Thin films of polythiophene: Linear and nonlinear optical characterization

Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von dünnen Schichten und planaren Wellenleitern aus mehreren konjugierten Polymeren (MEH-PPV und P3AT) und Polymeren mit -Elektronen Systemen in der Seitenkette (PVK und PS) untersucht und verglichen. PVK und PS haben relativ kleine Werte des nichtlinearen Brechungsindex n2 bei 532 nm, nämlich (1,2 ± 0,5)10-14 cm2/W und (2,6 ± 0,5) 10-14 cm2/W.rnWir haben die linearen optischen Konstanten von mehreren P3ATs untersucht, insbesondere den Einfluss der Regioregularität und Kettenlänge der Alkylsubstituenten. Wir haben das am besten geeignete Polymere für Wellenleiter Anwendungen identifiziert, welches P3BT-ra genannt ist. Wir haben die linearen optischen Eigenschaften dünner Schichten des P3BT-ra untersucht, die mit Spincoating aus verschiedenen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen präparieret wurden. Wir haben festgestellt, dass P3BT-ra Filme aus Toluol-Lösungen die am besten geeigneten Wellenleiter für die intensitätsabhängigen Prismen-Kopplungs Experimente sind, weil diese geringe Wellenleiterdämpfungsverluste bei = 1064 nm haben. rnWir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämfungsverlustes gw, des nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten 2 von Wellenleitern aus P3BT-ra im Bereich von 700 - 1500 nm gemessen. Wir haben große Werte des nichtlinearen Brechungsindex bis 1,5x10-13 cm2/W bei 1150 nm beobachtet. Wir haben gefunden, dass die Gütenkriterien (“figures of merit“) für rein optische Schalter im Wellenlängebereich 1050 - 1200 nm erfüllt sind. Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen-Absorption. Die Gütekriterien von P3BT-ra gehören zu den besten der bisher bekannten Werte von konjugierten Polymeren.rnWir haben gefunden, dass P3BT-ra ein vielversprechender Kandidat für integriert-optische Schalter ist, weil es eine gute Kombination aus großer Nichtlinearität dritter Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungverlusten und ausreichender Photostabilität zeigt. rnWir haben einen Vergleich der gemessenen Dispersion von gw, n2 und 2 mit der Theorie durchgeführt. Durch Kurvenanpassung der Dispersion von gw haben wir gefunden, dass Rayleigh-Streuung der dominierende Dämpfungsmechanismus in MEH-PPV und P3BT-ra Wellenleitern ist. Ein quantenmechanischer Ansatz wurde zur Berechnung der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung (3) verwendet, um die gemessenen Spektren von n2 und 2 von P3BT-ra und MEH-PPV zu simulieren. Dies kann erklären, dass sättigbare Absorption und Zwei-Photonen Absorption die hauptsächlichen Effekte sind, welche die Dispersion von n2 und 2 verursachen. rn

We have studied and compared the linear and nonlinear optical properties of thin films and planar waveguides of several conjugated polymers (MEH-PPV and P3AT) and polymers with -electron rich moieties in the side chain (PVK and PS). PVK and PS have shown relatively small values of nonlinear refractive index n2 at 532 nm of (1.2±0.5) 10-14 cm2/W and (2.6±0.5)10-14 cm2/W, respectively. rn We have investigated the linear optical constants of several P3ATs, in particular the influence of regioregularity and chain length of alkyl substituents. We have identified the most suitable polymer for waveguide applications, which is P3BT-ra. We have studied the optical properties of P3BT-ra thin films, which were prepared by spincoating from different solvents of different boiling temperatures. We have found that P3BT-ra film casted from toluene solutions are most suitable waveguides for intensity dependent prism-coupling experiments, because of their low waveguide propagation losses at =1064 nm. rn We have measured the dispersions of waveguide propagation loss gw, nonlinear refractive index n2 and nonlinear absorption coefficient 2 of P3BT-ra waveguides in the range of 700 – 1500 nm. We have observed large values of nonlinear refractive index up to 1.5x10-13 cm2/GW at 1150 nm. We have found that the figures of merit requirements for all-optical switching applications are satisfied in the wavelengths around 1050 – 1200 nm, which is at the lower energy tail of the two-photon absorption. These figures of merit of P3BT-ra are among the best of presently known values of conjugated polymers. rnWe have found that regiorandom P3BT is the most promising candidate for an integrated all-optical switching device because it shows a good combination of large third-order nonlinearity, ultimately low waveguide propagation losses and sufficient photostability. rn We have performed a comparison of the measured dispersion of gw with a theoretical approach. Fitting the dispersion of gw, we have found that Rayleigh-scattering is the dominant loss mechanism in MEH-PPV and P3BT-ra waveguides. A quantum-mechanical approach of the third-order nonlinear susceptibility (3) was used to fit the n2 and 2 spectra of P3BT-ra and MEH-PPV and can explain that the major effects are saturable absorption and two-photon absorption, which cause the dispersion of n2 and 2, respectively. rn