Light-triggered optical Elements : Photochromism gains new Opportunities

The possibility to light-trigger their physical-chemical properties makes photochromic materials attractive for the development of smart devices, to find application in optics, opto-electronics, and biology. In optics, photochromic compounds are required to show large response of the switching property and high optical quality. Two components polyurethane coatings based on thermally irreversible photochromic derivatives of 1,2-dithienylethenes meet these requirements and are used to develop smart optical elements. A deep understanding of the conversion upon exposure is considered of great relevance to be aware of the performances and highlight possible constraints of applying photochromism into optics. Accordingly, the kinetics of the photoisomerization of diarylethene systems in solution and at the solid state is studied, and an analytical model which describes the light-triggered conversion inside the volume of the material is provided. The model affords the unprecedent opportunity to determine the ring-opening quantum yield of photochromic materials at the solid state, finding a lowering of the yield while increasing the wavelength of the exposure light. Two different holographic devices based on photochromic polyurethane films are yielded, namely amplitude Computer- Generated Holograms (CGHs) and Volume Phase Holographic Gratings (VPHGs). The former, based on the transmittance change of the photochromic film in the visible region, is an effective device used as reference surface in the null interferometric test of aspheric and free form optics. The latter exploits the modulation of the refractive index in the near-IR region, where the two isomeric forms of dithienylethenes do not absorb light, yielding a remarkable 14% of diffraction efficiency.

I materiali fotocromici stanno ricevendo sempre maggiore attenzione da parte della comunità scientifica per la possibilità di modulare le loro proprietà chimico-fisiche tramite uno stimolo luminoso, fatto che li rende adatti ad applicazioni in diversi campi, dall’elettronica all’ottica. In ottica, ad esempio, questi materiali potrebbero affiancare i materiali tradizionali nella realizzazione di dispositivi olografici, a patto di mostrare elevata risposta ed una ottima qualità ottica, con l'intrinseco vantaggio della riscrivibilità. Un materiale polimerico foto-attivo è potenzialmente adatto per soddisfare i requisiti richiesti. Per questo motivo, è stata sviluppata una versatile formulazione di poliuretani fotocromici basati su derivati degli 1,2-diarileteni. La caratterizzazione del materiale è stata principalmente condotta tramite spettroscopia UV-vis, IR, Raman, DSC. Una buona comprensione della cinetica di conversione di questi materiali è necessaria per determinare le prestazioni ed i limiti applicativi dei materiali fotocromici in ottica. Per questo motivo, la cinetica di fotoisomerizzazione di sistemi a base diariletenica è stata studiata in soluzione ed allo stato solido, grazie allo sviluppo di un modello teorico che descrive la conversione all'interno del volume del materiale. Un aspetto innovativo sviluppato è stato la determinazione della resa quantica di fotoreazione allo stato solido, parametro fondamentale per l’applicazione tecnologica dei materiali fotocromici. Due differenti dispositivi basati su poliuretani fotocromici sono stati realizzati e caratterizzati. In particolare, è stata dimostrata la fattibilità di elementi diffrattivi di ampiezza, che sfruttano la modulazione della trasmittanza tra le due forme del materiale. Tali dispositivi sono chiamati Computer-Generated Holograms e sono utilizzati come compensatori nei test interferometrici di ottiche asferiche e free-form. Dall'altra parte, sfruttando la modulazione di indice di rifrazione nella regione di trasparenza del materiale, sono stati realizzati prototipi di reticoli diffrattivi di fase per il vicino infrarosso, chiamati Volume Phase Holographic Gratings, ottenuti tramite tecnica olografica, che hanno mostrato una efficienza di diffrazione del 14%.