Исследование механизма оптической нелинейности и особенностей электрооптической восприимчивости новых органических соединений и полимерных композиций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Касаткина, Ирина Валерьевна

• Касаткина, Ирина Валерьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Касаткина, Ирина Валерьевна

Введение

1 Фоторефракция в фуллерен-содержащих полимерных композициях

1.1 Об исследуемых материалах

1.2 Исследование эффекта самовоздействия световой волны в слое нелинейной среды.

1.3 Измерение величины нелинейности методом z-сканирования

1.4 Исследование эффекта двухволнового взаимодействия

1.5 Исследование эффекта четырехволнового взаимодействия

1.6 О динамике формирования нелинейности.

1.7 Спектральные измерения.

1.8 Обсуждение механизма нелинейности.

1.9 Выводы.

2 Фоторефракция в хинон-содержащих полимерных композициях

2.1 Об исследуемых материалах

2.2 Исследование эффекта самовоздействия световой волны и определение коэффициентов нелинейности хинон-содержащих сред.

2.3 Обсуждение механизма нелинейности.

2.4 Выводы.

3 Электрооптика в новых органических материалах

3.1 Об исследуемых материалах

3.2 О теории электрооптического эффекта

3.3 Эксперимент и его результаты.

3.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизма оптической нелинейности и особенностей электрооптической восприимчивости новых органических соединений и полимерных композиций»

Проблема увеличения объема и скорости передаваемой и обрабатываемой информации чрезвычайно актуальна для современного общества. Потоки данных, а также их скорость, увеличиваются с каждым днем, в связи с чем коммуникационные системы становятся более эффективными и одновременно с этим более сложными, требующими все более качественных и быстродействующих устройств, осуществляющих обработку, передачу и хранение информации. Электронные технологии, используемые в этих целях, постепенно перестают отвечать высоким запросам современного общества в силу ограниченной скорости, с которой осуществляется включение и модуляция сигнала.

В связи с указанной проблемой все большую привлекательность получает идея использования оптических технологий для создания коммуникационных устройств. Преимущества и перспективность оптической обработки информации бесспорны, и фотонные технологии в настоящее время занимают все более прочные позиции в жизни современного человека. Бурное развитие получила промежуточная между электроникой и оптикой область - оптоэлектроника. Примеры успешно используемых оптоэлектронных устройств известны каждому: волоконно-оптические линии связи, обеспечивающие возможность передачи данных со скоростью, превышающей терабит в секунду; стираемые компактные диски, а также носители на основе оптической голографической памяти, способные хранить сотни гигабайт информации; фотовальтаические устройства; электрохромные полимерные и жидкокристаллические дисплеи; сверхбыстрые оптические переключатели и многое другое. По-видимому, делом совсем недалекого будущего станет создание квантового компьютера.

В свете всего вышесказанного становится очевидным тот факт, что при создании того или иного фотонного устройства важнейшую роль играет выбор материала, на основе которого оно создается. Именно свойствами активной среды определяются параметры нового устройства: быстродействие, зависящее от характерных времен возбуждения и релаксации атомов среды; эффективность, определяемая чувствительностью вещества к внешним воздействиям, являющейся, в свою очередь, особенностью строения его молекулы; удобство и долговечность, связанные с механическими характеристиками материалов. Очевидно, что поиск сред, обладающих свойствами, подходящими для целей оптической обработки информации, становится одной из самых приоритетных задач современной нелинейной оптики. Появляется необходимость создать такой материал, который обладал бы достаточной величиной оптической нелинейности, поскольку именно нелинейные квантовые эффекты, как правило, представляют интерес с точки зрения возможности широкого использования в оптоэлектронных системах. Другими словами, чем более ярко выражены нелинейно-оптические свойства конкретного вещества, тем более велика вероятность, что оно найдет применение в реальном устройстве, работа которого основана, например, на самоканалировании светового пучка [1], энергообмене между двумя и более световыми каналами [2], генерации высших гармоник [3] или обращении фронта волны [4]. Неважно, для какой цели будет использована та или иная среда; главное, что световой пучок сравнительно небольшой (субмилливаттной) мощности, распространяясь в среде, должен индуцировать значительное изменение ее параметров, которые, в свою очередь, оказывают влияние на оптические поля.

Помимо требований, накладываемых на величину оптической нелинейности, материалы, претендующие на право быть использованными в реальных фотонных устройствах, должны удовлетворять целому ряду критериев, среди которых высокое оптическое качество (низкий уровень рассеяния и поглощения), механическая прочность, устойчивость к внешним воздействиям, долгий срок службы, легкость получения и обработки, сравнительно низкая стоимость. С учетом всех требований задача разработки и исследования новых нелинейных материалов для нужд оптической обработки информации поистине становится сложной и комплексной, привлекающей усилия специалистов целого ряда областей: радиофизики, квантовой оптики, электродинамики, химии, материаловедения.

С того момента, как исследователей начала интересовать проблема поиска эффективных нелинейно-оптических материалов для целей оптической обработки информации, большой прогресс был сделан в этом направлении, начало которого было положено исследованием свойств оптических неорганических кристаллов [5]. На их основе был создан целый ряд приборов [6]- [14], многие из которых широко используются по сей день, что объясняется отличными оптическими качествами кристаллов в совокупности с высокими константами их нелинейной и электрооптической восприимчивостей. Однако неорганические кристаллы обладают одним существенным недостатком, заключающимся в трудоемкости их выращивания и обработки, а также в их механической хрупкости и чувствительности к внешним воздействиям. Данный факт либо сильно ограничивает практическое применение кристаллов, либо делает его дорогостоящим.

Для решения указанной проблемы уже в начале 1970-х годов возникает идея использования органики в тех целях, в которых до этого момента "монополия" принадлежала неорганическим кристаллам. С обнаружения более эффективной, чем у ниобата лития, генерации второй гармоники в порошках 5-нитроурацила [12] началось зарождение молекулярной инженерии, направленной на конструирование нелинейно-оптических органических материалов и базирующейся на связи требуемых свойств (среди которых высокие константы нелинейности, механическая прочность, устойчивость к воздействиям окружающей среды, способность образовывать тонкие пленки и пр.) с их структурой. Широкие возможности варьирования последней путем химического синтеза делают органические соединения идеально подходящими для подобного конструирования, целью которого становится возможность удовлетворения определенным требованиям для конкретных применений (см., например, [13]- [19]).

Уже вскоре исследователям становится очевидно, что органика может стать вполне перспективным кандидатом для создания всевозможных нелинейно-оптических устройств на ее основе [20]. Она может предложить не только высокие константы нелинейной и электрооптической восприимчивостей в широкой полосе частот, но также и большой диапазон времен откликов (от фемтосекунд до минут); устойчивость к оптическому пробою; широкую полосу прозрачности; низкие потери на рассеяние и поглощение; легкость получения и обработки; устойчивость по отношению к внешним воздействиям, таким как радиация, удар или нагревание; относительно низкую стоимость. Из органического материала можно сформировать тонкую или толстую пленку, объемный кристалл, жидкий или твердый раствор, слоистую пленочную структуру, оптические свойства которой менялись бы от слоя к слою, поверхность практически любой сложности с высоким оптическим качеством, множество различных композиционных сред и многие другие объекты для исследования и дальнейшего применения в оптических устройствах [21].

Рамки данной работы слишком ограничены, чтобы перечислить все новые перспективные органические материалы, синтезированные для нужд нелинейной оптики, так же как и все оптоэлектронные устройства на их основе, созданные за прошедшие 30 лет. Указанная область науки пережила за этот промежуток времени колоссальный подъем, поэтому Ф затронуть каждое из ее достижений в настоящем обзоре не представляется возможным. Перечислим лишь некоторые их множества работ, посвященных проблеме изучения свойств новой органики и использования их для оптической обработки информации [22]- [35]. На основе этих материалов созданы фотовольтаические устройства [36]- [37], электрооптические модуляторы [38]- [39], сверхбыстрые оптические переключатели [40], элементы голографической памяти [41], оптические волноводы [42]- [46], быстродействующие ограничители видимого диапазона [47].

Несмотря на оптимизм, внушаемый широким рядом преимуществ, • присущих органическим нелинейно-оптическим материалам, синтезируемая в настоящее время органика не обладает всеми (и даже большей частью) из перечисленных выше характеристик. Зачастую поглощение и рассеяние перспективных, на первый взгляд, сред не удается снизить до желаемого уровня; вовсе несовместимыми требованиями являются высокая нелинейность и сверхкороткое время отклика; проблема деградации органики - старения - вообще не представляется полностью разрешимой. На сегодняшний день не создано еще то вещество, которое совмещало бы в себе абсолютно все преимущества, присущие органике как классу. Однако вполне решаемой является задача создания некоего оптималь-® ного образца, который сочетал бы в себе именно те качества, которым требуется удовлетворить для того или иного приложения. Сегодня эта задача стоит перед множеством исследовательских групп мира.

Настоящая работа посвящена, главным образом, электродинамическому аспекту указанной комплексной проблемы: распространению электромагнитной волны в подобных нелинейно-оптических средах, взаимодействию света с веществом, физическим причинам, приводящим к нелинейной или электрооптической восприимчивостям. При этом работа проводилась в условиях тесного сотрудничества с ведущими нижегородскими коллективами химиков, а также специалистами химического факультета МГУ, предоставившими уникальнейшие и новейшие соединения и комплексы, синтезированные специально для данного исследования на основании знаний и представлений о том, какую структуру должна иметь молекула вещества, обладающего неординарными оптическими свойствами. В результате совместных усилий химиков и оптиков объектом настоящего исследования стал целый ряд перспективных с точки зрения практического использования органических композиций. Благодаря этому указанная задача изучения свойств новых материалов приобретает не только фундаментальный, но и прикладной интерес.

Целью диссертационной работы является выявление особенностей и закономерностей нелинейной и электрооптической восприимчи-востей новых органических соединений и композиционных сред, созданных с учетом корреляции оптических свойств молекулы с ее строением, а также объяснение физической природы и механизма реализующейся нелинейности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

Определить с помощью простейших оптических экспериментов состав нелинейной композиции, а также оптимальное процентное соотношение ее компонентов, обеспечивающие приемлемый уровень рассеяния и поглощения в образце при сохранении нелинейности. Установить зависимость оптических характеристик среды от вида и объемного содержания в ней каждой из составных частей. Из множества полученных композиций отобрать образцы с хорошим оптическим качеством и наивысшей нелинейной либо электрооптической восприимчивостями.

Посредством ряда экспериментальных методов протестировать оптическую нелинейность каждого из указанных материалов, анализируя ее величину и знак; динамику формирования и релаксации, а также влияние на эту динамику механических свойств образца, внешнего электрического поля, светового поля волны; обратимость во времени; устойчивость к деградации.

Установить возможность управления свойствами среды световым и постоянным электрическим полями, для чего исследовать явления самовоздействия светового пучка в образце, взаимодействия двух и четырех волн в среде с нелинейностью, а также наведенного двулучепреломле-ния. Проанализировать перспективы применения исследуемых веществ в реальных оптических устройствах.

Объяснить физическую причину нелинейности, подробно описать ее механизм.

Научная новизна результатов работы:

Впервые исследованы нелинейно-оптические свойства органической композиции, состоящей из электропроводящего полимера поливинилкар-базола (поли(9-винилкарбазола)), пластификатора и фуллерена Сбо (С70) в роли фотогенератора заряда. Установлено, что указанная смесь обладает "гигантской" величиной кубичной нелинейной восприимчивости фоторефрактивного типа;

Продемонстрирована возможность "неэлектрооптической" фоторефракции в композициях, не содержащих нелинейно-оптический хромофор;

Впервые исследован ряд нелинейно-оптических композиций на основе поливинилкарбазола и фоточувствительных агентов, относящихся к классу замещенных хинонов;

Объяснен физический механизм оптической нелинейности, реализующийся в органических композициях типа полимерная проводятся матрица - пластификатор - фотогенератор заряда, связанный с динамической модификацией молекулы последнего компонента в его анион-радикал при лазерном облучении;

Впервые проведено исследование квадратичной электрооптической восприимчивости растворов ряда новых соединений с комплексом переноса заряда и металлоорганических молекул с германиевыми гетероциклами.

На защиту выносятся следующие положения:

Реализация "гигантской" инерционной оптической нелинейности фо-торефрактивного типа в органических полимерных композициях вида проводящая матрица - фотогенератор носителей заряда - пластификатор возможна без наличия в их составе электрооптического компонента, присутствие которого ранее считалось необходимым. В указанных средах имеет место "неэлектрооптическая" фоторефракция.

Физический механизм оптической нелинейности органической полимерной композиции вида поливинилкарбазол- фуллерен Cjq{Cqq) - пластификатор при лазерном облучении в видимом диапазоне длин волн обусловлен динамической модификацией молекулы Cjq в анион-радикал Сjо, обладающий отличной от молекулы фуллерена величиной оптической поляризуемости. Аналогичный механизм оптической нелинейности имеет место для композиций типа поливинилкарбазол - замещенный хи-нон - пластификатор.

Новые органические жидкости двух классов - германий-содержащие гетероциклические соединения и растворы молекул с комплексом переноса заряда - обладают квадратичными электрооптическими свойствами с величиной восприимчивости, не уступающей перспективным современным аналогам.

Научно-практическая значимость. Показана возможность управления оптическими параметрами среды (диэлектрической проницаемостью, пропусканием) посредством высокочастотного светового либо постоянного внешнего электрического полей. Эффективность контроля над характеристиками исследованных материалов подтверждена низкими значениями управляющих мощностей и напряжений, что дает указанным средам возможность найти практическое применение в системах оптической обработки информации. Экспериментально продемонстрирована применимость фуллерен-содержащих композиций в целях хранения оптической информации.

Работа проводилась в рамках исследований, поддерживаемых Российским фондом фундаментальных исследований (грант №00-15-96675) и Федеральной целевой программой "Интеграция" (госконтракт №3 3139/ 1726).

Достоверность и обоснованность положений и выводов, полученных в диссертации, обеспечена применением современной стандартной измерительной аппаратуры, метрологической поверкой измерительного оборудования, использованием стандартных экспериментальных оптических методов, обработкой полученных данных с помощью современного программного обеспечения, воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также согласованием некоторых выводов с результатами других авторов.

Публикации и апробация результатов. Диссертация написана по материалам работ, которые велись на кафедре электродинамики радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского.

Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по лазерам и электрооптике CLEO/Europe-EQEC (2000 г., Ницца; 2003 г., Мюнхен), Х-й Международной конференции "Оптика лазеров" (2000 г., Санкт-Петербург), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO'2001 (2001 г., Минск), Международной конференции по квантовой электронике и лазерным технологиям IQEC/LAT'2002 (2002 г., Москва), И-й Международной молодежной конференции по лазерной оптике LOYS'2003 (2003 г., Санкт-Петербург),

Совещании "Нанофотоника-2004" (2004 г., Нижний Новгород - Казань), Конференции молодых ученых "Нелинейные волновые процессы" в рамках ХП-й Научной школы "Нелинейные волны-2004" (2004 г., Нижний Новгород), 6-8 Научных конференциях по радиофизике (2002 - 2004 гг., Нижний Новгород), 6-9 Нижегородских сессиях молодых ученых (2001 - 2004 гг., Нижний Новгород), а также на Первом российско-украинском семинаре "Оптика наноструктурированных материалов" (2002 г., Киев), семинаре отделения Нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН, семинаре отдела Сверхпроводимости ИФМ РАН.

По материалам диссертации опубликовано 25 научных работ [49]- [73], в том числе 5 статей в научных журналах, 2 статьи в сборниках научных работ, 18 тезисов докладов на международных и отечественных научных конференциях.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в участии в процессе постановки задачи, проведении экспериментальных исследований, обработке, обсуждении и изложении полученных результатов.

Содержание работы

Во введении дается общая характеристика работы, включающая научную новизну, практическую значимость работы, основные положения, выносимые на защиту; обсуждается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследования; содержится обзор современного состояния проблемы и краткий обзор литературы по тематике исследования.

Первая глава посвящена исследованию особенностей нелинейно-оптической восприимчивости новых органических нанокомпозиций, включающих в свой состав проводящую полимерную матрицу - поливинил-карбазол, фоточувствительную добавку - фуллерен Сед или С70 и смесь пластификаторов.

Представлен краткий обзор результатов исследований подобных фо-торефрактивных композиционных сред на основе полимерных материалов, полученных зарубежными научными группами; кратко освещено современное состояние дел в области "органической" фоторефракции.

Приводятся описания и результаты ряда оптических экспериментов (двух- и четырехволнового взаимодействий, самовоздействия гауссова лазерного пучка в тонком слое исследуемой среды, дифракционных измерений), позволяющих прийти к выводу о наличии "гигантской" нелинейной восприимчивости тестируемых композиционных материалов. Посредством эксперимента по z-сканироваиию тонкой полимерной пленки измерена величина и знак реализующейся нелинейности на длине волны 633 нм.

Определены особенности динамики формирования и релаксации нелинейности; установлена обратная зависимость ее характерного времени от величины интенсивности падающей на среду волны, свидетельствующая об участии фотовозбуждения молекулы в процессе нелинейного изменения показателя преломления исследуемой композиции. Установлено влияние внешнего электрического поля на характерное время установления нелинейности без существенного изменения ее величины. Показано влияние вязкости и темновой проводимости полимерного образца на скорость нелинейных процессов в нем.

Изложены постановка и результаты спектроскопического эксперимента, позволившего сделать вывод о механизме наблюдаемой нелинейности путем сравнения спектров пропускания полимерной композиции до и после лазерного облучения. На основании полученных экспериментальных данных объяснена физическая природа нелинейности подобных фуллерен-содержащих материалов, заключающаяся в обратимой модификации под воздействием пучка гелий-неонового лазера молекулы фул-лерена С70 в его анион-радикал обладающий отличной от молекулы фуллерена величиной поляризуемости. Показана возможность реализации "неэлектрооптической" фоторефракции в композициях типа полимерная гпокопроводящая матрица - фотогенератор заряда - пластификатор; кратко сформулирована перспективность практического применения подобных материалов в устройствах обработки информации.

Во второй главе проводится детальное исследование оптической нелинейности ряда хинон-содержащих токопроводягцих органических композиций. Приводятся описания оптических экспериментов, которые позволили получить несколько новых научных результатов: 1) обнаружить и измерить величину нелинейности тестируемых материалов; 2) подробно исследовать временную динамику нелинейности и влияние на нее внешних факторов (внешнего электрического поля, интенсивности волны на входе); 3) сделать вывод о большей эффективности хиноновых молекул по сравнению с молекулами фуллерена в качестве фотогенераторов носителей заряда в полимерной фоторефрактивной композиции, что обусловлено более ярко выраженными акцепторными качествами первых; 4) выбрать из ряда исследуемых композиций, отличающихся типом фоточувствительного компонента, образец с наибольшей величиной нелинейно-оптической восприимчивости.

В ходе исследования динамики реализующейся нелинейности была обнаружена обратная зависимость времен развития и релаксации нелинейного процесса от величины падающей интенсивности, подтверждающая гипотезу о фоторефрактивной природе нелинейности исследуемых хинон-содержащих сред, благодаря чему данные материалы служат очередным доказательством возможности реализации "неэлектрооптической" фоторефракции в органических композиционных материалах.

Третья глава посвящена исследованию эффекта наведенного внешним электрическим полем двулучепреломления в новых органических соединениях двух типов: металлоорганических веществах, включающих в свой состав германиевые гетероциклы, и растворах молекул, обладающих комплексом с переносом заряда. Дается обсуждение особенностей строения молекул данных веществ, обуславливающих собственный ди-польный момент молекулы и тем самым сравнительно эффективную квадратичную электрооптическую восприимчивость среды в целом.

Кратко обсуждена теория данного явления. Представлено описание установки для эллипсометрического эксперимента, позволяющего определить квадратичный коэффициент Керра исследуемой жидкости по величине интенсивности световой волны, прошедшей через тестируемый образец, помещенный между двумя скрещенными поляризаторами, при приложенном к нему постоянном электрическом поле. В результате экспериментов с внешним электрическим полем, не превышающем 2,5 £>/мкм, зафиксировано изменение показателя преломления среды вплоть до 10~3, что соответствует величине квадратичного коэффициента Керра s = 1,5-Ю-16 и2/В2.

Исследованы величина и особенности квадратичной электрооптической восприимчивости тестируемых соединений в зависимости от вида растворителя, используемого в эксперименте. Чрезвычайно высока.я эффективность процесса наведенной анизотропии исследуемых сред, наблюдаемая экспериментально, определяет возможность использования данных материалов для создания быстрых электрооптических переключателей, а также в качестве электрооптического компонента органической фоторефрактивной смеси с целью усиления ее нелинейно-оптических свойств.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Касаткина, Ирина Валерьевна

3.4 Выводы

Настоящая глава содержит результаты исследования особенностей квадратичной электрооптической восприимчивости двух новых классов органических веществ - металлоорганического германий-содержащего гетероциклического соединения (БТГ) и растворов молекул с комплексом переноса заряда (N1 и N23). Результатом ряда экспериментов, направленных на разработку и исследование новых электрооптических соединений, достаточно эффективных для их использования в качестве компонентов фоторефрактивных полимерных композиций, стало обнаружение сравнительно высоких коэффициентов Керра в трех органических жидкостях (см. Таблицу 3.1). Тестирование квадратичных электрооптических восприимчивостей указанных сред производилось с помощью наблюдения за их способностью вращения плоскости поляризации линейно поляризованного светового пучка, прошедшего через тонкий слой исследуемого материала при приложенном к слою постоянном электрическом поле. Согласно результатам эксперимента сильной наведенной анизотропией обладают всех три соединения, протестированные в ходе исследования. Наибольший коэффициент Керра был получен в эксперименте с БТГ и составил величину s = 1,5 ■ 10~16 м2/В2. В ходе эксперимента с молекулой N23 было выяснено, что на величину электрооптического коэффициента раствора оказывает влияние выбор типа растворителя. Результаты изложенного в Главе 3 исследования позволяют сделать выводы о перспективности использования данных материалов в устройствах, осуществляющих быструю модуляцию и переключение оптических сигналов, а также в качестве электрооптического компонента, увеличивающего эффективность органической фоторефрактивной композиции.

Заключение

Основными результатами диссертационной работы являются следующие:

1. Показано, что органические композиционные материалы на основе токопроводящей полимерной матрицы и фотогенератора носителей заряда обладают "гигантской" инерционной оптической нелинейностью фоторефрактивного типа в видимом диапазоне длин волн. Обнаружен эффект "неэлектрооптической" фоторефракции в указанной группе материалов.

2. Определено оптимальное процентное соотношение компонентов смеси полимерная проводящая матрица - фотогенератор - пластификатор, обеспечивающее низкий уровень рассеяния и поглощения световой волны в среде при сохранении ее нелинейных свойств.

3. На основании результатов ряда оптических экспериментов - двух- и четырехволнового взаимодействий, самовоздействия гауссова лазерного пучка в тонком слое среды, z-сканирования, дифракционных измерений - показано, что величина оптической нелинейности органической композиции, содержащей полимер поли(М-винилкарбазол) в качестве проводящей матрицы и фуллерен в роли фоточувствительного компонента, сравнима с нелинейными характеристиками лучших современных аналогов. Величина нелинейного коэффициента для оптимизированной по составу композиции nBK:CVo: пластификатор (45:0,5:54,5 %) составила П2 = —3-10~4 см2/Вт. Установлено, что природа наблюдаемой нелинейности не связана ни с тепловыми, ни с фотохимическими, ни с электрооптическими процессами в веществе.

4. Обнаружено наличие обратной зависимости между характерными временными масштабами нелинейного процесса изменения показателя преломления среды и величиной интенсивности светового поля. При этом показана возможность оптического хранения информации, записанной в исследуемой полимерной композиции, в темповых условиях. Обнаружена возможность варьирования темновой проводимости образца, обуславливающей длительность хранения, путем варьирования времени его высушивания в процессе изготовления.

5. Реализованы эффекты энергообмена при двухволновом взаимодействии и обращения волнового фронта при четырехволновом взаимодействии в тонкой пленке из исследуемого материала. Показано, что между двумя лазерными пучками, пересекающимися в тонком слое исследуемой среды, возможен эффективный энергообмен с коэффициентом Г = 164 см-1, не зависящим от величины напряженности внешнего электрического поля. Определен оптимальный угол пересечения пучков, дающий максимальную величину постоянной энергообмена. Показана возможность реализации явления обращения волнового фронта при четырехволновом взаимодействии в исследуемой композиции с эффективностью дифракционного отражения от решетки показателя преломления D = 0, 55%.

6. Дано объяснение физическому механизму оптической нелинейности, реализующейся в токопроводящих фуллерен-содержащих полимерных композициях. Экспериментально показан факт возникновения существенных изменений спектра пропускания композиции после облучения ее лазерным пучком на длине волны 633 нм, свидетельствующий о модификации молекулы фуллерена С70 в его анион-радикал Cfo под действием света видимого диапазона. Выяснено, что нелинейные изменения показателя преломления среды обуслов-# лены различием в величинах оптической поляризуемости молекулы

С70 и анион-радикала Cj0. Установлено, что указанные изменения спектра поглощения нелинейной композиции являются полностью обратимыми, а их релаксация происходит с характерными временами релаксации возмущений показателя преломления среды.

7. Обнаружено, что органическая полимерная композиция, допирован-ная молекулами из класса замещенных хинонов в качестве фотогенератора носителей заряда, обладает инерционной оптической нелиф нейностью фоторефрактивного типа, величина которой в три раза превышает коэффициент нелинейности аналогичной фуллерен-содержащей композиции.

8. Обнаружен эффект сравнительно сильного оптического двулуче-преломления, индуцированного внешним электрическим полем, для двух новых классов органических веществ - металлоорганических германий-содержащих гетероциклических соединений и растворов молекул с комплексом переноса заряда. Установлено, что квадратичный электрооптический коэффициент подобных материалов достигает величины s = 1,5 • Ю-16 м2/В2, не уступающей этой величине большинства аналогичных органических сред. Экспериментально показано влияние вида растворителя на электрооптические характеристики исследуемых жидкостей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Касаткина, Ирина Валерьевна, 2005 год

1. Таланов В.И., Власов С.Н. Самофокусировка волн. - Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1997. 218 с.

2. Винецкий В.Л., Кухтарев Н.Ф., Одулов С.Г. и др. Динамическая самодифракция когерентных световых пучков // Успехи физических наук, 1979. №6. С.113.

3. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989.

4. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985.

5. Ashkin A., Boyd G.D., Dredzik J.M., Smith R.G., Ballman A.A., Levinstein J.J., Nassau K. Optically-induced refractive index inhomogeneities in LiNbOs and LiTaOz // Appl. Phys. Lett., 1966. V.9. P.72.

6. Thaxter J.В., Kestigian M. Unic properties of SBN and their use in a layered optical memory // Appl. Opt., 1974. V.13. P.913.

7. Huignard J.P., Herriau J.P. Real-time double-exposure interferometry with BSO crystals in transverse electrooptic configuration // Appl. Opt., 1977. V.16. P.1807.

8. Feinberg J., Hellwarth G. Phase-conjugating mirror with continuous-wave gain // Opt. Lett., 1980. V.5. P.519.

9. White J.О., Cronin-Golomb M., Fisher В., Yariv A. Coherent oscillation by self-induced grating in the photorefractive crystal BaTiOz // Appl. Phys. Lett., 1982. V.40. P.450.

10. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках. М.: Наука, 1990.

11. Бельдюгин И.М., Золотарев М.В., Свиридов К.А. Теория и применение оптических приборов на основе четырехволнового взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах // Зарубежная радиоэлектроника. 1990, N 3. С.52.

12. Bergman J.G., Grane J.R., Levine B.F., Bethea C.G. Nonlinear optical susceptibility of 5-nitrouracil // Appl. Phys. Lett., 1972. V.20. P.21.

13. De Martino R.N., Choe E.W., Khanarian G. et al. Development of polymeric nonlinear optical materials. // Nonlinear optical and electroactive polymers / Eds. Prasad P.N. and Ulrich D.R. New York: Plenum Press, 1988. P. 169.

14. Kippelen В., Meyers F., Peyghambarian N. et al. Chromophores design for photorefractive applications // J. Am. Chem. Soc., 1997. V.119. P.4559.

15. Marder S.R., Kippelen В., Jen A.K.-Y. et al. Design and synthesis of chromophores and polymers for nonlinear optic and photorefractive applications // Nature, 1997. V.388. P.345.

16. Nalwa H.S. Organic materials for third-order nonlinear optics // Adv. Mater., 1993. V.5. No 5. P.341.

17. Anderson H.L. Building molecular wires from the colours of life: conjugated porphyrin oligomers // Chem. Commun., 1999. P.2323.

18. Vannikov A.V., Grishina A.D., Pereshivko L.Ya., Krivenko T.V., Rychwalski R.W. Photochemical synthesis of nonlinear optical and photorefractive materials // Proc. of the Int. Conf. on Digital Printing Technologies, 2000. P. 141.

19. Nonlinear optical properties of organic and polymeric materials / ACS Symposium Series 233. Ed. Williams D.J. Washington: ACS, 1983.• 21. Lytel R., Lipscomb G.F., Thackara J., Altman J., Elizondo P., Stiller

20. M., Sullivan B. Nonlinear and electro-optic organic devices // Nonlinear optical and electroactive polymers / Eds. Prasad P.N. and Ulrich D.R. New York: Plenum Press, 1988. P.415.

21. Singer K.D., Kuzyk M.G., Sohn J.E. Second-order nonlinear-optical processes in orientationally ordered materials: relationship between molecular and macroscopic properties //J. Opt. Soc. Am. B, 1987. V.4. P.968.

22. Singer K.D., Sohn J.E., King L.A., Gordon H.M., Katz M.E., Dirk• C.W. Second-order nonlinear-optical properties of donor- and acceptor-substituted aromatic compounds //J. Opt. Soc. Am. B, 1989. V.6. P.1339.

23. Bui-land D.M., Miller R.D., Reiser 0., Twieg R.J., Walsh C.A. The design, synthesis and evaluation of chromophores for second-harmonic generation in a polymer waveguide //J. Appl. Phys., 1992. V.71. P.410.

24. Kaino Т., Kanbara H., Kurihara Т., Tomaru S. Nonlinear optical properties of organic materials and their application for switching devices // Nonlinear optics, 1994. V.7. P.277.

25. Bubeck C. Nonlinear optical properties of oligomers // Electronic materials: the oligomer approach / Eds. Mullen K. and Wegner G. Weingheim: Wiley-Vch, 1998. P.449.

26. Grishina A.D., Pereshivko L.Ya., Krivenko T.V., Savel'ev V.V., Shapiro B.I., Vannikov A.V. Second harmonic generation in polymers containing dithiosquarylium dye // Russian Chemical Bulletin, 1999. V.48. No.l. P.3.

27. Ilyina I.G., Mikhalev O.V., Butin K.P., Tarasevich B.N., Uzhinov B.M. Differently coloured crystalline modifications of organic autocomplexes of the nitroaromatic type // Synt. Met., 2001. V.129. P.1067.

28. Samoc A., Samoc M., Luther-Davies В., Freydank A.C., Lucas N.T. Investigation of nonlinear optical chromophores with femtosecond degenerate four-wave mixing in solutions // Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, 2003. V.12. No.2. P.235.

29. Afanas'ev A.V., Zinoviev A.P., Antipov O.L. et al. Picosecond z-scan measurements of nonlinear-optical susceptibilitiy of films and solutions of novel organometallic polymers // Opt. Commun., 2002. V.201. P.207.

30. Ванников А.В., Гришина А.Д. Фоторефрактивный эффект в полимерных системах // Успехи химии, 2003. Т.72, №6. С.531.

31. Tang С. Two-layered organic photovoltaic cell // Appl. Phys. Lett., 1986. V.48. P.183.

32. Panayotatos P., Parikh D., Sauers R., Birg G., Piechowski A., Husain S. // Solar Cells, 1986. V.18. P.71.

33. Parker I.D., Gymer R.W., Harrison M.G., Friend R.H., Ahmed H. Fabrication of novel electro-optical intensity modulator from the conjugated polymer, poly(2,5-dimethoxy-p-phenylene vinylene) // Appl. Phys. Lett., 1993. V.62. P.1519.

34. Chen D., Fetterman H.R., Chen A., Steiger W.H., Dalton L.R., Wang W., Shi Y. Demonstration of 110 GHz electro-optic polymer modulators // Appl.Phys. Lett., 1997. V.70. P.3335.

35. Photonic switching 2. / Eds. Toda K. and Hinton H.S. Heidelberg: Springer-Verlag, 1990.

36. Lin S.H., Hsu K.Y., Chen W.-Z., Whang W.T. Phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate) photopolymer bulk for volume holographic data storage // Opt. Lett., 2000. V.25. No.7. P.451.

37. Tomaru S., Kawachi M., Kobayashi M. Organic crystals growth for optical channel waveguides // Opt. Commun., 1984. V.50. P.154.

38. Vidacovic P., Coquillay M., Salin F. N-(4-nitrophenyl)-N-methylami-no-aceto- nitrile: a new organic material for orient second harmonic generation in bulk and waveguide configurations //J. Opt. Soc. Am. B, 1987. V.4. P.998.

39. Sasaki K., Kinoshita Т., Karasawa N. Second harmonic generation of 2-methyl-4-nitroaniline by a neodimium:yttrium aluminum garnet laser with a taperd slab-type optical waveguide // Appl. Phys. Lett., 1984. V.45. P.333.

40. Hewig G.H., Jain K. Frequency doubling in an organic waveguide // Opt. Commun., 1983. V.47. P.347.

41. Lee M. Polymer waveguide devices for optical communications // The Int. Symp. on Optical Science and Technology: Abstracts. Denver (USA), 2004. P.30.

42. Tutt L.W., Kost A. Optical limiting performance of Cqo and C70 solutions // Nature (London), 1992. V.356. P.225.

43. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Гавронская Е.А. и др. Широкополосные, быстродействующие нелинейно-оптические ограничители видимого диапазона на основе фуллеренсодержащих сред // Оптический журнал, 1999. Т.66, №8. С.50.

44. Douglas W.E., Kuzhelev A.S., Yurasova I.V. et al. Photorefractive properties of new polymer composites incorporating polyfethynediyl-arylene-ethynedyil-silylene]s // Phys. Chem. Chem. Phys., 2002. V.4. P.109.

45. Антипов О.Jl., Юрасова И.В., Домрачев Г.А. Оптическая нелинейность фуллерен-содержащих полимерных нанокомпозиций // Квантовая электроника, 2002. №9. С.776.

46. Afanas'ev A.V., Antipov O.L., Yurasova I.V. et al. Silicon-containing polymers for non-linear optics // Silicon Chemistry, 2002. V.l. P. 145.

47. Yurasova I.V., Antipov O.L. Giant optical nonlinearity of CVo-doped hole-conducting polymer nanocomposite // Opt. Commun., 2003. V.224. No.4-6. P.329.

48. Юрасова И.В., Антипов О.Л., Ермолаев Н.Л. и др. Новые полимерные нанокомпозиции с гигантской динамической оптической нелинейностью // ФТТ, 2005. Т.47, вып.1. С.124.

49. Kuzhelev A.S., Yurasova I.V., Antipov O.L. et al. Photorefractive effects in novel polymer nanocomposites // Proc. SPIE, 2001. V.4353. P.48.

50. Antipov O.L., Yurasova I.V., Domrachev G.A. Optical nonlinearity of C70—sensitized photorefractive compositions caused by production of anion-radicals // Trends in Optics and Photonics Series, 2002. V.64.

51. Yurasova I.V., Kuzhelev A.S., Antipov O.L. et al. Dynamic photorefraction in a novel type of polymer nanocomposite // Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe'2000): Abstracts. Nice (France), 2000. P.72.

52. Kuzhelev A.S., Yurasova I.V., Antipov O.L. et al. Photorefractive effects in novel polymer nanocomposites // Xth Conf. on Laser Optics: Abstracts. St.Petersburg, 2000. P.33.

53. Yurasova I.V., Antipov O.L., Douglas W.E. et al. Photorefraction in novel polymer compositions // XVIIth Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'2001): Abstracts. Minsk, 2001. P.248.

54. Yurasova I.V., Luk'yanov A.Yu., Antipov O.L. et al. Photorefraction and photochemistry in novel polymer compositions // OS A Annual Meeting and Exhibit'2001: Abstracts. Long Beach (USA), 2001. P.127.

55. Юрасова И.В. Нелинейно-оптические свойства органических композиций на основе кремнийсодержащих полимеров / / Шестая нижегородская сессия молодых ученых: Тез. докл. Нижний Новгород, 2001. С.81.

56. Юрасова И.В., Антипов O.JI. Исследование фотохромной нелинейности фуллерен-содержащих полимерных композиций // Седьмая нижегородская сессия молодых ученых: Тез. докл. Нижний Новгород, 2002. С.125.

57. Юрасова И.В. Исследование электрооптических свойств новых органических и металлоорганических молекул // Восьмая нижегородская сессия молодых ученых: Тез. докл. Нижний Новгород, 2003. С.7.

58. Юрасова И.В. Исследование нелинейно-оптических свойств фоточувствительных хинон-содержащих полимерных композиций // Девятая нижегородская сессия молодых ученых: Тез. докл. Нижний Новгород, 2004. С.151.

59. Юрасова И.В., Антипов О.Л., Ермолаев Н.Л. и др. Новые полимерные нанокомпозиции с гигантской динамической оптической нелинейностью // Совещание "Нанофотоника-2004": Тез. докл. Нижний Новгород Казань, 2004. С.377.

60. Chen F.S. A laser-induced inhomogeneity of refractive indices in KTN // J. Appl. Phys., 1967. V.38. P.3418.

61. Photorefractive effects and materials / Ed. Nolte D.D. Boston: Kluwer Academic Publisher, 1995.

62. Sutter K., Gunter P. Photorefractive gratings in the organic crystal 2-cyclooctylamino-5-nitropyridine doped with 7,7,8,8-tetracyanoquinodi-methane //J. Opt. Soc. Am. B, 1990. V.7. P.2274.

63. Ducharme S., Scott J.C., Twieg R.J., Moerner W.E. Observation of the photorefractive effect in a polymer // Phys. Rev. Lett., 1991. V.66. P. 1846.

64. Liphart M., Goonesekera A., Jones B.E. et al. High-performance photorefractive polymers // Science, 1994. V.263. P.367.

65. Meerholz К., Volodin B.L., Sandalphon, Kippelen В., Peyghambarian N. A photorefractive polymer with high optical gain and diffraction efficiency near 100% // Nature, 1994. V.371. P.497.

66. Volodin B.L., Kippelen В., Meerholz K. et al. A polymeric optical pattern-recognition system for security verification // Nature, 1996. V.383. P.58.

67. Grunnet-Jepsen A., Thompson C.L., Moerner W.E. Spontaneous oscillation and self-pumped phase conjugation in a photorefractive polymer optical amplifier // Science, 1997. V.277. P.549.

68. Wright D., Diaz-Garcia M.A., Casperson J.D., DeClue M., Moerner W.E., Twieg R.J. High-speed photorefractive polymer composites // Appl. Phys. Lett., 1998. V.73. P. 1490.

69. Moylan C.R., Wortmann R., Twieg R.J., McComb I.-H. Improved characterization of chromophores for photorefractive applications //J. Opt. Soc. Am. B, 1998. V.15. P.929.

70. Zhang Y., Wada Т., Sasabe H. Carbazole photorefractive materials // J. Mater. Chem., 1998. V.8. P.809.

71. Herlocker J., Ferrio K., Hendrickx E. et al. Direct observation limit in a fast photorefractive polymer composite // Appl. Phys. Lett., 1999. V.74.1. P.2253.

72. Mecher E., Gallego-Gomez F. Tillmann H., Horhold H.-H., Hummelen J.C., Meerholz K. Near-infrared sensitivity enhancement of photorefractive polymer composites by pre-illumination // Nature, 2002. V.418. P.959.

73. Kwon O., Montemezzani G. Guenter P., Lee S. High-performance photorefractive composites based on layered photoconductive polymers

74. The Int. Symp. on Optical Science and Technology: Abstracts. Denver (USA), 2004. P.37.

75. Wang L., Ng M.K., Yu L. Efficient molecular photorefractive materials based on methine dyes // Appl. Phys. Lett., 2001. V.78. P.700.

76. Goleme A., Kippelen В., Peyghambarian N. Highly-efficient photorefractive polymer-dispersed liquid crysrals // Appl. Phys. Lett., 1998. V.73. P.2408.

77. Zhang J., Singer K.D. Homogeneous photorefractive polymer/nematogen composite // Appl. Phys. Lett., 1998. V.72. P.2948.

78. Bai Y., Chen X., Wan X., Zhou Q.-F., Liu H., Zhand В., Gong Q. Photorefractive properties in homogeneous and heterogeneous polymer/liquid crystal composites // Appl. Phys. B, 2001. V.73. P.35.

79. Moerner W.E., Silence S.M. Polymeric photorefractive materials // Chem. Rev., 1994. V.94. P.127.

80. Silence S.M., Walsh C.A., Scott J.C., Moerner W.E. Cm-sensitization of a photorefractive polymer // Appl. Phys. Lett., 1992. V.61. P.2967.

81. Grunnet-Jepsen A., Thompson C.L., Twieg R.J., Moerner W.E. Amplified scattering in a high-gain photorefractive polymer //J. Opt. Soc. Am. B, 1998. V.15. P.901.

82. Grunnet-Jepsen A., Thompson C.L., Moerner W.E. Systematics of two-wave mixing in a photorefractive polymer //J. Opt. Soc. Am. B, 1998. V.15. P.905.

83. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Гавронская Е.А. и др. О механизме оптического ограничения лазерного излучения фуллереносодержа-щими средами // Оптика и спектроскопия, 1999. Т.87, №5. С.845.

84. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Гавронская Е.А. и др. Некоторые закономерности нелинейно-оптического ограничения лазерного излучения фуллеренсодержащими материалами // Оптический журнал, 2001. Т.68, №12. С.13.

85. Симонов А.Н. Нестационарное самовоздействие света в пленке жидкокристаллического полимера, содержащего молекулы азокра-сителя // Квантовая электроника, 1999. Т.28, №1. С.92.

86. Van Stryland V.W., Sheik-Bahae М. Z-scan // Characterization techniques and tabulations for organic nonlinear optical materials / Eds. Kuzyk M.G., Dirk C.W. New York Basel - Hong Kong: Marcel Dekker, 1998. P.655.

87. Сухоруков А.П. Дифракция световых пучков в нелинейных средах // Соросовский образовательный журнал, 1996. №5. С.85.

88. Schaerlaekens М., Hendrickx Е., Hameurlaine A., Dehaen W., Persoons A. Photorefractive properties of bifunctional N-arylated carbazole derivatives in a carbazole polymer host matrix // Chem. Phys., 2002. V.277. P.43.

89. Не М., Twieg R., Gubler U., Wright D., Moerner W.E. Synthesis and properties of glassy organic multifunctional photorefractive materials // Opt. Mater., 2002. V.21. R352.

90. Chen Zh., Wang F., Zhang B. et al. The design, fabrication and property study for photorefractive applications of novel organic materials // Opt. Mmater., 2003. V.23. R253.

91. Huang M.-M., Chen Zh.-J., Zhang J. et al. All-optical photorefractive effect in bihole transporting system polymeric composites // Chin. Phys. Lett., 2004. V.21. P.1969.

92. Cipparone G., Mazzulla A., Pagliusi P. Spatial periodicity of photorefractive orientational gratings in dye-doped polymer liquid crystal composite // Opt. Commun., 2001. V.185. P.171.

93. Cheben P., del Moute F., Worsfold D.J., Carlsson D.J., Grover C.P., Mackenzie J.D. A photorefractive organically modified silica glass with high optical gain // Nature, 2000. V.408. P.64.

94. Chang C.J., Wang H.C., Liao G.Y. et al. The effect of laser wavelength on the photorefractive characteristics of PMDA-DR19 based photorefractive polymer materials // Polymer, 1997. V.38. P.5063.

95. Конарев Д.В., Любовская Р.Н. Донорно-акцепторные комплексы и ион-радикальные соли на основе фуллеренов // Успехи химии, 1999. №1. С.23.

96. Grunnet-Jepsen A., Wright D., Smith В., Bratcher M.S., Siegel J.S., Moerner W.E. Spectroscopic determination of trap density in Cqo—sensitized photorefractive polymers // Chem. Phys. Lett., 1998. V.291. P.553.

97. Powell R.C. Physics of solid-state laser materials. Heidelberg: Springer-Verlag, 1998.

98. Leonhardt H., Weller A. Ber. Bunsenger. Phys. Chem., 1963. V.67. P. 791.

99. Манн Ч., Барнес К. Электрохимические реакции в неводных системах. М.: Химия, 1974.

100. Левин П.П., Кузьмин В.А. // Успехи химии, 1987. Т.56, №4. С.527.

101. Чесноков С.А., Абакумов Г.А., Черкасов В.К., Шурыгина М.П. Фо-тоиндуцировнный перенос водорода в реакции фотовосстановления карбонил-содержащих соединений в присутствии водородных доноров // Докл. РАН, 2002. Т.385, №6. С.780.

102. Нелинейные оптические свойства органических молекул и кристаллов / Под ред. Шемлы Д., Зисса Ж. М.: Мир, 1989. Т.1.

103. Lipscomb G.F., Garito A.F., Narang R.S. An exceptionally large linear electro-optic effect in the organic solid MNA //J. Chem. Phys., 1981. V.75. P.1509.

104. Singer K.D., Sohn J.E., Lalama S.J. Second-harmonic generation in poled polymer films // Appl. Phys. Lett., 1986. V.49. P.248.

105. Wu J.W., Valley J.F., Stiller M. et al. Poled polyimides as thermally stable electro-optic polymer // Proc. SPIE, 1991. V.1560. P.196.

106. Thackara J.I., Jurich M., Swalen J.D. Electro-optic measurements of tolane-based polymeric phase modulators //J. Opt. Soc Am. B, 1994. V.5. P.835.

107. Thackara J.I., Chon J.C., Bjorklund G.C. et al. Polymeric electro-optic Mach-Zehnder switches // Appl. Phys. Lett., 1995. V.67. P.3874.

108. Cassidy E.C., Hebner R.E., Zahn M. et al. Kerr-effect studies of an insulating liquid under varied high-voltage conditions // IEEE Trans. Electr. Insul., 1974. V.EI-9. P.43.

109. Hebner R.E., Misakian M. Temperature dependence of the electro-optic Kerr coefficient in nitrobenzene //J. Appl. Phys., 1979. V.50. P.6016.

110. Flueraru C., Schrader S., Motschmann H. et al. Sensitivity analysis of ellipsometry applied to uniaxial optical films // Thin Solid Films, 2000. V.379. P.15.

111. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1973.

112. Lipscomb G.F., Thackara J.I., Lytel R. Electro-optic effect // Characterization techniques and tabulations for organic nonlinear optical materials / Eds. Kuzyk M.G., Dirk C.W. New York Basel -Hong Kong: Marcel Dekker, 1998. P.237.