偶氮染料掺杂聚合物薄膜的光致双折射特性研究由于光计算、光存储和光信息处理等方面实际应用的需要，人们对可重复使用的低功率存储器件的材料及性能研究极为关注。与其它材料相比，偶氮聚合物介质由于具有良好的光学性能、热稳定性、溶解性和制备方法简单等特点，是很有发展前途的光存储材料之一。【预习要求】1. 预习光的双折射原理；2. 查阅资料，预习偶氮染料掺杂聚合物薄膜的结构特点和光学特性；3. 预习光至双折射的产生、消除的机制及其光物理过程，掌握光至双折射的基本原理。【实验原理】一、偶氮染料的光致双折射特性偶氮苯生色团是一类具有光致异构特性的介晶基元，通常条件下，分子大多数处于反式异构体状态，在光和热的作用下，偶氮生色团能产生顺式（cis）和反式（trans）之间的异构化反应，它既有光色效应又有光致双折射效应。偶氮染料掺杂聚合物薄膜的光致双折射现象起因于偶氮基团吸收光后会发生反－顺－反（trans-cis-trans）周期性异构循环。分子从反式结构泵浦到顺式结构的概率正比于 cos2(θp)，其中 θp是泵浦光电场方向与分子轴向之间的夹角。如果作用光是线偏振光，并且只要分子的电偶极距在泵浦光偏振方向上有分量，偶氮基团会继续吸收泵浦光，产生可逆的顺反异构。经过多次循环后，反式的偶氮基团将沿垂直于光场偏振方向的方向重新取向，形成取向有序性。由于 cis 的偶氮基团轴径比较小，不能作为介晶基元，而 trans　的偶氮基团具有较大轴径比，可以作为介晶基元，这样，通过基团的 trans-cis-trans 的异构化循环过程可以使介质产生从玻璃态到液晶态的转变，便产生了光致各向异性，从而产生光致双折射效应。产生光致双折射的区域在正交偏光显微镜下观察便是暗环境中的亮点，也就形成了光信息点的记录。偶氮基团的这些特性，使得通过光照就可以实现信息的存储和擦除。由于 cis　基团没 trans　基团稳定，在室温下会自发进行热异构化，从 cis　返回 trans　构性，热异构化时间常量为１０ s 量级，故光色效应很短。而光致双折射可以因为分子间的相互作用而保持数十年，因此通常利用偶氮化合物的光致双折射效应进行信息存储。二、光致双折射的测量 偶氮染料掺杂聚合物薄膜的光致双折射的大小可用一束样品不吸收的探测光来测量。样品被放置在两块正交偏振片 Pl和 P2之间，用一束泵浦光照射样品，由于泵浦光的作用，在样品中产生了光致双折射，因此在检偏器P2后将有探测光信号出现。 图 10-1 给出了单色光顺次通过两正交偏振片中一种向导性晶片的振幅分解情况。图中 P1和 P2相互正交，设晶片的光轴与 P1成 α 角。从 P1射出的线偏振光进入晶片后分解为寻常光和非寻常光，非寻常光的振动沿光轴，与 P1成 α 角。Ae是晶体中非常光的振幅，A。是寻常光的振幅，Ae和 A。相互垂直。则：Ae=Acosα; A。=Asinα。令晶片的厚度为 d，光从晶片另一表面出射时，e 光和 o 光的位相差为：δ=2πd(ne-no)/λ。光通过第二片振偏片 P2时，Ae和 Ao分别在 P2方向上的投影为： 图 10-1 振幅分解图Ao=Aesinα=Acosαsinα=Asin(2α)/2; Ao=Aocosα=Asinαcosα=Asin(2α)/2从 P2出射的振幅分别为Ae'和Ao'的两束偏振光之间的相位差为：δ'=δ +π =2 πd (ne−no)/ λ+π，由此出射光强：Ｉｏｕｔ＝Ａ｀２ｅ＋Ａ｀２Ｏ＋２Ａ｀ｅＡ｀ＯＣＯＳ δ｀＝1/2 ＩＯｓｉｎ２（２ α）｛１－ｃｏｓ［２ π ｄ（ｎｅ－ｎｏ）／λ］｝＝Ｉ０ｓｉｎ２（２ α）ｓｉｎ２｛π ｄ（ｎｅ－ｎｏ）／λ｝　　　 （10.1）式中，In为经过 P1后的光强，Iout为经过 P2后的光强，α为晶体轴与 P1的透光方向的夹角，d 为晶片的厚度，ne与no分别为e、o光的折射率。由公式（10.1）即可测得偶氮聚合物光致双折射Δn=ne−no的大小。实验光路如图 10-2 所示。由于本实验所用材料在 532cm 处有吸收，因此半导体所发激光作为泵浦光照射样品，可诱导产生双折射。由于样品在632.8nm 处没有吸收，氦氖激光可作为探测光，监测光致双折射的产生。在氦氖激光的光路里，样品被放在两正交的偏振片 P1和 P2之间，偏振片 P1和 P2的偏振方向垂直，由偏振片 P2透过的信号光由 CCD 接收，并连接进入计算机 PC。【实验装置】半导体激光器一台，氦氖激光器一台，反射镜若干，CCD 一个，微机一台，其它所需光学元件。实验光路如图 10-2 所示。 图 10-2 光致双折射实验装置图三、实验内容：1、光路的设计·按图 10-2 所示，布置光路。打开 He-Ne 激光器，它发的光作为探测光。旋转偏振片 P1，使透过偏振片 P1的探测光最强，样品放于偏振片 P1和 P2之间，旋转偏振片 P2，使透过偏振片 P2的光最弱，或没有，即使偏振片P2不透光。·打开半导体激光器，它发的光作为泵浦光，使它与探测光重叠成一个光斑照射在样品上。·观察透过偏振片 P2的光，即为光致双折射信号。将其接入 CCD，通过计算机采集数据。2、研究泵浦光功率变化对光致双折射的影响。令探测光功率为 1mW，泵浦光功率分别为 10mW、20mW、30 mW，研究光致双折射随泵浦光功率变化关系。3、同一泵浦光功率下，测试光致双折射的生长和衰减过程。4、研究光致双折射随泵浦光与探测光片偏振方向夹角 θ 的关系。【自检问题】1. 如何选择本实验所用的泵浦光和探测光的波长？2. 泵浦光和探测光各有什么作用？3. 调节光路时应注意哪些问题？