Download análisis teórico de la influencia de la matriz hiperpolarizabilidad

RENDIMIENTO EN DIFRACCIÓN DE UN POLÍMERO FOTORREFRACTIVO:
ANÁLISIS TEÓRICO DE LA INFLUENCIA DE LA MATRIZ
HIPERPOLARIZABILIDAD
P. Acebal, L. Carretero, S. Blaya
Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales. División de Óptica.
Universidad Miguel Hernández. Elche. Alicante
Resumen
En la presente comunicación se analiza teóricamente la influencia de la matriz
hiperpolarizabilidad en el rendimiento en difracción de un polímero fotorrefractivo de alta Tg
estudiando para ello la simetría del cromóforo utilizado. Se demuestra que cromóforos con
simetría C2v presentan un comportamiento similar a los de simetría lineal, aunque en los
primeros se observa una mejora notable en el rendimiento en difracción respecto a los
segundos cuando se cambia el estado de polarización del haz de reconstrucción.
1.-Introducción
El estudio de medios de registro holográfico es uno de los campos que despierta
mayor interés debido a sus importantes aplicaciones, entre las que se puede destacar el
almacenamiento de información o la fabricación de elementos ópticos holográficos[1]. En
este área se han empleado distintos tipos de materiales, como las emulsiones fotográficas, las
gelatinas dicromatadas, los fotopolímeros o los cristales fotorrefractivos, siendo actualmente
los polímeros fotorrefractivos (PR) los que atraen la atención de un mayor número de
investigadores, ya que poseen frente al resto ventajas como su fácil procesabilidad, bajo coste
y capacidad de borrado [2], frente al resto.
El mecanismo de modulación de índice en los materiales fotorrefractivos es una
combinación de fotoconductividad y propiedades electroópticas, de modo que un patrón
interferencial de luz genera una distribución espacial de carga por fenómenos de
fotoconducción, dando lugar a un campo eléctrico espacialmente modulado, que por medio de
las propiedades electroópticas del material genera una modulación del índice de refracción.
Un material fotorrefractivo polimérico posee diversos componentes, los cuales
tienen como objetivo cumplir con cada una de las fases del mecanismo de modulación de
índice antes indicado. Así, las propiedades fotoconductoras las proporcionan un polímero
conductor y un generador de carga. Para ello se suele emplear el poli-(vinilcarbazol) (PVK) y
la trinitrofluorenona (TNF), los cuales al ser iluminados producen la distribución de carga
interna.
Por último faltan las propiedades electroópticas, que son aportadas por los
cromóforos. Puede existir un segundo mecanismo de modulación de índice, a parte del efecto
Pockels, que se debe al cambio en la distribución de orientaciones de las moléculas en el
campo eléctrico interno [2], este segundo mecanismo se conoce con el nombre de
birrefrigencia, y es dominante cuando la movilidad de los cromóforos en el material es alta.
Dado que existen dos mecanismos de formación de imagen, se realiza una
distinción en los materiales fotorrefractivos poliméricos atendiendo a la temperatura de
transición vitrea (Tg), que se toma como medida de la movilidad de las moléculas que están
incluidas en el polímero. Un primer tipo son los materiales de baja Tg, en los que el segundo
mecanismo es dominante y se consiguen altas modulaciones y por tanto altos rendimientos en
difraccción, por lo que han focalizado casi toda la atención en este campo. Un segundo tipo
son los materiales poliméricos de alta Tg, en los que el mecanismo dominante es el efecto
electroóptico, y para los que el rendimiento máximo alcanzado es menor que en el caso
anterior, por lo que dichos materiales han sido menos estudiado y por lo tanto menos
optimizados. Aunque los polímeros de baja Tg presentan rendimientos en difracción
superiores, su aplicación en dispositivos presenta numerosos inconvenientes, debido a su
inestabilidad mecánica y química, que provoca separación de fases y deformaciones de la red
de difracción. Frente a éstos, los polímeros de alta Tg poseen gran estabilidad mecánica y
química, por lo que hemos centrado nuestro trabajo en la optimización del rendimiento en
difracción de este tipo de compuestos, para lo cual hemos estudiado la influencia del tipo de
cromóforo.
Los cromóforos habitualmente utilizados en los materiales fotorrefractivos
(figura 1) están formados por una cadena de dobles enlaces conjugados con grupos donadores
(D) y aceptores (A) de electrones en los extremos. Según el número de grupos A (o D) y de la
simetría entre ellos tenemos diferentes clases de cromóforos, siendo los más utilizados en
materiales PR los denominados “push-pull” de una dimensión que están formados únicamente
por un grupo A y un grupo D en los extremos de una cadena de dobles enlaces, dando lugar a
la transferencia de carga interna en una única dirección. La otra clase de cromóforos estudiada
en este trabajo son los cromóforos con simetría C2v, que están formados por más de un grupo
D (o A), de modo que en este caso existen dos transiciones de carga simétricas.
Figura 1: Esquema de los tipos de cromóforos analizados. Las flechas “muestran” las transiciones
electrónicas.
2.- Resultados
Tras obtener teóricamente los valores de la matriz hiperpolarizabilidad de los
distintos cromóforos, y tras relacionar las propiedades macroscópicas con las microscópicas
mediante promedio un estadístico [3], se ha simulado el rendimiento en difracción
(dependiente de las componentes mas significativas del tensor hiperpolarizabilidad de los
cromóforos) en función del estado de polarización del haz de reconstrucción una vez
expresado el rendimiento en difracción en función de los parámetros característicos del
material.
En la figura 2, se muestra el resultado de las simulaciones:
Figura 2: Rendimiento en difracción para cromóforos C2v y “push-pull” frente al estado de
polarización del haz de reconstrucción.
Como puede observarse, en el caso de los cromóforos C2v al pasar del estado de
polarización horizontal al vertical, el rendimiento en difracción prácticamente se mantiene
constante, aumentando incluso ligeramente, mientras que en el caso de los cromóforos con
simetría “push-pull”, el rendimiento, disminuye drásticamente.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado mediante el proyecto MAT2000-1361-C04-03 de la Comisión
Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT) y el CTDIB/2002/134 de la Conselleria de
Innovación y Competitividad de la Generalitat Valenciana.
Bibliografia
[1] H.J.Coufal, G.T.Sincerbox., Holographic Data Storage. Springer (2000)
[2] W.E. Moerner, S.M. Silence, F. Hache, J. Opt.Soc Am. B 11, (1994) 320
[3] K. D. Singer, M. G. Kuzyk y J. E. Sohn, J. Soc. Opt. Am B 4 (1987) 968