Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время оптические устройства, в которых рабочим веществом являются органические соединения, находят широкое и разнообразное применение в научных исследованиях и технических приложениях (лазеры, лимитеры, светодиоды, цветная голография, фотохимия и др.). Для разработки и создания таких устройств актуальными являются исследования по фундаментальной проблеме взаимодействия светового электромагнитного излучения с веществом. Уже в пионерских работах Б. И. Степанова, В. П. Грибковского, А. Н. Рубинова [1*-3*] было показано важное значение изучения динамики населенности энергетических уровней органической молекулы под действием мощного светового возбуждения. Полученные ими и другими исследователями зависимости и выражения стали теоретической основой дизайна лазерных сред на основе органических соединений. В начальный период развитие исследований решение системы кинетических уравнений для населенностей электронных состояний осуществлялось на основе прямого интегрирования при некоторых упрощениях и приближениях общего характера. Основной причиной этого было отсутствие ряда данных по протекающим в рабочих средах фотопроцессов (особенно с учетом нелинейного характера процессов поглощения при мощном импульсном лазерном возбуждении).
Г. В. Майером в 80-е годы была продемонстрирована эффективность использования методов квантовой химии для расчета характеристик фотопроцессов в органических соединениях, определение которых на основе экспериментальных измерений является сложным и неоднозначным (константы скоростей безызлучательных переходов, поглощения из возбужденных состояний) [4*]. Это заложило фундамент для разработки и создания методов и программ для расчета динамики населенностей электронных уровней органических молекул.
В настоящее время, с развитием вычислительной техники стало возможным численное решение системы уравнений описывающих динамику населённостей. В зависимости от поставленной цели, через динамику населённостей, можно рассчитать интенсивности излучения при поглощении, усилении и генерации, а так же динамику фотораспада вещества [5*-7*]. Однако, как показал проведённый обзор научно-технической литературы, расчёт оптического квантового генератора на органических соединениях в условиях импульсной накачки актуален.
Целью настоящей работы является разработка подхода, сочетающего теоретические и экспериментальные исследования фотоники активных сред ОКГ на основе органических соединений при импульсной лазерной накачке, моделирование процессов генерации, расчёт спектров и динамики генерации в выбранных органических соединениях, прогнозирование характеристик ОКГ на их основе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выбор и обоснование физико-математической модели для расчета населенностей электронных состояний органической молекулы при мощном оптическом возбуждении.
Выбор алгоритма и создание программы расчёта динамики населённостей, спектров суперфлуоресценции и генерации на их основе для макрообъёма, с учётом конкуренции переходов и параметров плоскопараллельного резонатора.
Исследование спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик рабочих сред на основе выбранных органических соединениях.
Установление зависимостей между параметрами ОКГ, условиями возбуждения и характеристиками генерируемого излучения.
Объектами исследования были выбраны: представители ряда замещённых пирана (4-(дицианометилен)-2-метил-6-(4-диметиламиностирил)- 4Н-пиран и 4-(дицианометилен)-2,6-бис-(4-диметиламиностирил)-4Н-пиран, кумаринов (7-амино-4-метилкумарин и 6-бром-3-(4-(4-бромфенил)тиазол-2-ил)- кумарин), пиррометенов (дифторборатный комплекс 2,6-диэтил-1,3,5,7,8- пентаметил пиррометена), ксантеновых красителей (родамин-6Ж).
Выбор соединений обусловлен той или иной актуальностью в их исследовании. Родамин-6Ж известен как один из наиболее эффективных лазерных красителей. Замещённые пирана - как полифункциональные соединения, которые эффективно люминесцируют в растворах, полимерных матрицах и пленках, являются эффективными активными средами перестраиваемых лазеров, ограничивают оптическое лазерное излучение 2-й гармоники неодимового лазера. Кумарины представляют интерес как лазерные красители, генерирующие в сине-зелёном диапазоне и как фотосенсибилизаторы. Пиррометены, будучи помещены в матрицу ПММА, демонстрируют высокие КПД и фотостабильность среды.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались следующие экспериментальные методы исследования процессов дезактивации энергии возбуждения в органических соединениях: спектроскопические (спектры поглощения из основного и возбуждённого состояний, флуоресценции, генерации), временные (динамика интенсивности генерации) и энергетические (энергия и порог генерации, КПД). Для исследования динамики процессов генерации использовался оригинальный пакет программ, разработанный на основе системы уравнений, описывающих населённости в рамках упрощенной пятиуровневой диаграммы Яблонского. При этом использовались данные полученные из квантово-химических расчётов на основе полуэмпирического метода частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием со специальной спектроскопической параметризацией (ЧПДП/С) и методик оценки констант скоростей фотофизических процессов, разработанных в ТГУ.
Научные положения, выносимые на защиту
Генерация излучения в активной среде на основе 4-(дицианометилен)-2,6- бис-(4-диметиламиностирил)-4Н-пирана обусловлена отсутствием наведённого поглощения из первого синглетного S1—*Sn и триплетного T1—> Tn состояний на длине волны генерации Аген=648 нм.
В активной среде на основе родамина-6Ж при импульсной накачке второй гармоникой АИГ-Nd3+ лазера с А=532 нм и длительностью импульса /=10 нс и плотностью мощности W=IO МВт/см2 происходит батохромный сдвиг длины волны генерации с 562 нм до 574 нм в следствие того что, при увеличении концентрации от 10-4 моль/л до 10-3 моль/л коэффициент поглощения при переходе из основного состояния в первое возбуждённое увеличивается с 0,7 см-1 до 12 см-1.
Достоверность результатов, отраженных в научных положениях и выводах, обеспечивается:
Согласием результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов вынужденного излучения в органических молекулах различного строения. Так, полученные отклонения расчётной длины волны генерации от измеренной в эксперименте менее 5 %.
Проведением расчётов ОКГ для тех случаев, когда решение известно. Например, при отсутствии потерь, связанных с перепоглощением, наведённым поглощением и выходом излучения из резонатора, КПД системы соответствует теоретически достижимому пределу, определяемому стоксовым сдвигом. Отклонение при этом менее 0,1 % (в этом случае сколько фотонов поглощается, столько и излучается, а энергия уменьшается пропорционально изменению длины волны).
Научная новизна
Впервые разработан и реализован подход, сочетающий теоретические и экспериментальные исследования фотоники активных сред ОКГ на основе органических соединений при импульсной лазерной накачке, моделирование процессов генерации, расчёт спектров и динамики генерации в выбранных органических соединениях, прогнозирование характеристик ОКГ на их основе. Получено свидетельство на программу для ЭВМ № 2012616456, а также подана заявка на изобретение №2012129320 от 12.07.2012.
Научная ценность
Полученные фундаментальные знания о фотофизических процессах, протекающих в органических соединениях различного строения, позволяют глубже понять физику явления вынужденного излучения света органическими молекулами, установить закономерности её связи со строением молекул и рассчитать ОКГ на их основе.
Практическая значимость
Разработанный подход позволяет прогнозировать генерационные свойства структур, перспективных для создания активных сред лазеров, излучающих в заданном диапазоне спектра и оценить возможность создания ОКГ на их основе.
Внедрение результатов диссертации и рекомендации по их использованию
-
-
Составленная в процессе работы программа для ЭВМ используется в информационной системе ФФ ТГУ для проектирования перестраиваемых лазеров на основе органических соединений.
-
Работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ:
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на
2009-2013 годы, мероприятие 1.1, ГК №02.740.11.0444 «Оптические системы на основе лазеров с дискретной и плавно перестраиваемой частотой, оптических преобразователей и сверхскоростных полупроводниковых фотодетекторов, технологии на их основе»;
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.2.1, №1/П1128 «Фотоника органических молекул для оптических технологий и лазерных устройств»;
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3.1, №П1542 «Фотофизика кумаринов - активных сред лазеров и оптических материалов на их основе»;
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» научно- исследовательские работы по лоту «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области информационно-телекоммуникационных систем для решения задач Технологической платформы "Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии - фотоника"» по теме: «Разработка высокопроизводительного программного комплекса для моделирования перспективных лазерных сред на основе органических соединений в твердотельных матрицах», ГК № 07.514.11.4057.
Апробация результатов исследования (Публикации и апробация диссертации).
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК, 1 - в сборниках трудов и материалов конференций, 8 - в тезисах докладов.
Личный вклад автора заключается в выборе модели, написании программы для моделирования, проведение моделирования динамики генерации для выбранных соединений. Основная часть экспериментальных исследований проводилась совместно с сотрудником ЛФФМ ФФ ТГУ с.н.с. к. х. н. Гадировым Р. М. Неоценимую помощь в получении экспериментальных данных оказали сотрудники к.ф.-м.н. доц. Тельминов Е.Н., к.ф.-м.н. доц.
Самсонова Л.Г. Необходимые для моделирования результаты квантово- химических расчётов были предоставлены В.Я. Артюховым, Р.М. Гадировым и А.Н. Синельниковым. Постановка задачи и общее руководство осуществлялось д.ф.-м.н., проф. Копыловой Т.Н. и д.ф.-м.н., проф. Артюховым В.Я.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из Введения, трёх глав, Заключения, списка литературы, включающего 57 наименований и четырёх приложений, в том числе копии свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий объём составляет 102 страницы, в том числе 2 таблицы и 47 рисунков.
Похожие диссертации на Динамика вынужденного излучения органических молекул при импульсной лазерной накачке
-
