光致异构有机聚合物光开关效应的研究*

徐四六，李随源，刘晓花

（1.湖北科技学院 电子与信息工程学院，湖北 咸宁 437100；2.焦作师范学院 光电学院，河南 焦作）

0 引言

21世纪是信息高速发展的时代，信息化成为带动社会经济发展的引擎.光纤通信从一般性的服务设施，已成为社会生存和发展的神经中枢系统，其是信息时代的典型代表.然而，现有的光纤通信系统，光纤被当作“导线”，其大带宽、大流量等优越性并未充分发挥.现有的光网络里，必须经过光信号→电子信号→光信号的过程转换，相对很慢.而电子器件的数据处理速率限制了变换、中继放大、复用等过程，制约了信息传输交换数据速率的进一步提高，因而形成了一个电子“瓶颈”，严重制约了信息网络的应用.处理这一问题最为有效的方法是采用全光通信与网络，在光域上实现交换和传输，使信息网络成为透明的、无阻塞的新一代通信网.而其关键器件：如光开关、光逻辑门等实现全光化是全光网络的真正实现的标志［1］.

本文研究了偶氮苯聚合物光致异构效应与聚合物折射率变化量的关系.从理论上对偶氮苯聚合物材料制成的全光开关效应进行了分析.基于“角度烧孔”理论，建立化简的“角度烧孔”模型，由偶氮苯光致异构效应的特点出发，得到了偶氮苯生色基团分子光致异构效应对聚合物折射率变化的影响，根据“角度烧孔”模型的速率方程推导出光致偶氮苯聚合物材料折射率改变规律，分析了折射率改变随着光强的变化的关系.

1 偶氮苯聚合物光致异构的机理

偶氮化合物是指分子结构中含有偶氮基团（－N=N－）的化合物.而分子结构中含有偶氮基团的聚合物又称为偶氮聚合物.根据偶氮基团在聚合物基体中的位置，可以分为主客型、主链型、侧链型、交联型偶氮聚合物，偶氮化合物是最重要的有机聚合物之一［2］.

对这一问题的研究可以追溯到1937年，Hartley发现紫外光能够对偶氮苯中的氮 =氮双键的构型产生影响，此后，人们便对偶氮苯及其衍生物的光学性质进行了大量的研究［3］.在其吸收带内波长的光激励下，有机聚合物材料可以实现可逆的光致异构，表现为光致各向异性、二向色性和光致折射率改变等奇异的光学特性，它在光学信息处理、光存储、光孤子以及光学器件等研究领域有很大潜在应用，因而广为关注.

在特定波长的光照射下，偶氮苯会发生光致异构化.光致异构会引起生色团以及聚合物基体的运动.根据规模的大小，这些运动可以分为以下三类［4］：最小运动的规模的分子运动（molecularmotion） ；中等规模的畴运动（domain motion） ；大规模的整体（massmotion） ，也称为宏观运动（macroscopicmotion） .

关于光致异构非线性效应的角度烧孔机制（AHB） ，有三个基本假设［5］：Trans态 分子作棒状假设，Cis 态分子作球状假设；假定分子在经历了Trans→Cis→Trans异构之后，其Trans态 分子（设为棒状）的方向不变，即假设分子不转动；在计算折射率改变时，只计算Trans态 分子的密度.

2 自然光作为背景光

2.1 线偏振信号光引起的折射率改变

自然光是指非相干光从各个方向均匀照射的情况，其光致异构的速率方程为：

这里T＇和T0分别为光照下和无光照下Trans态分子的方位角密度，θ为线偏振信号光电场方向与Trans态分子轴的夹角，qTS与qCS分别为信号光的量子产率，qTb与qCb则对应于背景光.σTS与σCS分别为信号光引起的Trans－Cis和Cis－Trans异构的吸收截面张量元，σTb与σCb则对应于背景光.K为热致Cis－Trans异构速率.

方程（1）式右边第一项表征信号光激发的Trans－Cis异构，第二项表征信号光激发的Cis－Trans异 构，第三项与第四项对应背景光，第五项表征热导致的Cis－Trans弛 豫.其中线偏振的信号光引起的Trans－Cis括 异构的有效吸收截面为σTbcos2θ，而自然光的背景光引起的Trans－Cis异 构的有效吸收截而为σTb/3，该情况的光引起的Cis－Trans异构的有效吸收截面为σCb与σCS.

无信号光时，Trans态分子的密度为：

代入上式分别得：

由于信号光所引起的折射率改变为：）

这里Ω为立体角，S是与材料和信号光波长相关的正参数，θ仍然是信号光电场方向与Trans态 分子轴的夹角.

将（4）、（5）式代入（6）式得：

对于线偏振信号光，Trans态 分子的分布以信号光电场方向为轴轴对称，因此立体角dΩ=sinθdθdφ，代入（7）式并对其求积分，化简得到线偏振引起地折射率改变：

2.2 圆偏振信号光引起的折射率改变

在非相干光从各个方向均匀照射的自然光情况下，其光致异构的速率方程为：

这里T＇ 和T0分别为光照下和无光照下Trans态 分子的方位角密度，θ＇为圆偏振的信号光的波矢方向与Trans态 分子轴的夹角，qTS与qCS分别为信号光的量子产率，qTb与qCb则对应于背景光.σTS与σCS分别为信号光引起的Trans－Cis和Cis－Trans异 构的吸收截面张量元，σTb与σCb则对应于背景光.K为热致Cis－Trans异 构速率.

方程（9）式右边第一项表征信号光激发的Trans－Cis异构，第二项表征信号光激发的Cis－Trans异构，第三项与第四项对应背景光，第五项表征热导致的Cis－Trans弛豫.其中圆偏振的信号光引起的Trans－Cis括 异构的有效吸收截面为σTSsin2θ＇/2，而自然光的背景光引起的Trans－Cis异构的有效吸收截而为σTb/3，该情况的光引起的Cis－Trans异构的有效吸收截面为σCb与σCS.

无信号光时，Trans态 分子的密度为：

代入上式分别得：

又将（12）、（13）式代入方程 △（n2）=S·ʃcos2θ（T＇－T）d，：Ω得到线偏振引起地折射率改变

2.3 折射率改变随光强变化关系

下面是对（9）和（14）式取不同α、β及γ的值，使用MATLAB进行模拟所作的△（n2）/4πST0－I图：

图1 参数β=γ=0.1，α取值从上至下分别为：4、1、0.6和 0.2

同时从图中可以看出：（1）、圆偏振光的值始终比线偏振光的值大；（2）、随着光强I的增大，折射率改变将趋于饱和；（3）、当β与γ相同时，折射率改变会随着的α的增大而在增大，且始终 ＞0.

图2 参数α=γ=0.1，β取值从上至下分别为：0.2、0.6、1和 3

同时从图中可以看出：（1）、圆偏振光的值始终比线偏振光的值大；（2）、随着光强I的 增大，折射率改变将趋于饱和；（3）、当α?与γ相同时，折射率改变会随着的β的增大而在减小，并由正值变为负值.

图3 参数α=β=0.2，γ取值从上至下分别为：0.3、0.6、1和 5

同时从图中可以看出：（1）、圆偏振光的值始终比线偏振光的值大；（2）、随着光强I的 增大，折射率改变将趋于饱和；（3）、当α与β相同时，折射率改变会随着的γ的增大而在减小，并由正值变为负值.

而图1、图2及图3中参数α，β与γ的取值由所选的材料及其背景光与信号光的波长所决定，而信号光与背景光的波长组合也是多种多样，适当的选取背景光和信号光的波长，可获得参数的值［17］.

3 全光开关效应

实验中，用一束激光（Laser2）作为激发光产生光致异构，用另一束激光（Laser1）作为探测光探测样品因光致异构所产生的全光开关性能.实验简易示意图如下［18，19］：

图4 全光开关实验示意图

图4中以Laser1作为信号光源，以Laser2作为背景光源.Laser1激发的信号光经过起偏器P1后照射在样品上，再经过检偏器P3后被探测器（dicetor）接收；Laser2激发的背景光经过起偏器P2再通过斩波器斩波，成为脉冲光信号，并对样品进行激发.滤光片（filter）是为了将透射过样品或是散射的光束（Laser2）滤掉.

实验中当Laser2开启时，探测器接收的信号光透射强度迅速增强；当Laser2关闭时，探测器接收的信号光透射强度又快速衰减，因此实现了全光开关效应.

由第三部分分析可知，开启背景光时，背景光与信号光的共同作用使偶氮苯分子发生光致异构从而改变了材料的折射率.由图1－3模拟的结果看出，折射率改变为正值时，全光开关将处于开启状态，信号光透射出样品，探测器接收到信号.无背景光时，样品的折射率改变始终为负值，此时偶氮苯分子重要发生热致弛豫，重新回到杂乱无序的初始状态.因此信号光没有透射样品时，全光开关处于关闭状态.

由于背景光与信号光的偏振状态还可以有很多的组合方式，其中自然光可以看做各个方向均匀的偏振光，不同的组合对开关的响应与弛豫速度、信号的本底、调制深度等都有不同的效果.同时样品的材料选择及成膜情况也是影响全光开关效应的重要因素.

［1］［日］菊池和朗.光信息网络［M］.北京：科学出版社，2005.

［2］王罗新，王晓工.偶氮苯顺反异构化机理研究进展［J］.化学通报，2008，71，（4）：243～248.

［3］黎爱珍，李有君，朱伟玲，等.偶氮苯光致异构反饱和吸收的光学双稳态开关的理论研究［J］.大学物理，2008，27，（5）.

［4］罗锻斌，佘卫龙，吴水珠，等.不同生色团对聚合物薄膜全光开关效应的影响［J］.光学学报，2004，24（8）：1073～1078.

［5］冯晓强，陈烽，侯询.光致变色的研究进展［J］.应用化学，2000，21（3）：1 ～6.

［6］罗锻斌，严崐，佘卫龙，等.毫秒有机聚合物薄膜全光开关［J］.中国激光，2004，31（1）：92 ～96