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Optical characterization of structured organic electro-optic materials

Optical characterization of structured organic electro-optic materials
Issue Date
대학원 물리학과
이화여자대학교 대학원
Nonlinear optical polymers are important optical materials for electro-optic devices such as modulators or optical switches for optical communications. To enhance nonlinear optical property and compatibility with integrated optics, various techniques have been developed. In this study, we report on the optical characterization of two structured organic electro-optic materials. One is a monolayer thin film for ultra-thin device applications and the other is the periodic X^(2) patterns formed in organic film for diffracted modulation. A monolayer thin film was fabricated from hemicyanine pendent polymer. To measure the linear and nonlinear optical property, we need a high precision measurement of refractive index and electro-optic coefficient of polymer. In this regards, a measurement of elecrto-optic response was performed with attenuated total reflection method. To determine each tensor component of linear electro-optic coefficients, we employed a five-layer model which well explained the anisotropy of layered system. From the experiment and theoretical analysis, we determined the molecular orientational distribution of chromophores and the electro-optic tensor components separately. Furthermore, it was found that, from the in-situ thermal study, the modulation of reflectance significantly increases as the temperature increases. The temperature dependent modulation signal allowed us to determine the hyperpolarizabilities of the hemicyanine pendent chromophore in benzenoid and quinoid forms. The X^(2) patterns were fabricated by corona poling the surface relief grating(SRG) in azo dye containing polymer film. First of all, recording of a grating was performed with Ar^+ laser beam of 514.5nm and the Lloyd mirror interferometer enable to write interference patterns on and in the film. The linear optical property of surface relief grating was characterized by 632.8nm He-Ne laser. To explain experimental results, we employed the Jones Matrix analysis method. Electrostatic force microscopy was used to observe the direct evidence of X^(2) patterns after poling SRG. And also we studied diffraction properties of poled SRG as a function of the incident beam polarization. In the electro-optic experiment, we measured modulated diffracted signals, which show the incident beam polarization dependence. From the experimental result, we found that molecular alignment changes during poling process and there exists an anisotropy on the poled SRG. We also determined the electro-optic coefficients of azo polymer in poled SRG. The above two examples show that the structured organic films have high potentials for photonic device application through electro-optic effect. ;비선형 광학 폴리머는 광변조기나 광스위칭과 같은 전기 광학 소자에 이용될 수 있는 물질로 고려되어 왔다. 소자로서의 응용성을 높이기 위하여, 보다 큰 비선형성을 나타내는 구조에 대한 연구나 집적 광소자 (integrated optics)로서 적합성을 높이는 방향으로의 연구가 많이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 먼저, 초박막소자(ultra thin device)의 하나로서 자기 조립 방법(self-assemble)으로 만들어진 단층막(mono-layer)구조를 제작하여, 이 폴리머 박막의 광학적 특성을 측정하였다. 다음으로, 공간적으로 분할된 빛의 세기를 변조(intensity modulation)시킬 수 있는 소자의 하나로서 유기 박막 내에 주기적인 1차원 X^(2) 패턴을 제작하여 연구하였다. 자기 조립 단층박막은 헤미시아닌 (hemicyanine)이 곁가지로 달린 폴리머로 만들어졌다. 이런 박막의 선형 및 비선형 광학 특성을 연구하기 위해, 본 연구에서는 전반사 감쇄법(Attenuated total reflection; ATR)을 이용하여 측정하였으며, 박막의 선형 전기 광학 계수 텐서의 성분을 결정하기 위하여, 다층구조에서 각 층의 비등방성(anisotropy)을 잘 설명할 수 있는 five-layer model을 이용하여 분석하였다. 실험과 이론적인 분석을 통하여, 헤미시아닌 분자의 방향 분포 및 성분별 선형 전기 광학 계수를 구할 수 있었다.In-situ 열적 특성에 관한 연구를 통하여 헤미시아닌 분자의 benzenoid와 quinoid form의 2차 비선형 감수율을 각각 구할 수 있었다. 주기적인 X^(2)패턴은 아조(Azo)분자를 함유한 폴리머 필름에 새겨진 표면 부조 격자(surface relief grating: SRG)를 코로나 폴링 함으로서 제작하였다. SRG는 514.5nm의 Ar^+ laser를 이용하여 제작하였고, 선형 광학적 특성을 632.8nm He-Ne laser를 이용하여 측정하였다. 또한 표면 부조 격자의 In-situ 열적 특성 연구를 통해, 표면 부조 격자가 Tg이상의 고온에서도 지워지지 않는 열적 안정성을 가지고 있음을 확인 할 수 있었다. 폴링된 격자의 투과와 반사 회절빔의 입사빔 편광 의존성을 측정하여, 아조 분자의 선형 굴절율과 흡수 계수를 얻었으며, Electrostatic force microscopy(EFM)을 이용하여, 폴링된 격자 내 분자의 정렬을 관측하여 그 구조를 분석하였다. 또한 632.8.nm과 830nm의 파장 영역에서, 폴링된 격자의 입사빔의 편광에 따른 선형 전기 광학 효과를 측정하여, X^(2) 패턴의 비선형 광학특성과 아조 분자의 선형 전기 광학 계수 r_13를 구하였다. 본 연구를 통하여, 두 개의 구조화된 유기 박막의 구조적인 분석과 비선형 광학 특성을 규명하였으며, 이러한 유기 박막 구조가 전기 광학 소자로서 유용한 소재임을 제안하였다.
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