Введение к работе
Актуальность темы. Большой интерес, проявляемый к изучению фоторефрактивных и нелинейных оптических свойств второго порядка в полимерных системах вызван развитием информационных технологий с использованием света для передачи информации. Возможность использования света для передачи информации стала реальной после открытия в 50-60-х годах источников когерентного излучения в УФ-, видимом и ИК-диапазонах, так как они позволяют существенно увеличить информационную емкость передающих оптических систем и многократно превзойти емкость систем миллиметрового диапазона. С 1961 г. ведется исследование нелинейных оптических свойств второго порядка, а с 1966 г. фоторефракции в неорганических кристаллах. Геперацию второй гармоники (ВГ) лазерного излучения полимерными материалами удалось обнаружить лишь в 1979 г., когда к ним был применен достаточно простой метод преобразования цептросимметричных систем в нецентросимметричные за счет преимущественного ориентирования дипольных молекул хромофора под действием постоянного электрического поля. Изучение фоторефракции в полимерных композитах начато в 1991 г.
Большой интерес вызывает параллельное изучение процессов генерации и релаксации ВГ и электропроводности в полимерных композициях различного состава, так как позволяет выявить факторы, влияющие на кинетические характеристики ВГ. Между тем именно кинетические характеристики определяют перспективность использования полимеров с нелинейными оптическими свойствами в практических приложениях.
Генерация ВГ полимерными пленками вызывает интерес в связи с тем, что их нелинейные оптические свойства второго порядка сравнимы с характеристиками неорганических нелинейных кристаллов, при этом полимерные материалы дешевле, имеют широкий спектр для допирования, просты в изготовлении и технологичнее в процессах изготовления оптических устройств.
Фоторефрактивный эффект появляется в системах, для которых характерны: 1) фотогенерация электронно-дырочных пар, 2) их транспорт и разделение, 3) нелинейные оптические свойства. Все возрастающий в последние годы интерес к фоторефрактивный полимерным материалам вызван возможностью их использования в качестве высокоэффективных активных оптических элементов при передаче информации и регулировании световой энергии в различных электронно-оптических и оптических средствах коммуникации. Фоторефрактивные полимерные материалы позволяют записывать динамические обратимые фазовые голограммы с высокой дифракционной эффективностью.
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты: № 99-03-32111 и № 96-03-32375), Международного научно-технического центра (проект № 872-98), Шведской академии наук (проект № 1337), а также Министерства науки в соответствии с Государственной научно-технической программой "Новые материалы", раздел "Полимерные материалы".
Целью работы является:
-
Создание новых полимерных композитов с фоторефрактивпыми и нелинейными оптическими свойствами второго порядка.
-
Изучение факторов, влияющих на процессы генерации и релаксации ВГ лазерного излучения в полимерных композитах.
-
Параллельное изучение процессов генерации и релаксации ВГ лазерного излучения и электропроводности (электрофотографическим методом) в полимерных композитах, различающихся как природой нелинейного, дішольного хромофора, так и структурой полимерной матрицы.
-
Комплексное изучение нелинейных оптических, фотоэлектрических и фоторефрактивных свойств, а также электронных спектров полимерных композитов.
Научная новизна. Созданы новые светочувствительные полимерные композиты на основе полигидроксиаминоэфира (ПГАЭ) и тетрабромметана, в которых под воздействием света в основной цепи полимера возникают хромофорные фрагменты типа Гидрола Михлера (ГМ+Вг~), которые имеют оптическое поглощение в области 570-700 нм. Они обеспечивают фотогенерацию электронно-дырочных пар под воздействием лазерного излучения 647 нм, образование захваченных электронов и подвижных дырок, нелинейные оптические свойства второго порядка и, как следствие, фоторефрактивные свойства полимерных слоев.
Фоторефрактивные и нелинейные оптические характеристики в этих полимерных композитах можно плавно изменять в пределах одного и того же образца путем экспонирования полимерной пленки через негатив с различной оптической плотностью. Оптическая плотность хромофорного фрагмента возрастает линейно с ростом экспозиционной дозы, поэтому появляется возможность коррекции оптических характеристик образца дополнительным фотохимическим воздействием.
Изучена генерация второй гармоники (532 нм) лазерного излучения основной частоты (1064 нм) в полимерных матрицах, содержащих дипольные низкомолекулярные хромофоры. Показано, что во всех композитах, различающихся природой как дішольного хромофора, так и полимера, кинетика релаксации второй гармоники после выключения коронного разряда определяется кинетикой спада поверхностного потенциала.
Релаксацию ВГ, которая контролируется вращательной диффузией хромофоров и определяется свободным объемом полимера, удалось выделить введением в слой дополнительных транспортных центров, обеспечивающих
быстрый спад электрического поля после выключения коронного разряда. Измерены характеристические времена процесса вращательной диффузии и показано, что вращательная диффузия хромофоров замедляется вследствие сокращения свободного объема полимера во времени.
Практическая значимость работы. Полимерные фоторефрактивные и нелинейные оптические системы перспективны для использования в качестве модуляторов световых пучков, световолоконных переключателей, генераторов второй гармоники лазерного излучения. Болыпая практическая значимость полимерных не линейных оптических систем заключается в том, что на их основе могут быть созданы быстродействующие нелинейные оптические устройства нового типа, управляемые внешним электрическим полем.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института злектрохимші им. А.Н. Фрумюша РАН, на конкурсах молодых ученых Института злектрохимші им. А.Н. Фрумкина РАН в 1998, 1999 гг., на международных конференциях: 17 IUPAC Symposium on Photochemistry" (Barcelona, Spain, 1998); 44th Annual Meeting and Exhibition "Optical Science, Engineering and Instrumentation" (Denver, USA, 1999); Втором Всероссийском Карпинском Симпозиуме "Химия и физика полимеров в начале XXI века" (Черноголовка, Россия, 2000 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей и тезисы 3 докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит in введения, шести глав, выводов и списка литературы, включающего-3лшіменовашій. Работа изложена на^ЙРстраницах, включая рисунков и -^таблиц.