 z ( 并非经常出现这种情况) ，我们可以将( i 一2 5 a ) 再简化 成只取q = 1 时的情形： 酉a i ( o , r , m ) l ( o = 2 烈志f ( o 一志f ( r ) ，o ) 、 ，聊)，脚) 。 珑等鑫c 去+ 薯t 鬻篙耀一丽志而， 因此，欲比较( i 一2 1 ) 式的计算值与实验值，必须首先从( i 一2 5 b ) 中将傅 立叶积分提取出来，对于某一范围内的特征时间，。而言，波形是特定的。实际上， 8 5 的光强是出现在傅立叶积分的成分中，傅立叶积分在t 。变化o 2 5 范围内只变 化小于0 0 5 ( 对苯而言) ，这比实验精度要高，所以此模型是合适的。 以上，虽说是对脉冲光热透镜效应的分析，但脉冲光作为连续光的一种特殊 情形，由此计算出的透镜焦距与连续光理论“。”的计算值吻合得很好。 热透镜型全光开关 第三章光开关有机薄膜样品的制备 第一节样品材料的选择 1 1 染料 选择的染料：要求其耐光，耐高温，具有较好的热膨胀性，同时在6 3 2 8 n m 波长处有较大吸收，而对7 8 0 h m 波长近红外光透明。 目前尝试的有a g t c n q 和c u p c ( 酞菁铜) 。以a g ( t c n q ) 为例简单讨论。 a g ( t c n q ) 是一种的电荷转移型络合物“”，它在光、电存储方面的应用已被 广泛研究，除可用作电双稳的分子器件，可逆光致变色存储材料外，我们在此探讨 其在光热开关上的应用。 a g ( t c n q ) 通过真空热压方法加入高分子材料后，由其透过率光谱图i 一4 可见 较之于7 8 0 h m 处，它在6 3 2 8 n m 处有相当大的吸收，所以染料将会对6 3 2 8 n m 的控 制光有一强吸收，吸收的热量在高分子基质中的分布产生热透镜效应。 _ _ 门 i r 一一 f ： _ iljr jj 一 i i 1 2 高分子材料 5 006 00700b o09 00 w a v e l e n g t h ( n m ) 图i - - 4a g ( t c n q ) 分散到p h p i 中后样品 对于用作热透镜型光开关主要成分的高分子材料有以下要求：耐光，透明 热膨胀性好。 以下为几种常用高分子及无机材料的光学参量“3 ” 一n净ph刊叽hg口叮h工 热透镜型全光开关 高分子材料 p m m ap cp sc r3 9 无机玻璃 光通过( ) 9 2 9 38 7 8 98 8 9 08 9 9 l9 0 9 1 折射率温变 1 11 21 1 1 7 6 + 10 0 2 + 2 o n a t ( 1 0 。4 o c ) 线膨胀系数 1 1 91 2 61 0 61 3 2 2 4 5 2 ( 1 0 1c m 。c ) p m m a ：聚甲基丙烯酸甲脂 p c ：聚碳酸脂 p s ：聚苯乙烯 ( 十1 ：计算公式得出女2 ：可能与高分子计算方法不同) 第二节样品薄膜的制备 至于热透镜型光开关样品的制备，我们实验室将热压法与真空蒸发结合起来制 备了均匀的有机光学薄膜。 样品制备分为以下三个步骤： 第一步，在光学玻璃上用真空热压方法，制备一层厚度约几十微米的透明高分 子树脂光学薄膜。典型的有聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) ，聚2 一羟基丙基甲基丙烯酸 甲酯( p h p m a ) ，聚苯乙烯( p s ) ，聚碳酸树脂( p c ) 等。方法见如下示意图( 图i 一 5 ) 。 热透镜型全光开关 r 昌佶 分子耪束 扁 高分 子材 图i 一5 制备高分子介质膜 将一定量的经过再沉处理的高分子粉末置于玻璃基板上，其上覆一块铝箔， 置于真空系统内，抽至2 1 0 。3 e ，在某一温度下预热除气4 小时后，再加热到高 分子的玻璃化温度t ，加压，并保持5 1 0 分钟，将在玻璃上制得一层厚度约几十 微米的透明而不含任何溶剂的高分子树脂薄膜。 对于我们试验中采用的样品，具体而言，p m m a 是保持在9 0 。c 预热除气4 小时 后，加温至1 5 0 。c ，加压：p c 的对应温度是1 5 0 。c 和2 5 0 。c ，p s 的对应温度是i 2 0 。c 和1 8 0 。c 。 第二步，用真空蒸发法在其上蒸镀一层厚度约为0 2um 的a g ( t c n q ) ，如图i 6 ( a ) 所示。 襄空蕞发的蠹辐 分散有囊辑的高分 子蕾瞪 图i 一6 ( a ) 蒸镀了染料的高分子膜 ( b ) 光开关薄膜器件 1 6 ( b ) 令 热透镜型全光开关 蒸镀所用的镀膜机为北京仪器厂出品的d m - - 4 5 0 型镀膜机，采用石英晶体振 荡测厚仪对膜厚进行实时监控。t c n q 的蒸发源采用外绕电热丝的石英坩埚。银的 蒸发源用钼舟。 第三步，再将一枚按照步骤一预先制备有高分子膜的玻璃基板与步骤二所制 薄膜合在一起，即将a g ( t c n q ) 夹于其问，再次进行真空加温加压处理。最后制 得如图i 一6 ( b ) 所示均匀透明的固态光学薄膜样品。 第二节样品制备方法的讨论 我们在尝试真空热压法制备有机薄膜时，采用的染料是分散红1 ( d r 一1 ) ，粉 末状d r 一1 呈深红色。 采用的高分子材料为粉末状聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) ，预热温度约9 0 度，加压 时升温至1 5 0 度。 图i 一7 为该样品r b s 深度分析图，从中可见，染料基本上是均匀分散在高分 子材料中。 c h a n n e i 图i 一7d r 一1 p m m a 真空热压薄膜的r b s 能谱 图中横轴为出射粒子能量，与样品深度联系，图中由左至右，相应于从薄膜 样品由深至浅处出射的粒子。纵轴为计数。由d r 一1 分子式可见，n 为染料特征元 素，在图i 一7 中可以看到，一定深度内，其分布较均匀。因此，染料基本上是 均匀分散在高分子材料中。 热透镜型全光开关 僦 一椰 ! 言 叫 h 。c 。、 o 州 0 * 一 ! 二 。喊 i ； 3 - 如 ，易髫缸j 一 1 j 、。l 一。 j。 i l5 1 。一n 。“i 、n 。、。一j 删j ?j i|。j|?i一。t?、。，?_vv一、，、一一j。in-一一岵岫、乙。i。、。、j、。、。一、一。一?。?- 图i - - 8 a 粉末状d r 一1 样品x 射线衍射谱 图i - - s b 蒸发于玻璃表面的d r _ l 薄膜x 射线衍射谱 图i - - 8 c 真空热压后的d r l 与p m m a 薄膜的x 射线衍射谱 一 ：二iiin 热透镜型全光开关 图i8 a ，b ，c 为样品x 射线图。图a 是粉末状染料d r 一1 ，图b 是直接将 d rl 真空蒸发至玻璃上时的x 射线衍射图。图c 是通过真空热压将染料分散至高 分子材料后的x 射线衍射图。可以看到，前两者均呈多晶态，后者基本上呈非晶 态。 在热压制成的的样品的x 射线衍射谱上，表征d r1 多晶态的特征峰大多已消 失，薄膜基本呈无定型态。这就很好的揭示了在热压过程中，染料物相发生的由 有序向无序，由多晶向非晶的变化。 可以想象，在以接近高分子材料t g 的温度长时间预热后，高分子材料相对于 染料分子而言，变得如同一种溶剂，使原本为多晶态的染料分子逐步“溶解”在 其中。当温度升高，压强加大，这种“溶剂”对染料的溶解度加大，一方面使染 料进一步进入高分子材料，另一方面，促使已进入高分子材料内部的有机染料小 分子由于无序的热运动在高分子材料中均匀分散。最终，染料完全均匀地“溶解” 在高分子材料中，变为微观无序，从而体现出非晶态。 真空热压法制备的样品的突出优点在于： 1 、相较于旋涂工艺，热压法制备的样品不含有机溶剂，因此也就避免了由之 产生的气泡对入射光线的散射。 2 、染料在高分子基质中均匀分散，有利于响应速度的提高。响应速度与膜的 结构有极大关系，作一极端假设，染料与高分子是分立的两层薄膜，形成 热透镜效应须得经过染料的吸热一热量传导至高分子一高分子形成热透 镜，显然它的响应速度受到了制约。因此，光学薄膜中高分子材料与有机 小分子的互容性、均匀性将是光开关样品响应速度的制约因素。 3 、相较于其他化学方法，热压法制备的介质薄膜厚度与实际的激光共焦距离 相近，可获得较快的响应速度。 热透镜型全光开关 第四章有机薄膜样品的测试 第一节热透镜型光开关的测试 1 ) 测试光路 样品基于热透镜效应的开关功能可以在如图所示光路中测试。 p d l p d 2 一光检出器：l 一光闶；f - 遮光片：c l 一准直透镜： d e 一样品：f l 一会聚透镜：f c 一焦点：l d 一半导体激光嚣： d m 一半反镜；i - i k h e 。n e t 光器 m o i c i i l $ 1 n ，m 一半反镜 图i 一9 测试光路图 其中，调制光采用波长为6 3 2 8 n m 的氦氖激光，出射功率约4 0 r o w ，经由机械快 门或声光调制器后，与用作信号光的7 8 0 n m 的半导体激光同轴，通过一个2 0 倍率的 物镜聚焦于样品上同一点，到达膜面功率约l o m w 。样品置于可沿光路方向作微调 的调节平台上。通过微调样品的位置可以使会聚激光的焦点位于薄膜样品沿光路 方向的不同厚度处。实验中，p d 2 探测器采用了华东电子管厂的g d b 一2 3 9 型端窗式 红外光电倍增管。这种倍增管直径3 0 m m ，具有半透明银氧铯光电阴极，其光谱相应 特性覆盖了从3 0 0 至约1 2 0 0 n m 的非常宽广的范围。 由于调制光的热能被样品吸收，引起样品的折射率发生改变，使同轴通过的 信号光产生折射，最后被检测到的信号光强度发生变化，从而被调制。如测试光路 图，两束光同轴通过l o 倍率的准直透镜后，经由滤波片，6 3 2 8 n m 的调制光被滤 去，剩下的7 8 0 n m 信号光再通过一孔阑被探测器接收，通过示波器可直接观察探 测信号。 热透镜型全光开关 2 ) 测试结果 一束聚焦的脉冲调制光通过结构如图i 一1 0 所示的薄膜器件，随着脉冲调制光 聚焦位置的不同，将使同轴通过的信号光的出射角与无调制光时相比，产生相反 的两种变化( 见图il o a ，b ) 。这是因为激光焦点处形成一薄的凹透镜。 无_ l ! 醴t 时的鼍光 键t 的馕先 ( a ) 焦点会聚在入射面时的情况 t 一丹t 育鍪# 的高外于麒 光 ( b ) 焦点会聚在出射面时的情况 图i 1 0 调制光焦点位置对出射的信号光的影响 图i l o a 中，当调制光焦点位于功能膜的入射面时，出射的信号光变得比无 调制光时更发散。图i 一1 0 b 中，当调制光焦点位于功能膜的出射面时，原本发散 的信号光得到某种程度的会聚。这样，出射的信号光通过位于光探测器前的限制 小孔后，光强度就可由调制光来进行调制。 热透镜型全光开关 具体测试结果如下 图i lla 焦点会聚于入射面的测试结果 上方为6 3 3 n m 调制光，下方为7 8 0 n m 信号光，开始时调制光o f f ，当调 制光0 n ，信号光强变小，再度使调制光o f f ，信号光强恢复。连续数次。 图i1 1b 焦点会聚于出射面 上方为63 3 n m 调制光，下方为7 8 0 a m 信号光，开始时调制光0 n ，之后 调制光o f f ，信号光强变小，调制光o n ，信号光恢复连续数次 热透镜型全光开关 参照图i l l a 、b ，可以看出调制光焦点位于功能膜的入射面及出射面时，出 射的信号光变得比无调制光时更发散或是更会聚。 在此我们采用了较厚的样品，当调制光的频率较低时，可以观察到样品的热 饱和性，从图中可见，随着调制光调制次数增加，信号光相对变化强度递减，同 时，开关弛豫时间将变长。 上述均为采用a g t c n q 为染料，用颗粒状p m m a 研磨后经热压制备的样品。 下图为对6 3 3 n m h e n e 激光使用声光调制器调制一连续脉冲时，信号光强度随 调制光变化而受到调制的情况。样品为将a g ( t c n q ) 用第二章所述方法分散到p f i p m a 中制成。测试时，调制光到达样品膜面的功率为l o 1 m w ，会聚和准直透镜分别由 倍率为2 0 和1 0 的物镜组成。 幻 b ) c ) 图i 一1 2 调制光为连续脉冲时的信号光强度 a 的时问域为2 0 0 微秒；b 的时间域为1 0 0 微秒：c 的时间域为2 0 微秒 从图1 - 1 2 可以看出，器件在频率较低时的响应还是很强的，但随着频率的提 高，响应强度变小，至5 0 k c 时，还能分辨出信号。以目前的结果来看，我们证实 了分散有a g ( t c n q ) 的高分子树脂薄膜具有光热透镜效应，且信号可以具有很大 的信噪比。目前在实验中观察到的响应频率达到5 0 k c 的程度，距离实用，还有一 定的差距。 第二节响应速度的讨论 我们从上一节知道，热透镜型全光开关的实用化道路上最现实的问题是它的 响应速度，也就是说如何能在极短时间内实现信号可辨别的变化。实用化标准一 般是几十纳秒，这对热透镜型光开关是一严格的要求。在我们的实验中，样品材 料是在两层高分子材料中扩散了一层染料，染料分子作为控制光( 6 3 2 8 r i m ) 的灵 敏材料，将充分吸收控制光的能量。高分子材料在热流作用下的热透镜效应将是 光开关的本质所在。 下面是对我们一种实验样品的响应速度的数值计算： 热透镜型全光开关 首先，我们计算热透镜焦距f 与激光照射时间，的关系： 即) = 乏篙2 勰2 = 删山2 t ( - 瑙， o 2 4 p 耐( d 出) ( 8 d f ) f 。= k e e n , 2 j o j 2 4 p e d ( d n d t ) ( 1 - 2 7 ) 其毗= ，它反 映了热透镜的形成快慢，其它参数如前定义。 显而易见，t ，( 特征时阳j ) 是由材料的热扩散系数d 及激光的最小腰宽缈。决 定的。而d = k p c ，k ，p ，c ，分别是材料( 样品中高分子材料) 的热传导系数、 密度、热容量，一旦材料选定，这些参数就基本确定( 只会随温度有较小波动) ， 而激光的最小腰宽决定于激光器及透镜的性能，随着它们性能的优化，t 。的减小 将会非常明显。 当控制光最小腰宽降到微米量级，对于高分子材料而言，它的t 。一般在微秒 级! 以，。为参考点，算出时间f 与透镜焦距，( f ) 的关系。 i ) 计算0 0 1 t c - - t 。之间的f ( f ) 的值 f ( o o l t 。) = ( 1 + 丢) 瓦= ( 1 + 矛吾面只= ( 1 + 5 。) 只= 5 l 瓦 f ( 0 0 2 t 。) = ( 1 + 丢) 瓦= ( 1 + 击) 瓦= ( 1 + 2 5 ) 瓦= 2 6 瓦 f ( 0 0 3 t 。) = ( 1 + 1 7 ) e = 1 8 瓦 f ( 0 0 4 t 。) = ( 1 + 1 2 5 ) 瓦= 1 3 5 只 f ( 0 、0 5 t 。) = ( 1 + 1 0 ) 瓦= 1 1 f ( 0 i t 。) = ( 1 + 5 ) 瓦= 6 瓦 f ( 0 2 t 。) = ( 1 + 2 5 ) 瓦= 3 5 只 熟透镜型全光开关 f ( t 。) = ( 1 + o5 ) 凡= 1 5 只 再计算瓦的值，根据实验条件，拟出如下参数的数值 n ，、= 15 ； k = 4 1 0 4 c a l s e c oc m d e g = 1 6 8 1 0 j s e c o c m d e g p = o 0 2 w ： a = 2 0 ：d n m ：1 0 一4 则：只= 女删。2 0 ) 。2 0 2 4 p b l ( d n d t ) = 刀1 5 4 x 1 0 4 4 2 x 。2 ( o 2 4 x0 0 2 x0 2 1 0 4 ) 8 2 5 0 0 珊o2 c m 在我们的实验中，激光的最小腰宽珊。大概1 0 a n ，所以f ) = 8 2 5 m ，也就 是1 0 3 k o n ! 最后，我们：利用公式( i 一2 0 ) 计算出射光强与入射光强的变化 ，( ，；) 一，( 0 ；o ) 0 ) 22 ( 0 ；o ) 一 ，( o ；o ) 0 ) 22 ( 甜”) = 万b 而i 1 崭篙2 筹d z 两2 z f ( t ；m ) 一 ( 卜z s ) ( 2 + z “) 一d 尸( f ；，咒) 2 + d 2 【1 一 、7 其中b = 腼。2 2 为共焦参数，是信号光强度，脚，t 指第m 个脉冲的，时刻。 样品热透镜效应的光路图参照i - - 3 ，当激光采用单脉冲时，( 1 - - 2 8 ) 式可写 为： b2 + z 1 2 + 2 z d + d 2 ，( o )( 62 + z 2 ) 【1 一d f ( t ) 2 + 2 d z + d2 1 2 z f ( ，) 】 实验中，满足远场条件下，有d - 卜z ，( 4 ) 式简化为： 盟i ( 铲02 万b 而 a 丽岛d 俪2 z 一)( 2 + z 旧)f ( r ) 2 + 2 【1 一 ，( f ) 。! 一1 ( b 2 + z 2 ) f ( f ) 2 + 1 2 z f ( t ) 1 样品放置的位置为z = , f i b ，这时有最大的热透镜效应；控制光波长 丑= 6 x1 0 c m ；同时考虑到热透镜是对光束发散的，所以f ( f ) 为负值；这样我们 有： 热透镜型全光开关 ，( f ) 一，( o ) ，f 0 、 4 b2 f ( ，) 2 + 1 2 - , 3 b f ( t ) 1 4 r o w 。2 五】2 ( 1 + f 。2 t ) 2 8 2 5 0 0 w 0 2 2 1 + ! 堕! 丝= + 1 ( 1 + f 。2 t ) 8 2 5 0 0 w 。2 一三l + ! ! ! + 1 ( 1 + t 。1 2 t ) 21 + t 。2 t 同样以，。为参考点，计算筹等与，的关系 i i ) 獭0 0 l t - - t c 之间等的变化 m ( o 0 1 t 。) ，( o ) a ( 0 0 2 t 。) ，( o ) a ( o 0 3 t 。) ，f o ) ( 0 0 5 t ，) ，( 0 ) a ( 0 i t 。) ，( o ) m ( o 2 t 。) ，( 0 ) a ( o 5 t 。) ，( o ) 1 7 5 ( 1 + f 。 2 x0 0 2 t 。】) 2 + 一 ! ! ! + l 1 + t 。 2 x 0 0 2 t 。】 ! ：! ! = + ! ! ! + 1 一_ + + ( 1 + f 。 2 0 0 3 t 。 ) 21 + ，。 2 x 0 0 3 t 。】 ! ! ! = + ! ：! ! + 1= _ + + j ( 1 + r 。 2 0 0 5 t 。 ) 21 + f ，1 2 o 0 5 t 。 ! ! ! = + ! ：! ! + 1 ( 1 + f 。 2 0 i t 。 ) 21 + r 。 2 0 i t 。】 1 7 52 1 9 ( 1 + f 。 2 xo 2 t 。】) 21 + f 。 2 o 2 t 。】4 - 1 _ + 1 7 5 ( 1 + f 。，【2 o 5 t 。】) 2 + ! ! ! + l l + f 。 2 x o 5 t 。】 一1 = 一0 0 4 1 1 = 一0 0 8 1 = 一0 1 1 8 9 1 = 一o 1 7 6 0 1 = 一0 2 9 2 6 1 = 一0 4 9 2 8 1 = 一0 6 0 5 1 淼一伊 热透镜型全光开关 酉a l ( t c ) 2 二堕= = 1 巫j 十一o a 川 ，( o ) ! ：! i + ! ! ! + 1 1 ( 1 + f 。 2 t 。】) 21 + t 。 2 t 。 至此，我们对光开关的响应速度有了一个更深入的认识，当激光的最小腰宽 在微米量级，0 i t 。( 大约几百纳秒) 时肯定实现了光开光的信号辨别，甚至o 0 2 f 。 ( 大约几十纳秒) 时实现信号的辨别也是可能的! 也就是说样品的响应速度达到 了1 m c ，甚至1 0 m c 。 第三节高速全光开关测试的困难 从以上的讨论中可以看出，控制光的最小腰宽在微米量级时，实验样品的开 关响应达到几十纳秒，即1 0 m c 的响应速度。但实验中观察到这一高速的开关响应 却很困难。 这种困难主要来自于探测设备的灵敏度与响应速度的矛盾。光开关的信号检 测无疑属于弱信号检测，我们使用了灵敏度高的光电倍增管，但光电倍增管的响 应速度慢，制约着高速响应的检测。 为了提高探测设备的响应速度，我们希望在实验中使用光电二级管或是光电 池进行信号检测。它们的响应速度提高了，但灵敏度有限。为了克服这一矛盾， 可以在探测和分析上，对信号进行合理的滤波放大( 设计一前置放大电路) ，使信 号在光电池、光电二级管中可观测。 第四节样品的稳光性能测试 从第二章的理论中我们可以看到，有机薄膜样品的热透镜效应会随着光强 的增大而变得强烈，也就是说热透镜效应应是随着功率上升的。如果将激光聚 焦在样品的前焦面上，随着热透镜效应的增强，对光束的发散将会越来越强烈， 当采用单光束的情形，将有望用作自调制的稳光器件。 下面是应用于光开关测试的样品稳光性能测试的光路图： 热透镜型全光开关 图i 1 3 稳光测试光路 采用6 3 2 8 n m 的m n e 激光器，衰减器对6 3 2 8 n m 激光在3 6 0 0 的圆周内透过 率递减，让透过衰减器的激光光强从最小值处不断递增，最后达到最大，每2 0 。 记录一组数据。实验数据如下图所示： 51 0i52 d2 63 口 p ( n 1 w ) 图i 一1 4 稳光曲线 在图i 一1 4 中纵坐标是激光通过样品及小孔后到达光电倍增管测得的光电压 v ，横坐标是激光通过半反镜到达功率计的功率p 。如果没有样品热透镜效应的调 制，它们应该是一条直线，如图中虚线所示。但实测曲线