Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мониторинг молекулярных процессов в конденсированных системах 10
1.1. Обзор развития фототермической спектроскопии, как перспективного метода интроскопии 10
1.2. Применение фототермических методов 17
1.3. Особенности формирования фототермического отклика 20
1.4. Применение голографических методов к исследованию молекулярных процессов 29
Глава 2. Методика и техника эксперимента 36
2.1. Используемая приборная база 38
2.2. Триплет-триплетное поглощение и фототермические методы 46
2.3. Голографические методы 54
2.4. Подготовка экспериментальных образцов 56
Глава 3. Оптическая запись нестационарных пространственных структур в системе насыщаемых трехуровневых центров 57
3.1. Кинетика населенностей 58
3.2. Эволюция неоднородного теплового поля 67
3.3. Дифракция зондирующего луча на тепловой структуре 73
3.4. Динамика сигналов фототермического отклика в реальных образцах..79
3.5. Заключенней выводы 88
Глава 4. Запись нестационарных решеток в системе насыщаемых трехуровневых центров 90
4.1. Кинетика населенностей 91
4.2. Динамика теплового поля 97
4.3. Голографирование светового поля на амплитудной концентрационной решетке 103
4.4. Голографирование светового поля на фазовой тепловой решетке 114
4.5. Заключение и выводы 122
Глава 5. Влияние некоторых нелинейных процессов на дифракционные сигналы 123
5.1. Запись толстослойных голографических решеток в насыщаемой трехуровневой системе 123
5.2. Влияние нелинейной теплопроводности на динамику тепловых полей и сигналы дифракционного отклика 135
Основные результаты и выводы 142
Список литературы 144
- Применение фототермических методов
- Триплет-триплетное поглощение и фототермические методы
- Эволюция неоднородного теплового поля
- Голографирование светового поля на амплитудной концентрационной решетке
Введение к работе
Актуальность исследований
Исследование молекулярных процессов в конденсированных системах представляет собой важнейшую научную задачу. В связи с этим исследователями постоянно ведется разработка новых и усовершенствование существующих методов мониторинга молекулярных процессов. При этом важнейшими характеристиками методов являются высокая чувствительность и бесконтактность проводимых измерений, применимость к широкому кругу объектов, и возможность регистрировать характеристики исследуемых процессов в реальном масштабе времени. По нашему мнению, для целей детектирования молекулярных процессов в конденсированных системах, инициированных пространственно неоднородным излучением накачки, и в особенности для регистрации не только временных, но и пространственных характеристик исследуемых процессов, наиболее оптимально подходят методы фототермической спектроскопии и нестационарной голографии. Они основаны на регистрации дифракции зондирующего пучка, проходящего через область инициирования. При осесимметричном профиле пучка накачки говорят о фототермических методах, при решетчатом одномерном профиле - о голографических методах. Предложенные методы являются кинетическими, как и метод наведенного триплет-триплетного (Tin) поглощения. Но в отличие от него наблюдаемый сигнал отклика в фототермических и голографических методах зависит не от усредненных по сечению пробного луча характеристик инициированной структуры, а от их пространственного распределения. То же самое справедливо и для кинетических люминесцентных методов, применимость которых к тому же ограничена рядом люминесцирующих объектов.
Однако, в первую очередь, в связи со слабой разработанностью вопроса, необходимо было создать теоретическую модель, описывающую взаимодействие излучения с веществом матрицы на основе микроскопического рас смотрения молекулярных процессов. Следовало учесть их различное протекание в каждой отдельной точке объекта вследствие пространственной неоднородности излучения накачки, процесса насыщения поглощения, небуге-ровского режима поглощения, нелинейной теплопроводности. Решение задачи дифракции зондирующего луча в инициированной области образца, на основе данной модели, позволяет рассчитать форму кинетической кривой оптического отклика и связать ее с пространственными характеристиками записанной структуры, и соответственно, с особенностями протекания молекулярных процессов в области воздействия.
Большое внимание сейчас уделяется практическим приложениям голографии: созданию оптических ограничителей, устройств управления лазерным лучом, голографической записи информации, систем распознавания образов и т.д. И одна из главных задач, стоящих перед исследователями, - поиск новых сред для записи решеток с заданным параметрами. Эта задача включает в себя детальное исследование процесса записи/стирания решеток в образцах различной природы, при различных интенсивностях и длительностях импульса накачки. Большой интерес при этом представляет связь динамики пространственного профиля штриха и временной зависимости дифракционной эффективности голограммы (ДЭГ).
Целью работы является установление закономерностей и механизмов процесса формирования концентрационного и теплового отклика в конденсированной системе на импульсное пространственно неоднородное оптическое воздействие, бесконтактное оптическое детектирование всех этапов данного процесса. В частности:
1. Получение уравнений, корректно описывающих временную динамику перераспределения и пространственный профиль населенностей в системе с внедренными трехуровневыми насыщаемыми фотохромными центрами, при воздействии на образец пространственно неоднородного излучения накачки.
2. Теоретическое исследование динамики инициирования и релаксации тепловых полей в некоторых типах матриц, и описание возникающих при этом искажений профиля теплового поля по сравнению с профилем интенсивности накачки.
3. Демонстрация применимости оптических методов, основанных на дифракции пробного луча на тепловых и концентрационных пространственных структурах, для мониторинга эволюции записанной структуры и нахождения ее пространственной формы. Установление связи между динамикой дифракционного отклика и кинетикой молекулярных процессов в системе.
4. Проведение экспериментальных исследований динамики сигналов фототермического отклика и дифракционной эффективности голографических решеток для подтверждения теоретически выявленных закономерностей. Методы исследования
Основу экспериментальных методов составляли измерения кинетики сигналов фототермического отклика и временной зависимости дифракционной эффективности голографических решеток. Используемая экспериментальная схема позволяла менять в широких пределах интенсивность накачки и регистрировать сигналы с разрешением до 50 не и длительностью до 1 с. В качестве вспомогательных, - использовалась регистрация наведенного три-плет-триплетного поглощения и стационарные спектрофотометрические методы. Теоретические методы исследования основывались на анализе соответствующих математических моделей. Научная новизна работы
Новую научную информацию представляют следующие результаты: 1. Получено точное решение системы уравнений для пространственной и временной зависимости населенностей трехуровневой насыщаемой системы, в случае постоянного во времени импульса накачки, и приближенное решение - для импульсов произвольной временной формы.
2. На основе этих решений исследована эволюция теплового поля и установлена связь между искажениями пространственной формы инициированных тепловых и концентрационных структур и интенсивностью и длительностью излучения накачки.
3. Рассмотрена временная зависимость дифракции зондирующего пучка на записанных тепловых структурах и связь кинетики дифракционного сигнала с пространственными искажениями теплового профиля и, соответственно, с протекающими в системе молекулярными процессами.
4. Экспериментально подтверждены выявленные теоретические зависимости кинетики фототермического отклика от интенсивности излучения накачки, вида фотохрома и вида молекул конденсированного окружения.
5. Рассмотрена возможность записи в трехуровневых средах тонких неста-, ционарных тепловых (фазовых) и концентрационных (амплитудных) голо-графических решеток. Исследована динамика пространственного профиля решетки при ее записи/деструкции, и кинетика сигналов дифракционной эффективности голограмм в различные порядки дифракции при разных интен-сивностях и длительностях накачки и различном пространственном периоде решетки.
6. Исследовано влияние нелинейных эффектов, таких как нелинейное насыщение поглощения и нелинейная теплопроводность, на динамику населенно-стей, эволюцию теплового поля, и дифракционные сигналы. Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Фототермические методы могут быть использованы для детектирования динамики пространственного профиля тепловой структуры, что может найти применение при создании различных устройств, работающих на принципе тепловой оптической записи, например устройств оптической записи информации.
2. Метод голографирования плоской волны может быть с успехом использован для исследования различных молекулярных процессов: безызлучатель ных переходов, триплет-триплетной аннигиляции, изучении свойств биомолекул и т.д. Базу подобного метода составляет выявленная связь динамики профиля тонких нестационарных тепловых и концентрационных решеток и кинетики сигналов дифракционной эффективности голограмм с молекулярными процессами, протекающими в системе.
3. Предложено использовать тепловые и концентрационные (триплетные) решетки в качестве системы, управляющей световым лучом в оптических коммутаторах и устройствах оптической электроники. Основой чему служат выявленные зависимости ДЭГ, позволяющие производить запись решетки за время менее 1 мкс, стирание - за 2-3 мкс, и в широких пределах регулировать время жизни голограммы. На защиту выносятся следующие положения:
1. В среде с трехуровневыми насыщаемыми фотохромными центрами профиль концентрационного и теплового отклика не повторяет пространственного распределения интенсивности в луче накачки, причем искажения профиля инициированных структур нарастают с увеличением интенсивности и длительности импульса накачки.
2. Анализ времяразрешенных сигналов дифракции пробного пучка на осе-симметричной или решетчатой структуре позволяет получать информацию об ее пространственном профиле и динамике этого профиля.
3. Динамика сигналов фототермического отклика в полимерных пленках и растворах, содержащих молекулы красителей ксантеновой группы, значительным образом зависит от интенсивности излучения накачки, вида фотохрома, агрегатного состояния и вида молекул окружения, и достаточно хорошо согласуется с теоретическими моделями, развитыми в данной работе.
4. Основные характеристики голографических решеток записанных в трехуровневой среде, дифракционная эффективность, особенности динамики и время жизни решетки можно изменять в широких пределах, изменяя интен сивность и длительность импульса накачки, период записываемой структуры и выбирая тип решетки (синглетная, триплетная или тепловая).
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах [74,139,151,156-163] и две рукописи находятся в печати [138,164].
Апробация работы
Основные результаты диссертации обсуждались на Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотех-нологии» г. Кисловодск, октябрь 2002 г., на III Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2003», г. Санкт-Петербург, октябрь 2003 г., на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004», г. Москва, апрель 2004 г., на Третьей международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2004», г. Санкт - Петербург, октябрь 2004 г., на IX Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-9, г. Красноярск, март 2003 г., на X Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-10, г. Москва, март 2004 г., на III съезде биофизиков России, г. Воронеж, июнь 2004 г., на региональных научно-практических конференциях, г. Оренбург, в 2002, 2003, 2004 годах.
Автор с 2001 по 2004 годы включен в состав исполнителей научных исследований по темам, зарегистрированным в Минобразования РФ, близким к тематике данной работы. Одна из этих тем была поддержана грантом РФФИ-Урал № 02-03-96467, и некоторые результаты представленные в данной работе вошли также в итоговый отчет по указанному гранту. Часть результатов диссертационного исследования представлялась на конкурс РФФИ для молодых ученых, аспирантов и студентов, исполнителей грантов 2002 г., на конкурс научных проектов аспирантов Министерства образования РФ 2003 г., а также на конкурс научных и научно-практических работ администрации Оренбургской области 2004 г. (работа получила диплом лауреата конкурса).
Применение фототермических методов
Обсуждаемые методы применяются для изучения широкого круга задач. Так, например, в работе [18] с помощью дефлекционного метода проводились измерения температуропроводности твердотельных образцов. Показана принципиальная возможность абсолютного измерения численных значений температуропроводности с эталонной точностью, что подтверждает сравнение данных эксперимента и табличных - полученных традиционными методами. Этот же метод (фотодефлекционный) успешно использовался при изучении свойств коллоидных растворов малых частиц ферромагнетиков [26]. Авторами подробно разработана методика подобных измерений и получены данные о скорости диссипации энергии светового пучка в зависимости от формы феррочастиц и величины внешнего магнитного поля. В статье [27] на примере пленки нитрида кремния показана применимость фотодефлекцион-ного метода для определения теплофизических параметров образца и проиллюстрирована возможность обнаружения этим методом подповерхностных трещин в керамиках.
Метод тепловой линзы также очень широко распространен, и в силу простоты реализации и интерпретации полученных результатов, интенсивно используется в прикладных исследованиях. Научной группой под руководством Проскурнина М.А. на кафедре аналитической химии МГУ, установка термолинзового спектрометра (рис.2) успешно используется при решении многих задач аналитической химии, химической кинетики и высокочувствительной жидкостной хроматографии. В работах этой группы предложены высокочувствительные термолинзовые методики определения ванадия(У) и 8-оксихинолина [28], п-аминофенола[29], различных металлов в потоке [30,31], с чувствительностью на один-два порядка превышающей чувствительность традиционных спектрофотометрических методов. Исключительная чувствительность метода тепловой линзы при определении концентрации веществ в растворе, позволяет использовать данный метод для получения данных об изменении количества реагентов в процессе химической реакции [31-35] или в процессе сорбции/десорбции реагента поверхностью [36]. Высокая чувствительность метода позволяет также с его помощью проводить мониторинг поверхности кварцевого стекла [37] окрашенного органическим красителем.
Научными группами постоянно проводится работа по оптимизации параметров экспериментальной схемы [22,23] термолинзового спектрометра и ищутся способы увеличения ее чувствительности. Так в работе [38] исследовано влияние растворителя на амплитуду термолинзового сигнала и показано, что в органических (этанол, ацетон) и особенно неполярных (хлороформ) растворителях амплитуда отклика и, следовательно, чувствительность метода возрастают. Также к подобному эффекту приводит добавление малых количеств тритона Х-100, образующего с водой коллоидный раствор. Более широкие возможности открывает и использование в термолинзовых экспериментах богатого аналитического аппарата традиционной спектроскопии. Например, как показано в работе [39], используя традиционные методы анализа полученных результатов (часто используемые в спектрофотометрии), термолинзовая спектроскопия успешно может применяться для анализа двухком-понентных смесей.
Значительно большие возможности, в силу лучшей чувствительности и пространственного разрешения, исследователю предоставляют фазовые методы. В работе [40] с помощью данной методики проведено раздельное из 19 мерение поверхностного и объемного поглощения в образцах ZnSe и определено положение тонкого приповерхностного слоя с аномально высоким поглощением. Полученные данные позволили определить механизм взаимодействия излучения накачки с образцом. Подобные возможности фазового метода фототермической спектроскопии продемонстрированы в [41,42]. Также перспективным кажется применение фазового метода в жидкостной хроматографии. Как показано в статье [12] подобная методика примерно на два порядка чувствительнее современных фотометрических детекторов. Еще одно применение фазового метода продемонстрировано в работе [43], где на основе схемы приведенной на рис. 3 предложена экспериментальная установка, позволяющая измерять с высокой точностью малые скорости потока жидкости в исследуемом образце.
Однако, можно заметить, что предложенные выше методы не являются в полной мере кинетическими. Так во всех трех методах фототермический сигнал формируется при помощи периодической последовательности прямоугольных во времени импульсов. Считывающий контур регистрирует интенсивность пробного луча при включенной и выключенной накачке, а фототермический отклик пропорционален разности между этими интенсивностя-ми [23]. Интенсивность (в термолинзовом методе) или тепловой набег фазы (в фазовом) пробного луча измеряется в момент выхода инициируемой тепловой структуры на стационар (изменение сигнала менее чем на 1-2%). То есть данные методики не фиксируют кинетику нарастания и убывания фототермического сигнала, соответствующую записи и релаксации теплового поля и не несут всей возможной информации о системе. В нашей работе мы постараемся восполнить данный недостаток и сосредоточимся в основном на измерениях и анализе кинетических сигналов фототермической спектроскопии, и получении с их помощью новых данных о динамике записи/релаксации теплового поля и его форме. С помощью анализа данных о по 20 ведении теплового поля в исследуемой системе мы планируем получать информацию о ее структуре, свойствах и протекающих в ней процессах.
Триплет-триплетное поглощение и фототермические методы
Нами реализованы схемы таких кинетических экспериментов, как исследование ТГТП поглощения органических молекул красителей, внедренных в качестве зондов в изучаемую систему, исследование сигналов фототермического отклика на неоднородных тепловых пространственных структурах инициированных в системе фотохромных насыщаемых центров, и регистра 47 ция сигналов дифракционной эффективности тепловых и концентрационных голографических решеток, записанных в исследуемой среде.
Сигналы триплетного (наведенного) поглощения позволяют получать важную информацию об исследуемой системе, так амплитуда сигнала пропорциональна доле фотохромных молекул под воздействием инициирующего излучения перешедших в возбужденное состояние или испытавших фотохимическое превращение. Использование при оцифровке крейта «КАМАК» с минимальным временем выборки 50 наносекунд позволяет надежно регистрировать кинетику сигналов наведенного поглощения фотохрома в метаста-бильном (триплетном) возбужденном состоянии и при фотохимических процессах. Однако данный метод не лишен и недостатков, так как наблюдаемый сигнал несет информацию только о средней по сечению пробного пучка концентрации возбужденного фотохрома, и не позволяет получать информацию о пространственном распределении возбужденных центров, инициированных излучением накачки.
Недостающую информацию о пространственном профиле инициированной структуры из возбужденных фотохромных центров и сопутствующего ей теплового поля можно получить, используя методы фототермической спектроскопии. Данные методы основаны на регистрации локального изменения показателя преломления, возникающего при нагреве образца под действием излучения накачки при помощи дополнительного - зондирующего луча, диаметр которого, как правило, значительно меньше размеров нагретой области. Методы фототермической спектроскопии достаточно подробно изучены и освещены в научной литературе [13-43] и вызывают большой интерес у исследователей в различных областях науки, поскольку они являются полностью бесконтактными и обладают высокой чувствительностью и пространственным разрешением. Выделяют три метода регистрирования фототермического отклика: фазовый - регистрируется сдвиг фазы луча прошедшего об 49 ласть разогрева, дефлекционный - регистрируется отклонение луча на тепловом клине, в термолинзовом методе регистрируется дефокусировка пробного пучка на тепловой линзе.
Вследствие того, что пробный луч имеет некоторый поперечный размер, разные его участки отклоняются на разные утлы, и пробный луч при прохождении области прогрева испытывает фокусировку или дефокусировку в зависимости от знака термооптического градиента. Данный механизм проявляет себя наиболее сильно при соосном расположении луча накачки и пробного луча. Найдем для данного случая фокусное расстояние наведенной тепловой линзы. Для этого рассмотрим два участка пробного луча на расстояниях rt и r2 от его центра, отклонившихся согласно (2.6) на углы ах и а2 соответственно.
Тепловое поле, инициированное лучом накачки, является нестационарным T(r,t) и со временем релаксирует к пространственно однородному тепловому полю, соответственно и сигналы фототермического отклика являются времязависящими (кинетическими) сигналами.
Приведенное выше описание методов фототермической спектроскопии, проведенное в рамках геометрической оптики, является достаточно простым и наглядным и позволяет на качественном уровне описать суть данных методов. Однако, количественный анализ сигналов фототермического отклика проводился нами в первом борцовском приближении [96] в рамках волновой оптики и сводился в основном к вычислению интеграла Френеля-Кирхгофа [76,77] для пробного луча, прошедшего область прогрева.
Зондирование проводилось лучом гелий-неонового лазера ЛГН-72 мощностью 3 мВт и с длинной волны Я =632.8 нм. Лучи фокусировались системой линз на поверхность образца так, чтобы прохождение лучей в образце было практически соосным в термолинзовом методе (рис. 10а) и параллельным, на некотором расстоянии друг от друга в термодефлекционном (рис. 106). Но в отличие от схемы на рис. 7 вместо фильтра Ф и линзы ЛЗ ставился непрозрачный экран с маленьким отверстием. При регистрации слабых сигналов перед экраном ставилась рассеивающая линза, отклонение или дефокусировка луча регистрировалась ФЭУ. Оцифровка сигнала на малых временах (до 3 милисекунд) проводилась КАМАКом, а на длинных (до 1 секунды) 53 обработка и хранение результатов измерений, и управление установкой проводилось при помощи встроенного АЦП-ЦАП звуковой карты компьютера ЮМ.
Экспериментальная схема фазового метода фототермической спектроскопии усложняется необходимостью разделения луча от гелий-неонового на два (пробный и опорный) когерентных пучка (см. рис. 11), для чего используется полупрозрачное зеркало. Пробный луч проходит непосредственно область прогрева, а опорный проходит через образец в точке достаточно удаленной от области инициирования.
Эволюция неоднородного теплового поля
Перераспределение населенностей n0(r,t), ns(r,t), nT{r,t) сопровождается безызлучательными процессами необратимой передачи энергии в решетку [45,46]. Такое тепловыделение происходит при переходах S 0, Т, причем в первом случае величина кванта выделяемой энергии приблизительно в полтора- два раза выше, чем во втором[46]. Рассмотрим эволюцию температурного поля T(r,t) в матрице с трехуровневыми фотоактивными центрами, при действии тепловых источников (3.25)-(3.26), инициированных лазерной накачкой интенсивности I{r,t). Будем считать, что поглощающий образец представляет собой неограниченный по г оптически тонкий слой с теплоизолированными поверхностями. В этом случае T(r,t) не зависит от z, и 377dz = 0.
Отметим, что при разложении функции на интервале г є (0,+оо), вместо интеграла Фурье используют интеграл Фурье-Бесселя [80,82]. Для этого умножим обе части уравнения (3.27) на /0(Яг)ги проинтегрируем по г от 0 до +оо. Таким образом, даже в простейшем случае двухуровневой системы температурный отклик на световой импульс конечной продолжительности t0 не сохраняет формы радиального распределения интенсивности I(r). При наличии Г-уровня, но при t t0«TT, как следует из (3.24), даже при малых ин-тенсивностях накачки, распределение синглетных тепловых источников qs(r,t) не следует профилю 1{г). Искажения отклика нарастают со временем, «срезая» верхушку гауссова «колокола».
При малых интенсивностях KST, т 1 » a I0, но продолжительной накачке, когда tQ rT, необходимо учитывать действие триплетных тепловых источников qT(r,t). Для населенностей (3.7)-( 3.8) используются собственные числа (3.12)-(3.13). Если накачка слаба настолько, что и т ? т/0, кинетика населенностей ns{r,t), nT{r,t) определяется показателем Я(+)«г . В этом случае искажения отклика на «формирующий образ» 1{г) вновь становятся минимальными, как и в случае очень малых времен для (2.33). Радиальное распределение мощности тепловых источников S- и Г-типа следует стационарной картине населенностей (3.6), т.е. становится пропорциональным I(r): n](r) = noJ(r)/\Tgl + KST), Пг(г) = п ртттаІ(г) . Данные выводы подтверждаются результатами численного моделирования тепловых полей на основе выражений (3.32)-(3.33). В качестве модельной среды использовались водные и спиртовые растворы ксантеновых красителей (эозин, эритрозин, родамин 6G).
Для детектирования записанных пространственных структур используются различные оптические методы. Нами в работе используются методы фототермической спектроскопии из-за их высокой чувствительности и бесконтактности проводимых измерений [15-21]. Физически методы фототермической спектроскопии основаны на изменении показателя преломления в зависимости от температуры. Для детектирования тепловой структуры через область прогрева пропускают зондирующий луч, ввиду наличия осевой симметрии в задаче наиболее оптимально зондирующий луч пропускать соосно с греющим, используя термолинзовый метод [13,15,28,29] фототермической спектроскопии. В данной работе мы используем формализм волновой оптики Френеля в приближении Кирхгофа, то есть рассматриваем дифракцию зон 74 дирующего луча на тепловой структуре.
Изменения температурного поля AT {r,і) могут содержать z-зависимость, если поглощающий слой нельзя считать оптически тонким, и/или фронтальные поверхности z = ±1/2 не теплоизолированы. В (3.42) учтено, что оба условия выполнены. Напряженность поля падающей волны Е0(г) в плоскости z = -//2 « О в случае, когда область «перетяжки» зондирующего пучка вынесена за пределы слоя на расстояние z, определяется известными выражениями [77].
Это выражение можно считать окончательным для расчета дифракционной картины в дальней зоне от зондирующего луча, прошедшего область прогрева, и использовать для формирования наблюдаемого сигнала при детектировании процессов записи и распада тепловых структур. Проведен компьютерный расчет сигналов фототермического отклика в приближении волновой оптики, сводящейся к решению интеграла Френеля-Кирхгофа, для термодефлекционного и термолинзового методов. В качестве модельной среды использовались водные и спиртовые растворы ксантеновых красителей (эозин, эритрозин, родамин 6G).
Голографирование светового поля на амплитудной концентрационной решетке
Теперь рассмотрим дифракцию плоской световой волны на записанной дифракционной структуре. Эта задача очень интересна как для самой голографии, так и для ее приложений [102,110]. Полученные результаты могут быть использованы для определения параметров накачки при записи неискаженных голограмм, для записи голограмм с заданными параметрами [106,107,109], такими как дифракционная эффективность, время записи, вре 104 мя релаксации на различных порядках дифракции. Кроме того, метод голографирования плоской волны, в силу высокой чувствительности и бесконтактности проводимых измерений, является очень удобным для исследования молекулярных фотопроцессов в матрице, таких как излучательная и бе-зызлучательная релаксация, нелинейная теплопроводность. Заметим, что как для получения синусоидального поля интенсивности, так и для детектирования голографической решетки используются лазерные пучки, имеющие, как правило, гауссов профиль интенсивности. Но в случае, когда радиус пучка накачки и радиус пробного пучка много больше периода записанной структуры Rpump Rprobe Л, все эти пучки в масштабе одного штриха можно считать плоскими волнами.
Для нашего случая дифракции в параллельных лучах (дифракции Фраунгофера) это выражение упрощается. Будем считать записанную решетку бесконечной по оси у, практически же достаточно, чтобы размеры голограммы по оси у были много больше периода решетки. Тогда профиль зондирующего луча, прошедшего образец, и соответственно полученная дифракционная картина не будут зависеть от у.
Из данного выражения видно, что дифракционная картина от N периодов решетки является произведением дифракционной картины от одной щели на член содержащий частное синусов. Этот член определяет характер общей дифракционной картины складывающейся при интерференции картин от отдельных периодов голограммы. Как можно видеть, оно определяет направления, по которым образуются главные максимумы дифракционной картины. Так как только при khsmcpll = кт и sin(M:Asin# /2) sin(A;A sin р / 2) При всех остальных значениях (р вышеприведенный член не превышает единицы. Таким образом, в результате интерференции волн идущих от многих щелей значительно усиливаются волны, распространяющиеся в направлении главных максимумов голограммы, интенсивность света распространяющегося во всех других направлениях фактически равна нулю.
Как видно из расчетов, динамика процессов на синглетном уровне разворачивается на временах порядка десятков наносекунд, а на триплетном уровне - порядка микросекунд. Также видно, что сигналы в дифракционных максимумах более высоких порядков более растянуты по времени, и имеют меньшую амплитуду, причем если для решеток на триплетных центрах эта разница в пределах одного порядка, то для решеток на синглетном уровне сигналы ДЭГ в различных дифракционных максимумах отличаются на порядок. Кривая ДЭГ в начальные моменты времени резко возрастает, что отражает формирование концентрационной решетки на соответствующем уровне и увеличение глубины ее модуляции, далее кривая проходит через максимум и затухает в результате искажения дифракционной решетки, уменьшения «зазора» между «горбами» решетки в пределе выравнивающего профиль населенности.
После выключения накачки уменьшение ДЭГ обусловлено релаксацией фотохромных молекул на основной уровень. Однако время релаксации с триплетного уровня может достигать сотен микросекунд и больше и быть достаточно большим для времен развертывания процессов на триплетном уровне. Таким образом, вклад релаксации в затухание триплетных голограмм крайне незначителен. Это можно использовать при создании устройств опто-электроники на основе нестационарных голограмм. Преимуществами данного устройства будет быстрая, менее микросекунды, запись и стирание, возможность достаточно долго, порядка ста микросекунд, сохранять записанную решетку, а также то, что для записи и стирания можно использовать один и тот же лазер. Динамика ДЭГ для данного случая показана .
Из расчетных кривых видно, что при малых интенсивностях (рис. 62-63) накачки crI0(x,t) TT l ДЭГ решеток записанных на синглетном и триплетном уровнях заметно отлична от нуля только в первом порядке дифракции, что отвечает случаю записи синусоидального профиля решетки, причем интенсивность записанных голограмм очень мала; при интенсивностях накачки тт х rI0(x,t) Ts l возрастает интенсивность сигнала в максимумах 2-го и более высоких порядков на триплетных голограммах, и кривые ДЭГ имеют ярко выраженный максимум, причем динамика с увеличением порядка дифракции сильнее затягивается во времени, и интенсивность ДЭГ в максимуме достигает нескольких процентов (рис.60-61); при высокой интенсивности накачки rs l jl0(x,t) (рис.68-69); максимумы сигналов ДЭГ смещаются в область более коротких времен, в дифракционной картине на голограмме на синглетах проявляются максимумы высших порядков, а на триплетной голограмме интенсивности кривые отклика в 1-3 порядки дифракции имеют сравнимую интенсивность. Анализ полученных кривых показывает, что: — при увеличении интенсивности возрастает максимальная интенсивность голограммы на синглетных центрах, из-за возрастания амплитуды решетки, — соответствующая кривая для триплетов ведет себя более сложным образом: на малых интенсивностях незначительно повышается, вместе с увеличением амплитуды решетки, — на средних интенсивностях практически не изменяется, так как амплитуда решетки достигает максимального значения, — на высоких интенсивностях резко уменьшается, так как профиль решетки изначально искажен, что приводит к увеличению интенсивности макси 112 мумов высшего, чем первый, порядка и, соответственно, к уменьшению интенсивности ДЭГ в первом порядке дифракции. Зависимость амплитуды ДЭГ в максимуме для синглетных решеток от интенсивности излучения накачки можно считать приближенно линейной, для триплетных решеток данная зависимость более сложна .
