Effektive Lichtverstärker: Verbundpolymere für holographische Anwendungen

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Westf. Wilhelms-Universität Institut für Angewandte Physik

Organische Materialien machen es möglich

Aus diesem Grund wird seit etwa 20 Jahren auf dem Gebiet organischer, polymer-basierter photorefraktiver Materialien geforscht, die die Nachteile der Kristalle überwinden sollen. Aus mehreren Ansätzen zur Realisierung solcher Materialien stellen sich die photorefraktiven Komposite als besonders vielversprechend heraus. In einem solchen Verbundpolymer übernehmen die einzelnen Bestandteile die unterschiedlichen Teilprozesse des photorefraktiven Effektes. Farbstoffmoleküle, so genannte Sensibilisatoren, werden durch Bestrahlung mit einem Lichtmuster angeregt. Durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes kommt es zwischen den Farbstoffmolekülen und dem für Löcher (Defektelektronen) leitfähigen Polymer zur Ladungstrennung. Bedingt durch die Zusammensetzung der Komposite werden die Löcher unter dem Einfluss des elektrischen Feldes durch das Material transportiert und schließlich in Bereichen mit geringer Lichtintensität gefangen. Die Elektronen verbleiben hingegen in den angeregten Farbstoffmolekülen. Die somit veränderte Ladungsträgerverteilung führt zum Aufbau eines Raumladungsfeldes, das durch nichtlinear optische Moleküle, die den elektrooptischen Effekt aufweisen, in die gewünschte Brechungsindexänderung umgesetzt wird [1].

Effizienzsteigerung durch neue Komponenten

Die bisher bekannten photorefraktiven Komposite weisen gerade im Hinblick auf mögliche Echtzeitanwendungen einige Schwächen auf. Zum einen ist der Zeitraum zwischen Bestrahlung und Änderung des Brechungsindexes relativ lang und somit die Geschwindigkeit für die Brechungsindexänderung zu gering. Zum anderen sind die Komposite für das Licht im gewünschten Wellenlängenbereich nicht sensitiv genug. Diesen Schwächen kann man durch Optimierung der einzelnen Bestandteile des Komposits begegnen. Die Sensitivität für einen bestimmten Wellenlängenbereich wird maßgeblich durch den Sensibilisator bestimmt. Die Geschwindigkeit kann prinzipiell von allen Komponenten abhängen, da neben den elektrooptischen Molekülen selbst auch die Geschwindigkeit für den Aufbau des Raumladungsfeldes entscheidend ist und diese durch die Photoleitfähigkeit und somit durch Sensibilisator und Polymer beeinflusst wird. Falls für die Zusammenstellung ausreichend schnelle elektrooptische Bestandteile und Polymere mit hoher Ladungsträgermobilität gewählt werden, lassen sich sowohl die mangelnde Geschwindigkeit als auch die geringe Sensitivität durch eine Optimierung des Sensibilisators beheben. In dem seit über zehn Jahren bekannten Komposit, bestehend aus dem elektrooptischen Flüssigkristall 5CB, dem leitfähigen Polymer PVK und dem Sensibilisator PCBM, einem Abkömmling des Fullerens C60, ist genau diese Situation gegeben. Aus diesem Grund wird Diperylenbisimid (DiPBI), ein Dimer des Perylenbisimids (PBI), als breitbandiger, stark absorbierender Farbstoff verwendet, der sich außerdem durch seine Umgebungsstabilität, seine große Elektronenaffinität und -mobilität auszeichnet. Gerade diese Eigenschaften machen DiPBI zu einem idealen Sensibilisator für breitbandige und schnelle photorefraktive Komposite [2].

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