光折变聚合物材料简介

感光高分子课程论文

题目：感光高分子

——光折变聚合物材料简介

化学与材料工程学院高分子材料与工程专业

学号XXXXXXX

学生姓名KITTY

指导教师

二〇XX年X月

感光高分子课程论文

摘要

本文主要从光折变聚合物材料的发展历程、组成成分以及应用三大部分对光折变聚合物材料做了简单的介绍。光折变聚合物已有二三十年的发展历史，其组分主要是生色团、光敏剂、聚合物和增塑剂，应用部分主要介绍了其在光纤传感、光开关和全息存储方面的用途，光折变聚合物材料的全息存储由于技术手段上的不足还未得到广泛的应用。

关键词：光折变材料；聚合物；全息存储

ABSTRACT

In this article, it mainly includes three parts: the development process, the components andthe application of the photorefractive polymer materials.The development history of photorefractive polymer is already three decades, and its main componentsarechromophore, photosensitizer, polymer and plasticizer. In the application part, its fiber optic sensing, optical switches and holographic storage are introduced.Due to lack of technical means, the holographic storage of photorefractive polymer materials has not yet been widely used.

Keywords: Photorefractive materials; polymer; holographic storage

1 引言

1.1 光折变材料的定义

光折变效应（photorefractive effect, PR）是指在非均匀光的照射下，通过空间电荷场的形成和电光非线性所引起的材料折射指数的空间调制的现象。这种光学现象可以在同时具有光电导性和折光指数电场依赖性（电光响应）的物质中发生[1]，这种物质即为光折变材料。简而言之，能发生光折变效应的材料就是光折变材料。

1.2 光折变效应发生机制

产生光折变效应的根源是材料经光照后能生成载流子，它的迁移引起了晶体内部空间电场的变化[2]。其过程可分为以下四步：（1）载流子的产生；（2）载流子的迁移；（3）空间电荷场的形成；（4）折光指数的改变。

简言述之，首先，材料中的自由电荷被光照激发，这些自由电荷来自于材料内部的掺杂，空穴或缺陷；这些自由电荷在扩散作用下移动到暗光区；随着自由电荷的扩散，空间电荷分布随之形成，空间电荷分布产生了空间电荷场；最终，空间电荷场通过线性电光效应改变材料的折射率[3]。

1.3光折变材料的发展历程

首次发现光折变效应是在1966年，贝尔实验室的Ashkin等在对铌酸锂（LiNbO3）晶体进行倍频实验时，意外发现经过几分钟强光照射的铌酸锂晶体折光指数发生了改变，相位匹配条件也被破坏，所以光折变效应最初被称作“光损伤（photo-damage）”[1]。

后来，人们认识到这种光致折射率变化的现象可以用于光学存储，此后在二十世纪七八十年代，科学家们对各种无机材料中的光折变效应进行了大量研究，但有机光折变材料

1

感光高分子——聚合物光折变材料简介

直到二十世纪九十年代才被人们发现和研究[2]。随着研究的不断深入，产生了一些具有里程碑意义的成果：首先是新的光折变效应形成机制——取向光折变，接下来，人们在低功率半导体激光二极管中获得了较高的动态范围，使得聚合物成功的应用于全息储存领域[4]。

由于光折变聚合物有着优于光折变无机物的性质：非线性光学系数大、响应时间快、光学工作波长宽、成本低廉和易于加工等[5]，近些年来对于光折变聚合物的研究热度依然不减，在开发高性能光折变聚合物材料方面的研究取得了巨大进展，成功合成了一大批具有显著的二波耦合增益及接近100衍射效率的材料[4]。此外，长期困扰有机光折变研究的相分离、生色团聚集等体系稳定性问题也得到了很好的解决，材料的使用寿命、耐久性以及经受大量工作循环的能力都得到了明显改善[4]。

尽管对于光折变聚合物材料的研究工作取得了重大的进展，光折变聚合物材料还面临着一些亟待解决的问题：为了得到好的光折变性能，高的外加电压仍是不可避免的，这就限制了有机材料在实际中的应用；有机材料的光折变性能明显依赖于光照历史，其光学性能随光照时间而衰减；光栅的暗寿命仍需要延长；迄今还没有确切的方法来达到真正意义上的光栅非破坏读出等[2]。

2光折变聚合物材料组成[4, 6]

从20世纪90年代开始，研究报道了数以百计的光折变聚合物的合成以及它们的性质，虽然各类物质是不同的，但它们所需的基本组分相同。下面以合成低玻璃化温度光折变聚合物为例做介绍，其所需要的基本功能组分有：生色团，光敏剂，聚合物和增塑剂[4]。2.1 生色团

生色团是主客式系统光折变聚合物材料设计中最重要和复杂的部分，它所提供的光学非线性将空间电荷场转化成折射率光栅，形成光折变效应。生色团的性能主要从以下方面衡量：光折变品质因数，稳定性，响应时间和工作波长。目前比较常用的生色团主要有DHADC-MPN，ATOP，PDCST，AODCST，FTCN，5CB等。这些生色团有的具有较高的光折变品质因数，有的具有较快的稳定性和合适的工作波长，目前还没有发现能够兼备各种优良性质的生色团实际使用的时候需要根据使用目标进行取舍，关于生色团的设计有待于进一步研究。

2.2 光敏剂

为了使光折变聚合物对特定光谱范围敏感，材料中需要添加光敏剂。TNF是一种在以光电导聚合物PVK为基础的光折变材料中广泛使用的光敏剂，因为PVK和TNF的混合物被应用在第一台商用复印机上，且在全世界被广泛研究。在绝大多数情况，光敏剂本身并不吸收光，而是光敏剂与电荷传输分子形成的电荷传输结构吸收光。这种电荷传输结构展现出不同于两种组分吸收光谱的一个全新吸收光谱。如果聚合物是施主型的，那么光敏剂分子一般具有很强的受主性质。如果是以电子作为主要载流子，那么光敏剂一般是施主型分子。这种电荷传输结构具有很高的光子产生效率，C60是和TNF类似的电荷传输结构型光敏剂，且也能与PVK形成电荷传输结构。

2.3 聚合物

这里主要介绍聚乙烯咔唑PVK在光折变聚合物中的应用。PVK是一种施主型聚合物，

2