Transparent wood (TW) shows interesting optical properties and offers a sustainable alternative to petroleum-based polymer glasses. The influence of the TW internal structure (e.g. fiber alignment, volume fraction of cellulose, lignin content, defects from preparation process) on the optical properties is poorly understood, which limits its use in various applications. It is also true for transparent cellulose biocomposites in general. In this thesis, eco-friendly TW biocomposites are investigated. The work focuses on experimental characterization, structure-optical property relationships and possibilities to quantify such relationships.  

                TWs made of delignified wood substrates with longitudinal direction of the tree parallel to the specimen surface are prepared. Relationships between anisotropic scattering and fiber alignment are studied by scattering angle measurement. Anisotropic photons distributions are compared between two fiber directions and various sample thicknesses. Next, attenuation coefficients (related to the anisotropic diffusion coefficients and absorption coefficient) for TWs are obtained by combining the photon diffusion equation with total transmittance measurements. The results indicate strong influence from the air gaps between wood substrate phase and polymer in the lumen pores on the scattering. Beside the airgaps between wood substrate and polymer, refractive index mismatch between polymer and wood substrate strongly influences the scattering. Thus, immersion liquid method (based on the total transmittance measurement) combined with a light transmission model (based on Fresnel reflection theory) is applied to estimate the refractive index of the delignified wood substrate. This facilitates TW design (i.e. the proper polymer selection for various applications) and modelling of the optical properties of delignified wood based transparent materials. Finally, extinction coefficients, Rayleigh scattering and absorption coefficients of TW are extracted from photon budget measurements combined with a light diffusion model developed. With higher volume fraction of cellulose, all these parameters are increased, although polymer-cellulose refractive index mismatch is the dominating factor controlling transmittance. The strong forward scattering in TW is analysed, and Rayleigh scattering has a strong effect on haze. The influence of lignin content on the absorption coefficient is also discussed.

Transparent trä (TW) har intressanta optiska egenskaper och erbjuder ett hållbart alternativ till petroleumbaserade polymerer. Förståelsen för inverkan av mikrostruktur hos TW (t.ex. fiberinriktning, volymandel av cellulosa, ligninhalt, defekter från beredningsprocessen) på de optiska egenskaperna är ofullständig, vilket begränsar dess användning i olika tillämpningar. Det gäller också generellt för transparenta cellulosabiokompositer. I denna avhandling studeras miljövänliga TW biokompositer, med fokus på experimentell karakterisering, samband mellan struktur och optiska egenskaper samt möjligheterna att kvantifiera sådana samband.

                TW baserade på delignifierade träsubstrat har i denna studie trädets fiberriktning parallell med provytan. Samband mellan anisotrop ljusspridning och fiberorientering studeras genom mätning av spridningsvinkel. Anisotropa fotonfördelningar jämförs mellan två fiberriktningar och olika provtjocklekar. Därefter erhålls koefficienter för ”attenuering” (försvagning), som är relaterade till de anisotropa diffusionskoefficienterna och absorptionskoefficienten för TW. De bestäms genom att kombinera en modell för fotondiffusion med mätningar av total optisk transmittans. Resultaten indikerar en stark påverkan på ljusspridningen av luftspalter mellan träsubstrat och polymer i lumen, som är en form av debondsprickor. Utöver debondsprickor mellan träsubstrat och polymer, så påverkas ljusspridningen även av skillnaden i brytningsindex mellan polymer och träsubstrat. Av det skälet utvecklas en metod för att mäta brytningsindex hos träsubstratet. Det porösa substratet sänks ned i en vätska med känt brytningsindex och optisk transmittans mäts och kombineras med en modell för ljustransmission baserad på fresnelreflektion. Goda data för träsubstratets brytningsindex underlättar vid formgivning av TW biokompositer (dvs. rätt polymerval för olika applikationer) och är också viktigt för modellering av de optiska egenskaperna hos transparenta material från delignifierat trä. I avhandlingens sista del kombineras en modell för ljusdiffusion med systematiska mätningar av ljusspridning, reflektion och transmittans hos olika materialprover. Data för ”extinktionskoefficienter”, Rayleigh-spridning och absorptionskoefficienter kan bestämmas, liksom hela fotonbudgeten för materialet. Med högre volymfraktion av cellulosa ökar värdena för alla dessa parametrar, även om skillnaden i brytningsindex mellan polymer och cellulosa är den dominerande faktorn som styr transmittansen. Den starka ljusspridningen framåt (”haze”) i TW analyseras, och även Rayleighspridningen har en stor effekt på ljusspridning. Ligninhaltens inverkan på absorptionskoefficienten diskuteras också.

Investigating novel materials requires understanding their chemical and optical properties, which allows for finding their uses through functionalization by chemical modification. In this thesis, we are focusing on a material with high anisotropic scattering - transparent wood. This biocomposite material has a hierarchical structure ranging from nanometer to hundreds of micrometers scale, and natural ordering, which is between perfectly ordered and fully random structure. Optical transparency in the visible range and the unique structure of transparent woods show good potential for functionalization. Due to complex structure and nonhomogenous chemical composition, not all characterization methods are fitting. While relatively straightforward properties like transmittance and haze can be measured using known techniques, but additional investigation was required to understand light behavior and measure other properties. In this work, the modeling method for investigation of light propagation and estimation of the effective refractive index of transparent wood for a deeper understanding of a material. Transparent wood has shown excellent host properties, capable of holding high concentrations of Rhodamine 6G laser dye without aggregate formation. In this dissertation, we present the analysis of the host properties of transparent wood and show that the dye forms statistical energy traps at high concentrations of dye. By doping transparent wood with active dye and pumping it with SHGNd:YAG green laser, the optical gain within the active media can be achieved. The feedback in this optical system is occurring via scattering on fiber walls, showing behavior similar to random lasers. However, due to the semi-ordered structure and wave-guiding effect of transparent wood, the transparent wood laser is referred to as a ”quasi-random laser”. The lasing emission can be further enhanced by the introduction of an external cavity, virtually expanding the active media allowing more lasing modes to be resolved, and increasing laser power.This work demonstrates the characterization of transparent wood optical and chemical properties and develops a computational model that can be used for further investigation of light behavior in semi-ordered anisotropic media.  The functionalization of transparent wood is demonstrated by the introduction of a quasi-random laser and modification of that laser is presented.

Undersökning och tillämpning av nya material kräver förståelse för deras egenskaper: kemiska, fysikaliska och optiska. Utifrån etablerad förståelse av materialegenskaperna kan vidare funktionalisering, genom kemisk modifiering, öppna möjligheter för nya framtida tillämpningar. I detta examensarbete ligger fokus på ett material med hög anisotropisk spridning – transparent trä. Detta biokompositmaterial har en naturligt arrangerad hierarkisk struktur med intrinsiska längdskalor från nanometer till hundratals mikrometer, mellan perfekt ordnad och helt slumpmässig struktur. Optisk transparens i det synliga området och den unika strukturen hos transparent trä uppvisar lovande potential för funktionalisering. På grund av dess komplexa struktur och icke-homogena kemiska sammansättning är urvalet av lämpliga karakteriseringsmetoder begränsat. Relativt enkla egenskaper som transmittans och haze kan bestämmas med etablerade tekniker, men det krävs ytterligare undersökningar för att i detalj förstå ljusutbredning i dessa material. I detta arbete, som en del av ett större projekt, övervägdes och validerades modelleringsmetoden för undersökning av ljusutbredning och uppskattning av det effektiva brytningsindexet för transparent trä. Genomskinligt trä har uppvisat utmärkta värdegenskaper vilket möjliggör hög koncentration av tillsatser utan aggregatbildning, till exempel metallnanopartiklar eller organiska färgämnen såsom Rhodamine 6G (Rh6G). Bland kärnfrågorna i denna avhandling presenterar vi analys av värdegenskaperna hos transparent trä och visar hur färgämnet kan bilda statistiska energifällor vid höga koncentrationer. Genom att dopa transparent trä med Rh6G och pumpa det med en extern laserkälla kan optiska förstärkningen i det aktiva mediet uppnås. återkopplingen i detta optiska system sker via spridning på fiberväggar, vilket visar beteende som liknar slumpmässiga lasrar. Men på grund av den halvordnade strukturen och vågledande egenskaperna hos transparent trä, klassificeras den transparentat rälasern som en ”kvasi-slumpmässig laser”. Laseremissionen kan förbättras ytterligare genom införandet av en extern kavitet, vilken utökar det aktiva mediet och tillåter att fler lasermoder kan upplösas, vilket ökar lasereffekten. Detta arbete omfattar karakterisering av optiska och delvis kemiska egenskaper hos transparent trä. En numerisk modell som kan användas för vidare undersökning av ljusbeteende i halvordnade anisotropa medier presenteras. Funktionaliseringen av transparent trä demonstreras av realiseringen av den kvasislumpmässiga lasern och studien av dess egenskaper.