《高分子物理》課件-二階非線性光學(xué)材料

研究方向

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全光極化含偶氮聚合物材料的二階非線性光學(xué)性質(zhì)研究

主要是通過全光極化的手段，在偶氮均聚物、共聚物，以及交聯(lián)體系的聚合物介質(zhì)中，獲得非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而使材料具有二階非線性。其“自動(dòng)滿足二次諧波的相位匹配條件”的優(yōu)點(diǎn)，將有望應(yīng)用于非線性倍頻光波導(dǎo)領(lǐng)域。什么是“全光極化”?應(yīng)用領(lǐng)域

Electro-opticModulatorsNLOwaveguidesintheswitch主要工作一.側(cè)鏈型偶氮均聚物的全光極化研究二.側(cè)鏈型偶氮共聚物的全光極化研究三.HMMM基交聯(lián)型聚合物的二階非線性光學(xué)性質(zhì)研究四.軟刻蝕法制備PMMA/SiO2雜化材料微結(jié)構(gòu)五.動(dòng)態(tài)扭振法研究有機(jī)-無機(jī)雜化材料制備過程中的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變

聚合物光子材料實(shí)驗(yàn)室全光極化的特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn):1.能夠在介質(zhì)中形成準(zhǔn)相位匹配的傳輸通道，即自動(dòng)滿足二次諧波的相位匹配條件。

2.不需要直流電場(chǎng)和電極

3.常溫下即可進(jìn)行、具有局域性。應(yīng)用:光倍頻全光極化對(duì)材料的要求

材料自身的吸收問題例如，當(dāng)光源是1064nm時(shí)，其倍頻光在532nm,這時(shí)如果該材料在532nm處有強(qiáng)烈的吸收，那么，由于材料自身吸收了一部分產(chǎn)生的倍頻光，則必然使最終的SHG信號(hào)顯著降低。而且，傳播距離越長(zhǎng)，最終的SHG轉(zhuǎn)化效率越低。因此，如何解決這一問題，是目前研究的熱點(diǎn)之一。

SHG的穩(wěn)定性問題包括兩層含意:時(shí)間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。前者指室溫條件下，SHG信號(hào)能保持的時(shí)間長(zhǎng)短。PMMA/SiO2雜化材料雪花狀微圖形結(jié)構(gòu)的SPM

雜化材料微結(jié)構(gòu)的激光衍射測(cè)試光源棱鏡樣品接收屏激光衍射裝置示意圖各種微圖形不同接收距離的激光衍射花紋（A）蜂窩狀微圖形衍射效果，10cm（B）蜂窩狀微圖形衍射效果，30cm

各種微圖形不同接收距離的激光衍射花紋（C）雪花狀微圖形衍射效果，10cm（D）雪花狀微圖形衍射效果，30cm

各種微圖形不同接收距離的激光衍射花紋方格陣列狀微圖形衍射效果，20cm6μm寬條紋微圖形衍射效果，20cm弛豫過程的擬合與比較SampleA0(a.u.)A(a.u.)

tA(min)DR1-PMMA0.115780.856414.50772PCN20.810720.1860217.84335PCN60.782980.1798315.3959585.4％81.5％12.3％二.側(cè)鏈型偶氮共聚物的全光極化研究側(cè)鏈型偶氮共聚物的表征SampleInitialfeed(CN2,wt%)Copolymercomposition1(CN2,wt%)Copolymercomposition1(CN2,mol%)Glasstransitiontemp2(℃)PCN444.231.3106PCN10109.393.0107PCN333339.4816.3111PCN505059.6330.6114PCN757584.6962.3118PCN100100100123偶氮共聚物薄膜的物理參數(shù)

SampleThickness(mm)nTransmittance(100%)d33(pm/v)PCN428.271.49781.180.51PCN1023.241.50780.31.33PCN3329.591.54428.45.42PCN5019.471.57420.2612.69PCN7510.851.61354.46.44PCN18.631.66217.26.09共聚物中偶氮含量對(duì)d33值的影響PCN、PCNx和PMMA-DR1的SHG弛豫過程

小結(jié)

隨著共聚物中偶氮含量的增加，二階非線性系數(shù)d33值先上升后下降，偶氮的重量分?jǐn)?shù)為60％時(shí)最大；偶氮含量的變化對(duì)SHG的弛豫過程影響卻不明顯，具有相同的SHG時(shí)間穩(wěn)定性,原因可能主要來自于主鏈和側(cè)鏈之間相同的spacer的存在對(duì)衰減過程的影響。

通過控制偶氮共聚物中偶氮的含量，可以獲得具有最大d33值和SHG時(shí)間穩(wěn)定性的NLO聚合物材料，這對(duì)于材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。三.HMMM基交聯(lián)型聚合物的二階NLO性質(zhì)研究常用的密胺（三聚氰胺）基材料特點(diǎn)：該交聯(lián)體系具有較低的光傳播損耗，可以得到優(yōu)異的光學(xué)質(zhì)量的薄膜。HMMMHMBG兩個(gè)不同體系(a)DR-1(b)DR-19HMMM/DR-1

HMMM/DR-19可在光路上加熱的實(shí)驗(yàn)裝置極化過程中生色團(tuán)不同對(duì)SHG的影響HMMM/DR-1體系在不同溫度下的極化過程實(shí)現(xiàn)全光極化需要滿足的必要條件從能量平衡的角度考慮，實(shí)現(xiàn)全光極化的條件是以下兩個(gè)要素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果：極性光電場(chǎng)熱運(yùn)動(dòng)矛盾使分子取向使分子無規(guī)運(yùn)動(dòng)（解取向）U≤μE光電場(chǎng)作用于偶極子使之取向的能量

分散紅1，DR-1的偶極矩為[14]：m=8.7D

因此，光場(chǎng)對(duì)偶極子作用產(chǎn)生的能量可以表示為：

與分子熱運(yùn)動(dòng)聯(lián)系的內(nèi)能U

對(duì)于單原子理想氣體，可以用配分函數(shù)來求出其熱力學(xué)函數(shù)內(nèi)能U。因此，與分子熱運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的理想氣體的內(nèi)能可表達(dá)為

該公式的引入，是以“單原子理想氣體”為模型，實(shí)際樣品為聚合物薄膜，因此，加一粘滯因子

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度為33～53℃時(shí)有SHG信號(hào)，即可以實(shí)現(xiàn)全光極化；而當(dāng)63℃時(shí)，全光極化信號(hào)則基本消失。可認(rèn)為53℃是滿足上式的臨界條件，從而求出粘滯因子h

小結(jié)

至此，得到了偶氮聚合物薄膜樣品實(shí)現(xiàn)全光極化需要滿足的必要條件：

該式描述了溫度，生色團(tuán)偶極矩與光電場(chǎng)強(qiáng)度三者的關(guān)系。粘滯因子h

的引入，可用于研究表征聚合物薄膜凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)生色團(tuán)小分子的影響。四.軟刻蝕法制備PMMA/SiO2雜化材料微結(jié)構(gòu)“軟刻蝕”（Softlithography）是一類非光刻技術(shù),其特征是使用一個(gè)彈性印章來進(jìn)行圖形的復(fù)制與轉(zhuǎn)移或采用印章當(dāng)作掩模。本章中用用軟刻蝕中的微模塑技術(shù)對(duì)PMMA/SiO2雜化溶膠薄膜進(jìn)行微模塑加工，得到一系列各種圖樣的雜化材料微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)，用光學(xué)顯微鏡、SEM、SPM、激光衍射等手段進(jìn)行了分析表征，希望能在制備具有精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的非線性倍頻波導(dǎo)器件等方面有所應(yīng)用。雜化溶膠的熱分析及熱處理過程的確定

首先將雜化溶膠膜在100℃下處理30min,然后進(jìn)行微模塑操作,并熱處理至190℃,最終完成凝膠化轉(zhuǎn)變。

這樣可以避免由于大量的溶劑造成的印章