甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光栅的制作及其偏振态转化

李 琳,付申成，李金环，张丽秋

(1.东北师范大学 物理学院 物理学师范专业国家级实验教学示范中心，吉林 长春 130024;2.长春市第二实验中学，吉林 长春 130022)

甲基橙/聚乙烯醇薄膜相位光栅的制作及其偏振态转化

李 琳1,付申成1，李金环1，张丽秋2

(1.东北师范大学 物理学院 物理学师范专业国家级实验教学示范中心，吉林 长春 130024;2.长春市第二实验中学，吉林 长春 130022)

研究了掺杂有甲基橙的聚乙烯醇聚合物膜在偏振全息图光感应转化的光学各向异性和偏振特性. 实验结果表明：甲基橙/聚乙烯醇薄膜能够产生各向异性的周期性分布，并可以有效地转化红光的圆偏振态,可将其应用于高密度光存储及功能集成化的光子型器件.

甲基橙/聚乙烯醇薄膜；相位光栅；光取向；光致各向异性；光异构；偏振全息

偏振全息光栅在信息存储中扮演重要的角色，它不仅可以将白光分解为各种单频光而且还能够作为波片改变激光的偏振状态、构筑多功能光学器件[1]. 此外，微电子工艺、集成电路的快速发展也要求光电功能器件的集成化程度进一步提高，这将进一步推动光子学、全光信息网络的发展. 因此高性能偏振全息光栅的薄膜材料的研发将是光电子信息科学领域的重要研究课题. 目前涉及到的偏振全息材料包括偶氮液晶聚合物[2]、菌紫质[3]、螺吡喃[4]、螺噁嗪[5-6]、俘精酸酐[7]、硫化砷[8]及银/氧化钛[9]. 在这些材料中，偶氮染料凭借其优异的光致各向异性特性和光学稳态特性，在偏振全息领域占有十分重要的地位.

光致各向异性是产生光致双折射、形成偏振全息光栅的必要条件，同时对于单色偏振光能够形成有效的相位延迟. 本文利用水浴热溶解光致变色分子,滴涂法制备光学透明的甲基橙/聚乙烯醇薄膜，获得了优异的光学各向异性特性，该薄膜具有很强的光束分解及偏振转化能力.

1 理论分析

1.1 光致各向异性

光致各向异性是指光敏感介质或元件在偏振光诱导下所产生的双折射或二向色性的现象. 光致双折射指的是，在偏振光诱导下，各向异性的光敏感介质或元件对不同振动方向的光，产生的具有不同折射指数的现象；而光致二向色性指吸收系数空间取向各异的现象. 大多数光致各向异性材料都同时具备这2种光学性质，而且其中1种表现得更加明显.

典型的偶氮化合物的光致变色反应表现为2种异构体的相互转化过程. 它有蓝色的反式(E型)和黄色的顺式(Z型)2种异构体，如图1所示.

图1 偏振光激发顺反异构产生各向异性

1.2 正交圆偏振干涉的琼斯矩阵

对一平面单色光波做相应的数学处理,能够表示成与之等效的复指数形式，即琼斯矩阵. 琼斯矩阵一般用来描述完全偏振光[10]. 左旋圆偏振光的琼斯矢量可以表示为

(1)

右旋圆偏振光可以表示为

(2)

将2束相干泵浦光照射于样品上，在交叠区域就会发现该介质的物理性质(如吸收系数或折射率)将会出现空间调制. 反之，去掉相干的泵浦光束后，干涉光栅也会消失，介质在空间上周期分布的物理特性也不断地消退或者呈现新的分布. 这种现象在多数固体、液体以及气体中都可以实现，并称之为动态光栅或者叫做瞬态光栅效应. 通过监测对介质的物理特性不产生作用的第3束光的衍射信号或者是泵浦光的自衍射信号变化表示动态光栅动力学过程. 本文所采用的全息干涉模式为左旋-右旋干涉模式，即2束相干的写入光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，其琼斯矩阵的表示如下描述：对左旋-右旋干涉模式来说，物光及参考光束在引入光程差之后的琼斯矩阵可以表示为

(3)

(4)

二者在XOY平面上的合成光场矩阵表示为

(5)

这是由空间周期调制的线偏振光组成的，而干涉条纹的光强表达式为

Isum=|Esum|2=2A2,

(6)

与Δφ无关，空间均匀分布. 由此可以得出正交偏振干涉模式(即EO·ER=0)是纯的矢量光栅.

根据以上琼斯矩阵的表示，可绘制出左旋-右旋干涉模式图，如图2所示.

图2 强度相等的2列正交圆偏振光的干涉图样

对于正交圆偏振干涉模式来说，其偏振全息光栅的透射矩阵可以表示为[11-12]

(7)

当探测光为左旋圆偏振光时，±1级衍射光场可以表示为

E+1=0,

(8)

(9)

相应地，衍射效率可表示为

η+1,lcp=0,

(10)

η-1,lcp=sin2(Δφ/2).

(11)

其中Δφ表示的是由于光致各向异性产生的相位调制.

2 实验研究

2.1 样品制备

甲基橙(methyl orange,MO)是本实验使用的偶氮化合物的染料，其分子结构式如图3所示.

图3 甲基橙的分子结构式

薄膜中加入聚乙烯醇(PVA)，它是易溶于水的有机聚合物，纯度很高. 样品制备步骤如下：使用电子天平称取低分子量的PVA 0.178 g溶于10 mL的去离子水中，再称0.833 mg的MO溶于7 mL去离子水中，并将样品密封好后放在水浴锅里，将温度设置80 ℃，加热1 h后取出得到饱和水溶液，冷却后将二者混合摇匀. 实验过程中应保证多次称量以减少实验操作误差. 洗净并吹干玻璃片，使用移液枪抽取适量的样品溶液，使用滴涂法均匀地将溶液滴在玻璃片上. 用玻璃器皿盖上样品，以防止灰尘落入样品表面并控制样品热蒸发速度. 红外灯烘干20 min后取出均匀清晰的膜. 膜厚通过台阶仪测试约为3.2 μm. 图4是制得的MO-PVA薄膜放在文字上呈现的示意图.

图4 MO-PVA薄膜

2.2 光路搭建

选用403.4 nm的蓝紫激光器作为写入光源，两束相干写入光的偏振态分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，光强均为5 mW(即写入光强比为1∶1)，光束经反射镜M3反射至分束器，一部分光束反射到M4经1/4波片后照射到薄膜样品上，另一部分经过M5反射后经1/4波片照射到薄膜样品上. 其中1/4波片的作用是将线偏振光转化为圆偏振光[13-17]，操作中要保证2个波片的前表面分别与光束正交，并测得两束相干光入射到样品之前的夹角为9°. 基于样品对671 nm波长的光吸收较少，实验采用波长为671 nm的半导体激光器作为探测光源，671 nm激光器输出功率为1 mW. 读出光与写入光要打到样品的同一点上. 引入671 nm的 1/4波片时，在+1级衍射点处用光电二极管信号接收器接收衍射信号，其光敏感范围介于400～1 000 nm之间，另一端连接至电脑，利用光电信息处理软件显示衍射效率随时间变化的图像. 利用Origin处理分析数据绘制全息动力学曲线. 实验光路见图5.

图5 实验光路图

3 实验结果与讨论

实验中使用671 nm左旋圆偏振光对左旋-右旋偏振全息光栅进行了探测. 实验中获得的衍射读出光斑的照片如图6所示，仅在-1级衍射点处观察到衍射光斑，+1级没有衍射信号.

图6 偏振全息光栅衍射信号分布图

3.1 动力学分析

图7给出了左旋、右旋圆偏振光干涉后的全息光栅衍射效率实时曲线(圆点表示，这里衍射效率的定义为：衍射光强与透过样品之后的入射光强之比). 从图7中可以明显地看出，衍射光强度在写入光打开后上升较为明显，逐步趋于稳定. 本实验中的样品对偏振光敏感，在其偏振全息记录过程中能够获得较高的衍射效率. 此实验采用的动力学公式为

η=ηisomer+ηorient=

(12)

其中η为衍射效率,ηisomer表示异构化过程对衍射效率的贡献,ηorient表示取向化过程对衍射效率的贡献；τisomer为异构化的时间常量，τorient为取向化的时间常量. 通过数据拟合得到的结果为ηisomer=(0.66±0.03)×10-3，ηorient=(1.28±0.02)×10-3，τisomer-1=(0.143±0.013) s-1，τorient-1=(0.013 5±0.000 5) s-1. 由响应时间常量分析得出异构化过程响应速度比较快而取向化过程响应速度相对较慢. 经过对数据的处理，绘制出全息动力学理论曲线如图7中的红线所示.

图7 全息动力学曲线

根据图7可以发现，从大约50 s之后出现了衍射信号强度随时间波动的现象，表明在实验过程存在系统噪声. 此现象可能由以下2方面因素导致：一方面可能源于探测器在捕获弱信号的过程中，一定干扰的光电流或光电压在时域空间的随机化行为造成曲线有一定波动；另一方面，偶氮分子的热随机化运动对衍射效率也有一定影响，这种热运动引起的局域或非局域的振荡，也是全息动力学不稳定的因素之一.

3.2 偏振转化特性研究

通过Thorlab公司生产的PAX5710偏振计测量得到读出光为标准的左旋圆偏振光，其+1级衍射光的偏振状态处呈现出右旋圆偏振状态的衍射信号，而-1级衍射点没有衍射信号. 此过程体现了本样品薄膜具有偏振转化的特性. 其偏振转化过程如图8所示.

图8 偏振转化过程示意图

为了进一步证明所获得全息光栅为纯的相位光栅，进行了读出光偏振态变化下的+1级衍射信号的依赖特性的实验，如图9所示. 通过旋转671 nm的1/4波片可以实现读出光偏振态从左旋圆偏振光到线偏振光再到右旋圆偏振光的变化. 记录时间从280～320 s，671 nm的1/4波片旋转360°，发现衍射效率从最大值可降低为0，并呈现出类似于正弦曲线的周期性变化规律，该结果表明：左旋-右旋干涉模式下的甲基橙/聚乙烯醇薄膜能够形成纯的矢量光栅. 如果适当增加薄膜厚度、染料分子浓度、薄膜平整度可能实现该体系下的高阶衍射输出并获得全息光栅的高衍射效率.

图9 -1级衍射光强随读出光偏振态变化的动力学曲线

4 结束语

研究了甲基橙/聚乙烯醇聚合物薄膜在左旋-右旋偏振光干涉下的薄膜衍射效率随时间变化的动力学过程. 探究了读出光偏振状态与衍射光偏振状态之间的关系. 实验中使用2束403.4 nm、偏振态分别为右旋和左旋的圆偏光作为记录光，671 nm左旋圆偏振光作为读出光，得到-1级衍射状态为右旋圆偏光，+1级无衍射信号. 改变读出光偏振态从左旋至右旋，其光强可降为零并能够实现周期性变化，即说明该全息光栅为纯的矢量光栅. 研究结果表明甲基橙/聚乙烯醇薄膜具备了光束分解和偏振态转化的光学功能集成能力.

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[责任编辑：郭 伟]

Research of phase grating and polarization transformation inmethyl orange/PVA films

LI Lin1， FU Shen-cheng1， LI Jin-huan1， ZHANG Li-qiu2

(1. National Experimental Teaching Demonstrating Center of Physics Normal Profession,School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;2. No.2 Experimental Middle School of Changchun, Changchun 130022, China)

The researches of photoinduced anisotropy, polarization holographic properties and polarization transformation were carried out in methyl orange doped polyvinyl alcohol (MO/PVA) polymer films. It was found that anisotropic periodic distribution was formed in the MO/PVA film, which could produce effective conversion of red laser light with circular polarization state. It would be applied to the high-density optical storage and functional type integrated photonic devices.

methyl orange/polyvinyl alcohol film; phase grating; photo-orientation; photo-induced anisotropy; photo-isomerization; polarization holography

2016-06-16；修改日期：2016-10-20

国家自然科学基金项目(No.61007006);国家级大学生创新创业训练计划项目(No.20161020 0043);东北师范大学重点实验室开放课题(No.130028607)

李 琳(1996-)，女，河南安阳人，东北师大学物理学院2014级本科生.

付申成(1979-)，男，吉林省吉林市人，东北师范大学物理学院副教授，博士，从事材料物理与物理实验教学研究.

O484.41

A

1005-4642(2017)04-0051-05