Динамические решетки квадратичной поляризуемости в полидиацетилене ПТС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ргб од

1 7 ОКТ 139В

На правах рукописи

Котегов Александр Михайлович

ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ КВАДРАТИЧНОЙ ПОЛЯРИЗУЕМОСТИИ В ПОЛИДИАЦЕТИЛЕНЕ ПТС

Специальность 01.04.27 — "Радиофизика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Челябинск 1995

Работа выполнена в вуэовско-академнческой лаборатории нелинейной оптпки Института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук и Челябинского государственного технического университета.

Научные руководители: член-корр. РАН Зельдович Б.Я.,

к.ф.-м.н. Чудинов А.Н.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. Шандаров С.М.,

к.ф.-м.н. Демин В.В. , Ведущая организация - Институт проблем механики РАН,

г .Москва.

Защита состоится 17 октября 1996 г., в __ч„ на заседании специализированного совета К.063.53.03 по защите диссерталий на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук при Томском государственном университете (634010, г.Томск-10, цр.Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета. .

Автореферат разослан */(■* ШсРМкш С г.

Ученый секретарь совета к.ф.-м.н.

Дейкова Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Существуют различные схемы сверхбыстрого нелинспно-оптпческого преобразования сигналов, которые базируются на явлениях нелинейной оптики, возникающих в материалах с показателем преломления, зависящим от интенсивности света. Для того, чтобы реализовать идеи, положенные в основу таких схем, необходим материал, обладающий одновременно высоким п быстро меняющимся нелинейно-оптическим коэффициентом. Полидиаиетилены привлекают к себе внимание как возможный истопник материалов, пригодный для указанной дели.

В конце 80-х годов изучение полидиацетиленов превратилось из частного раздела химии полимеров в поистине междисциплинарную сферу интенсивной научно-исследовательской деятельности. Начало всей этой деятельности было положено работой Агравала с сотр. в 1978 году, в которой способность к превращениям в твердой фазе, присущая некоторым замещенным диацетнленам, объясняется протеканием специфической реакции полимеризации. Уникальность этой реакции состоит в том, что она идет внутри совершенной кристаллической решетки, и, будучи контролируемой упаковкой молекул мономера в этой решетке, приводит к образованию монокристаллов соответствующего полимера. Процесс полимеризации представляет собой по сути фазовый переход типа "монокристалл мономера/ монокристалл полимера", и, следовательно, создает беспрепендентную возможность получать

з

макроскопические и в то же время кристаллографически совершенные кристаллы полимеров.

Макромолекулы полидиацетиленов в кристаллическом состоянии имеют полностью сопряженный и лежащий, в одной плоскости углеродный скелет.

Среди многих типов полидиацетиленов бис-п-толисульфат гекса 2,4-дин 1,6-диол (ПТС) привлекает к себе значительное внимание прежде всего своими1 следующими характеристиками. Нерезонансная восприимчивость третьего порядка имеет величину около 10~10ед.СГСЭ на длине волны А = 1,064цм. Время отклика на внешний сигнал лежит в пикосекундном диапазоне.

В данной работе использовались кристаллы полимера ПТС, Полученные в результате термической полимеризации.

Все вышеизложенное определяет актуальность выбранной темы исследований.

Цель данной работы заключается в исследовании опто-электронных свойств полндиацетилена ПТС, а также в разработке возможной модели образования динамической ¿^'-решетки в центросимметричных органических молекулах типанолщщацетилена ПТС.

Основные научные положения, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Величина нерезонансной восприимчивости третьего порядка х^3' в полидиацетилене ПТС определялась двумя независимыми методами,

и имеет значение

Х(3) = (5,1 ± 2,1) • Ю~10ед.СГСЭ.

2. Вследствие делокалпзации электронов тг-сопряжешшх связей полимера при воздействии на кристалл поля с ненулевым средним кубом записывается динамическая <5х'2'-решетка и ее время распада соответствует максвелловскому времени релаксации объемного заряда в приповерхностном слое кристалла полимера.

3. Динамическая ¿х'^-решетка может быть записана в кристалле полидиацетилена ПТС.

4. На динамической ¿х'2'-решетке когерентными волнами на частоте и> и 2ш возможен процесс генерации разностной частоты.

5. На динамической решетке квадратичной поляризуемости возможно обращение волнового фронта.

Практическая ценность. Результаты, полученные при исследовании нелинейно-оптической восприимчивости третьего порядка х^ в поли-диацетилене ПТС, показали, что этот материал может быть использован в различных нелинейно-оптических схемах как чувствительный элемент.

Результаты; полученные при исследовании записи динамической решетки квадратичной'поляризуемости 6'х^-решетки в полидиацетпле-не ПТС*. могут быть использованы для создания динамических ячеек памяти, а татке для создания Практически безынерционных оптических переключателей.

Результаты, полученные прп исследовании обращения волнового фронта в полидпацетилене ПТС, могут использоваться при создании приборов, для которых важно излучение неискаженного волнового фронта.

Апробаши работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной коференщш "Органические тонкие пленки для опто-электронных приложений", 5-7 октября, 1993, Торонто, Онтарио, Канада; на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптнке КпНО-93, г.Санкт-Петербург; на конференции молодых ученых ЙЭФ УрО РАН г.Екатерпнбург-1995; а также обсуждались на семинарах ЧГТУ и ИЭФ УрО РАН.

Структура и объем дпссертаипп: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 12 рисунков и список цитируемой литературы из 92 наименования. Полный объем дпссертадипи 86 страниц. Выводы формулируются в конце каждой главы.

Содержание диссертации •

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, формулируются цели и задачи, характеризуется новизна, научная и практическая значимость результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.*

В первой главе дано описание процесса получения образца полидиа-

цетилена ПТС, некоторые его опто-электронные свойства, а также дан обзор работ, касающихся темы данной диссертации.

Во второй главе дано описание экспериментальных установок и результаты исследования по измерению величины нелинейной восприимчивости третьего порядка на длине волны А = 1,064//м двумя принципиально разными способами: 1. методом дифракции Рамана-Натта и 2. Z-cкaн методом. Для экспериментов использовался импульсный Ш+3 :УАС-лазер с пассивной синхронизацией мод, работавший в режиме выделения пичка. Длительность отдельного пичка не более 50 рс, средняя энергия до 0,1 Дж.

В параграфе 2.1 величина определялась методом дифракции Рамана-Натта. Кроме дифракционных максимумов отмечена и энергетическая перекачка из одного импульса в другой. Аналогичный эксперимент был также проведен и для другого материала (С<1Б) с известной величиной Х(3) на частоте и неодпмового лазера. На основе решения системы уравнений связанных волн для полпдпацетплена ПТС и для С<1Б и использования полученной из эксперимента энергетической дифракционной эффективности (соответственно т]птс = 28%, целв = 0,8%), получен следующий результат: -

= (6,2 ± 1,1) - Ю-10е<?.СТСЭ. . Поляризация падающих пучков при этом была параллельна нитям полимеризации кристалла ПТС. В случае же, когда вектор поляризашш падающего лазерного излучения был перпендикулярен нитям полиме-

ризацпи образца, то никакой дифракции не наблюдалось, что позволило сделать следующий вывод: Х^уу<™~"ед.СГСЭ.

В параграфе 2.2 величина определялась -экспериментально простым однолучевьш и в то же время очень чувствительным методом — так называемым в литературе — 2-схан-методом. Из экспериментальных данных получен следующий результат:

= (4д ± 1д). нг^.СТСЭ. В этом случае вектор поляризации падающей волны также был параллелен направлению нитей полимеризации кристалла IIТС. Когда вектор поляризации падающей волны был перпендикулярен направлению нитей полимеризации, никакого результата это не дало, что подтвердило сделанную выше оценку: Х^уу<Ю-пед.СГСЭ.

Данный метод позволяет определить не только величину \<3), но и ее знак. В итоге получено следующее значение х(3': Х(3) = +(4,1 ± 1,1) - 10-ше<?.С7ГСЭ.

Третья глава посвящена наблюдению ¿х'2'_Решеткп в полидпацети-лене ПТС. '

Поле вида "

Е=Е(^ехр(»^-»Ьи,г)+Е(0ехр(г'2и;«-гк2ыГ) + к.с. (1)

обладает в данной точке полярной асимметрией. Она проявляется, в частности, в том, что среднее значение куба этого поля отлично от ну-

ля. Эффекты воздействия такого поля на среду многообразны, например: запись голографнческпх решеток квадратичной поляризуемости в волокнах н стеклах, полярная аспммметрия вылета электронов при интерференции процессов одно- и двухфотонной понизацпи.

В данной главе сообщаются экспериментальные результаты по воздействию таких полей на монокристалл полндпацетплена ПТС, которые .указывают на запись решетки

§Х(2) = рЕ1Е*ехр(-щт) + к.с. (2)

где д = кги — - вектор этой решетхсн. Рассматривается экспериментальная установка, которая позволяет сфокусировать пространственно и временно когерентные пучки лазерного излучения на частоте и> п 2ш, где Аы = 1,064цм на кристалле-полимере ПТС. Поляризации этих пучков были параллельны нитям полимеризации, излучение на частоте 2и> падало нормально на кристалл ПТС, а на частоте и — под небольшим углом к нему 9 « 4 • 10~3гас/:

Экспериментальная зависимость углового.распределения интенсивности дифрагировавшего излучения представляет собой ассимметрич-ное распределение пиков интенсивности на частоте и относительно направления распространения волны на частоте 2и/ в отрицательные углы. При измерении данной зависимости, мы контролировали дифракцию на частоте 2и/ путем замены интерференционного светофильтра на фотодиоде. Следует отметить, что за исключением слабого рассеяния в нулевой порядок, дифракция на частоте 2ш ни в какой другой угол не

наблюдалась. Полимерный кристалл ПТС на длине волны второй гармоники неодимового лазера имеет коэффициент поглощения, равный « 10+5сл«-1. Поэтому, если и есть какое-либо рассеяние на частоте 2и\ то оно будет полностью поглощаться в толще кристалла. На частоте ш поглощение было менее 1%.

Для объяснения полученной экспериментальной зависимости рассмотрен следующий механизм образования дифрагировавших волн в углы —<9,..., —5/9. Одновременное освещение образца когерентными волнами на частоте из ц 2и> может приводить к решетке квадратичной нелинейной поляризуемости

6Х(2) ='/? • Е1Е*ехр(-{Чт) + «.с. (3)

где д = к^ - - вектор решетки. На этой решетке происходит генерация разностной частоты:

Е{ы;2ш,ы)^\Е(2^)\2\Е{ы)\ЦрЕ%ш) + 13*Е{ш)). (4)

Очевидно, что условие, фазового синхронизма выполняется автоматически.

Волна разностной частоты Е{и>; 2и>, ш) рассеивается на ¿х-2^-решетке. Вектор решетки наклонен таким образом, что расстройка волнового вектора в направлении —39 меньше, чем в направлении +0, поэтому в положительные углы рассеяние не происходит. Рассеяние на векторе решетки приводит к появлению волны в направлении —50. Расстройка волнового, вектора еще меньше. В направлении же +36

Рис. I. Экспериментальная зависимость углового распределения интенсивности дифрагировавшего излучения на частоте ш

и

расстройка увеличивается, что приводит к резкому уменьшению интенсивности рассеянной волны.

Данный механизм но объясняет появленпе волны на частоте ш в направлении —в. С другой стороны, интенсивность рассеянного сигнала в этом направлении линейным образом зависела от интенсивности падающего пучка на частоте ш. Следует заметить, что в направлении —О может генерироваться разностная частота на квадрупольном механизме. В этом случае интенсивность сигнала будет линейно зависеть от интенсивности входного сигнала на частоте ш.

Суммируя сказанное, можно считать, что в кристалле ПТС на передней грани, генерируется волна разностной частоты в направлении —9. Одновременное освещение кристалла электромагнитным полем (1) приводит к появлению 6\12'-решеткп, на которой происходит рассеяние волны разностной частоты. Рассеяние в положительные углы менее вероятно, чем в отрицательные. Следует отметпть, что в эксперименте мы смогли обнаружить рассеяное излучение на частоте и при углах наблюдения больше чем —99.

Таким образов, в кристалле ПТС экспериментально осуществлена запись динамической решетки квадратичной порярпзуемости, природа которой пока не ясна.

В четвертой главе обсуждаются экспериментальные результаты по обращению волнового фронта в далиднацеталене.

Так как нелинейность полимера полхшпацеталена ПТС достаточ-

но быстрая (< 1]>с), т.о. вариации восприимчивости второго порядка могут отслеживать мгновенное (в пределах доли светового периода) ■значение куба поля, был поставлен эксперимент по обращению волнового фронта следующим параметрическим методом. На кристалл полимера ПТС падает нормально волна на частоте 2и> (А = 0.532/1 л«) и под небольшим углом волна на частоте (Л = 1,004/1.«), тогда в приповерхностном слое (не более 1/ш) записывается й\'2'-решетка. На этой решетке генерируется волна разностной частоты, которая, отражаясь от внутренней поверхности кристалла ПТС, "считывает" эту решетку, образуя обращенную волну:

Е:6> =1).\Б1и{г\Еш\2Е: (5)

Интенсивность обращенной волны будет пропорциональна кубу интенсивности записываемого поля на частоте и/.

Экспериментальная зависимость интенсивности обращенного сигнала на частоте ш от куба интенсивности накачки на частоте ы представлена на рис. 1. Результат эксперимента по обращению волнового фронта служит доказательством записи именно динамической <5\'2'-решетки в полидиацетилене ПТС. Кроме того, результаты этого эксперимента позволили оценпть верхнюю границу времени жизнп динамической 6х'2'-решетки в полидпацетилене ПТС. Оно, по крайней мере, меньше 50рс.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Впервые величина нерезонансной кубической восприимчивости

9.0

8.0

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0 н

о.о

>о<5р

пад

I I I м I I 1' 1 I I I > | I I I г I I' I I I I I I I . | и I 1 I

0 2 4 6 8 10 12 14

а

а

в

■

3

Рис. 2. Экспериментальная зависимость обращенного сигнала на частоте

о

от куба интенсивности накачки на частоте ш

Y была определена двумя независимыми методами иа одном и том же образце полшшацетилена ПТС.

2. Впервые были записаны динамические ¿х^2'-решетки в кристалле полимера ПТС.

3. Предложен механизм записи в полшщапетилене ПТС электростатического поля вида

Е = const- < Е(ЕЕ) > -

4. Впервые обнаружено обращение волнового фронта в полимере полшшацетилена ПТС. Результат позволил оценить время жизни динамической й^'2'-решетки.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Г.А. Виноградов, Б.Я. Зельдович, A.M. Когегов, А.Н. Чудпнов, Динамические решетки квадратичной поляризуемости в полидпацетп-ленах ПТС, Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, ц.7, стр. 336-339.

2. A.N. Chudinov, A.M. Barabash, A.M. Kotegov, A.V. Postnikov, G.A. Vinogradov, B.Ya. Zel'dovich, Observation of x(5)-gratings in PDA: bulk monocrystalline PTS and Langmuir-Blodgett films of 11/8 acid, Organic thin Films for photonic applications, Conference in Toronto, Ontario, Canada, 1993, WD29-1, p.163. ' '

3. Г А. Виноградов, Б.Я. Зельдович, A.M. Котегов, А.Н. Чудпнов, Измерение кубической нелинейности в полидиацетилене ПТС методом

дифракции Рамана-Натта, Письма в ЖТФ, 1992, в.18, п.12, стр.22-25.

4. A.M. Барабаш, Г.А. Виноградов, Б.Я. Зельдович, A.M. Коте-гов, А.Н. Чудинов, Конференция по когерентной п нелинейной оптике, Санкт-Петербург, 1993.

5. A.N. Chudinov, A.M. Kotegov, The dynamic grating of second order polarizability and optical phase conjugation in the PTS-polydiacetylene, 28-EGAS Conference, Graz, Austria, 1996, WA20-4, p.361.

6. A.M. Котегов, А.Н. Чудинов, Обращение волнового фронта в по-лидиацетилене ПТС. Квантовая электроника. В редакции.