1、光漂白法制备聚合物 PMMADR1 啁啾光栅波导透镜18激光杂志2002 年第 23 卷第 4 期 LASERJOURNAL(Vo1.23.No.4.2002)光漂白法制备聚合物 PMMA/DR1 啁啾光栅波导透镜贾振红(新疆大学信息科学与工程学院,鸟鲁木齐 830046)提要:本文分析了一种平面波导啁啾光栅的透镜性质 .并在旁轴近似条件下求出了这种光栅透镜的焦距.首次采用了光漂白方法在PMMA/DR1 平面波导上制备出了啁啾光栅 ,从实验上观测了这种啁啾光栅对衍射光的透镜效应.关键词:光漂白,PMMA/DR1 聚合物薄膜,啁啾光栅透镜Fabricationofchirpedgratingle
2、nsonpolymerPMMA/DR1opticalwaveguidebyphotobleaching.,ffdtenhong(CollegeofInformationscienceEneering,XinjiangUniversity,Ururnchi830046)Abstract:Thepropertiesofplanewaveguidecrpedgratinglens,dzelanaJyzed,andthefocusofchirpedgratinglensIasgivenintheparaxialapproxlmationinthispaper.Prepanngchirpedgratin
3、gonPMMA/DR1polymerwaveguidebyphotoblechingmethodhasbeenstudiedfirsttime,andthelenseffectofthiscrpedgratingforitsdiffractionlightbeamhasbeenobservedina 中eriment.Keywords_photobleaehing,PMMA/DR1polymerfilms,crpedgratingLens有机聚合物作为一类具有诸多优点的非线性光学材料,可应用于制作各类光电波导器件.特别是其中的些聚合物材料在紫外或可见光的作用下可产生线性吸收系数和折射率的变化,
4、即具有光漂白性质,因此可利用这一特性非常方便的来制备光波导器件【l-2】.目前已有关于通过光漂白方法在 Poly 一 3BCMU(Poly 一 3butoxylcarbonylmethylarethane)或 PMMA/DR1(Poly(methylmethacrylate)一 baseddisperverede等聚合物薄膜材料上制备波导光栅,条型波导和波导透镜等器件的报道【3-5.本文从理论上研究了平面波导中可变周期光栅(啁啾光栅)的形成及衍射特点,分析了啁啾光栅的透镜效应,并由旁轴近似条件下计算出透镜的焦距.实验上采用光漂白方法,利用两束激光在 P伽 L/DRI平面波导上所形成的干涉条纹来
5、制备啁啾光栅,并研究了这种啁啾光栅对衍射光的透镜效应.2 理论分析图 1 所示的两束激光在 x=0 处的聚合物薄膜上形成干涉图样,由薄膜的光漂白来制备出光栅.通过用柱面透镜对其中的一束平面激光束聚焦可以得到空间周期变化的啁啾光栅.两束平面光的入射角均为 n/2,相互间夹角为 n.在薄膜上记录的干涉图案长度为 L.柱面透镜的焦距和宽度分别为 f 和 d.汇聚的焦点的位置为 P(Xf,zf).通过简单的几何计算可得到:即:cos(-号) 即一Lcos(,8+等)五 sin(其中=tg(务)是经柱透镜聚焦后汇聚光束的半角宽度.在旁轴近似条件下(z 一), 可得出啁啾光栅的空间周期 A为【7】:A(z
6、)=一一(3)sin()+(zf)/xf从(1),(2)和(3)式可以发现,空间周期 A(z)的变化取决于透镜的 F(F=f/d)数,准直光束和汇聚光束角平分线的夹角 a,入射光波长 A 以及所形成光栅的长度 L.根据对以上各式分析可知,增大 F 数或 a 角,都可以减小啁啾光栅的空间周期.如图 2 所示,在平面波导中传输的光入射到光栅后发生衍射,对于啁啾光栅,在不同的入射点所产生的衍射光的衍射角不同【】:f1ctg-t,一j.其中是光栅的入射角.0(A)是衍射角.Neff 是平面波导的有效折射率.由上式可以看出,啁啾光栅上不同处衍射光的衍射角不同.对于图 2 中所示的平面波导啁啾光栅,设坐标
7、原点处的衍射光与光栅上任意一点衍射光的汇聚点到光栅的距离为.根据(3)和(4) 式可得到:=Neff2“foosO(5)由于上式中的 fc 值与光栅上衍射光的出射点位置 z 无关,因此可把 fc 定义为啁啾光栅透镜的焦距 .3 实验(1】3.1 波导啁啾光栅的制备聚合物 PMMA/DR1 平面波导的制备方法如下 :将掺杂有机染料分散红 l 的聚甲基丙烯酸甲酯粉末(PMMA)溶解(2)于甲苯溶液中.将溶液进行过滤以去除其中的杂质和大分子颗粒,以减小波导的传输散射损耗.然后将此溶液通过旋?2002 年 3 月 8 日收稿激光杂志)2002 年第 23 卷第 4 期 LASERJOURNAL(Vo1
8、.23.No.4.2002)19转涂布法制备在石英玻璃基底上.之后将样品放在 100Z;的烘箱内处理-d,时,形成有机聚合物薄膜平面波导样品.薄膜厚度约为 5pm.采用图 1 的实验方法.用两束夹角 a 为30 度的氩离子激光束经过准直后作为干涉光源,波长为488nm.其中一束光用 F 值约为 1.8 的柱透镜聚焦,L 值(即为要制备的光栅长度)取约为 5mm.由(1)至(3) 式可计算出在 z=0 和 z=0.3cm 处的空间周期分别为 1.9flm 和 0.8flm.在垂直入射光栅的情况下,由(5)式可得出啁啾光栅透镜的图 1 光漂白干涉法制备波导啁啾光栅示意图3.2 波导啁啾光栅透镜的观
9、测采用图 2 光栅衍射光观测实验装置.考虑到光电子器件实际上都工作于红外波段,故采用波长为 1064nm 的 Nd:YAG 激光作为测量光束.由于漂白前后的 PMMA/DR1 聚合物对该波长的光均无吸收,故在测量时样品不会发生新的漂白.这时对入射光束来说啁啾光栅为位相型光栅.将Nd:YAG 激光器的 1.064tan 波长激光(脉冲宽度为 10tLs,单脉冲发射)通过棱镜耦合入波导中,控制偏振方向,使导波分别以 TE 模和 TM 模传输,并垂直入射由干涉光漂白产生的光栅.波导的出射光用红外观测仪或荧光纸观测.为了更方便的进行近场成像,波导出射光束可采用直接从波导端面耦合出的方法.根据有机材料
10、PMMA/DR1 较脆易断裂 ,且与二氧化硅附着好的特性,很容易得到高质量的波导端面.实验中观测到出射的一级衍射光由于波导厚度的限制,在垂直于波导平面的方向无变化;而衍射光在波导平面方向因啁啾光栅则出现汇聚的现象.4 结束语本文报道了采用光漂白方法,通过氩离子激光在 PMMA/DR1 平面波导上所形成的干涉条纹来制备啁啾光栅,从实验上观测了这种啁啾光栅对衍射光的透镜效应,并在旁轴近似条件下求出了光栅透镜的焦距.研究结果对在聚合物焦距为 12.8mm(对于 1.064tan)的工作波长,实验中制备的PMMA/DR1 平面波导的有效折射率 N 为 1.52).入射到波导表面上的准直光束和经柱透镜聚
11、焦的光束强度均控制为 30mw/咖.聚合物 PMMA/DR1 在光照射下将产生漂白,光漂白使材料的折射率和线性吸收系数减小,因而形成光栅光栅的特性与光波长,功率,漂白时间,环境温度和含氧量等因素有关.为提高光漂白的速率,波导的环境温度控制在 90“I2 自衍射波导装置光波导器件上实现多功能的光学效应有一定的意义.参考文献1WeiFeng,SihanLin,R.Brianhookerata1.StudyofUVBleachedchannelwaveguideperformanceinnonlinearopticalpolymerfilms.App1.Opt.,1996,34(30):6885-6
12、89l2ngMa,SihanLin,WeiFengeta1.ModelingPhotobleachedopti.capolymerwaveguides.App1.Opt,1995,34(24):5352-53603李劬,朱亚军 .陈英礼等.Poly 一 3ECMU 薄膜上光栅的制备 .光学.l996.16(7):993-9974MakotoNakanishi,OkihiriSugihara,NanichiOkamotoeta1.,Ultmvioletphotoblcachingprocessof8ZOdyedopedpolymerandsilicafilmsforfabricationofno
13、nlinearopticalwaveguidcs.App1.Opt.1998.37(6):106810735贾振红,周红 ,吴树荣.光漂白法制备聚合物光波导透镜的实验研究.激光杂志,1999,20(1):38-42(6王威礼,王德煌 ,邓文勇等.聚合物电光效应研究.光学,l995,l2(6):55856l7A.Katzir,A.C.Livanos,J.B.Shellanata1.Chirpedgratingsinin.tegratedoptics.IEEEJ.Quant.Electr.,1977,QE13(4):2963048R.T.(;hen.Multiplexedpolymerbasedc
14、rarpedgratingslensesworkingat632.8nmwavelength.Electr.Lett.,1977,QE13(4):9l】912会议信息2002 年 9 月 2629 日第四届中华医学会重庆分会激光医学专委会学术年会,在涪陵召开.联系人:重庆市涪陵中心医院门诊冉瑞群主任.邮编408000;电话:023 2224739(0)72301858(宅),13098720808.会议欢迎继续来稿,入会论文将在国家统计源和国家核心期刊发表.来稿投重庆市新桥医院唐建民教授处.Itt1编:400037 电话:02368755441(H).芥芥芥芥芥芥芥芥芥带带乔带带芥芾芥芥带_带芥芥芥芥芥芥蒂芥芥芥芥芥蒂芥芥芥芥芥芥芥芥芥恭芥芥,掌掌掌掌毒
