光交联聚合物液晶偏振全息光栅的偏振转换

元本明，小野浩，川月信弘，内田惠，川原正美

版权AD-TECH;被许可人AZoM.com私人有限公司

这是一篇AZo开放获取奖励系统(AZo- oars)的文章，在AZo- oars的条款下分发//www.wireless-io.com/oars.asp在适当引用原著的情况下，允许不受限制地使用，但仅限于非商业性传播和复制。

AZojomo (ISSN 1833-122X)第2卷2006年6月

主题

摘要

关键字

介绍

实验

理论

结果与讨论

结论

参考文献

详细联系方式

摘要

在光交联聚合物液晶中制备了具有高温耐久性的偏振全息光栅。合成的光栅可以在衍射激光的同时转换偏振态。琼斯分析可以很好地解释这些特征。

关键字

液晶，偏振，全息，光栅，光交联

介绍

在光学数据存储、双折射薄膜、高度功能化光学器件等方面，高分子材料分子取向的光控制具有重要的应用价值。欧洲杯足球竞彩利用线偏振光，可在含有光活性基团的聚合物薄膜中产生光学各向异性，如偶氮染料掺杂聚合物[2,3]、含偶氮苯聚合物[4-6]和各向异性光反应聚合物体系[7]。其中，偶氮染料或偶氮苯聚合物已被许多研究小组广泛地详细研究。它们可以诱导偶氮基团在垂直于线偏振光电矢量方向上的反式顺式光异构化。此外，我们还研究了一种光交联聚合物液晶，该液晶含有(肉桂氧基)乙氧基联苯侧基，其共聚物在线偏光紫外(LPUV)光下显示出热稳定的介晶侧基重定向和随后的退火[8,9]。光交联的介生基团被发现在平行于LPUV光的方向上重新排列，这是由肉桂基取代基的轴选择光反应引起的。此外，在以(4-甲氧基-肉桂酰氧基)联苯侧基[10]取代的聚甲基丙烯酸酯液晶膜中观察到介生基团的面内重定向方向的逆转。这意味着重定向方向可以由光反应的程度来控制。

如果能够为高度功能化的光学器件设计出分子重定向的空间模式，则可以利用介晶分子重定向方向的可控性来实现新型光学器件。为此，实现重定向图形的制造技术常常受到重视。其中一种复杂的方法是偏振全息技术[11-13]。在偏振全息技术中，使用两束偏振正交的相干光波作为书写光束。两个等幅正交偏振相干波的干涉图样(正交线性;OL，正交圆形;有一个恒定的强度，但它有一个偏振态，在空间中被周期性地调制。如果用上述极化诱导双折射的功能化材料辐照干涉光，就可以记录在这些材料中，偏振光栅的初步数据已经在我们之前的工作[13]中得到。欧洲杯足球竞彩在本论文中，我们展示了存储在我们的光交联聚合物液晶中的单偏振光栅和二维偏振光栅，并基于琼斯计算对产生的偏振光栅进行了表征。偏振光栅可以控制激光束的偏振态和传播方向，并用琼斯计算很好地解释了这一特性。

实验

在本文中，我们使用如图1所示的具有4-(4-甲氧基肉桂酰氧基)联苯侧基的光交联聚(甲基丙烯酸甲酯)液晶来制作热稳定的偏振光栅。以甲基丙烯酸酯单体为单体，以2,2 ' -偶氮双(异丁腈)为引发剂，在四氢呋喃中采用自由基溶液聚合法制备了光交联聚合物液晶。根据我们之前的研究，我们的光交联聚合物液晶通过LPUV光和随后的退火表现出热稳定的介生基团重定向。将聚合物溶液在透明的夸脱载玻片中自旋浇铸制备了薄的光交联聚合物液晶薄膜，得到了300纳米厚的薄膜。聚合物液晶呈非晶态结构，薄膜具有良好的光学质量。

用发射325 nm连续波的He-Cd激光器进行偏振全息记录，实验装置如图2所示。将He-Cd激光束分为两束，两束等强度的写入光束在交点处相交角度撞击聚合物液晶膜。用半波片和/或四分之一波片分别控制两束写入光束的偏振态，用两束正交偏振、相互相干的He-Cd激光写入偏振光栅。两个正交偏振相干波的干涉图样具有恒定的强度，但偏振状态是周期性调制的。在这种情况下，如果用具有激光诱导双折射的功能化材料辐照干涉光，则空间调制的偏振模式有望被记录在这些材料上。欧洲杯足球竞彩

理论

在本文中，我们考虑了两种由平面波E相互作用形成的偏振干涉图样的影响₁和E₂，等振幅E，正交极化。在OL暴露情况下，E₁是垂直线偏振的，而E₂水平-线偏振，产生的两种波是偏振方向相互垂直的线偏振波。产生的光场(E=E₁+ E₂)，为OL案例描述

(1）

其中两入射波的相位差δ是位置x和光栅间距Λ的函数，可表示为

（2)

在OC暴露情况下，E₁和E₂是左圆偏振波和右圆偏振波。由此产生的光场，用

(3）

图3根据式(1)和式(3)总结了两束写入光束的偏振态，以及两束耦合在每种照射方式下的电场和强度分布。

我们假设偏振敏感材料中只产生线性双折射。在OL曝光的情况下，干涉场的强度是恒定的，只有在线性、椭圆和圆形状态之间产生的极化变化是有效的，如表1所示。特征椭球不改变主轴的方向，只改变其比例。描述记录全息图的传输的琼斯矩阵具有这种形式

（4）

式中Δφ=πΔnd / λ，Δn是光致双折射，表示薄膜厚度，λ是阅读光束的波长。描述OC曝光情况下全息记录的琼斯矩阵为

(5）

阶段记录。为了确定由式(4)和(5)所描述的偏振全息图重建的光波的偏振特性，我们考虑光场从他们的衍射，给

S = t r（6)

在哪里是阅读梁。的极化取决于两极分化．图4示意性地描述了在改变阅读光束的偏振状态时重建光的偏振特性。

结果和讨论

经过LPUV干涉光辐照后，所有样品的衍射几乎不可见，而样品在液晶温度150℃下退火。于是，光栅被热组织起来，衍射斑出现了。该光栅在大气环境中具有相当的稳定性，其光学特性具有可再现性。由于其交联结构，光栅表现出高达150°C的热稳定性，预计将用于器件应用。

在对记录光栅的衍射和偏振转换进行表征之前，先用原子力显微镜(AFM)对记录光栅的表面进行观察。图5(a)和图5(b)显示了极化全息图的表面，AFM显示了特征小于4 nm的表面拓扑。这意味着衍射光束的偏振分析可以通过假设无拓扑起伏的纯偏振光栅来实现，上述理论对我们的偏振光栅是有效的。相比之下，在强度全息记录的情况下，可以清晰地观察到表面浮雕光栅，如图5(c)所示。在强度全息记录的情况下，干涉光的强度是在空间中调制的。因此，光交联化合物的密度是空间调制的，其密度调制刺激聚合物移动。然而，在偏振全息记录的情况下，由于两个等振幅正交偏振相干波的干涉图样的强度是恒定的，因此交联化合物的密度没有调制。通过偏振全息技术记录的相位光栅对应于纯偏振光栅，根据图3所示的干涉光束的偏振信息重新定向介晶群。

图6给出了偏振光栅基本函数的典型例子。每一衍射光束的极坐标图都表示在衍射图案图的底部。对于OL偏振光栅[图6(a)和6(b)]当读数光束为线s偏振时，一阶衍射光束为线p偏振阅读光束为右侧圆偏振时，一级衍射光束为左侧圆偏振。对于OC偏振光栅[图6(c)和6(d)]，当读数光束为线s偏振时，+一级衍射光束为左圆偏振，-一级衍射光束为右圆偏振。当读数光束为右侧圆偏振时，+一级衍射光束为左侧圆偏振，而-一级衍射光束不可见。这些实验观察到的性质与理论预期一致，如图4所示。观察到的衍射效率也表示在图6中。

各条件下的衍射效率由式(6)理论上给出，其关系可归纳为:

(7)

(8）

实验结果与公式所描述的理论预期吻合良好。(7)、(8)。

利用相同的光交联聚合物液晶，在相同的位置覆盖偏振光栅，制备了二维交叉偏振光栅。图7为覆盖同一偏振光栅形成的交叉光栅衍射图案，图8为覆盖两种偏振光栅形成的交叉光栅衍射图案。通过考虑偏振光栅的上述基本特性，可以简单地解释其衍射特性及其偏振转换。为了将偏振光栅应用到实际光学器件中，其热稳定性至关重要。由于光交联结构，我们的偏振光栅具有高达150°C的高热稳定性。

结论

提出了一种可控制光束偏振态和传播方向的高稳定的一维和二维偏振光栅。由此产生的偏振光栅的特性可以用琼斯计算得到很好的解释。偏振光栅的高性能源于调控的介晶分子和光交联结构，说明了可光紧密连接液晶的选择意义重大。

确认

这项工作得到了21世纪的部分支持^圣世纪COE计划和日本文部科学省科学研究补助金(NO.14550036)。欧洲杯线上买球

Refere生均

1.作为电子和光活性介质的聚合物，V. P. Shivaev编辑(施普林格，柏林，1996)。

2.T. Todorov, L. Nikolova, N. Tomova，“偏振全息术”。1:一种具有可逆光致双折射的新型高效有机材料。Opt.， 23(1984) 4309-4312。

3.“偶氮染料掺杂聚合物薄膜中激光诱导双折射的动力学研究”，光子学报。， 15(2000) 33-39。

4.陈明华，陈明华，“分散红色侧基的非线性光学聚脂聚合物的大稳定光致折射率变化”，应用光学学报。理论物理。列托人。， 58(1991) 1131-1133。

5.acta optica sinica, 2017, 36(3): 436 - 438 .谢国忠，“偶氮芳香聚合物的光学诱导双折射和二色性”，应用光学学报，2017,36(3):436 - 438。理论物理。列托人。4-6。

6.吴勇，Y. Demachi, O. Tsutsumi, A. Kanazawa, T. Shiono, T. Ikeda，“在侧链中含有偶氮苯的聚合物液晶的光诱导排列。偶氮苯单元间隔长度对排列行为的影响”，大分子，31(1998)1104-1108。

7.“线性聚合光致聚合物的表面诱导液晶平行排列”，日本。j:。理论物理。， Part 1, 31(1992) 2155-2164。

8.N. Kawatsuki, H. Takatsuka, T. Yamamoto, O. Sangen，“线偏振光诱导的侧链液晶聚合物的光学各向异性”，J. Polym。科学。， A部分:Polym。化学。， 36(1998) 1521-1526。

9.N. Kawatsuki, T. Yamamoto和H. Ono，“用线偏振光控制光反应性侧链聚合物液晶的光诱导对准”，达成。理论物理。列托人。， 74(1999) 935-937。

10.田志刚，“光交联聚合物液晶薄膜热增强光敏取向的方向逆转”，高分子学报，35(2002)706-713。

11.L. Nikolova, T. Todorov, M. Ivanov, F. Andruzzi, S. Hvilsted和P. S. Ramanujam，“具有线性和圆形光各向异性的侧链偶氮苯酯偏振全息光栅”，应用。Opt.， 35(1996) 3835-3840。

12.陈志刚，“偶氮染料弹性体的永久偏振光栅:层状和混合样品的比较”，光子学报。点。， b 19(2002) 2531-2537。

13.高桥，N. Kawatsuki和T. Hasegawa，“光交联聚合物液晶的高稳定偏振光栅”，J.应用。理论物理。， 94(2003) 1298-1303。

联系细节