While the word "photorefraction" may literally describe all kinds of
photoinduced changes of the refractive index of a material,
photoinduced phase grating which shows two beam coupling via
phhotoconduction and electro-optic effect is generally considered as
only "photorefraction".
When a photorefractive material is exposed to light, free charge
carriers are generated by excitation from impurity energy levels to an
energy band, at a rate proportional to the optical power. This process
is much like that in a extrinsic photoconductor. These carriers then
diffuse and drift away from the positions of high intensity where they
were generated, leaving behind fixed charges of the opposite sign
when the external electric field was applied. The free carriers can be
trapped by ionized impurities at other locations, depositing their charge
there as they recombine. The result is the creation of an
inhomogeneous space-charge distribution that can remain in place for
a period of time after the light is removed. This charge distribution
creates an internal electric field pattern that modulates the local
refractive index of the electrically poled material by virtue of the
electro-optic effect. Thus the poling and applied external electric field
is essential to generate the photorefraction.
In the other hand, photoisomerization and photobleaching is believed
not to be able to create the phase shifted grating, which implies that
two beam coupling gain cannot be obtained via these photochemical
reaction.
In the initial stage of this study, we prepared photorefractive
polymer blend containing photoconducting polymer(PVK) and
non-linear optical(NLO) polymer in order to achieve phase stability
and optimized photorefraction. DR1 attached PMMA polymer was
synthesized as NLO polymer. Polymer blend shows phase stability u
pto 15wt% based on the DR1 content in the blend on the scale of
optical microscopy. However polymer composite containing DR1 shows
phase separation even at the 5 wt% DR1 content. These phenomena
are related to the interaction of ingredients and crystallinity in the
polymer blend.
The polymer blend system containing PVK, NLO polymer and C60
as photosensitizer shows two-beam coupling when the external electric
field was applied. As the applied field increases two-beam coupling
gain also increases. Suprisingly these systems shows two-beam
coupling even though sample was not poled and external field was not
applied. High gain over 300cm-1 was observed for specific sample.
These two-beam couplings without poling and field may not be
occurred via photorefractive mechanism because photoconduction and
electro-optic effect is not envolved. Thus we call these phenomena as
"Pseudo-photorefraction".
In order to investigate "pseudo-photorefraction" more systematically,
two-beam coupling experiment on the polymer composite with
hemicyanine dye was performed. Poled polymer composite with
photoconducting and NLO material, unpoled polymer composite with
the same ingredient as previous system, and unpoled polymer
composite without photoconducting and NLO property all shows two-
beam coupling gain. This fact implies that the photoconduction and
electro-optic effect is not the essential for the two-beam coupling.
Pseudo-photorefraction occurred through the mass transport induced
by the volume change when the materials suffer from photochemical
reaction. More studies on the mechanism and the generalization of
pseudo-photorefraction must be continuously done.
In other point of view, the polymer blend containing
photoconducting polymer and synthesized NLO polymer shows the
changes of transmission according to the beam irradiation intensity,
which can be applied to the self-adaptable spatial filtering. This
phenomenon is different from the previously reported systems in the
view point that the cross-polarizer is not needed to control
transmission. Microphase separation induced by laser beam may
change the transmittance.
광굴절현상은 문자 그대로 해석하자면 빛에 의해 물질의 굴절율이 변화되는 현상을 의미하지만, 일반적으로는 광이성화나 광표백등에 의한 굴절율 변화와 구분하여 광전도성 및 전기광학효과에 의하여 이광파 혼합이 일어나는 굴절율 변화를 광굴절 현상으로 정의하고 있다.
광굴절 현상을 나타내는 물질은 광전도성을 띠고 있기 때문에 두 빛의
간섭무늬 패턴의 밝은 부분에서 전하가 여기 되고 외부 전장을 가한 경우
이들 전하가 이동되어 절연성을 나타내는 어두운 부분에 트랩되어 내부전
기장을 형성하게 된다. 광굴절 물질은 전기접촉 폴링에 의해 비선형 광학
염료들이 정열되었을 때 비로소 전기 광학 효과를 나타낼 수 있으며, 생
성된 내부전기장의 세기에 비례하여 굴절율이 공간적으로 변조되게 된다.
따라서 접촉 폴링과 전하 이동을 위하여 물질에 대한 전장의 인가는 필수
적인 것으로 알려져 있다. 광굴절 현상을 나타내는 물질은 빛의 간섭무늬
패턴과 생성된 격자의 상이 일치하지 않기 때문에 이광파 실험시 한 빛의
세기가 감소하는 만큼 다른 빛의 세기가 증폭되며 이러한 특성은 빛의 증
폭등 새로운 광학 소자로의 응용 가능성을 가지고 있다.
반면 광이성화나 광표백등에 의한 굴절율 변화는 빛의 간섭무늬 패턴
과 이 빛에 의해 변조된 격자의 상이 일치할 것으로 예상되어 이광파 혼
합이 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 광전도성 고분자와 비선형 광학고분자를 블랜드하여 광
굴절 고분자 물질을 제조함으로써 상안정성과 물성의 최적화를 함께 증진
시키기 어렵다는 기존 광굴절 고분자 물질의 단점을 극복하고자 하였다.
합성된 비선형 광학고분자는 폴리메틸메타크릴레이트를 주쇄로 하고 DR1
이 측쇄에 연결되어 있으며, 이를 광전도성 고분자인 폴리 비닐 카바졸과
블랜드한 경우 블랜드내의 DR1 함량기준으로 15wt%까지 전자 현미경
수준의 상용성을 나타냄을 관찰할 수 있었다. 반면에 DR1이 도핑되어 있
는 폴리 비닐 카바졸의 경우에는 5wt%이상에서 심각한 상분리가 일어나
고 있음이 관찰되었다. 이러한 상거동은 DR1 자체의 수소결합이 DR1과
폴리비닐 카바졸간의 상호작용보다 강하고 결정화를 쉽게 이루는 반면,
합성된 비선형 고분자와 폴리비닐 카바졸간에는 이러한 수소결합이 존재
하지 않을 뿐만 아니라 결정성도 존재하지 않기 때문인 것으로 판단되었
다.
감광제로 C60를 사용한 경우, 이광파 혼합실험에서 전장을 인가함에 따
라 뚜렷한 이득계수의 변화를 관찰할 수 있었으며, 이는 광굴절 특성의
전형이다. 그러나 전기 접촉 폴링이나 외부 전장이 없는 경우에도 이들
블랜드 시스템이 두 빔 결합실험시 이득을 나타냄을 관찰할 수 있었으며
비선형 광학 물질의 함량에 따라 이득계수가 300cm-1를 넘는 높은 수치
를 나타내었다. 접촉 폴링을 하지 않은 경우에는 광굴절 색소들이 정열할
수 없기 때문에 전기 광학 효과를 나타낼 수 없으며, 외부 전장이 없을
경우에는 광에 의해서 생성된 전하의 이동이 어렵기 때문에 내부 전기장
을 형성하기 어렵다. 따라서 관찰된 이득은 광굴절 현상에 의한 것이 아
니며, 이를 "유사 광굴절"이라 명명하였다.
유사 광굴절 현상을 보다 체계적으로 관찰하기 위하여 이광파 실험시
높고 안정적인 이득을 나타내는 색소인 헤미시아닌이 도핑된 고분자 시스
템에 대한 연구를 수행하였다. 헤미시아닌 색소 및 감광제가 도핑된 폴리
비닐 카바졸을 접촉 폴링만 하고 외부 전장을 가하지 않은 상태에서 이광
파 실험을 한 경우와 폴링도 하지 않고 외부 전장 역시 없는 경우, 감광
제 없이 헤미시아닌을 폴리메틸메타크릴레이트에 도핑하여 폴링이나 외부
전장 없이 이광파 실험을 한 경우등 세가지 서로 다른 경우에서 모두 높
은 이득계수를 얻을 수 있었으며 이는 유사광굴절 현상이 광전도성이나
전기 광학 특성과는 무관하게 일어남을 의미한다.
유사광굴절 특성은 광이성화나 광표백, 광중합등 광화학 반응시 야기
되는 매트릭스의 부피변화에 의해 유도되는 물질 전달로 인하여 생성된
격자와 간섭 무늬 패턴간의 상이동이 있는 것으로 예측되며 이러한 유사
광굴절 메카니즘 및 일반화에 관해서는 보다 깊은 연구가 수행되어야 한
다.
또한 앞서 언급한 비선형 광학 고분자와 광전도성 고분자 블랜드는 조
사되는 빛의 강도에 따라 투과도가 자동으로 조절되는 특성을 나타내고
있음이 새로이 관찰되었다. 일반적으로 아조 계열 고분자는 광이성화에
의하여 이방성이 변화하기 때문에 두 개의 직교한 편광자를 이용하여 투
과되는 빛의 투과도를 조절할 수 있으며 이를 이용하여 공간 필터를 제조
할 수 있다. 그러나 본 연구에서 이용한 블랜드는 사용 파장대(633nm)에
서 광이성화 반응이 매우 미약하게 나타났으며 편광자 없이도 투과도가
조사하는 빛의 강도에 따라 가역적으로 변화함을 관찰할 수 있었다. 따라
서 이 물질은 편광자 사용으로 인한 투과도의 저하 없이 공간 필터로 응
용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.
