用Michelson干涉仪测量光折变聚合物折射率调制度

    目前,国际上大多采用间接的测量手段测量光折变聚合物折射率调制度,本文提出了一种用Michelson干涉仪实现对折射率调制度的直接测量方法.该方法具有结构简单,设计巧妙,实用性强等特点,可作为折射率调制度测量的通用平台.

    1　工作原理

    Michelson干涉仪利用光的干涉原理,通过观察等厚条纹、等倾条纹及条纹的各种变动情况进行精密测量.它设计精巧,用途广泛,结构简单^[1].利用其测量原理及光折变聚合物对光的敏感特性^{[2, 3]}设计出了测量折射率调制度的实验装置图(见图1).

    采用激光器作为光源,在激光器的发射端放置两个光阑,用于定位激光的出射方向.激光经分束镜G₁分束后,一束通过补偿镜G₂后被反射镜M₁反射,另一束通过光聚物样品后被M₂反射,两束光在探测器平面相干形成干涉条纹.实验中调节M1或M2的方向,使得在探测器平面能够观察到同心等倾条纹.根据条纹的运动情况即可测量光折变聚合物的折射率调制度.

    分束到M₁的光束通过光折变聚合物样品时,由于发生光致折射率变化反应,将改变样品的折射率,进而改变该光束的光程.设光束入射样品前后折射率分别为n₁、n₂,则光程差的变化为ΔL=l(n₂-n₁)=l·Δn.其中,Δn即为待测量的折射率调制度; l为光通过样品的距离.

    假定激光在空气中的波长为λ,当光程差每次改变λ时,对应的等倾条纹产生一级的移动,光程差增大使中心产生新的条纹,且条纹向外移动,光程差减小条纹向中心移动(图2).当在探测器平面观察某一点的条纹移动情况时有Δk=l·Δn /λ.其中,Δk为条纹通过某一固定点的移动级数.所以折射率调制度可表示为Δn=λΔk/l.实验中若让光束垂直通过样品,则l=2d,d为样品的厚度,折射率调制度被表示成

    Δn =λΔk/(2d).                 (1)

    由式(1)可知,只需测量出d及Δk即可求得折射率调制度Δn.同样如果测量出Δk与时间的变化关系,也可知Δn的动态变化过程,进而反映出光折变聚合物的内部反应机理.

    2　实验及结果分析

    实验中应用自制的光折变聚合物样品(聚合物分散液晶材料,组分质量分数为60%PMMA,19%LC,20%含氮染料和1%的TNFM).样品厚度160μm,实验时需要外加电场.将样品固定于转动平台上,放置在光路中,见图1.样品尽量靠近反射镜M1,并在两侧放置标准小孔,以减少光束两次透过样品的角度偏差.探测器端采用了CCD探测,由于显示屏有刻度指示,可以估读一位.

    由于该聚合物样品的吸收谱在红光波段,对于绿光不敏感,因此实验分为两个阶段: