Дихроизм и двулучепереломление растворов красителей, наведенные пикосекундными световыми импульсами, и их использование

В процессах поглощения и испускания света молекулы красителя анизотропны: вероятность их возбуждения зависит от ориентации молекулы по отношению к электрическое вектору световой волны* Поглощение и испускание света молекулами связаны с осцил-ляциями зарядов в молекуле под действием возбуждающего света. Эти осцилляции происходят по вполне определенным направлениям в молекуле, которую с точки зрения ее оптических свойств можно представить в виде так называемого осциллятора или совокупности осцилляторов, связанных с выделенным направлением в молекуле. В равновесном состоянии раствор красителя с анизотропными молекулами является изотропным: оси осцилляторов поглощения молекул случайно и равновероятно распределены по направлениям.

При взаимодействии со слабыми световыми потоками отмеченная анизотропия молекул красителя проявляется в состоянии поляризации света люминесценции. Это явление широко известно, достаточно хорошо изучено и освещено в литературе (см., например, монографии / 1,2 /).

При взаимодействии с достаточно интенсивным светом изотропия раствора нарушается. Облучение раствора красителя интенсивным светом с длиной волны в полосе поглощения молекул приводит к изменению населенностей основного и возбужденного состояния молекул. Вследствие анизотропии молекул красителя создается анизотропное распределение молекул по направлениям осцилляторов: из совокупности молекул, находящихся в растворе, возбуждаются преимущественно те, которые имеют близкую ориентацию осциллятора относительно электрического вектора возбуждающего света. Среди невозбужденных останутся молекулы, оси осцилляторов которых приблизительно перпендикулярны вектору поля.

Изменение населенностей состояний приводит к изменению оптических характеристик раствора — поглощения и показателя преломления. При анизотропном распределении молекул по направлениям осцилляторов изменение поглощения проявится в виде наведенного дихроизма просветления, а изменение показателя преломления — в виде наведенного двулучепреломления. Необходимо иметь ввиду также, что просветление красителей сопровождается возникновением усиления на частотах в полосе флюоресценции. Анизотропное распределение молекул по направлениям осцилляторов приводит к дихроизму усиления.

В дальнейшем просветление и усиление в красителях будем называть амплитудным откликом красителей на световое возбуждение поскольку эти изменения оптических свойств красителей влияют на амплитуду света, проходящего через раствор. Изменение показателя преломления будем называть фазовым откликом красителя, поскольку это изменение влияет на фазу проходящего света. Вообще говоря, в фазовый отклик красителя вносит вклад не только изменение показателя преломления, обусловленное населенностями состояний его молекул, но и изменение показателя преломления, происходящее при нагреве растворителя вследствие процессов диссипации энергии излучения, поглощенной молекулами красителя. Тепловое изменение показателя преломления по своей природе изотропно и не может вызывать двулучепреломления.

Наведенный дихроизм просветления раствора красителя, состоящий в различии пропускания издучения, поляризованного параллельно и ортогонально поляризации издучения возбуждения, изучался в ряде работ / 14−10 /.

Наведенный дихроизм усиления, состоящий в отличии коэффициентов усиления излучения с поляризацией параллельной и ортогональной поляризации излучения накачки, определяет состояние поляризации излучения лазеров на красителях. Исследование дихроизма усиления отражено, в частности, в монографиях / 2,3 /.

Наведенное двулучепреломление растворов красителей, состоящее в различии наведенного коэффициента преломления для излучения с поляризацией параллельной и ортогональной поляризации возбуждающего излучения, практически не исследовалось.

Данная работа посвящена исследованию дихроизма просветления и двулучепреломления растворов красителей, наведенных пикосекун-дными световыми импульсами, и использованию этих явлений в создании новых методов измерения пикосекундных времен релаксации просветленного состояния красителей.

Актуальность наших исследований определяют следующие факторы. Интерес к исследованию растворов красителей обусловлен их широким использованием в устройствах квантовой электроники и нелинейной оптики. Например, таких, как: пассивные затворы в лазерах ультракоротких импульсов / 11,12 /, светоуправляемые затворы / 13,14,15 /, устройства, обращающие волновые фронты / 16 /, измерители энергии ультракоротких импульсов / 17 / и др. В основе этих применений лежит способность красителей просветляться под действием света сравнительно невысокой интенсивности (IlA-7 2.

— 10 Вт/см) и их быстродействие (вплоть до единиц пикосекунд).

Проявление наведенного дихроизма просветления растворов красителей и сопровождающего его двулучепреломления играет важную роль в работе таких устройств.

Исследования наведенного двулучепреломления растворов красителей необходимы также для получения количественных данных о фазовом отклике красителя, связанном с изменением населенностей состояний его молекул. До настоящего времени исследователями традиционно изучался амплитудный отклик красителей, а обсуждаемый фазовый отклик, как правило, игнорировался. Тем не менее, фазовый отклик красителей, связанный с изменением населенностей состояний молекул, играет важную роль: он определяет работу ряда устройств, в которых красители используются. Например, при распространении эллиптически поляризованного света через среду фазовый отклик приводит к самовращению эллипса его поляризации / 18,19 /- в устройствах преобразования световых пучков, основанных на эффекте светонаведенных решеток, фазовый отклик может накладывать ограничение на передачу энергии между пучками / 20,21, 22,23 /- в лазерах на красителях с распределенной обратной связью фазовый отклик красителя определяет величину обратной связив лазерах ультракоротких импульсов фазовый отклик красителя в пассивном затворе влияет на вид и величицу фазовой модуляции импульсов излучения. Особую актуальность изучение фазового отклика красителей приобретает в связи с интенсивным развитием техники фемтосекундных импульсов. Фазовая модуляцияиграет значительную роль в лазерах фемтосекундных импульсов — ее величина определяет предельные параметры генерируемых импульсов.

Актуальность наших исследований состоит также и в том, что изучение светонаведенного дихроизма просветления и сопровождающего его двулучепреломления привело к созданию новых методов измерения одной из основных характеристик красителей — времени релаксации просветленного состояния, обладающих значительными преимуществами перед ранее известными. Один из методов позволил увеличить точность измерения, другой — прост в технической реализации: позволяет измерять пикосекундные времена релаксации без применения сложного в изготовлении пикосекундного лазера.

Основным объектом наших исследований являются так называемые быстрорелаксирующие красители. Возникновение такого определения красителей связано с тем механизмом, который доминирует в релаксации их просветленного состояния. Восстановление поглощения раствора красителя после облучения достаточно интенсивным светом происходит вследствие двух процессов: возврата молекул красителя путем излучательных и безызлучательных переходов в основное состояние (этот процесс в дальнейшем будем называть релаксацией электронного возбуждения) и поворотной диффузии молекул, происходящей под действием теплового движения молекул красителя. В красителях времена поворотной диффузии молекул составляют сотни пикосекунд и более. Диапазон времен релаксации электронного возбуждения для разных красителей — от единиц пикосекунд до единиц наносекунд.

Под быстродействующими красителями будем подразумевать красители, время релаксации электронного возбуждения которых меньше времени поворотной диффузии. Такие красители обычно применяются в быстродействующих устройствах и имеют пикосекундные времена релаксации просветленного состояния.

Целью настоящей работы является исследование явлений, протекающих в растворах красителей при взаимодействии с ними лазерного излучения, обусловленных анизотропией поглощения и испускания молекулами красителя. В связи с этим ставились следующие задачи:

— анализ влияния анизотропии поглощения и испускания света молекулами красителя на просветление и процесс релаксации просветленного состояния раствора;

— наблюдение и изучение светонаведенного дихроизма просветления и связанного с ним двулучепреломления в быстрорелаксирующих красителях;

— исследование фазового отклика красителей, обусловленного изменением населенностей состояний его молекул;

— использование результатов исследования светонаведенного дихроизма просветления и двудучепреломления растворов красителей в создании способов измерения их ультрабыстрых времен релаксаций просветленного состояния.

Дихроизм и двулучепреломление в красителях наводились пико-секундными имцульсами. Применение импульсов, длительность которых меньше времени релаксации электронного возбуждения исследуемых красителей, дало возможность исследовать не только величины дихроизма и двулучепреломления, но и их релаксацию. Эта возможность важна для идентификации механизма амплитудного и фазового отклика. Возможность измерений при задержках между имцульсами, превышающих их длительность, позволяет также исключить ошибку, связанную с образованием решетки изменения оптических свойств среды при пересечении в ней двух имцульсов во времени. Кроме того, использование ультракоротких имцульсов позволило исключить проявление теплового изменения показателя преломления.

Наши исследования имели экспериментальный характер. Однако измеряемые величины сопоставлялись с оценками, выполненными при следующих предположениях. Анизотропные свойства молекулы описываются моделью линейного осциллятора. Это предположение применимо к широкому классу красителей и обычно используется в научной литературе. Для простоты принято, что система энергетических уровней молекулы ограничивается двумя — основным и возбужденным первым синглетным уровнем, т. е. считается, что другие уровни в процессе взаимодействия со светом не заселяются. Такое приближение перестает выполняться, когда просветление раствора красителя под действием света близко к полному. Релаксация молекул красителя по колебательным подуровням внутри синглетных полос считается бесконечно быстрой. Это предположение хорошо выполняется для используемых пикосекундных имцульсов, поскольку время колебательной релаксации менее 0,1 пс.

В диссертационной работе выносятся на защиту следующие положения:

X. Экспериментальные результаты, качественно и количественно характеризующие дихроизм просветления растворов быстрорелак-сирующих красителей и сопровождающее его двулучепреломление, наведенные пикосекундными световыми имцульсами.

2. Результаты исследования фазового отклика красителя, обусловленного изменением населенностей состояний его молекул и результаты экспериментального измерения характеристики вещества, описывающей величину фазового отклика растворов красителей.

3. Созданце нового бесфонового метода измерения пикосекундных времен релаксации электронного возбуждения красителей.

4. Реализация нового, простого в осуществлении метода, позволяющего измерять пикосекундные времена релаксации просветленного состояния красителей без применения пикосекундного лазера, и результаты измерения этим методом.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы:

I. Экспериментально показано, что при взаимодействии с пикосекундными световыми импульсами быстрорелаксирующие красители проявляют существенный дихроизм просветления: после возбуждения пропускание красителей при параллельных поляризациях возбуждающего и пробного импульсов может быть в несколько раз больше, чем при перпердикулярных. Величина наблюдаемого дихроизма совпадает с ожидаемой, вычисленной в предположении, что молекулы двухуровневые и описываются моделью линейного осциллятора.

2. Экспериментально показано, что при взаимодействии с пико-секундными световыми импульсами растворы быстрорелаксирующих красителей проявляют наведенное двулучепреломление, связанное с изменением населенностей основного и возбужденного состояний их молекул. Для количественной характеристики двулучепреломления введена величина, учитывающая особенности отклика красителей: отношение фазового отклика к амплитудному) f. Разработана и экспериментально реализована методика ее измерения. Величина для красителя 3955 составляет 1,2+0,1, откуда следует, что фазовый отклик красителя сравним с амплитудным. Этой величине У соответствует масштаб изменения показателя преломления при о л просветлении АН Ъ. 10~°+10 .

3. На основе наведенной оптической анизотропии красителей предложен и реализован новый бесфоновый метод измерения пикосекундных времен релаксации электронного возбуждения красителей. Метод позволил увеличить диапазон измеряемых сигналов на несколько натуральных порядков и повысить точность измерения по сравнению с традиционным абсорбционным методом.

4. На основе решеток наведенной анизотропии в растворах красителей предложен и реализован новый метод измерения пикосекундных времен релаксации красителей без использования сложного в изготовлении пикосекундного лазера. Реализованный метод имеет высокое временное разрешение (нескольких пикосекунд) и отличается простотой технической реализации.

В заключении выражаю глубокую благодарность научным руководителям директору Института Физики АН Литовской ССР академику АН Литовской ССР, профессору, доктору физико-математических наук Юргису Карловичу Вищакасу, старшему научному сотруднику, кандидату физико-математических наук Анатолию Викторовичу Масалову за поддержку, постоянное внимание к работе и полезные обсуждения результатов. Глубоко признательна профессору, доктору физико-математических наук Валентину Ивановичу Малышеву за ценные дискуссии. Искренне благодарю сотрудников Института физики АН Литовской ССР старшего научного сотрудника, кандидата физико-математических наук Видаса Кабелку, Виктора Сыруса, Видаса Гульбинаса, Альвидаса Миляускаса за помощь в проведении части экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Значение выполненных работ, по мнению автора, заключается в следующем.

Во-первых, благодаря проведенным исследованиям показано, что наведенная оптическая анизотропия растворов красителей является существенной стороной отклика просветляющихся красителей на свет. Учет наведенной анизотропии необходим в прецезионных измерениях параметров быстрорелаксирующих красителей. Кроме того, предложены новые методы, использующие светонаведенную анизотропию растворов красителей для измерения пикосекундных времен релаксации их просветленного состояния.

Во-вторых, проведенными исследованиями расширено представление о нелинейном отклике красителя, показано, что фазовый отклик красителя является не менее значительной, чем амплитудный, частью отклика красителя на свет. Предложенный метод измерения позволил поставить изучение фазового отклика красителя на количественцую основу. Такие измерения чрезвычайно важны в связи с бурным развитием техники фемтосекундных импульсов, т.к. с уменьшением длительности световых имцульсов роль фазового отклика красителей в процессах их взаимодействия со светом возрастает.