Holographische Polymer-Flüssigkristalle für die Photonik

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 Elektronenparamagentischer 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.