臺灣博碩士論文加值系統

本論文採用雷射誘發全像光柵技術，藉由改變溫度、角度與配向，來研究摻雜偶氮染料高分子薄膜在液晶中的動態全像光柵形成機制。此研究中，發現光柵繞射現象是因為受激發偶氮染料分子由順式轉變為反式的同素異構化所致，另外液晶分子扭曲（twist）與填補效應也對繞射有所貢獻，對此本論文提出樣品一階繞射現象之解釋，並歸納出溫度、角度與液晶導軸對實驗的影響。

The laser-induced holographic gratings in the Azo dye-doped PMMA thin films with liquid crystal were investigated by changing the temperature of the sample, the angle of two writing beams and the rubbing. The high power Q-switch pulse laser has been used as the writing beams and the He-Ne cw laser has been used as a real-time probe beam to detect the first order diffraction singals. The grating are the results of photo-isomerization of azo dye and diffusions of liquid crystal. The model has been established to analyze the first order diffraction signals in order to understand the mechanism of grating and the effect of temperature and angle.

摻雜偶氮染料高分子薄膜在液晶中的光致全像光柵研究
章節索引：
中英文摘要 1
第一章 簡介
1-1 前言 2
1-2 液晶簡介 3
1-3 液晶物理 10
1-4 Dye-Doped PMMA Thin Films簡介 18
第二章 相關理論
2-1 全像術與全像光柵 20
2-2 全像光柵的分類和特性 22
2-3 全像光柵機制 27
2-4 Azo dye-doped PMMAthin films with liquid crystal
中的非線性效應和光柵探討 28
2-5 光致全像光柵鬆弛技術 32
第三章 實驗方法與過程
3-1 樣品的製備 35
3-2 實驗樣品的製作 37
3-3 實驗裝置 39
3-4 實驗步驟與過程 42
第四章 實驗結果與討論
4-1熱致效應與繞射訊號的關係 45
4-2染料高分子薄膜-液晶樣品所形成的表面起伏光柵 45
4-3液晶對染料高分子薄膜一階繞射訊號之影響 46
4-4染料高分子薄膜-液晶樣品一階繞射訊號與溫度之關係 47
4-5染料高分子薄膜-液晶樣品一階繞射訊號與角度之關係 49
4-6染料高分子薄膜-液晶樣品一階繞射訊號與液晶導軸之關係 50
4-7寫入光強度對染料高分子薄膜-液晶樣品一階繞射訊號的影響 51
第五章 總結與未來展望
5-1 總結 87
5-2 未來展望 88
參考文獻 89






圖表索引
圖(1-2.1)：液晶物質之相轉變 3
圖(1-2.2)：向列相(nematics)液晶分子的排列情形 5
圖(1-2.4)：近晶A相液晶分子的排列 6
圖(1-2.5)：近晶C相液晶的分子排列 7
圖(1-2.6)：鐵電性液晶SMC*分子的排列方式 8
圖(1-2.7)：(a)圓盤狀圓柱相液晶分子的排列
(b)圓盤狀向列相液晶分子的排列 9
圖(1-2.8)：聚合物液晶相可分為(a)主鏈型 (b)側鏈型介晶集團 9
圖(1-3.1)：正單光軸晶體的折射率橢圓球 11
圖(1-3.2)：nematic液晶的三種可能形變 12
圖(1-3.3)：在外加電場E下，液晶導軸的體積分佈示意圖 14
圖(1-3.4)：向列相液晶分子排列方式示意圖(a)水平配向 (b)垂直配向 15
圖(1-3.5)：(a)為homogeneous排列時的conoscopic pattern
(b)為homeotropic排列時的conoscopic pattern 15
圖(1-3.6)：k15液晶在三種波長下的折射率對溫度關係圖 16
圖(1-3.7)：order parameter S與溫度關係圖 17
圖(1-3.8)：k15液晶在632.8nm光照射下之 對溫度關係圖 17
圖(1-4.1)：化學樣品系統示意圖 18
圖(2-1.1)：兩道相干性平面波相互干涉形成光柵之情形 20
圖(2-2.1)：(a)振幅光柵 (b)相位光柵 22
圖(2-2.2)：透射與反射體積光柵 23
圖(2-2.3)：體積光柵繞射原理 25
圖(2-2.4)：薄膜光柵繞射原理 25
圖(2-2.5)：Bragg繞射成立條件是入射光與多層的光柵條紋起干涉作用 26
圖(2-2.6)：Raman-Nath繞射情形 27
圖(2-3.1)：光場引發物質特性改變的幾種過程 27
圖(2-4.1)：同素異構化的能階躍遷示意圖 28
圖(2-4.2)：DR1分子順式與反式之結構 29
圖(2-4.3)：液晶分子受偶氮染料分子的吸附錨定力矩而旋轉 31
圖(2-5.1)：雷射誘發空間折射率光柵與振幅光柵 33
圖(3-1.1)：k15液晶分子的結構式 35
圖(3-1.2)：k15液晶的吸收光譜圖 36
圖(3-1.3)：DR1分子的吸收光譜 36
圖(3-2.1)：染料-液晶樣品cell的製造與封裝過程 39
圖(3-3.1)：全像光柵實驗裝置圖 41
圖(3-4.1)：探討DR1是否和k15作用之特製樣品 43
圖(4-1.1)：偶氮染料高分子薄膜的一階繞射訊號圖 52
圖(4-2.1)：染料高分子薄膜上的表面起伏光柵，使用AFM掃瞄的結果 46
圖（4-3.1）：偶氮染料高分子薄膜，在兩寫入光夾角θ＝3°下，寫入光強度對於染料高分子薄膜一階繞射訊號的影響 52
圖（4-3.1）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度27℃且無配向下，液晶對繞射訊號強度與訊號影響的動態曲線圖，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 53
圖（4-3.2）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度27℃且配向與寫入光偏振方向垂直下，液晶對繞射訊號強度與訊號影響的動態曲線圖，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 54
圖（4-3.3）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度27℃且配向與寫入光偏振方向平行下，液晶對繞射訊號強度與訊號影響的動態曲線圖，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 55
圖（4-3.4）：一階繞射訊號強度，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW及沒有配向下的比較，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 56
圖（4-3.5）：一階繞射訊號強度，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW及配向與寫入光偏振方向平行的比較，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 57
圖（4-3.6）：一階繞射訊號強度，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW及配向與寫入光偏振方向垂直的比較，其中（1）為薄膜與液晶接觸，(2)為純薄膜，（3）為薄膜與液晶不接觸 58
圖（4-4.1）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態曲線圖 59
圖（4-4.2）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 60
圖（4-4.3）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝4°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 61
圖（4-4.4）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝5°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 62
圖（4-4.5）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝6°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 63
圖（4-4.6）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝7°，power為270mW，沒有配向下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 64
圖（4-4.7）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，配向與寫入光偏振方向垂直下，一階繞射訊號動態曲線圖 65
圖（4-4.8）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，配向與寫入光偏振方向垂直下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 66
圖（4-4.9）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，配向與寫入光偏振方向平行下，一階繞射訊號動態曲線圖 67
圖（4-4.10）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，配向與寫入光偏振方向平行下，一階繞射訊號動態的簡要曲線圖 68
圖（4-4.11）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度34℃沒有配向下，探測光在光柵中央與邊緣所測得的一階繞射訊號動態曲線圖 69
圖（4-4.12）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度34℃沒有配向下，（1）（2）為探測光在光柵中央與邊緣所測得的一階繞射訊號，（3）為（1）（2）疊加的結果 70
圖（4-4.13）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度27℃∼31℃沒有配向下，探測光在光柵中央與邊緣所測得之一階繞射訊號動態曲線圖 71
圖（4-4.14）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，兩寫入光夾角θ＝3°，power為270mW，溫度27℃∼31℃沒有配向下，探測光在光柵中央與邊緣所測得極短時間的之一階繞射訊號動態 72
圖(4-4.15):在寫入光夾角3°∼7下°隨著溫度的變化，液晶分子形成反相光柵時間的關係圖，形成反相光柵的時間會隨溫度上升而變快 73
圖（4-5.1）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，溫度27℃沒有配向下，寫入光夾角3°∼7°的一階繞射訊號動態曲線圖 74
圖（4-5.2）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，溫度27℃，配向與寫入光偏振方向垂直下，寫入光夾角3°∼7°的一階繞射訊號動態曲線圖 75
圖（4-5.3）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，溫度27℃，配向與寫入光偏振方向平行下，寫入光夾角3°∼7°的一階繞射訊號動態曲線圖 76
圖（4-5.4）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，沒有配向下，繞射效率與光柵間距之關係圖 77
圖（4-5.5）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，配向與寫入光偏振方向垂直下，繞射效率與光柵間距之關係圖78
圖（4-5.6）：偶氮染料高分子薄膜-液晶樣品，cell厚度25μm，power為270mW，配向與寫入光偏振方向平行下，繞射效率與光柵間距之關係圖79
圖（4-6.1）：液晶導軸與一階繞射訊號強度關係圖，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW及溫度27℃的比較，其中（1）為沒有配向，(2)為配向方向與寫入光偏振方向垂直，（3）為配向方向與寫入光偏振方向平行 80
圖（4-7.1）：入射光強度對一階繞射訊號的影響，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW，溫度27℃沒有配向的比較，其中（1）寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 81
圖（4-7.2）：入射光強度對一階繞射訊號的影響，在夾角θ＝3°，雷射強度270mW，溫度27℃，配向與寫入光偏振方向垂直下的比較，其中（1）寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 82
圖（4-7.3）：入射光強度對一階繞射訊號的影響，在夾角θ＝3°，雷射強度270mW，溫度27℃，配向與寫入光偏振方向平行下的比較，其中（1）寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 83
圖（4-7.4）：入射光強度對一階繞射訊號的影響，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW，沒有配向的比較，其中(1)寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 84
圖（4-7.5）：一階繞射訊號強度，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW，配向與寫入光偏振方向垂直的比較，其中（1）寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 85
圖（4-7.6）：一階繞射訊號強度，在寫入光夾角θ＝3°，雷射強度為270mW，配向與寫入光偏振方向平行的比較，其中（1）寫入光先照射在薄膜上(2)純薄膜(3)寫入光先通過液晶再照射到薄膜上 86

[參考文獻]
1.P. G. de Gennes and J.Prost, The Physics of Liquid Crystals, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford(1993).
2.L. M. Blinov and V.G. Chigrinov, Electroopic Effects in Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag, New York(1994).
3.B. Bahadur, Liquid Crystals-Applications and Uses, Vol.1, World Scientific, Singapore(1990).
4.G. W. Gray, Thermotropic Liquid Crystals, the Society of Chemical Industry(1987).
5.S. Chandrasekhar, F.R.S., Liquid Crystals, 2nd edition, Cambridge University Press(1992).
6.Andrew J. Lovinger, Karl R. Amundson and Don D. Davis, Chem. Mater. 6, 1726(1994).
7.Grant R. Fowles, Introduction to Modern Optics, 2nd ed., University of Utah, New York(1975).
8.朱自強, 王仕璠, 蘇顯渝, 現代光學教程, 四川大學出版社, 成都(1990).
9.A. Yariv, Quantum Electronics, John Wiley &Sons Press, New York(1989).
10.Iam-Choon Khoo, Liquid Crystals-Physical Properties and Nonlinear Optical Phenomena, John Wiley & Sons Press, New York(1995).
11.C. W. Oseen, Trans. Faraday Soc., 29, 83(1933).
12.H. Zocher, Trans. Faraday Soc., 29, 19(1933).
13.F. C. Frank, Discuss. Faraday Soc., 25, 19(1958).
14.P. Hariharan, Optical Holography-Principles, Technique and Applications, Cambridge University Press, Cambridge(1984).
15.Laser-Induced Dynamics Gratings, edited by H. J. Eicher, P. Gunter and D. W. Pohl, Springer-Verlag, Berlin(1986).
16.Laser and Holography, edited by P. C. Mehta and V. V. Rampal, World Scientific, Singapore(1993).
17.T. V. Galstyan, B. Saad, M. M. Denariez-Roberge, J. Chem. Phys., 107, 22, p9319-9325(1997).
18.Photochemistry and Photophysics, H. Rau, edited by J. F. Rabek, vol 2, p119-141, Boca Raton(1990).
19.A. G. Chen, D. J. Brady, Optics Letters, 17, 6(1992).
20.T. V. Gastyan, V. Drnoyan, S. M. Arakelian, Phys. Lett. A, 217, 52(1996).
21.Photochemistry and Photophysics, H. Rau, edited by J. F. Rabek, vol 2, p119-141, Boca Raton(1990).
22.Masahiko HARA, Seiji ICHIKAWA, Hideo TAKEZOE, Atsuo FUKUDA, Jpn. J. Appl. Phys., 23, 11, p1420-1425(1984).
23.S. S. Gong, D. Christensen, J. Zhang, C. H. Wang, J. Phys. Chem., 91, 17(1987).
24.Wang C. H., Xia J. L., J. Phys. Chem., 96, p190(1992).
25.Xia J. L., Wang C. H., J. Phys. Chem., 92, p2603(1990).
26.Terazima M., Okamoto K., Hirota N., J. Phys. Chem., 97, p5188(1993).
27.Bacri J. C., Cebers A., Bourdon A., Demouchy G. Heegaard B. M., Perzynski R., Phys. Rev. Letter, 74, p5032(1995).
28.Heuberger G., Sillescu H. J., J. Phys. Chem., 100, p15255(1996).
29.Herbert H., Urbach W., Rondelez F., J. Chem. Phys., 68, p2725(1978).
30.Massahiko HARA, Hideo TAKEZOE, Atsuo FUKUDA, Jpn. J. Appl. Phys., 25, 12(1986).
31.B. Saad, M. M. Denariez-Roberge, T. V. Galstyan, Optics Letters, 23, 9(1998).
32.F. Simoni and O. Francescangeli, Effects of Light on Molecular Orientation of Liquid Crystals, J. Phys. Condens. Matter 11, 439~487 (1999).
33.A. G. Chen, D. J. Brady, Optics Letters, 17, 6(1992).
34.T. V. Gastyan, V. Drnoyan, S. M. Arakelian, Phys. Lett. A, 217, 52(1996).
35.K. W. Rhee, J. Shibata, A. Barish, D. A. Gabriel, and C. S. Johnson, Jr., J. Phys. Chem. 88, 3944 (1984).
36.P. G. de Gennes, The Physics of Liquid Crystals, Oxford University Press, Oxford (1974).
37.A. Leopld, J. Wolff, O. Baldus, and M. R. Huber, T. Bieringer, S. J. Zilker, J. Chem. Phys. 113, 833-837(2000)
38.S. Bauer, “Poled polymer for sensors and photonic applications”,J. Appl. Phys. 80,5331-5558(1996)
39.H. Tachibana and M. Matsumoto, “Functionalized Langmuir-Blodgett films-toward the construction of molecular devices”.Asv. Mater. 5, 796-814(1993)
40.C.Fiorini, F. Charra, J. Nunzi and P. Raimond, “Quasi-permanent all-optical encoding of noncentrosymmetry in azo-dye polymer”, J. Opt. Soc. Am. B. 14, 1984-2003(1997)
41.B. Volodin, K. Meerholz, Sandalphon, B. Kippelen and N. Peyghambarian, “Azo dye-doped photorefractive polymers”, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng, 2144, 796-814(1994)
42.Sandalphon, B. Kippelen, N. Peyghambarian, S. R. Lyon, A.B. Padias, and H. K. Hall, Jr., “Dual-grating formation through photorefractivity and photoisomerization in azo-dye doped polymers”, Opt. Lett. 19, 68-70(1994)