Holographische Polymer-Flüssigkristalle für die Photonik

Im Rahmen dieses Projekt stellen wir komplexe Strukturen aus photosensitiven Kompositen von Polymeren und Flüssigkristallen (H-PDLC) mittels holographischer Methoden her. Die optischen Eigenschaften dieser Materialien sind durch die eingebetteten Nano-Tröpfchen des Flüssigkristalls bestimmt. So kann z.B. ein H-PDLC durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes von einem optisch undurchlässigen Zustand in ein völlig transparentes Medium geschaltet werden. Durch die enorm hohe lichtinduzierte Brechwertänderung ist es außerdem möglich, Photonische Kristalle herzustellen, d.h., die dielelektrische Suszeptibilität periodisch zu modulieren, so dass Bandlücken für Photonen entstehen (sogenannte photonische Stoppbänder). Dieses Projekt verfolgt drei wesentliche Ziele: (1) Die Kinetik der Phasenseparation zwischen Polymer und Flüssigkristall zu untersuchen und zu verstehen (2) Den Zusammenhang zwischen den strukturellen Eigenschaften im Nanometerbereich und den optischen Eigenschaften im Submikrometerbereich aufzuklären (3) H-PDLC für photonische Anwendungen ("all optical networking") und neutronen-optische Komponenten zu optimieren Um diese Ziele zu erreichen, werden nichtdestruktive in-situ Verfahren eingesetzt, und zwar sowohl lichtoptisch holographische Verfahren wie Zweiwellenmischung, interfero-metrische Strahlkopplungsmessungen, holographische Streuung, sowie Polarisationsmikro-skopie, aber auch Neutronenbeugung und -streuung an lichtinduzierten Strukturen. Letztere werden mit einem einzigartigen Forschungsgerät (HoloNS) durchgeführt, das simultane Neutronen- und Lichtbeugung während der Erzeugung der Strukturen erlaubt. Das Projekt wird in Kooperation mit Forschungsinstituten in Slowenien und Deutschland durchgeführt. Die Ergebnisse werden neue fundamentale Erkenntnisse als auch neuartige nanostrukturierte Materialien bringen, die von hervorragender Bedeutung für die optische Technologie, insbesondere zur Erzeugung von photonischen Elementen der nächsten Generation sind. Zusätzlich wird sich damit eine neue Materialklasse für die Konstruktion neutronenoptischer Komponenten eröffnen, vielleicht sogar zur Herstellung von neutronischen Kristallen.

Holographisch hergestellte Kompositmaterialien aus Polymeren und Flüssigkristallen (HPDLCs) besitzen die Vorteile beider Materialien: man kann sie optisch strukturieren und diese Strukturen sind dann stabil, sie zeigen sich stark anisotrop und elektrisch schaltbar. In diesem Projekt haben wir darauf abgezielt, die Zusammenhänge zwischen der Struktur und den optischen Eigenschaften zu erforschen, die Details der Photopolymerisationskinetik und der Phasenseparation zu ergründen und die holographisch erzeugten Muster zu charakterisieren sowie ihre Eigenschaften zu verstehen. Der wesentliche erzielte wissenschaftliche Fortschritt läßt sich wie folgt darstellen: Wir haben herausgefunden, dass (1) die photoinitiierte Kinetik in zwei Stufen abläuft und zwar mit einer langandauernden Polymerisation sogar im Dunkeln, (2) dicke anisotrope Gitter in HPDLCs überkoppelt sind mit Beiträgen von Phasen- als auch Extinktionsmodulation, und (3) solche Gitter besonders effiziente Beugungselemente für kalte Neutronen darstellen. Das Kompositmaterial wurde nach den in der Literatur beschriebenen Anleitungen hergestellt, zwischen zwei Glasplatten mit einem Abstand von etwa 50 - 100 Mikrometern eingefüllt und schließlich mit einem Interferenzmuster bestrahlt, so dass Gitter mit Konstanten zwischen 400 und 2000 nm entstanden. Die Kinetik der Aufzeichnung wurde mit lichtoptischer Beugung, interferometrischer Strahlkopplung und Elektronen- paramagentischer Resonanz Technik untersucht. Die Abhängigkeit des Gitters von Temperatur und elektrischem Feld wurde insbesondere hinsichtlich der optischen Anisotropie und Beugungseffizienz studiert. Wir konnten extrem überkoppelte komplexe Gitter beobachten, deren wesentliche Parameter nach einem neu entwickelten Modell ausgewertet werden konnten. Ein besonderes Augenmerk hatten wir auf die Anwendung von HPDLCs in der Neutronenoptik gelegt. Beim Start des Projekts vermuteten wir, dass durch geeignete Wahl der Dicke, der Gitterkonstante und der Belichtung HPDLCs als Strahlteiler für kalte Neutronen nutzbar sein könnten. Diese Behauptung wurde schließlich bestätigt, indem wir ein Kompositmaterial verwendeten, in welchem die Flüssigkristallkomponente durch Nanopartikel ersetzt wurde. Die Ergebnisse des Projekts führten zu einem tieferen Einblick in den Mechanismus des Gitteraufbaus, seiner Eigenheiten unter verschiedenen äußeren Bedingungen und einer hervorragenden Perspektive hinsichtlich der Anwendbarkeit dieser Kompositmaterialien für die Neutronenoptik. Teile der Resultate wurden in enger Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe von Wissenschaftern des J. Stefan Instituts in Ljubljana, Slowenien, erzielt.