Functional materials for active optical elements

The possibility to induce a change in the properties of optical systems is of great interest in many fields of science. In particular, the modification of the optical path, defined as the product of the geometric distance and the refractive index, is very useful in many applications among which adaptive optics is just one of the most famous examples. In this framework, the use of functional materials, i.e. materials whose properties change by means of external stimuli, is very attracting. The recent development of organic materials allowed for great progresses, since their chemical structure can be tailored according to the specific property that it is desired to modify and the stimulus that is desired to be used to perform the modification. This research study deals with the development of two main families of functional materials: photochromic materials and photoconductors. Refractive index modulation of diarylethene-based photochromic poly- urethane films is evaluated in relation to their possible use as reconfigurable waveguide platforms for quantum optics experiments and the realization of proof of principle waveguides is described. The photo fatigue resistance of different diarylethene derivatives is measured with a novel spectroscopic approach and the results are analyzed establishing a correlation between the absorption in the UV of the molecules and their photo fatigue resistance, that is of fundamental importance for the practical application of these materials. Photoconductive materials are considered for the realization of photo controlled deformable mirrors (PCDMs), a particular type of active optical elements whose shape is determined by the illumination pattern sent on a photoconductive substrate. An electro-opto-mechanical model of these devices is proposed and used to correlate the properties of the photoconductive material to the deformable mirror’s static and dynamic performances. The use of inorganic and organic photoconductors is considered for the realization of PCDMs in relation to the specific advantages of each of these classes of materials. Zinc selenide is chosen among inorganic materials and its electro-optical properties are measured. It is then used for the manufacturing of a 2" diameter mirror. Organic photoconductive materials are considered for the first time in this technology and single layer and multilayer structures are developed, laying the groundwork for further developments in this field.

La possibilità di modificare le proprietà ottiche di un sistema suscita grande interesse in molti campi scientifici. In particolare, la modulazione del cammino ottico, definito come il prodotto della distanza geometrica e l’indice di rifrazione, è di notevole utilità in molte applicazioni fra cui l’ottica adattiva è l’esempio più famoso. L’utilizzo dei materiali funzionali, cioè i materiali le cui proprietà cambiano come conseguenza di uno stimolo esterno, è molto attraente per questo scopo. Il recente sviluppo dei materiali organici infatti ha permesso notevoli progressi dal momento che la loro struttura chimica può essere modificata a seconda delle specifiche proprietà che si desiderano modificare e dello stimolo che si desidera utilizzare per indurre tale modificazione. La variazione di indice di rifrazione di film poliuretanici fotocromici basati sui diarileteni è determinata in relazione al loro possibile uso come piattaforme di guide d’onda riconfigurabili per esperimenti di ottica quantistica e la realizzazione di prototipi di guide d’onda è descritta in dettaglio. La resistenza alla foto fatica di diversi derivati diariletenici è misurata grazie a un nuovo approccio di tipo spettroscopico e l’analisi dei risultati porta a una correlazione tra l’assorbimento nell’ ultravioletto delle molecole e la loro resistenza a fatica. Questa correlazione è fondamentale per l’applicazione pratica dei materiali fotocromici di questo tipo. I materiali fotoconduttori sono considerati in relazione al loro utilizzo per la realizzazione di specchi deformabili controllati otticamente chiamati PCDM, un tipo particolare di specchi deformabili la cui forma è determinata dal pattern luminoso proiettato su un substrato fotoconduttivo. In questo lavoro viene proposto e utilizzato un modello elettro-opto-meccanico che correla le proprietà del fotoconduttore alle performance statiche e dinamiche dello specchio deformabile. L’utilizzo di materiali fotoconduttori inorganici e organici viene quindi considerato per la realizzazione dei PCDM in relazione ai vantaggi specifici di queste classi di materiali. Il seleniuro di zinco è scelto fra i fotoconduttori inorganici e, dopo la sua caratterizzazione optoelettronica, è utilizzato per realizzare un PCDM con un diametro di 2 pollici. I materiali organici vengono considerati per la prima volta in questo ambito per realizzare strutture fotoconduttive a singolo strato e multistrato, gettando le basi per gli studi futuri in questo ambito.