Динамика вынужденного излучения органических молекул при импульсной лазерной накачке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Никонов, Сергей Юрьевич

• Никонов, Сергей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Никонов, Сергей Юрьевич

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 КОМПЛЕКСНОЕ (ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ) ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОНИКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1.1 Общая схема фотофизических процессов в многоатомной молекуле.

1.2 Аналитический расчёт характеристик ОКГ.

1.2.1 Населённости уровней энергии.

1.2.2 Мощность и коэффициент поглощения.

1.2.3 Параметры нелинейности.

1.2.4 Порог генерации.

1.2.5 Расчёт ОКГ на основе органических соединений.

1.3 Численное моделирования динамики населённостей для описания различных фотопроцессов связанных с поглощением лазерного излучения.

1.3.1 Моделирование процессов фотообесцвечивания.

1.3.2 Моделирование наведённого поглощения.

1.3.3 Моделирование тонкоплёночного РОС лазера.

Выводы к главе 1.

2 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ.

2.1 Методика эксперимента и экспериментальные установки.

2.1.1 Измерения спектров поглощения и флуоресценции.

2.1.2 Измерения спектров, динамики и энергии генерации.

2.1.3 Обработка результатов измерений.

2.2 Квантово-химические расчёты.

2.3 Модель для расчёта динамики генерации и программа на её основе.

2.4 Информационная система для моделирования твердотельных активных лазерных сред на основе органических соединений.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ - АКТИВНЫХ СРЕД ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ЛАЗЕРОВ.

3.1 Выбор объектов исследования.

3.2 Замещённые пирана.

3.2.1 Спектры генерации замещённых пирана.

3.2.2 Динамика импульсов генерации и населенности основного и возбужденного состояний.

3.2.3 Исследование влияния наведенного поглощения на генерацию бис-БСМ-СН-90.

3.3 Кумарины.

3.3.1 Влияние длительности импульса накачки на генерацию в АС на основе К120.

3.3.2 Исследование генерационной способности К5.

3.4 Ксантеновые красители.

3.4.1 Смещение длины волны генерации в АС на основе Родамина-бЖ при изменении его концентрации.

3.5 Пиррометены.!.

3.5.1 Влияние концентрации ПМ567 на длину волны генерации.

Выводы к главе 3.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Никонов, Сергей Юрьевич

Выводы к главе 3

Подведя итоги комплексного исследования по каждому из рассмотренных соединений, можно сформулировать следующие выводы:

1. Смещение наведённого поглощения в канале синглетных (5,1-5'„) и триплетных (Т\—Тп) в область длины волны генерации в бис-ОСМ-СН-90 (Яген=608 нм), приводит к уменьшению интенсивности генерации на два порядка.

2. Срыв генерации в АС на основе кумарина К120 при накачке лазерным илзучением с длительностью 94 нс и плотностью мощности 1¥=\0 МВт/см обусловлен возрастанием потерь в канале триплетных состояний {Т\-Тп).

3. В АС на основе кумарина К5 при накачке импульсами лазера, с гу плотностью мощности Ж=20 МВт/см , полоса поглощения в канале синглетных состояний (5,1-5„) перекрывается с полосой излучения К5, что является причиной отсутствия генерации.

4. Батохромный сдвиг длины волны генерации в АС на основе Р6Ж при увеличении его концентрации от 10"4 до 10"3 М, связан с увеличением коэффициента поглощения из основного состояния (от 0,7 до 12 см"1) на длине волны генерации (562 нм).

5. При изменении концентрации в АС на основе ПМ567 от 10"4 до 10"3 М, при плотности мощности накачки Ж=25 МВт/см2 и концентрации 5*10"4М наблюдается двухполосная генерация с длинами волн 554 и 558 нм, связання с изменением условий генерации из-за увеличения Т\—Тп поглощения на этих длинах волн.

Таким образом, в диссертации разработан комплексный подход для исследования фотопроцессов, протекающих в ЛАС на основе органических соединений при импульсной лазерной накачке и составлена программа, позволяющая моделировать динамику процессов, протекающих в ОКГ на их основе, прогнозировать генерационную способность ЛАС. Установлены закономерности изменения параметров генерируемого излучения лазеров на основе выбранных соединений в зависимости от условий возбуждения.

Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается расхождение результатов моделирования и экспериментальных исследований. Это может быть связано с неточностью исходных данных - результатов квантово-химических расчётов. Используемый в работе метод квантово-химических расчётов (ЧПДП/С) подходит для определения основных закономерностей, но для точных расчётов нужны методы, которые позволят рассчитывать не только электронные, но и электронно-колебательные колебательные состояния (для получения правильных спектров поглощения из основного и возбуждённых состояний). Так же не учитываются межмолекулярные взаимодействия исследуемого соединения и растворителя. Эти недостатки квантово-химического подхода могут быть устранены переходом к более строгим теориям, например аЪ initio или теории функционала плотности (DFT). Учет сольватного окружения молекул можно проводить в континуальных и квазиконтинуальных моделях. Однако, предложенные методы не позволяют рассчитывать константы безызлучательных - переходов. Кроме того, время расчётов с помощью подобных методов возрастает пропорционально 4-ой степени базиса (набора атомных орбиталей, которыми описывается Молекула).

Поставленная в диссертации цель достигнута, при этом открываются перспективы расширения или адаптации разработанной модели для описания ч лазеров других типов, например тонкоплёночных. v ■ •- 1 ги. .

88

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Никонов, Сергей Юрьевич, 2013 год

1. Степанов Б.И., Грибковский В.П. Применение вероятностного метода для расчета оптических характеристик квантовых генераторов света // Успехи физических наук. 1964. - Т. 82. - №. 2. - С. 201-220.

2. Методы расчёта оптических квантовых генераторов / Под ред. Б. И. Степанова. Минск: Наука и техника, 1966. - 484 с.

3. Степанов Б.И., Рубинов А.Н. Оптические квантовые генераторы на растворах .органических красителей // Успехи физических наук. 1968. - Т. 95. - №. 5.1. С. 45-74.

4. Майер Г.В. Фотофизические процессы и генерационная способность ароматических молекул. Томск: ТГУ. 1992. - 265 с.

5. Влияние пространственного распределения интенсивности лазерного излучения на кинетику фотообесцвечивания красителя в полимерной матрице /

6. A.A. Глушков, A.C. Простакишин, Е.А. Слюсарева, А.Г. Сизых // Журнал Сибирского федерального университета. Математика и физика. 2012. - Т. 5. -№ 1. - С. 57-62.

7. Лазерный фотолиз флуороновых красителей в хитозановой матрице / Е.А. Слюсарева, А.Г. Сизых, М.А. Герасимова и др. // Квантовая электроника. -2012. Т. 42. - № 8. - С. 687-692.

8. Comparison of nonlinear absorption in three similar dyes: Polymethine, squaraine and tetraone / S. Webster, J. Fu, L.A. Padilha, et al. // Chemical Physics. 2008. -Vol. 348.-№ 1-3.-P. 143-151.

9. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений / А. Н. Теренин. Л.: "Наука", 1967. - 616 с.

10. Лазеры на красителях / Под ред. Ф.П. Шефер. М.: "Мир", 1976. - 329 с. ,10. Спектры и строение двухатомных, молекул / Г. Герцберг; Под ред.

11. B.Н. Кондратьева. М.: издательство иностранной литературы, 1949. - 413 с.

12. Лекции по квантовой электронике / Н.В. Карлов. М.: Наука, 1988. - 326 с.

13. Оптические квантовые генераторы на красителях и их применение в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 9 / А.Н. Рубинов, В.И. Томин М.: ВИНИТИ, 1976.-127 с.

14. Органические люминофоры / Б.М. Красовицкий, Б.М. Болотин. М.: Химия, 1984.-336 с.

15. Электронно-возбужденные состояния и фотохимия органических соединений J Г.В. Майер, В.Я. Артюхов, O.K. Базыль, и др. Новосибирск: СО РАН, 1997.220 с.

16. Спектроскопическая параметризация методом ЧПДП / В.Я. Артюхов, А.И. Галеева // Известия высших учебных заведений. Физика. 1986. - Т. 29. - № 11.-С. 96-100.

17. Relationship between Absorption Intensity and Fluorescence Lifetime of Molecules / S.J. Strickler, R.A. Berg // The Journal of Chemical Physics. 1962. -Vol. 37.-№4.-P. 814-822.

18. Органические материалы для оптических технологий / Г.В. Майер, „Т.Н. Копылова // Известия высших учебных заведений. Физика. 2003. - Т. 46.8.-С. 5-13.

19. Nonlinear-optical laser-radiation limiters / I.M. Belousova, O.B. Danilov, A.I. Sidorov // J. Opt. Technol. 2009. - Vol. 76. - № 4. - P. 223-233.

20. Theoretical investigation of stimulated scattering mechanism in fullerene-' containing media / I.M. Belousova, N.G. Mironova, M.S. Yur'ev // Optics

21. Communications. 2003. - Vol. 223. - № 1-3:"- P.'201-210.

22. Role of light-induced scattering in the optical limitation of laser radiation on the basis of fullerene-containing media / I.M. Belousova, V.A. Grigor'ev, O.B. Danilov, , et al. // Optics and Spectroscopy. 2001. - Vol. 90. - № 2. - P. 292-301.

23. Efficient Two-Photon Absorbing Acceptor-я-Acceptor Polymethine Dyes / L.A. Padilha, S. Webster, O.V. Przhonska, et al. // The Journal of Physical Chemistry A. -2010. Vol. 114. - № 23. - P. 6493-6501.

24. Nonlinear light absorption of polymethine dyes in liquid and solid media /

25. V. Przhonska, J.H. Lim, D.J. Hagan, et al. // J. Opt. Soc. Am. B. 1998. - Vol. 15. -№2.-P. 802-809.

26. Analytical approach to dynamics of reverse saturable absorbers / A. Kobyakov, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland // J. Opt. Soc. Am. B. 2000. - Vol. 17. - № 11.1. P. 1884-1893.

27. Optimization of the Double Pump-Probe Technique: Decoupling the Triplet Yield and Cross Section / D. Peceli, S. Webster, D.A. Fishman, et al. // The Journal of Physical Chemistry A. 2012. - Vol. 116: - № 20. - P. 4833-4841.

28. Wavelength dependence of the nonlinear absorption properties of laser dyes in solid and liquid solutions / J. Barroso, A. Costela, I. García-Moreno, R. Sastre // Chemical Physics. 1998. - Vol. 238. - № 2. - P. 257-272.

29. Photophysical and Lasing Properties of New Analogs of the Boron-Dipyrromethene Laser Dye PM567 in Liquid Solution / A. Costela,

30. García-Moreno, C. Gomez, et al. // The Journal of Physical Chemistry A. 2002. -Vol. 106. - № 34. - P. 7736-7742.

31. Comparative laser performances of pyrromethene 567 and rhodamine 6G dyes in copper vapour laser pumped dye lasers / A.K. Ray, S. Kundu, S. Sasikumar, et al. // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2007. - Vol. 87. - № 3. - P. 483-488.

32. A time resolved double pump-probe experimental technique to characterize excited-state parameters of organic dyes / S.N.R. Swatton, K.R. Welford, R.C. Hollins, J.R. Sambles // Applied Physics Letters. 1997. - Vol. 71. - № 1. - P. 10-12.

33. Theoretical investigation on nonlinear absorption of multilevel organic molecular system in ns, ps and fs regime / F. Li, X. Li // Optics Communications. 2012. -Vol. 285. - № 24. - P. 5217-5222.

34. Nonlinear absorption in CuPc-doped PMMA thin film in the femtosecondregime: Experimental and theoretical studies / F. Li, P. Lu, H. Long, et al. // Opt. Express. -2008.-Vol. 16. -№ 19.-P. 14571-14581.

35. Modeling of picosecond-pulse propagation for optical limiting applications in the visible spectrum / S. Hughes, J.M. Burzler, T. Kobayashi // J. Opt. Soc. Am. B. 1997.- Vol. 14. № 11p. 2925-2929.

36. Photophysics and Nonlinear Absorption of Peripheral-Substituted Zinc Phthalocyanines / Y. Li, T.M. Pritchett, J. Huang, et al. // The Journal of Physical Chemistry A. 2008. - Vol. 112. - № 31. - P. 7200-7207.

37. Numerical simulation of a pulsed laser pumped distributed-feedback waveguided- dye laser by coupled-wave theory / Z. Duluo, Y. Oki, M. Maeda // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2003. - Vol. 39. - № 5. - P. 673-680.

38. Малогабаритный твердотельный голографический РОС-лазер / В.М. Катаркевич, А.Н. Рубинов, С.А. Рыжечкин, Т.Ш.О. Эфендиев // Квантовая электроника! 1994. - Т. 21. - № 10. - С. 934-936.

39. Tunable picosecond pulse generation by an N2 laser pumped self Q-switched distributed feedback dye laser / Z. Bor // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1980. -Vol. 16. -№ 5. - P. 517-524.

40. Picosecond distributed feedback dye lasers / Z. Bor, A. Muller // IEEE Journal of Quantum Electronics -1986. Vol. 22. - № 8. - P. 1524-1533.

41. Вычислительный практикум по молекулярной спектроскопии и фотофизике молекул / В .Я. Артюхов, О.М. Жаркова, Ю.П. Морозова и др. // Томск: ТГУ, 2003. -60 с.

42. Спектроскопическая параметризация метода ЧПДП / В.Я. Артюхов, А.И. Галеева // Известия высших учебных заведений. Физика. 1986. - №11. — С. 96-100.

43. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа моделирования процессов генерации лазерного излучения в органических средах / С.Ю. Никонов, Т.Н. Копылова, P.M. Гадиров. №2012616456; заявл. 17.05.2012; зарег. 17.07.2012.-1 с.

44. Твердотельные активные среды перестраиваемых лазеров на основе органических соединений / Т.Н. Копылова, Г.В. Майер, Л.Г. Самсонова и др. //

45. Известия высших учебных заведений. Физика. 2010. - Т. 53. - № 5. - С. 66-74.

46. Активные среды перестраиваемых лазеров на основе гибридных полимеров / Т.Н. Копылова, Г.В. Майер, Т.А. Солодова и др. // Квантовая электроника. 2008. -Т. 38.-№2.-С. 109-114.

47. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства родамина 6G вчполиуретансилоксановых полимерах / И.М. Давлетбаева, А.И. Ахметшина, A.M. Гумеров и др. // Высокомолекулярные соЬдинения. 2011. - Т. 53. - № 7. -С. 1054-1058.

48. Органические материалы для оптических технологий / Г.В. Майер, Т.Н. ч Копылова // Известия высших учебных заведений. Физика. 2003. - Т. 46. - № 8. -С. 5-13.

49. Теоретическое и экспериментальное исследование фотопроцессов в замещенных (дицианометилен)-пирана / В.А. Помогаев, В.А. Светличный, A.B. Помогаева и др. // Химия высоких энергий. 2005. - Т. 39.-№6.-С. 462466.

50. Ограничение мощного оптического излучения органическими молекулами. I. Замещенные пирана, цианиновые красители / Т.Н. Копылова, В.А. Светличный, Г.В. Майер и др. // Квантовая электроника. 2003. - Т. 33. - № 11. - С. 967-974.

51. Твердотельные активные среды на основе аминокумаринов / Т.Н. Копылова, Г.В. Майер, A.B. Резниченко и др. // Квантовая электроника. 2003. - Т. 33. -№6.-С. 498-502.

52. Генерация излучения бифлуорофорами на основе кумарина и фталимида при ламповой накачке / Т.Н. Копылова, В.В. Грузинский, Н.В. Свинарев и др. // Квантовая электроника. 1988. - Т. 15. - № 7. - С. 1390-1394.

53. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства 3-(бензотиазолил-2)-7-гидрокси- и -8-гидроксикумаринов / Т.Н. Копылова, Л.Г. Самсонова, P.M. Гадиров и др. // Оптика и спектроскопия. 2006. - Т. 100. - № 1. - С. 40-46.

54. Исследование фотофизических процессов производных З-тиазолил-7-гидроксикумарина / P.M. Гадиров, Л.Г. Самсонова, В.В. Ищенко // Известия высших учебных заведений. Физика. 2006. - Т. 49. - № 3. - С. 137-138.

55. Исследование характеристик твердотельных активных сред на основе пиррометена 567 / Т.Н. Копылова, С.С. Ануфрик, Г.В. Майер и др. // Известиявысших учебных заведений. Физика. 2012. - Т. 55. - № 10. - С. 32-37.

56. Теоретическое исследование фотопроцессов в сложных органических соединениях при мощном лазерном возбуждении / С.Ю. Никонов, В.Я. Артюхов,1

57. Т.Н. Копылова // Известия высших учебных заведений. Физика. 2009. - Т. 52. -№3.-С. 51-60.

58. Исследование динамики вынужденного излучения органических соединений при импульсной лазерной накачке / Т.Н. Копылова, В.Я. Артюхов, С.Ю. Никонов, P.M. Гадиров // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. - Т. 56. -№4.-С. 27-34.

59. Практическое использование результатов научной работы1. ИМЯ1. ЕА#1 ФВД1РДЩ1Шййййй1. СВИДЕТЕЛЬСТВО1. ЭВМ20126164561. Процессовлазерного излучения в111Йш ж а тш ш ш тй й а йш й1. Ш)для ЭВМ

60. ЖЖЖЖЖ¥ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЕЖтЖйЖЖ1Ж¥ЖЖЖЖЖ1. Й Й1. Й Й Й Й Й й й й Й и ЙШ

61. Технические характеристики используемого оборудования