PMMA基极化聚合物薄膜的制备改性及其光波导研制

论文摘要

极化聚合物材料具有非线性系数高、电容率低、易加工处理、与现有集成工艺相兼容等特点,因而在集成光学特别是光通信器件领域有着广阔的应用前景。而最近新兴的无机/有机杂化材料,由于兼备聚合物的柔韧性、高透光性和无机物的热稳定性等特点,而备受材料界关注。本文的主要工作就是制备两种体系极化聚合物薄膜,包括主客体掺杂型体系和有机/无机杂化型体系,并运用光漂白工艺制备出以杂化型薄膜为芯层的Y型光波导。实验中首先以分散红1（DR1）为生色团,制备基体为PMMA的主客体掺杂型极化聚合物体系。DR1含量为10wt%的聚合物PR-10的Tg只有94℃,而PMMA的Tg为105℃;并以PR-10为例,对主客体掺杂型极化聚合物薄膜的电晕极化工艺进行优化得出较佳的极化条件为:极化电压为4.5kV,极化时间为30min,极化温度为95℃,极化薄膜的取向序参数为0.182,常温下薄膜表现出较快的弛豫速度,60d后取向度仅为初始值的21%;二次谐波产生（SHG）实验结果表明聚合物薄膜的二阶非线性系数d33为1.90×10-8esu。然后通过溶胶-凝胶（sol-gel）工艺合成以MMA为有机物骨架,以MSMA为偶联剂,以TEOS为无机前体的有机/无机杂化材料PMMA/SiO2,并且以此为主体,制备出以DR1为客体的杂化体系;n（TEOS）/[n（MMA）+n（MSMA）]=0.6的样品PCR-0.6不仅其玻璃化温度Tg高达165℃,远高于PMMA/DR1材料,而且杂化薄膜显示出明显改进的热稳定性和优异的抗弛豫性能,电晕极化后在常温下保存20d后取向度依旧保持为初始值的91%,并且趋于稳定不再下降。在此基础上,以PMMA/SiO2为包层、有机/无机杂化型薄膜为芯层,应用光漂白法制备出Y型光波导,对其制备工艺进行探讨和优化,尤其是铝掩模层的制作和光漂白对波导薄膜的影响。运用光纤与波导直接耦合装置对Y形光波导进行性能测试,由功率计测得Y分支的光强比为44:56,光损耗值约为9dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 非线性光学效应
• 1.2.1 电光效应
• 1.2.2 倍频效应
• 1.2.3 光折变效应
• 1.3 非线性光学材料
• 1.3.1 无机倍频材料
• 1.3.2 半导体材料
• 1.3.3 有机及聚合物材料
• 1.4 极化聚合物
• 1.4.1 极化聚合物的概念
• 1.4.2 极化聚合物的种类
• 1.4.2.1 主客体掺杂型
• 1.4.2.2 主客一体型
• 1.4.3 极化聚合物的应用
• 1.5 本课题的研究意义及主要内容
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本课题的主要内容
• 第二章 实验药品及表征手段
• 2.1 制备PMMA基极化聚合物薄膜的实验原料
• 2.1.1 原料试剂
• 2.1.2 承载聚合物薄膜的基片
• 2.1.3 薄膜制备实验使用的仪器设备
• 2.2 聚合物材料及其薄膜性能的表征方法
• 第三章 主客体掺杂型极化聚合物薄膜的制备与性能
• 3.1 引言
• 3.2 聚甲基丙烯酸甲酯的制备
• 3.3 掺杂型极化聚合物薄膜的制备
• 3.3.1 有机溶剂
• 3.3.2 成膜方式
• 3.3.3 溶液浓度
• 3.4 极化聚合物薄膜的结构与性能表征
• 3.4.1 聚合物薄膜的SEM照片
• 3.4.2 极化聚合物的XRD谱
• 3.4.3 极化聚合物的DSC曲线
• 3.4.4 聚合物薄膜的一般光学特性
• 3.4.4.1 聚合物薄膜的UV-vis吸收曲线
• 3.4.4.2 聚合物薄膜的透过率
• 3.4.4.3 聚合物薄膜的折射率
• 3.4.6 聚合物薄膜的非线性光学特性
• 3.4.6.1 聚合物薄膜的极化及生色团取向序参数
• 3.4.6.2 聚合物薄膜的极化取向稳定性
• 3.4.6.3 聚合物薄膜的二阶非线性光学系数
• 3.5 小结
• 第四章 有机/无机杂化型非线性光学材料的制备与表征
• 4.1 引言
• 2的制备'>4.2 有机/无机杂化聚合物PMMA/SiO₂的制备
• 4.3 有机/无机杂化型二阶非线性光学材料的制备
• 4.4 有机/无机杂化型二阶非线性光学材料的结构与性能
• 4.4.1 杂化薄膜的SEM照片
• 4.4.2 杂化材料XRD谱
• 4.4.3 杂化材料的热性能
• 4.4.3.1 杂化材料的TGA曲线
• 4.4.3.2 杂化材料的DSC曲线
• 4.4.4 杂化材料的耐溶剂性能
• 4.4.5 杂化薄膜的一般光学性能
• 4.4.5.1 杂化薄膜的UV-vis吸收曲线
• 4.4.5.2 杂化薄膜的透过率
• 4.4.5.3 杂化薄膜的折射率
• 4.4.6 杂化薄膜的非线性光学特性
• 4.4.6.1 杂化薄膜的极化及生色团取向序参数
• 4.4.6.2 杂化薄膜的极化取向稳定性
• 4.5 小结
• 第五章 PMMA基极化聚合物光波导的研制
• 5.1 引言
• 5.2 Y型光波导的制备
• 5.2.1 下包层与芯层的制备
• 5.2.2 铝掩模的制备
• 5.2.3 光漂白工艺
• 5.2.4 实际Y型光波导的结构
• 5.3 Y型光波导的光传输性能实验
• 5.4 小结
• 第六章 电晕极化机理的探讨
• 6.1 引言
• 6.2 极化温度对极化效果的影响
• 6.3 极化时间对极化效果的影响
• 6.4 极化电压对极化效果的影响
• 6.5 双针极化对极化效果的影响
• 6.6 小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢