극화 폴리머 박막에서의 제2고조파 과도 특성 연구

Abstract

제2차 비선형 광학반응의 하나인 제2고조파 발생(Second harmonic generation : SHG)을 이용하여 분자/폴리머계 박막을 극화 시킬 때 극화 전기장에 대한 비선형 광학분자의 정렬분포를 알아보고자 하였다. 중심대칭구조의 물질에서는 제2차 비선형 광학반응이 나타나지 않고 비중심대칭구조의 물질에서만 나타나므로 극화 전기장에 의해 박막내의 분자가 정렬하는 동안 제2고조파의 세기는 시간에 따라 변한다. 이렇게 시간에 따라 변하는 특성을 과도 특성(Transient property)이라 하고, 제2고조파의 세기를 시간에 대한 함수형태로 얻으므로서 이를 통한 분자의 분포를 추측할 수 있었다. 이를 위하여 먼저 이론에서 분자의 정렬이 시간에 대해 안정된 상태인 정상상태(Steady state)에서의 제2고조파 발생에 대해 충분히 고찰을 하였고, 그 후 이에 시간항을 고려하여 과도 특성을 연구하였다. 실험에서는 분자/폴리머계 박막으로 PMMA(Poly methlmethacrylate)폴리머에 DR1(Disperse red 1)분자를 섞은 DRl/PMMA(손님/주인계)를 사용하였다. 시간에 따라 변하는 제2고조파를 측정하기 위하여 전기장을 걸어 주고 제거한 후 일정한 시간동안에 변하는 신호를 측정하였고, 이를 통해 오름과 감쇄 시상수(Rise and Decay time constant)를 구하였다. 시상수와 회전 확산 상수가 반비례 관계임을 이용하여 회전 확산 상수를 구하였으며, 회전 확산 상수의 온도의존성을 알아보기 위해 박막의 온도를 PMMA의 유리전이온도(glass transition temperature :T_(g)) 이상과 이하로 변화시키면서 시간에 따른 신호를 측정하였다. 실험 결과 회전 확산 상수가 온도에 따른 아레니우스(arrhenius)형태로 주어짐을 알 수 있었고, 이를 통해 유리전이온도 이상에서 분자들의 운동이 훨씬 활발함을 확인할 수 있었다. 또한 실험치의 분석을 통해 분자들의 회전확산이, 오름 확산과 감쇄 확산의 경우 동일하게 PMMA의 α 이완(α relaxation)에 의한 것임을 알 수 있었다.;Second harmonic generation (SHG)measurement was performed on doped polymer films. Solution to Maxwell's equations in C_(∞v) symmetry material are presented which satisfy the boundary condition at plane interface. From the solution, it is found that SHG intensity depends on incident beam intensity,SHG coefficient and incident angle. Good quality agreement between theory and data is presented. On applying and removing the poling field, the temporal response of SHG signal shows the rotational diffusion mechanism of the dopant nonlinear optical molecules inside the host polymer. It is found that the temperature dependence of rotational diffusion is of Arrhenius type with the same activation energy for both the on-rise and decay processes.