CN105182570A - 一种二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关及其应用 - Google Patents

一种二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二芳基乙烯掺杂有机薄膜全光开关，包括激发光源、有机薄膜和探测光源，所述有机薄膜的成分为顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯掺杂到聚甲基丙烯酸甲酯；所述激发光源包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器为375nm紫外激光器，所述第二激光器为532nm可见激光器；所述探测光源为632.8nm氦氖激光器。本发明基于二芳基乙烯掺杂有机薄膜光致吸收系数变化构建了一种双稳态全光开关，所述全光开关制备简单，读取信号方便和读出损伤较小的特点，为开关小型化和实用化提供了技术支持。

Description

一种二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关及其应用
技术领域
本发明属于全光开关技术领域，更具体地，涉及一种二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关及其应用。
背景技术
全光开关是实现全光通信、全光网络和全光计算机必不可少的关键器件，基于有机光色材料的全光开关是研究的热点之一。新一代光致变色材料二芳基乙烯(DA)具有光学双稳态、快的光响应速度(皮秒级)及良好的热稳定性和抗疲劳性等优良的光学性质，二芳基乙烯化合物分子在紫外光激发下，化合物从无色的开环体生成有色的闭环体，而闭环体在可见光照射下生成无色的开环体,因此可构建双稳态全光开关。目前二芳基乙烯双稳态分子开关研究报道较多，在紫外和可见光激发下二芳基乙烯的非线性吸收系数和折射率可发生变化，可实现基于吸收系数和折射率变化的双稳态全光开关并有潜在应用价值，但目前基于该机理的全光开关研究鲜为报道。筛选二芳基乙烯材料与目前有限的几种激光光源匹配，使之满足材料吸收特性与用于激发的紫外和可见激发光及探测光的波长相符合，是二芳基乙烯双稳态全光开关研究的难点之一。目前中国科学院西安光机所的课题组对二芳基乙烯二芳基乙烯聚合物薄膜的光致各向异性方面的研究有相关的报道，但未见关于基于二芳基乙烯掺杂有机薄膜全光开关方面的应用研究报道。查阅国内的主要文献数据库了解到，对二芳基乙烯材料合成和荧光性质方面的研究较多，如江西科技师范大学童智鹏2013年的硕士论文“基于五-六元糖_二芳基乙烯化合物的合成及性质研究”、李小庭2014年的硕士论文“基于二芳烯二聚体和含氮二芳烯的多开关系统研究”，二芳基乙烯应用研究较集中在荧光分子开关方面，如陈红云2013年10月发表在《化工新型材料》的论文“光致变色荧光开关材料的研究进展”、吕光磊2014年1月发表在《影像科学与光化学》的论文“二芳乙烯荧光开关材料及其应用进展”，徐海兵2014年发表在《科学通报》第30期的论文“光致变色金属_Ru_Pt_Ln_二芳基乙烯分子开关”介绍了借助于金属本身具有丰富的光、电、磁性质,将金属砌块引入到光致变色体系中获得结构新颖、性能独特金属分子开关的新方法。
目前，针对二芳基乙烯全光开关，如何寻求到符合材料吸收特性的工作介质材料，并使之与目前有限的几种激光光源进行匹配，是二芳基乙烯双稳态全光开关研究中的难点。
发明内容
本发明根据目前全光开光装置技术中的不足，提供了一种二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关。
本发明的另一目的在于提供上述全光开关的应用。
本发明的技术目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种二芳基乙烯掺杂有机薄膜全光开关，包括激发光源、有机薄膜和探测光源，所述有机薄膜的成分为顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯掺杂到聚甲基丙烯酸甲酯；
所述激发光源包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器为375nm紫外激光器，所述第二激光器为532nm可见激光器；所述探测光源为632.8nm氦氖激光器；
所述全光开关还包括一个曝光定时器，其控制第一激光器和第二激光器交替对有机薄膜进行照射；
所述顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)掺杂浓度为5～20％。
所述顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)结构如下：
本发明提供的二芳基乙烯材料顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯在375nm紫外光激发下，化合物从无色的开环态生成有色的闭环态，样品的颜色随时间变化由无色逐渐变红色，对632.8nm透射探测光的吸收逐渐增强，最终达到饱和吸收状态，因此透过薄膜样品的探测光逐渐减小至最小光强，对应光开关的低电平状态，由于化合物分子的闭环态是亚稳态，并且由于632.8nm探测光受闭环态薄膜吸收及光强均较小，因此对闭环态薄膜的影响极小，当紫外激发光关闭后开关可长时间维持在低电平状态，这是双稳态的一个稳态；当用532nm激光照射样品时，二芳基乙烯化合物分子从红色的闭环态生成无色的开环态，样品颜色随时间变化由红色逐渐变无色，对632.8nm透射探测光的吸收逐渐减小，最终达到饱和状态，因此透过薄膜样品的探测光逐渐增强至最大光强，对应光开关的高电平状态，由于化合物分子的开环态是稳态，并且由于开环态薄膜对632.8nm几乎没有吸收，因此对探测光对开环态薄膜的几乎没有影响，当可见激发光关闭后开关可长时间维持在高电平状态，这是双稳态的另一个稳态；这样，当用曝光定时器控制紫外和可见光交替照射样品，探测光可获得从低电平到高电平再到低电平的全光开关效应，并且低电平和高电平在激发光关闭后仍可长时间维持，因此可获得双稳态全光开关效应。
优选地，所述有机薄膜的厚度为100～120μm，所述探测光的功率为0.2～3μW，所述紫外光功率为300～40000μW，所述可见光激发功率为150～5000μW.
如前所述，筛选二芳基乙烯材料与目前有限的几种激光光源匹配，使之满足材料吸收特性与用于激发的紫外和可见激发光及探测光的波长相符合，是二芳基乙烯双稳态全光开关研究的难点之一，也是本专利技术研究的重要内容。本研究根据二芳基乙烯开关材料的要求及有限的几种激光光源的波长，对多种二芳基乙烯化合物材料的特性进行测试和筛选，合理选择了材料特性与激光光源匹配较好的二芳基乙烯化合物材料顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯cis-1,2-Dicyano-1,2-bis(2,4,5-trimethyl-3-thienyl)ethene，掺杂到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成聚合物薄膜样品，并对薄膜样品的吸收和偏振特性等进行了测试与研究，并且，首次取得了以光致吸收为原理的二芳基金掺杂有机薄膜构建双稳态全光开关的实验结果，并建立了面向光致变色材料双稳态全光开关器件的理论模型，该理论模型在开关性能参数的优化和机理分析方面发挥了重要作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于提供的二芳基乙烯材料的光学特性，在特定的激发光源和探测光源条件下，实现了双稳态优良特性的全光开关，其双稳态维持时间长，制备简单，读取信号方便和读出损伤较小，所述全光开关对于进一步实现小型全光器件的制备提供了技术支持。
附图说明
图1是二芳基乙烯(顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基))的双稳态吸收光谱。
图2是二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关实验装置示意图。
图3是实施例3中532nm(5mW)和375nm(40mW)激发光交替激发下探测光相对透射强度与时间的关系。
图4是实施例4中532nm(150μW)375nm(300μW)激发光交替激发下探测光相对透射强度与时间的关系。
图5是实施例5中532nm(150μW)，375nm(300μW)激发光交替激发下探测光相对透射强度与时间的关系。
图6为对比例1中带光纤的紫外光源Ultravioletlamp为紫外激发光源得到的探测光相对透射强度与时间的关系。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1二芳基乙烯掺杂有机薄膜的制备
二芳基乙烯化合物采用顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯cis-1,2-Dicyano-1,2-bis(2,4,5-trimethyl-3-thienyl)ethene(日本TCI公司生产)，使用安捷伦8453型光谱仪测量材料的紫外-可见双稳态吸收光谱如图1所示，可见样品的两态吸收分离情况都较好，无色开环态在320nm～380nm吸收较强，并在431nm呈现吸收峰；有色闭环态在515nm吸收较强，并在422nm呈现吸收峰。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材，采用环己酮为溶剂和溶胶－凝胶法制备掺杂薄膜样品，掺杂浓度分别为wt6.5％,wt10％，wt20％，薄膜样品厚度约120μm。
实施例2全光开关装置的构建：
二芳基乙烯掺杂薄膜双稳态全光开关实验装置如图2所示，375nm紫外激光器Laser和532nm可见激光器Laser分别经过中性连续衰减器NF2和NF3作为紫外和可见激发光，632.8nm氦氖激光器He-NeLaser经过中性连续衰减器NF1作为探测光，曝光定时器ExposureTimer控制375nm和532nm激发光交替照射或关闭照射薄膜样品，激发光和探测光照射二芳基乙烯薄膜样品Sample，探测光经薄膜透射和632.8nm滤波后再入射到光探测器Photodetector，经数据采集器Digitizer进行数据采集，再到计算机进行数据处理。
实施例3：
双稳态全光开关信号光强Intensity与时间Time关系的研究其实验结果如图3中实线所示，在室温(25℃)下，使用掺杂浓度wt10％，厚度约120μm的薄膜样品测量，薄膜样品开始处于无色开环态，采用632.8nm探测光(功率为3μW)透射样品，其透射探测光强度如图3中所示，相应开关信号开始呈现高电平状态；当375nm紫外光IU(功率为40mW)照射薄膜样品(IUOn)，薄膜样品逐渐变成红色，对探测光的吸收逐渐增大，透射探测光的强度逐渐下降到达低值，开关信号逐渐减小至低电平状态；关闭紫外光并且532nm可见光也处关闭状态(IU，IVOff)，透射探测光强度呈现无激发光激发的低值稳态或开关信号为低电平稳态，这是双稳态开关的一个稳态，图3中测量低电平稳态持续了约180秒(稳态持续时间经测量大于2000秒)；当532nm激光IV(功率为5mW)照射样品(IVOn)，薄膜样品逐渐变成无色，对探测光的吸收逐渐减少，透射探测光的强度逐渐增大到达高值，开关信号逐渐增大至高电平状态；再将532nm激光关闭并且375nm紫外光也处关闭状态(IU，IVOff)，透射探测光强度呈现无激发光激发的高值稳态或开关信号为高电平稳态，这是双稳态开关的另一个稳态，图3中测量高电平稳态持续了约180秒(稳态持续时间经测量大于3000秒)；再使用375nm紫外光IU照射薄膜样品则如前面所述，又开始下一个开关周期，因此实现了双稳态全光开关效应。开关所需要可见光激发光和探测光功率较小，但紫外激发光所需功率较大，图2光谱特性表明，薄膜材料对375紫外光处于吸收峰界边缘，这是所需紫外激发功率较大的原因之一。
开关参数定义：调制深度M＝(开关信号最大值-开关信号最小值)/开关信号最大值；开关上升时间tr是开关信号幅度上升从10％～90％的时间范围；开关下降时间tf是开关信号幅度下降从90％～10％的时间范围。
图3结果的开关信号如下：
调制深度M＝8.2％
开关上升时间tr＝36s
下降时间tf＝47s
基于光致变色材料吸收特性变化的双稳态全光开关实验结果和机理可采用光致变色二能级系统理论进行分析，二能级系统的两个状态分别以A态和B态区分，在该项研究中我们建立的双稳态全光开关透射信号光强(相对强度)Intensity/a.u与时间t函数关系(即开关的理论模型)为：
T ( t , I 1 , I 2 , d ) = T ( ω , I 1 , I 2 , d ) exp [ ( K A - K B K A + K B ) · ln T ( 0 , I 1 , I 2 , d ) · exp ( - k · t ) ] - - - ( 1 )
式(1)中I1和I2入射双光束，d是薄膜厚度，kA和kB分别是双光束入射下二芳基乙烯分子由A态到B态和B态到A态的光反应速率，k＝kA+kB。利用该理论结果说明了图3所示的双稳态全光开关高低电平变化及稳态的机理与入射双光束功率和薄膜参数对全光开关信号的影响；利用理论模型对实验测量数据进行了非线性拟合，拟合结果如图3虚线所示，结果表明理论模拟与实验符合较好。基于光致变色二能级理论，推导出了激发光和探测光双光束入射下探测光透射率随时间变化的函数关系，建立了吸收型双稳态全光开关的理论模型。双稳态全光开关信号即透射率T随时间t变化符合如下规律：
T ( t , I 1 , I 2 , d ) = T ( ω , I 1 , I 2 , d ) exp [ ( K A - K B K A + K B ) · ln T ( 0 , I 1 , I 2 , d ) · exp ( - k · t ) ] - - - ( 1 )
式(1)中I1和I2入射双光束，d是薄膜厚度，kA和kB分别是双光束入射下二芳基乙烯分子由A态到B态和B态到A态的光反应速率，k＝kA+kB。利用该理论结果说明了图3所示的双稳态全光开关高低电平变化及稳态的机理，并且利用该理论模型对全光开关的入射双光束功率和薄膜参数进行了优化；利用理论模型对实验测量数据进行了非线性拟合，拟合结果如图3虚线所示，结果表明理论模拟与实验符合较好。
实施例4：二芳基乙烯薄膜掺杂浓度为10wt％，以375nm紫外激光器为紫外激发光源，激发光功率为300μW，532nm激光器为可见激发光源，激发光功率为150μW，探测光功率为0.2μW，实验测量双稳态全光开关信号光强Intensity与时间Time关系其实验结果如图4中实线所示，图4虚线实验与理论拟合曲线。图4结果的开关信号参数如下：
调制深度M＝2.8％
开关上升时间tr＝150s
下降时间tf＝140s
对比实施例3可见，薄膜掺杂浓度相同(10wt％)，但紫外和可见光功率减少，其开关调制深度M减小，上升时间tr和下降时间tf增加。
实施例5：二芳基乙烯薄膜掺杂浓度为6wt％，以375nm紫外激光器为紫外激发光源，激发光功率为300μW，532nm激光器为可见激发光源，可见激发光功率为150μW，探测光功率为0.2μW，实验测量双稳态全光开关信号光强Intensity与时间Time关系其实验结果如图5中实线所示，图5虚线实验与理论拟合曲线。图5结果的开关信号参数如下：
调制深度M＝0.9％
开关上升时间tr＝120s
下降时间tf＝160s
对比实施例3可见，当紫外和可见激发光功率相同，薄膜掺杂浓度减小(10wt％减小至6wt％)，其开关调制深度M减小，上升时间tr和下降时间tf变化较小。
对比例1：
全光开关装置的构建方法同实施例2，不同的是采用的激发光源为带光纤的紫外光源Ultravioletlamp为紫外激发光源。实验测量双稳态全光开关信号光强Intensity与时间Time关系其实验结果如图6中所示，从该图中可以看出，虽然初步获得了双稳态全光开关效应，但由于带光纤的紫外光源Ultravioletlamp作紫外激发所需时间太长，造成开关下降时间太长，因而开关特性不良，开关信号重复性也较差，而开光信号的重复性能对于全光开关来说意义重大。
以上实施例5和对比例1的对比结果表明，本发明采用375nm紫外激光器为紫外激发光源，532nm可见激光器作为可见激发光源，并在定时交替进行照射情况下，开关下降特性较好，与单独采用带光纤的紫外光源Ultravioletlamp作紫外激发光源相比开关性能改善非常显著。

Claims (6)

1.一种二芳基乙烯掺杂有机薄膜全光开关，包括激发光源、有机薄膜和探测光源，其特征在于，所述有机薄膜的成分为顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)乙烯掺杂到聚甲基丙烯酸甲酯；
所述激发光源包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器为375nm紫外激光器，所述第二激光器为532nm可见激光器；所述探测光源为632.8nm氦氖激光器；
所述全光开关还包括一个曝光定时器，其控制第一激光器和第二激光器交替对有机薄膜进行照射；
所述顺-1,2-二氰基-1,2-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)掺杂浓度为5~20%。
2.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述有机薄膜的厚度为100~120μm。
3.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述探测光源的功率为0.2~3μW。
4.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述紫外激光器的功率为300~40000μW。
5.根据权利要求1所述的全光开关，其特征在于，所述可见激光器的功率为150~5000μW。
6.一种权利要求1至5任意一项所述的全光开关在制备全光器件中应用。
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