激光诱导高分子溶液折射率变化研究

论文摘要

聚合物作为一种新型的非线性光学材料,具有非线性光学系数大和光学损伤阈值高等优点。近年来,光与聚合物的相互作用日益得到重视。2002年,R.Sigel等人发现了一种由松聚焦低功率连续波可见光激光在完全透明的缠结态聚烯烃溶液中诱导出现的折射率变化现象,至今还没有一个合适的理论模型能对其作出解释。本文的工作就是在实验分析的基础上探索其产生的物理机制。实验上,使用波长为532 nm、功率为200 mW的松聚焦连续波激光对顺式1,4-聚异戊二烯的甲苯缠结态溶液进行光诱导实验。光束通过溶液后的透射光斑逐渐扩展并在12分钟后稳定下来,这是一种明显的激光诱导溶液折射率变化而产生的空间自相位调制现象。该过程中伴有径向亮线的旋转,这可能由溶液中分子的取向导致。该效应具有非局域性。当透镜焦点距离比色皿的出射端面较近时,透射图样的变化与上述变化明显不同,这可能是出射端面的表面力克服光场梯度力而导致的。实验发现在光程为5 mm的比色皿中的实验现象要比在光程为10 mm的比色皿中的实验现象明显。径向亮线的旋转现象、比色皿端面及比色皿的光程对实验的影响至今未见报道。为了分析上述光致折射率变化现象的物理机制,分别在C60的甲苯溶液、含有顺式1,4-聚异戊二烯的C60的甲苯溶液和顺式1,4-聚异戊二烯的正己烷悬浮液进行了光诱导实验,排除了光热效应、光化学反应、热击穿效应导致顺式1,4-聚异戊二烯的甲苯缠结态溶液折射率变化的可能性,得出了电致伸缩力、电致伸缩力矩及高分子链间的协同作用导致该效应的结论。在理论上,建立了描述激光诱导缠结态聚烯烃溶液高分子粒子数密度分布的理论模型。使用平均场近似,将高分子链间的协同作用表述为高分子链的排除体积效应。把粒子在电致伸缩作用和排除体积作用下的势能代入Planck-Nernst方程的弱场近似稳态解,采用傍轴近似,导出了松聚焦激光作用下高分子粒子数密度的稳态分布。高分子粒子数密度的分布对应于溶液折射率的分布,因而,该粒子数密度分布方程的建立对进一步研究激光诱导聚合物溶液折射率的变化规律具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及其意义
• 1.2 激光诱导聚烯烃溶液折射率变化研究进展
• 1.3 光场对电介质粒子作用力的研究进展
• 1.3.1 激光俘获及操控粒子研究进展
• 1.3.2 人工克尔介质的研究进展
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 高分子浓溶液理论及扩散模型
• 2.1 高分子浓溶液理论
• 2.1.1 高分子科学基本概念
• 2.1.2 分子链的串滴模型及爬行模型
• 2.1.3 浓溶液中分子链松弛时间和扩散
• 2.2 Chandrasekhar 方程和Planck-Nernst 方程
• 2.3 电致伸缩力和电致伸缩力矩
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光诱导高分子溶液折射率变化的实验研究
• 3.1 溶液的制备及其组分的性质
• 3.2 聚异戊二烯的甲苯溶液的光诱导实验
• 3.2.1 实验条件及实验结果
• 3.2.2 实验结果分析
• 3.3 光热效应与热击穿
• 3.3.1 实验条件及实验结果
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.4 光化学反应与热击穿
• 3.4.1 实验条件及实验结果
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 聚异戊二烯颗粒悬浮液的实验
• 3.5.1 实验条件及实验结果
• 3.5.2 实验结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光诱导高分子溶液的粒子数分布方程
• 4.1 排除体积效应的引入
• 4.2 缠结态聚烯烃溶液分子数密度分布模型的建立
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢