СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................5
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..................................13
§1.1. Фотохимия азокрасителей..........................16
§1.2. Фотофизика азокрасителей.........................23
§1.3. Фотоиндуцированная анизотропия при двухфотонном
поглощении.............................................29
ГЛАВА И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОИНДУЦИРОВАННОЙ АНИЗОТРОПИИ (ФИА) ПРИ ОДНОФОТОННОМ ПОГЛОЩЕНИИ В СЛОЯХ НА ОСНОВЕ
АЗОКРАСИТЕЛЯ АВ-1..........................................33
§2.1. Объекты и методы экспериментальных исследований эффекта ФИА........................................33
2.1.1. Выбор веществ и композиций для экспериментальных исследований...................33
2.1.2. Экспериментальная установка и методы измерения
при однофотонном поглощении......................35
2.1.2а. Фотоиндуцированное двулучепреломление 36
2.1.26. Фотоиндуцированный дихроизм..............39
§2.2. Эффект ФИА азокрасителя АИ-1 в жидком растворителе и в твердых полимерных растворах.......................39
2.2.1. Фотохромизм азокрасителя АБ-1 в жидком растворителе и в твердых полимерных растворах 39
2.2.2. Фотоиндуцированное двулучепреломление в твердых полимерных растворах.............................45
2.2.3. Фотоиндуцированный дихроизм в твердых полимерных растворах.............................53
2
2.2.4. Циклическое наведение ФИА при оптическом и
термическом стирании...........................55
§2.3. Эффект ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АИ-1.56
2.3.1. Дихроизм поглощения и ДЛП в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АИ-1..............................58
2.3.2. Поляризационная анизотропия светорассеяния в тонких твердых микроструктурированных пленках из азокрасителя АЭ-1..............................62
§2.4. Применения фотоанизотропных слоев азокрасителя АП-1 ..66 ГЛАВА III. ФОТООРИЕНТАЦИЯ МОЛЕКУЛ АЗОКРАСИТЕЛЯ В ТОНКИХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
ПЛЕНКАХ ПРИ ДВУХФОТОННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ....................72
§3.1. Экспериментальная установка для исследования нелинейно оптических эффектов в тонких пленках с субмикронным пространственным разрешением, ограниченным дифракционным
пределом............................................72
3.1.1. Методика измерений......................74
§3.2. Наведенный дихроизм в микроструктурированных пленках из азокрасителя АО-1 при возбуждении последовательностью
фемтосекундных импульсов............................76
§3.3. Поляризационная анизотропных светорассеяния в микрострукту рированных пленках из азокрасителя АИ-1 при возбуждении последовательностью фемтосекундных импульсов 82 ГЛАВА IV. ДИАГНОСТИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ИЗ АЗОКРАСИТЕЛЯ АО-1 С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА БЛИЖНЕГО ПОЛЯ................................88
3
§4.1. Экспериментальная установка для изучения дифракционных свойств твердотельных
микроструктурированных пленок из азокрасителя АЪ-1 88
§4.2. Результаты СОМБП экспериментов..................90
4.2.1. Структура тонких твердотельных микроструктурированных пленок из азокрасителя АО-1.91
4.2.2. Перестройка доменной структуры твердотельных микроструктурированных пленок из азокрасителя АО-1 под действием фемтосекундных импульсов..........92
4.2.3. Дифракционные свойства неориентированных твердотельных микроструктурированных пленок из азокрасителя АО-1...............................93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................98
БЛАГОДАРНОСТИ............................................101
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Генерация второй гармоники от поверхности
тонких слоев пористого кремния...........................102
ЛИТЕРАТУРА...............................................106
4
ВВЕДЕНИЕ
Явление фотоиндуцированной оптаческой анизотропии (линейный дихроизм и двулучепреломление) в твердых поглощающих средах, получившее название «пассивная фотоселекция» [1] или «фотохимический эффект Вейгерта» впервые было обнаружено Вейгертом в 1919 г. в AgCl фотографических эмульсиях [2]. Первоначально оно представляло интерес, в основном, как метод исследования механизмов и особенностей протекания разнообразных мономолекулярных фотохимических реакций в твердом теле.
Фотоиндуцированная оптическая анизотропия (ФИА) обусловлена как анизотропной структурой молекул, входящих в состав этих сред, так и анизотропной природой (поперечностью колебаний электрического вектора) даже неполяризованного, но направленного оптического излучения. В условиях отсутствия или крайне ограниченной молекулярной трансляционной и вращательной подвижности для ее реализации не требуется активной переориентации молекул, подвергшихся оптическому воздействию, как это имеет место, например, в прозрачных жидких средах, под воздействием мощных световых полей («эффект Бакингема» [3, 4] -оптический аналог эффекта Керра).
Возникновение ФИА обусловлено тем, что вероятность поглощения света с анизотропной молекулой пропорциональна квадрату косинуса угла 0 между направлениями вектора электрического поля оптического излучения Е и ее дипольного момента перехода р на этой длине волны:
в = |Е р|2 ~ cos26 (1)
Анизотропные изменения оптических свойств твердотельной среды, подвергшейся такой фотоселекции, связаны с различными
5
фотоиндуцированными процессами [1, 5], происходящими в возбужденном состоянии или при его безызлучательной дезактивации. Оставшиеся исходные молекулы также дают свой вклад в совокупный эффект ФИА, причем направление их преимущественной ориентации лежит в плоскости, перпендикулярной Е.
Оптическая анизотропия, индуцированная светом, есть широко распространенное явление, о чем свидетельствует фундаментальная работа Т. Копбо [6] обнаружившего ФИА в 450 красителях из 1700 различных обследованных им органических соединений. Оно обнаружено в изотопных и анизотропных (кристаллических) средах органического и неорганического происхождения.
В последние три десятилетия все возрастающий интерес к явлению ФИА в твердых телах связан с возможностью его практического использования в поляризационной голографии [7], оптической записи, хранения и обработки информации [8], а также в фототехнологии производства разнообразных поляризационно-оптических элементов и устройств [9].
Особенно возрос интерес к фотоанизотропным средам, проявляющим эффект ФИА, в связи с их использованием в качестве фотоориентантов жидких кристаллов [10-13].
Среди всех фотоанизотропных материалов особый интерес в последние годы вызывают тонкие тведотельные пленки на основе низко- и высокомолекулярных азопроизводных [14, 15], в частности,
приготовленные из чистых азокрасителей. В этих системах взаимодействие между одинаковыми молекулами играет важную роль. Противоположная ситуация имеет место в полимерных средах, в которых взаимодействие
6
между фоточувствительными элементами является слабым из-за малой концентрации, и носители в полимерах сами по себе создают локальное окружение фоточувствительного элемента. Таким образом, процессы фотоориентации в твердотельных пленках, сделанных из низкомолекулярных азокрасителей, могут значительно отличаться от процессов, имеющих место в полимерных средах, содержащих азокрасители.
В связи с возросшим интересом к нанофотонике нельзя не обратить внимание на другую особенность тонких пленок на основе чистых азокрасителей - их явно выраженную доменную структуру. Наиболее привлекательным и перспективным, на наш взгляд, представляется поведение тонких твердотельных пленок азокрасителя, структура которых обладает размерами порядка нескольких сотен нанометров. В частности, если размер субмикронного домена пленки сравним с длиной волны в среде, то имеют место так называемые фотонные размерные эффекты. Однако до сих пор изучению свойств этих объектов уделялось очень мало внимания.
Еще одним аспектом интереса является нелинейность возбуждения молекулярной ориентации. В частности, исследования нелинейных эффектов ориентационного упорядочивания могут позволить получить новую информацию о механизмах, которые ответственны за это явление. Ориентация азокрасителей при нелинейном поглощении является в настоящее время малоизученной областью, а число статей, посвященных этой тематике, исчисляется единицами. Нелинейная многофотонная ориентация имеет и самостоятельное прикладное значение, связанное с ЗЭ
7
нанофотоникой, например, с трехмерным наноструктурированием и 3-х
мерной записью информации
Цели и задачи диссертационной работы
1. Экспериментальное исследование особенностей эффекта фотоиндуцированной оптической анизотропии азокрасителя МЫ в растворе и твердотельной (полимерной) матрице
2. Разработка способов приготовления тонких микроструктурированных твердотельных пленок из азокрасителя М)-1 с размерами доменов порядка длины волны и исследование их ориентационных свойств при однофотонном поглощении линейно-поляризованного некогерентного и лазерного излучений
3. Экспериментальное исследование ориентационных свойств тонких микроструктурированных твердотельных пленок из азокрасителя МЫ при нелинейном возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами
4. Экспериментальное исследование ориентационных свойств тонких микроструктурированных твердотельных пленок из азокрасителя АЭ-1 с субволновым пространственным разрешением с помощью сканирующего оптического микроскопа ближнего поля (СОМБП)
Научная новизна работы
1. Показано, что проявление эффекта ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АБ-1 связано не только с дихроизмом поглощения и двулучепреломлением, но и с сильным поляризационно зависимым наведенным рассеянием.
8
2. Зарегистрирован эффект ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АО-1, индуцированный нелинейным поглощением лазерного излучения.
3. Обнаружен эффект поляризационно-анизотропного рассеяния в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АБ-1, индуцированный нелинейным поглощением лазерного излучения.
4. С помощью сканирующего оптического микроскопа ближнего поля показано, что наблюдающееся в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АБ-1 сильное поляризационно зависимое наведенное рассеяние связано с субволновой пространственной локализацией проходящего лазерного пучка внутри субмикронных доменов, образующих структуру пленки.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе показывают, что различные варианты пленок, содержащих азокраситель АБ-1, могут найти применение в различных областях прикладной поляризационной оптики, в частности, в качестве «поляризационно-чувствительной фотопленки» при исследовании напряжений в нагруженных прозрачных изделиях методом фотоупругости, в фототехнологии получения функциональных поляризационно - оптических элементов (дихроичных и анизотропно-рассеивающих поляризаторов, фазовых пластин) и для оптической обработки информации, в том числе в качестве поляризационно-чувствительной среды для переписываемых средств оптической памяти с практически неограниченной реверсивностью цикла «запись-стирание-перезапись».
Обнаруженные в работе эффекты ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из чистого азокрасителя АО-1, индуцированные нелинейным поглощением фемтосекундных лазерных
9
импульсов могут быть использованы при разработке устройств трехмерной (30) записи информации и при создании трехмерных поляризационно активных оптических элементов нанофотоники.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Тонкие микроструктурированные пленки из азокрасителя АО-1 толщиной от 100 до 300 нм, приготовленные методом центрифугирования при осаждении азокрасителя из растворителя (дихлорэтан, толуол, хлороформ) на стеклянную подложку, состоят из анизотропных доменов с характерными поперечными размерами от 100 нм до 2 мкм.
2. Проявление эффекта ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АО-1 связано не только с дихроизмом поглощения и двулучепреломлением, но и с сильным поляризационно зависимым наведенным рассеянием.
3. После однофотонной ориентации твердотельные
микроструктурированные пленки из азокрасителя АЭ-1 приобретают свойства высокоэффективного поляризатора, действие которого основано на резкой зависимости величины рассеяния от поляризации проходящего лазерного излучения. Изменение мощности прошедшей без рассеяния части излучения Не-Ые лазера может отличаться в 100 раз для ортогональных поляризаций.
4. Эффект ФИА в тонких твердотельных микроструктурированных пленках из азокрасителя АО-1 может быть индуцирован при облучении непрерывной последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов (средняя мощность - 50 мВт, длина волны - 800 нм, длительность импульсов ~60фс, частота следования - 80 МГц), сфокусированного в область диаметром ~ 15 мкм (пиковая
10
- Київ+380960830922