Ordnungszustände in photoempfindlichen Azopolymeren
und deren Anwendung zur Informationsspeicherung und
Frequenzverdopplung
von Dipl.-Phys. Roland Schulz
aus Berlin
AFM Aufnahme eines lichtinduzierten Oberflächengitters
Dem Fachbereich 4 (Physik)
der Technischen Universität Berlin
zur Verleihung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
vorgelegte Dissertation
Berlin 2000
D 83
Ordnungszustände in photoempfindlichen Azopolymeren
und deren Anwendung zur Informationsspeicherung und
Frequenzverdopplung
von Dipl.-Phys. Roland Schulz
Tag der wissenschaftlichen Aussprache : 7.12.2000
Promotionsausschuß : Prof. S. Hess (Vorsitz)
Prof. H.J. Eichler (1. Berichter)
Priv.-Doz. R. Macdonald (2. Berichter)
Abstract
Ordnungszustände in photoempfindlichen Azopolymeren und
deren Anwendung zur Informationsspeicherung und
Frequenzverdopplung
Drei Seitenkettenpolymere und ein Guest-Host-System mit photosensitiven
Azochromophoren wurden im Hinblick auf ihr Anwendungspotential als
informationsspeichernde und frequenzverdoppelnde Materialien untersucht. Dabei
wurde insbesondere der Zusammenhang zwischen eingestrahlter Polarisation und
induzierter Ordnung sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht.
Durch eine systematische Untersuchung der durch unterschiedliche Lichtpolarisation
induzierten Ordnungszustände wurde herausgefunden, daß die Orientierungsreaktion
der drei verwendeten Seitenkettenpolymere materialabhängig ist. Insbesondere für
zirkular polarisiertes Licht konnte ein stark unterschiedliches Verhalten beobachtet
werden, wobei nur in einem Polymer eine hohe prolate Ordnung induziert werden
konnte.
Bei der Belichtung mit Intensitäts- als auch Polarisationsgittern zeigten die
Seitenkettenpolymere unterschiedlich starke Oberflächenmodulationen. Mit dickeren
Filmen eines Polymers konnten Oberflächenmodulationen von bis zu 3µm nachgewiesen
werden, die höchsten in der Literatur zu findenden Werte.
Ferner konnte in dieser Arbeit erstmals demonstriert werden, daß sich in Seiten-
kettenpolymeren Reflexionshologramme mit Beugungswirkungsgraden von η
≈
9%
induzieren lassen.
Bei den Experimenten zur optischen Strukturierung von gleichmäßig gepolten
Polymeren zur Anwendung als QPM-Device wurde ein neuer Effekt beobachtet, der mit
großer Wahrscheinlichkeit auf einem thermischen Ausdampfprozeß des Farbstoffes aus
der Polymermatirx beruht. Die zu erwartenden Temperaturerhöhungen in einem
Polymer-Glas System bei Bestrahlung mit Licht wurden ebenfalls theoretisch
untersucht.
Inhalt
1. Einleitung 2
2. Photoempfindliche Polymere auf Basis von Azobenzol 4
2.1. Azo-Farbstoffe 4
2.2. Polymere Systeme 8
2.3. Verwendete Materialien 13
3. Orientierungen in photoempfindlichen Azopolymeren 20
3.1. Theoretische Beschreibung von Ordnungszuständen 20
3.2. Entstehung von Ordnung durch Trans-Cis Isomerisierung 25
3.3. Experimentelle Bestimmung von molekularen Ordnungszuständen 33
4. Photoinduzierte Ordnung zur Informationsspeicherung 40
4.1. Optisch induzierte Ordnung 40
4.2. Experimentelle Bestimmung der Ordnung 47
4.3. Transmissionhologramme 56
4.4. Reflexionshologramme 71
4.5. Thermische Effekte 79
5. Feldinduzierte Ordnung zur Frequenzverdopplung 83
5.1. Ordnung und Frequenzverdopplung 83
5.2. Feldinduzierte Ordnung 87
5.3. Optische Strukturierung für QPM-Anwendungen 92
6. Zusammenfassung 100
Literatur 102
Publikationen 107
Danksagung 109
Lebenslauf 110
2
1. Einleitung
Polymere Werkstoffe mit maßgeschneiderten physikalischen Eigenschaften gewinnen im
Hinblick auf Anwendungen in der optischen Informationstechnik zunehmen an Bedeutung
[1]. Dies liegt vor allem daran, daß Polymere gegenüber einkristallinen optischen Materialien
verschiedene Vorteile besitzen wie z.B. geringe Kosten bei guter optischer Qualität, hohe
Zerstörschwellen und einfache mechanische Anwendbarkeit. Da Polymere durch
Aufschleudern als Dünnschichtsysteme (z.B. großflächige Filme, Fasern und Wellenleiter)
und auf alle denkbaren Substrate aufgebracht werden können, sind sie besonders interessant
für integrierte opto-elektronische Anwendungen.
Eine äußerst flexible und vielseitig einsetzbare polymere Materialklasse sind die
Seitenkettenpolymere [2]. Durch ihren modularen Aufbau ist es praktisch für viele
Anwendungsgebiete möglich, ein Polymer mit den gewünschten Eigenschaften zu syntheti-
sieren. Im Hinblick auf optische Anwendungen haben sich insbesondere Azochromophore in
den Seitenketten bewährt [3]. Diese photoempfindlichen Farbstoffe erlauben eine optische
Adressierung mit sehr hoher Auflösung unter Ausnutzung der Trans-Cis Isomerisierung [4].
Diese elementare Reaktion, die z.B. im menschlichen Auge die Umsetzung der optischen
Signale zu Nervenimpulsen steuert, eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
Ziel der hier vorgestellten Arbeit war es, die bestehenden Kenntnisse über diese
Materialklasse zu vertiefen und dabei insbesondere auf die bislang nur oberflächlich be-
schriebene Wechselwirkung zwischen lichtinduzierten Ordnungszuständen und experimentell
erzielten Effekten wie Doppelbrechung, Beugungswirkungsgrade und Konversionseffizienzen
einzugehen. Dies geschieht vor allem im Hinblick auf die Anwendungsmöglichkeiten von
Azopolymeren in der Informationsspeicherung und für frequenzverdoppelnde Bauteile. Trotz
beachtlicher Fortschritte sind viele anwendungsrelevante Fragen dieser Materialklasse noch
nicht genügend erforscht bzw. viele Effekte werden noch nicht genau verstanden. So wirft
z.B. die kürzlich entdeckte Eigenschaft der Polymere zur Ausbildung von Oberflächengittern
die generelle Frage nach den Ursachen dieser Oberflächeneffekte auf [5].
Ausgehend von einer allgemeinen Beschreibung zum Aufbau und Reaktionsverhalten von
Azochromophoren werden im zweiten Kapitel die Merkmale von Seitenketten polymeren und
Guest-Host Systemen beschrieben sowie die in dieser Arbeit verwendeten Azopolymere
charakterisiert.
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