НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

ЯКУНІН СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ

УДК 535:530.182, 523.738

НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНИЙ ВІДГУК СИСТЕМИ РІДКИЙ КРИСТАЛ З ДОМІШКОЮ ОРГАНІЧНОГО БАРВНИКА

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ–2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики НАН України

Науковий керівник: | кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Гайворонський Володимир Ярославович

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник відділу нелінійної оптики

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Малюкін Юрій Вікторович

Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України,

заступник директора з наукової роботи

доктор фізико-математичних наук, професор

Лев Богдан Іванович

Інститут фізики НАН України,

головний науковий співробітник відділу теоретичної фізики

Провідна організація: |

Інститут фізичної оптики МОН України, м. Львів

Захист дисертації відбудеться 22.02 2007 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України (03680, м. Київ, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розіслано 19.01 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.О. Чумак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Завдяки своїм унікальним властивостям (великій анізотропії та колективному відгуку на зовнішні впливи) нематичні рідкі кристали (РК) надзвичайно ефективно взаємодіють зі світловим полем. Так, орієнтаційна нелінійність прозорих нематичних РК на дев'ять порядків перевищує керрівську нелінійність звичайних рідин. Механізм орієнтуючої дії світла на прозорі РК добре відомий. Він зумовлений впливом електричного поля світлової хвилі на індуковані цим же полем молекулярні диполі.

Відомо, що величина нелінійно–оптичного (НЛО) відгуку зростає ще на два порядки у порівнянні з чистим нематичним РК в системах, що містять незначну (~1%) домішку поглинаючих світло молекул (барвника). Але досі фізичний механізм цього ефекту не можна вважати з'ясованим.

Вважається, що зростання нелінійності поглинаючих РК відбувається завдяки взаємодії ансамблю збуджених молекул, які мають несиметричний відносно оптичної осі РК орієнтаційний розподіл, з незбудженими молекулами нематичної матриці. Однак, єдина точка зору щодо механізму цієї взаємодії відсутня. Можливою причиною ефекту розглядаються: світлоіндукована зміна Ван-дер-Ваальсових сил, фотоіндуковані конформаційні переходи та момент сил тертя, пов'язаний з орієнтаційною релаксацією збуджених молекул. Нещодавно було запропоновано гіпотезу, за якою аномальна орієнтаційна нелінійність пояснюється створенням в РК матриці агрегатів молекул барвника, які за рахунок ефективної взаємодії з молекулами РК підвищують їх орієнтаційну сприйнятливість.

Створення молекулярних агрегатів впливає на НЛО відгук середовища, особливо в діапазоні тривалості імпульсів збудження одного порядку з часами відгуку делокалізованих електронів. НЛО відгук такої системи залежить від макроструктури, яку створюють молекули барвника: при делокалізації електронів кубічна гіперполяризованість зростає як ~ Lm (L – довжина делокалізації електрону, m 1). Це дає змогу з'ясувати, які комплекси створюються, і як вони впливають на загальні властивості системи. Розв’язанню цієї задачі присвячена дана робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті фізики НАН України. Основні результати отримані в рамках виконання наступних програм:

1. “Дослідження НЛО оптичних та електронних властивостей органіч-них полімерів та напівпровідників з метою використання їх для керування параметрами світлових пучків” Президії НАН України №0102U007065;

2. “Дослідження оптичних та електронних властивостей нанорозмірних композитів на основі діоксиду титану” Президії НАН України №0102U006966;

3. “Фотостимульовані процеси та електронний транспорт у нанорозмір-них композитах на основі діоксиду титану та їх застосування в екологічному фотокаталізі та системах перетворення сонячної енергії” МОН України №0101U007147.

Мета даної роботи – визначення фізичних механізмів електронної та орієнтаційної нелінійності під дією світла в системі РК з домішкою антрахінонового (АХ) барвника.

Реалізація поставленої мети передбачає розв’язання таких наукових завдань:

1. Вимірювання та аналіз спектрів поглинання та фотолюмінісценції (ФЛ) комірок РК з домішкою АХ.

2. Дослідження концентраційної залежності НЛО відгуку при самовпливі пікосекундних лазерних імпульсів в РК комірках з домішкою АХ.

3. Дослідження самовпливу квазінеперервної послідовності фемтосеку-ндних лазерних імпульсів в РК комірках з домішкою АХ.

4. Дослідження концентраційної залежності НЛО відгуку та порогу переорієнтації для гомеотропної орієнтації РК комірок при збудженні неперервним лазерним випромінюванням.

5. Дослідження кутових залежностей НЛО відгуку для планарно-орієнтованої суміші РК та АХ барвника при збудженні неперервним лазерним випромінюванням.

Об’єктом дослідження є система, що складається з матриці РК 4ґн–пентил–4–ціанобіфенілу (5ЦБ) та домішки органічного барвника АХ. Сумішшю з контрольованою ваговою концентрацією домішки cw (02%) заповнювалися комірки відомої товщини з необхідним типом орієнтації молекул РК.

Предметом дослідження є НЛО відгук та спектральні властивості оптичного поглинання та ФЛ в системі РК з домішкою АХ.

Основні методи дослідження: Самовплив лазерного випромінювання в середовищі, що досліджувалося при імпульсному та неперервному збудженні.

Допоміжні: спектроскопія поглинання у видимій та інфрачервоній (ІЧ) області, дослідження ефективності генерації третьої гармоніки (ГТГ), спектроскопія ФЛ (стаціонарна та з часовою роздільною здатністю).

Наукова новизна отриманих результатів, полягає в наступному:

1. Досліджено ефекти самовпливу лазерних імпульсів тривалістю 30 пс в області прозорості системи РК+АХ при збудженні на довжині хвилі =532 нм. Отримано нелінійну залежність дійсної та уявної частини кубічної НЛО сприйнятливості (3) від концентрації АХ cw: Re((3))~cw2 та Im((3))~cw2.

2. Досліджено самовплив при резонансному збудженні системи РК+АХ неперервним випромінюванням на довжині хвилі =633 нм. Отримано нелінійну залежність НЛО відгуку системи РК+АХ від концентрації АХ: Re((3))~cw3

3. Виявлено ефект інверсії знаку кубічної НЛО сприйнятливості при неперервному резонансному збудженні (=633 нм) системи планарно-орієнтованого РК з домішкою АХ при зміні кута між директором в РК та поляризацією лазерного випромінювання від 900 до 00.

4. Виявлено смугу ФЛ системи РК+АХ в області =720 нм та досліджено її часові характеристики. Реконструйовано енергетичну діаграму переносу збудження між матрицею та домішкою.

5. Досліджено вплив домішки АХ на НЛО відгук РК при збудженні послідовністю фемтосекундних лазерних імпульсів. Виявлено зменшення ефективного коефіцієнта двофотонного поглинання (ДФП) та збільшення коефіцієнта НЛО рефракції за рахунок специфічної взаємодії молекул матриці та домішки.

Практичне значення результатів:

· впроваджено комплекс взаємодоповнюючих НЛО методик, які дозволяють визначати параметри фотоіндукованих змін показника заломлення, коефіцієнта поглинання та порогу переорієнтації РК з оптимальним співвідношенням сигнал/шум;

· отримані експериментальні дані дозволяють виявити механізми, відповідальні за підвищення орієнтаційної сприйнятливості РК середовища при додаванні до нього домішки АХ барвника, що дає змогу створювати комірки з заданими НЛО параметрами.

Апробація роботи проводилася на

· наукових семінарах: Інституту фізики НАН України, Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України, Міжнародного лазерного центру Московського Державного Університету (Москва, Росія), Технічного університету (Мюнхен, Німеччина), Технічного університету (Вроцлав, Польща);

· наукових конференціях: 6th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. ICEPOM-6 (Gurzuf, Ukraine, 2006), 11th Int. Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. (October 2-7, 2005 Sand Key, Florida, USA.), Міжн. конф. "Питання оптимізації обчисленнь" ПОО ХХХІІ (Київ, 2005), Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics ICONO/LAT 2005 (St. Peterburg, Russia, 2005), 10th Int. Conf. Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals NOLPC2004 (Alushta, Crimea, Ukraine, 2004), 5th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. ICEPOM-5 (Kiev, Ukraine, 2004), 4th Young Sci. Conf. in Problems of Optics and High Technology Material Science SPO (Kiev, 2003), XVI Int. School-Seminar Spectr. Mol. & Cryst ISSSMC (Sevastopol, Ukraine, 2003) .

Публікації та особистий внесок автора. Всі основні результати роботи з достатньою повнотою відображені у 17 наукових публікаціях, з них 5 у провідних реферованих наукових журналах, 12 у матеріалах та тезах конференцій:

[1] Здобувачем проведені вимірювання та обраховані експериментальні дані НЛО відгуку комірки планарно-орієнтованого РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника при збудженні неперервним He-Ne лазером. Участь в інтерпретації результатів та написанні тексту статті.

[2] Здобувачем проведені вимірювання спектрів ФЛ: стаціонарних та з часовим розподілом. Обраховані часові параметри висвічення ФЛ смуг 5ЦБ та АХ. Реконструйовано діаграму енергетичних рівнів системи РК 5ЦБ з домішкою АХ. Участь в обговоренні результатів.

[3] Здобувачем проведені вимірювання та обраховані експериментальні дані НЛО відгуку комірки гомеотропно-орієнтованого РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника при збудженні неперервним He-Ne лазером та пікосекундними імпульсами випромінювання другої гармоніки Nd3+:АІГ лазера. Визначено залежність дійсної та уявної частини кубічної НЛО сприйнятливості від концентрації домішки АХ. Участь в обговоренні результатів та написанні тексту статті.

[4] Здобувачем проведені вимірювання та обраховані експериментальні данні НЛО відгуку комірки гомеотропно-орієнтованого РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника при збудженні квазінеперервною послідовністю фемтосекундних лазерних імпульсів титан-сапфірового лазера. Участь в обговоренні результатів та написанні тексту статті.

[5] Здобувачем розроблений та впроваджений комплекс взаємодоповнюючих НЛО методик, які дозволяють визначати параметри фотоіндукованих змін показника заломлення, коефіцієнта поглинання та порогу переорієнтації РК з оптимальним співвідношенням сигнал/шум. Участь в обговоренні результатів та написанні тексту статті.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури (135 позицій). Повний обсяг роботи – 150 сторінок, з них 136 сторінок основного тексту, що містить 76 рисунків та 25 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено проблематику, напрямки та об’єкти дослідження, обґрунтовано актуальність та наукову новизну роботи, сформульовано мету, завдання і методи дослідження, окреслено практичну цінність одержаних результатів та форми їх апробації.

Перший розділ – „Властивості функціональних НЛО матеріалів на основі РК” – присвячено аналізу літературних джерел. Розглянуто оптичні властивості нематичного РК як одноосного кристалу з керованим напрямом головної оптичної осі. Описано основні відомості про світлоіндукований перехід Фредерікса – переорієнтацію РК під дією електромагнітної хвилі світла. Наведено огляд літератури з питання дослідження НЛО відгуку чистих РК в діапазоні збудження неперервним лазерним випромінювання, а також імпульсами лазерів в мілі-, мікро-, нано-, піко- та фемто-секундном діапазонах. Наведено відомості стосовно ефекту Яноши (зменшення порогу переорієнтації РК при додаванні до нього домішки органічного барвника), розглянуто основні гіпотези, що пояснюють природу цього ефекту.

У другому розділі – „Об’єкт та методики досліджень” – наведено дані стосовно важливих загальних фізичних та оптичних параметрів речовин матриці та домішки, які було застосовано для виготовлення зразків. Описано методики контролю товщини РК комірок, вимірювання спектрів пропускання, обрахування спектрів поглинання. Наведено методики вимірювання спектрів ФЛ: збудження та випромінювання, стаціонарних та з часовою роздільною здатністю.

Розглянуто методики вимірювання НЛО характеристик зразків: ефективності ГТГ; фотоіндукованої зміни поглинання та показника заломлення при самовпливі лазерного пучка. Методика дозволяє визначити параметри НЛО відгуку середовища за наявності декількох механізмів. Вона має кілька модифікацій і дозволяє визначити амплітуду і знак нелінійної рефракції та нелінійного поглинання. Сфокусований лазерний пучок з гаусовим профілем інтенсивності використовувався одночасно для збудження та зчитування НЛО відгуку. Керування інтенсивністю пучка відбувалося градієнтним оптичним фільтром або зміною положення зразка відносно перетяжки пучка (останній варіант було використано при дослідженні самовпливу фемтосекундних лазерних імпульсів в РК комірках).

Розроблено методику дослідження НЛО параметрів РК з домішкою барвника в режимі до та після переорієнтації директора при збудженні неперервним лазерним випромінюванням. Використання діафрагми на осі, що блокує початковий лазерний пучок, дозволяє найбільш точно визначити пороги переорієнтації та пов’язані з ними зміни пучка в далекому полі.

НЛО відгук системи було досліджено в широкому діапазоні довжин хвиль (Рис. ) та тривалості лазерних імпульсів (таблиця 1): за умов резонансного збудження в області поглинання домішки АХ (=  нм) та при збудженні в області прозорості на довжинах хвиль = , 780 та 1064 нм. Для дослідження відгуку на =  нм та =  нм використано неперервні лазерні джерела; на довжинах хвиль = 2 та 1064 нм було використано пікосекундні, а на =  нм – фемтосекундні лазерні імпульси.

Таблиця 1

Лазерні джерела, що були використані в нелінійно-оптичних вимірюваннях

Лазер | Тривалість імпульсу (FWHM) | Частота повторення | , нм

Nd3+:АІГ | 42 пс | 3 Гц | 1064

Nd3+:АІГ ДГ | 30 пс | 3 Гц | 532

Ti3+:Al2O3 | 100 фс | 100 МГц | 780

He-Ne | неперервний | 633

Nd3+:АІГ ДГ | неперервний | 532

У третьому розділі – „ Спектральні дослідження системи РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника” – наведено результати досліджень спектрів пропускання РК комірок в залежності від концентрації домішки – АХ барвника в ультрафіолетовому (УФ), видимому та ІЧ діапазонах довжин хвиль. Виміряно спектри випромінювання та збудження ФЛ в РК комірках. На основі цих результатів досліджено кінетику спектрів ФЛ та відтворено діаграму енергетичних рівнів молекул матриці та домішки. Визначено механізми переносу енергії збудження з підсистеми РК до підсистеми АХ барвника.

Проаналізовано концентраційні залежності спектрів пропускання РК комірок в УФ, видимій та ІЧ діапазонах. Величина поглинання в смугах АХ лінійно зростає з концентрацією домішки, отримані коефіцієнти молярної екстинції M складають 2.72Ч104, 2.43Ч104 та 2.14?104 дм3/(мольсм) для смуг 656 нм, 622 нм та 417 нм, відповідно. Зроблено порівняльний аналіз спектру АХ в різних розчинниках: смуги зазнають гіпсохромного зсуву ~10 нм при зміні діелектричної проникливості розчинника з 2 до 32; в розчині 5ЦБ смуги АХ набувають аномально батохромного зсуву на 12 нм. При додаванні домішки АХ в ІЧ спектрі РК 5ЦБ зменшується ширина смуг коливальних переходів групи ?CN. Такі дані вказують на ефективну міжмолекулярну взаємодію між АХ та РК 5ЦБ.

Досліджено спектри випромінювання та збудження ФЛ, зокрема, кінетику спектрів ФЛ. Результати досліджень вказують на значну взаємодію між молекулами домішки та матриці.

Вперше спостережено смугу ФЛ в області 720 нм та досліджено структуру спектру її збудження. Ця структура корелює з смугами поглинання АХ на 417, 622 та 656 нм, та смугою поглинання РК 5ЦБ на 320 нм за рахунок подальшого переносу збудження до молекул домішки. Визначено час висвічення ФЛ смуги на 720 нм, що складає 3.50.5 мс.

На основі отриманих даних побудовано схему енергетичних рівнів, які беруть участь в процесах поглинання та випромінювання світла. Для системи 5ЦБ з домішкою АХ схема наведена на Рис. . Збудження молекул 5ЦБ відбувається при переході на рівень S1 з енергією 3.87 еВ та характеризується смугою поглинання на 320 нм. Шляхом безвипромінювальної релаксації молекули переходять на димерний рівень 5ЦБ (~3 еВ). Зі збудженого димерного рівня молекула 5ЦБ переходить в S0 з випромінюванням на =410 нм. Весь процес переходу в основний стан триває ~ 8?20 нc.

При додаванні домішки АХ схема релаксації збудженого стану 5ЦБ значно змінюється. За рахунок ефективного каналу міжмолекулярної взаємодії збудження з димерного рівня 5ЦБ переходить на рівень Sm АХ, відбувається гасіння смуги ФЛ на =410 нм. При інтеркомбінаційній конверсії збудження потрапляє на триплетний рівень T1, релаксація з якого на S0 АХ супроводжується випромінюванням на =720 нм. В триплетному стані існує заборона на прямий перехід в основний стан молекули S0, тому висвічення ФЛ триває довгий час (~3 мс). Смуга ФЛ на =720 нм виникає також при збудженні на довжинах хвиль 405 нм та 633 нм системи 5ЦБ + АХ а також розчинів АХ.

У четвертому розділі – „НЛО відгук системи РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника в імпульсному режимі збудження” – досліджено НЛО відгук при збудженні в області прозорості системи імпульсами піко– та фемтосекундної тривалості, що дозволило відокремити процеси електронної природи, в першу чергу, в підсистемі молекул барвника від орієнтаційного відгуку матриці РК, який має значно менші характерні часи встановлення.

Встановлено нелінійну залежність дійсної та уявної частини кубічної НЛО сприйнятливості від концентрації барвника в РК (3)~cw2 (Рис. ) при збудженні пікосекундними імпульсами в діапазоні 1–20 МВт/см2 в області прозорості системи РК+АХ (=532 нм). Поляризованість системи в збудженому стані визначається відстанню делокалізації збудженого електрона, яка порівнянна з довжиною агрегату молекул АХ. В свою чергу розмір агрегатів зростає з концентрацією домішки cw. Делокалізація збуджених станів на значні відстані в надмолекулярних структурах АХ призводить до квадратичної концентраційної залежності НЛО відгуку від концентрації домішки cw.

Визначено діапазон оптичної стійкості та границю руйнування структури РК 5ЦБ на довжині хвилі 532 нм. Виявлено нереверсивну зміну повного пропускання у випадку оптичного руйнування структури РК (Рис. а). Спостережено формування дефектів структури (А та Б на Рис. б) в планарно-орієнтованому РК у вигляді областей з ізотропною фазою, з’єднаних каналом з доменними стінками. Виявлено взаємодію дефектів через пружні деформації у РК. Оцінено швидкість руху дефектів структури.

Виміряно коефіцієнт ДФП та дійсну частину кубічної НЛО сприйнятливості Re(ч(3)) (по зміні повного пропускання та ефективності ГТГ відповідно) на довжині хвилі 1064 нм для зразків чистого РК 5ЦБ та 5ЦБ з домішкою 1% АХ барвника. Забарвлений зразок виявляє в 1.52.5 рази більшу ефективність НЛО процесів ніж зразок з чистим РК. Показано, що фотоіндуковані зміни при самовпливі лазерного випромінювання за умов малих рівнів збудження (до 20 МВт/см2) на довжині хвилі 532 нм є більш чутливими до прояву кооперативних ефектів підсистеми барвника у порівнянні з процесом ГТГ при високому рівні збудження на 1064 нм.

Досліджено НЛО ефекти самовпливу фемтосекундних лазерних імпульсів (= 780 нм) в РК 5ЦБ та 5ЦБ з домішкою 1.76% АХ барвника. Виявлено, що при додаванні домішки АХ ефективний коефіцієнт ДФП зменшується, а коефіцієнт НЛО рефракції збільшується (таблиця 2). Ці явища пояснено наявністю ефективного каналу переносу збуджень з молекул матриці до молекул домішки, що призводить до блокування додаткового каналу фотоіндукованого затемнення в РК та збільшення поляризованості системи внаслідок накопичення збуджених станів в підсистемі барвника.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів двофотонного поглинання в, НЛО рефракції n2 та кубічної НЛО сприйнятливості (3)

Комірка | в,

см/МВт | Im((3)),

10-10 од. СГСЕ | n2*, см2/МВт | Re((3))*,

10-4 од. СГСЕ

5ЦБ | 3.4 | 3.0 | 1.6 | 1.1

5ЦБ+АХ | 2.6 | 2.3 | 2.5 | 1.8

*- з врахуванням інерційного механізму відгуку

У п’ятому розділі – „НЛО відгук комірок РК з домішкою барвника при резонансному збудженні неперервним лазерним випромінюванням” – досліджено самовплив лазерного пучка в діапазоні інтенсивності 5–2000 Вт/см2 в залежності від концентрації домішки АХ. Виявлено ефекти самофокусування пучка лазера, що при перевищенні порогової інтенсивності переорієнтації РК призводили до формування абераційних кілець у далекому полі (Рис. ).

Формування кільцевої структури супроводжувалося фотоіндукованим затемненням в комірках з домішкою АХ внаслідок вимушеної переорієнтації молекул домішки.

Було експериментально досліджено концентраційну залежність кубічної НЛО сприйнятливості системи гомеотропоно-орієнтованого РК з домішкою від концентрації АХ cw при резонансному збудженні молекул АХ випромінюванням He-Ne лазера в діапазоні інтенсивності до порогу переорієнтації РК.

За умов малих концентрацій домішки АХ (00.5%) концентраційна залежність НЛО відгуку має лінійний характер (m=1). При збільшенні концентрації cw>0.5характер залежності змінюється на кубічний (m=3): Re((3))~cw3 (Рис. а), що пояснюється відгуком взаємодіючих між собою молекул барвника.

Виміряно концентраційну залежність порогів переорієнтації такої системи. Відношення порогів переорієнтації для чистого РК та насиченого розчину АХ в РК становить 200:1.

В планарно-орієнтованій комірці з домішкою АХ виявлено, що при зміні кута між директором в РК та поляризацією лазерного випромінювання від 900 до 00 ефект самофокусування лазерного пучка змінюється на самодефокусування (Рис. б), при цьому відбувається інверсія знаку фотоіндукованої зміни показника заломлення n. При ~500 фотоіндуковані зміни відсутні (n=0), цей кут відповідає напрямку осі орієнтації агрегатів молекул барвника відносно директора в РК.

Нереверсивний характер залежності пропускання на осі при зміні кута між директором в РК та поляризацією лазерного випромінювання від 900 до 00 змінюється на реверсивний.

Проведено порівняння величини НЛО відгуку комірки з домішкою 1.4% АХ при збудженні неперервним лазерним випромінюванням на довжинах хвиль 532 нм та 633 нм. Показано, що значення фотоіндукованої зміни показника заломлення корелює з коефіцієнтом поглинання, а поріг переорієнтації РК обернено пропорційний до коефіцієнта поглинання на відповідній довжині хвилі.

По часовим залежностям пропускання через діафрагму на осі та краю абераційної картини визначено часи встановлення НЛО відгуку системи РК з домішкою барвника при збудженні неперервним лазерним випромінюванням. Час встановлення (12 с) відповідає орієнтаційній природі НЛО відгуку.

Сукупність експериментальних даних, в яких яскраво відображається колективний характер відгуку, може бути пояснена на основі концепції ефективного відгуку агрегатів АХ барвника в нематичному РК.

Висновки

В результаті виконання в рамках дисертаційної роботи циклу експериментальних досліджень встановлено основні НЛО та спектральні властивості системи РК з домішкою АХ барвника, зокрема:

1. Вперше виміряно залежність дійсної та уявної частини кубічної НЛО сприйнятливості (3) системи гомеотропоно-орієнтованого РК з домішкою АХ барвника від концентрації барвника при збудженні імпульсами пікосекундного діапазону в області прозорості системи (=532 нм). Визначено, що концентраційна залежність для дійсної та уявної частини (3) має квадратичний характер. Нелінійний характер залежності пояснений кооперативним ефектом відгуку підсистеми барвника. Показано, що ефекти самовпливу лазерного випромінювання при малих рівнях збудження (до 20 МВт/см2) на довжині хвилі 532 нм більш чутливі до кооперативних ефектів підсистеми барвника у порівнянні з процесом ГТГ при високому рівні збудження на 1064 нм.

2. Отримано концентраційну залежність фотоіндукованої зміни показника заломлення системи гомеотропоно-орієнтованого РК з домішкою АХ від концентрації АХ при її резонансному збудженні випромінюванням He-Ne лазера. Встановлено, що залежність має кубічний характер, який пояснюється відгуком взаємодіючих між собою молекул барвника.

3. Виявлено ефект інверсії знаку кубічної НЛО сприйнятливості при неперервному резонансному збудженні (=633 нм) в планарно-орієнтованій комірці з домішкою АХ при зміні кута між напрямом директора в РК та поляризацією лазерного випромінювання. Показано, що кут, при якому НЛО відгук змінює знак, відповідає напрямку осі орієнтації агрегатів молекул барвника відносно директора в РК.

4. Виявлено та досліджено параметри ФЛ смуги на 720 нм з часом висвічення близьким до 3 мс, яка виникає внаслідок гасіння ФЛ молекул матриці при додаванні домішки антрахінонового барвника (АХ). Отримані результати відображають ефективну взаємодію між молекулами при передачі енергії збудження від матриці РК до домішки.

5. Експериментально досліджено ефекти самовпливу фемтосекундних лазерних імпульсів в системі РК 5ЦБ з домішкою АХ барвника. Встановлено, що при додаванні домішки АХ ефективний коефіцієнт двофотонного поглинання зменшується, а коефіцієнт НЛО рефракції – збільшується, що пояснюється ефективним переносом збудження з молекул матриці до молекул домішки.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Gayvoronsky V.Ya., Yakunin S.V., Pergamenshchik V.M., and Nazarenko V.G. Sign inversion of the optical torque on the nematic director enhanced by anthraquinone dye dopants stable to the light action // Laser Phys. Lett. - 2006. - Vol. 3. - P. 531-535.

2. Gayvoronsky V., Yakunin S., Pergamenshchik V., Nazarenko V., Palewska K., Sworakowski J., Podhorodecki A., Misiewicz J. Photoluminescence of nematic liquid crystal doped with anthraquinone dye. // Ukr. J. Phys. Opt. - 2006. - Vol.7. - P. 116-123.

3. Pergamenshchik V.M., Gayvoronsky V.Ya. Yakunin S.V., Vasyuta R.M., Nazarenko V.G. Lavrentovich O.D. Hypothesis of Dye Aggregation in a Nematic Liquid Crystal: From Experiment to a Model of the Enhanced Light-Director Interaction // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2006. - Vol.454. - P. 145-156.

4. Gayvoronsky V., Yakunin S., Enikeeva V., Ozheredov I., Shkurinov A. Selfaction effects of femtosecond laser pulses in dye-doped 5CB liquid crystal // Laser Phys. Lett. - 2006. - Vol.3. - P. 357-361.

5. Gayvoronsky V., Yakunin S., Nazarenko V., Starkov V., and Brodyn M. Techniques to Characterize the Nonlinear Optical Response of Doped Nematic Liquid Crystals // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2005. - Vol.426. - P. 231-241.

6. Gayvoronsky V., Shepelyavyi E., Yakunin S., Brodyn M., Grinko D., Kachkovsky O., Kudinova M., Tolmachev A., and Slominsky Yu. Nonlinear Optical Properties of Substituted Pyridostyryl Dye Base Films // Proc. SPIE. - 2003. - Vol.5257. - P. 171-178.

7. Gayvoronsky V., Yakunin S., Pergamenschik V., Garashchenko V., NazarenkoNonlinear optical response of liquid crystal doped with anthraquinone dyes // Abstr. 6th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. (ICEPOM-6). - Gurzuf (Crimea, Ukraine). - 2006. - P. 86-87.

8. Gayvoronsky V., Yakunin S., Palewska K., Sworakowski J., Podhorodecki A., Misiewicz J., Kovalev D. Intermolecular interaction in dye-doped nematic liquid crystal studied with photoluminescent response // Abstr. 6th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. (ICEPOM-6). - Gurzuf (Crimea, Ukraine). - 2006. - P. 98-99.

9. Gayvoronsky V., Yakunin S., Miniewicz A. Transient photoinduced refractive index variations in dye-doped nematic liquid crystal cells // Abstr. 6th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. (ICEPOM-6). - Gurzuf (Crimea, Ukraine). - 2006. - P. 97-98.

10. Pergamenshchik V., Nazarenko V., Gayvoronsky V., Yakunin S., Uzunova V., Vasjuta R., Lavrentovich O. Aggregation of dye molecules behind the enhanced light-induced director reorientation in a nematic liquid crystal: Experiment and theory // 21st Int. Liquid Crystal Conference. - Keystone, (Colorado, USA). - 2006. - P. 255.

11. Pergamenshchik V., Nazarenko V., Gayvoronsky V., Jakunin S. and Vasyuta R. The Model of Enhanced Light–Induced Director Reorientation Based on the Hypothesis of Dye Aggregation in a Nematic Liquid Crystal // Book of abstr. 11th Int. Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. - Sand Key (Florida, USA). - 2005. - P. 158.

12. Борщ А.А., Бродин М.С., Гайворонский В.Я., Старков В.Н., Якунин С.В. Математическая интерпретация результатов экспериментальных исследований в лазерной физике // Праці міжнародної конференції "Питання оптимізації обчисленнь" - Київ. - 2005. - C. 44-45.

13. Yakunin S., Gayvoronsky V., Nazarenko V., Vasyuta R., and Starkov V. Nonlinear Optical Response Under CW and Picosecond Pulsed Excitation of Nematic Liquid Crystal Doped with Anthraquinone Dye // Techn. Digest Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics ICONO/LAT. - St. Petersburg (Russia). - 2005. - IFM11.

14. Yakunin S., Gayvoronsky V., Nazarenko V., Vasyuta R., Starkov V. and Brodyn M. Efficiency of different techniques for characterization of NLO response in LC doped with organic dye system // Abstr. 10th Int. Conf. Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals (NOLPC2004). - Alushta (Crimea, Ukraine). - 2004. - P. 51.

15. Yakunin S., Gayvoronsky V., Nazarenko V., and Brodyn M. Nonlinear Optical Response of Doped Nematic Liquid Crystal within Femto- and Picosecond Laser Pulses Excitation // Abstr. 5th Int. Conf. Electron. Proc. Organ. Mat. (ICEPOM-5). - Kiev (Ukraine). - 2004. - P. 151.

16. Yakunin S., Gayvoronsky V., Vasyuta R., and Nazarenko V. Ultrafast Nonlinear Optical Response of Nematic Liquid Crystal Doped with Organic Dye // Abstr. 4th Young Sci. Conf. in Problems of Optics and High Technology Material Science (SPO 2003). - Kiev (Ukraine). - 2003. - P. 77.

17. Yakunin S., Gayvoronsky V., Vasyuta R., Nazarenko V. Experimental Technique for the (3) Measurement of Organic Dye in Nematic Liquid Crystal System // Proc. XVI Int. School-Seminar Spectr. Mol. & Cryst (ISSSMC). - Sevastopol (Crimea, Ukraine). - 2003. - P. 284.

АНОТАЦІЯ

Якунін С.В. Нелінійно-оптичний відгук системи рідкий кристал з домішкою органічного барвника. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Інститут фізики НАН України. – Київ, 2006.

У дисертації представлено результати комплексного дослідження нелінійно-оптичних (НЛО) та спектральних властивостей системи, що складається з матриці РК 4ґн–пентил–4–ціанобіфенілу (5ЦБ) та домішки антрахінонового (АХ) барвника. В якості методів дослідження в роботі використано: фотоіндуковані зміни показника заломлення та коефіцієнта поглинання при самовпливі лазерного випромінювання в середовищі, спектроскопію поглинання у видимій та ІЧ області, генерацію третьої гармоніки, спектроскопію фотолюмінісценції (ФЛ).

В роботі вперше спостережено смугу ФЛ на 720 нм з часом висвічення близьким до 3 мс та досліджено структуру її спектру збудження. Ця смуга з’являється в результаті гасіння ФЛ молекул матриці при додаванні домішки АХ барвника.

Встановлено, що залежність дійсної та уявної частини кубічної НЛО сприйнятливості (3) системи РК з домішкою АХ барвника від концентрації барвника cw при збудженні імпульсами пікосекундного діапазону в області прозорості системи (=532 нм) має квадратичний характер Re((3))~cw2 та Im((3))~cw2, що пояснюється кооперативним ефектом відгуку підсистеми барвника.

Показано, що концентраційна залежність дійсної частини (3) системи гомеотропно–орієнтованого РК з АХ від концентрації АХ при резонансному збудженні молекул АХ випромінюванням He-Ne має кубічний характер Re((3))~cw3, що пояснюється відгуком взаємодіючих між собою молекул барвника.

Виявлено ефект інверсії знаку кубічної НЛО сприйнятливості в планарно–орієнтованій комірці з домішкою АХ при зміні кута між директором в РК та поляризацією лазерного випромінювання від 900 до 00. Передбачається, що цей кут ~500 відповідає напрямку осі орієнтації агрегатів молекул барвника відносно директора в РК.

Ключові слова: рідкий кристал, антрахіноновий барвник, нелінійно–оптичний відгук, самовплив лазерного випромінювання, оптична спектроскопія, пікосекундні та фемтосекундні лазерні імпульси.

АННОТАЦИЯ

Якунин С.В. Нелинейно-оптический отклик системы жидкий кристалл с примесью органического красителя. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Институт физики НАН Украины. - Киев, 2006.

В диссертации представлены результаты комплексного исследования оптических свойств системы, которая состоит из матрицы жидкого кристалла (ЖК) 4ґн–пентил–4–цианобифенила (5ЦБ) и примеси антрахинонового красителя (АХ). Исследован нелинейно-оптический (НЛО) отклик системы при возбуждении импульсами фемто-, пико-секундной длительности и непрерывным лазерным излучением. Исследованы также спектральные свойства системы. В качестве экспериментальных методик в работе использованы: фотоиндуцированные изменения при самовоздействии лазерного излучения в исследуемой среде, спектроскопия поглощения в видимой и ИК области, генерация третьей гармоники (ГТГ), спектроскопия фотолюминесценции (ФЛ).

В работе впервые обнаружено полосу ФЛ на 720 нм со временем высвечивания близким к 3 мс, и исследовано структуру спектра ее возбуждения. Эта полоса возникает в результате гашения ФЛ молекул матрицы (при возбуждении в УФ диапазоне) при добавлении примеси АХ красителя. Эти данные указывают на эффективное взаимодействие между молекулами при передаче энергии возбуждения от матрицы ЖК к примеси АХ.

На основе данных эксперимента получена квадратичная зависимость действительной и мнимой части кубической НЛО восприимчивости (3) системы ЖК с примесью АХ красителя от концентрации красителя: Re((3))~cw2 и Im((3))~cw2 при возбуждении импульсами пикосекундного диапазона в области прозрачности системы (=532 нм), которая объясняется кооперативным эффектом отклика подсистемы красителя.

Измерено коэффициент ДФП и действительную часть кубической НЛО восприимчивости Re(ч(3)) на длине волны 1064 нм для образцов чистого РК 5ЦБ и 5ЦБ с примесью АХ красителя. Показано, что фотоиндуцированные изменения показателя преломления и поглощения при самовоздействии лазерного излучения в условиях низких уровней возбуждения (до 20 МВт/см2) на длине волны 532 нм являются более чувствительными к кооперативным эффектам подсистемы красителя по сравнению с процессом ГТГ при высоком уровне возбуждения на 1064 нм.

Исследованы эффекты самовоздействия фемтосекундних лазерных импульсов (= 780 нм) в ЖК 5ЦБ и 5ЦБ с примесью 1.76% АХ красителя. Обнаружено, что при добавлении примеси АХ эффективный коэффициент ДФП уменьшается, а коэффициент НЛО рефракции увеличивается. Это происходит из-за наличия эффективного канала переноса возбуждения от молекул матрицы к молекулам примеси, что приводит блокированию дополнительного канала фотоиндуцированного затемнения в РК и увеличению поляризуемости системы за счет накопления возбужденных состояний в подсистеме красителя.

Показано, что при резонансном возбуждении молекул АХ излучением He-Ne лазера концентрационная зависимость действительной части (3) системы гомеотропно-ориентированного ЖК с АХ от концентрации АХ cw носит кубический характер Re((3))~cw3, который объясняется откликом взаимодействующих между собой молекул красителя.

Обнаружен эффект инверсии знака кубической НЛО восприимчивости в планарно-ориентированный ячейке ЖК с примесью АХ при изменении угла между директором в ЖК и поляризацией лазерного излучения от 900 до 00. Предполагается, что этот угол отвечает направлению оси ориентации агрегатов молекул красителя относительно директора в ЖК.

Ключевые слова: жидкий кристалл, антрахиноновый краситель, нелинейно-оптический отклик, самовоздействие лазерного излучения, оптическая спектроскопия, пикосекундные и фемтосекундные лазерные импульсы.

АBSTRACT

Yakunin S.V. Nonlinear optical response of the system of liquid crystal doped with organic dye. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.05 – Optics, Laser Physics. – Institute of Physics NAS Ukraine. – Kyiv, 2006.

The results of complex investigation of nonlinear optical (NLO) response and spectral properties of the system of liquid crystal (LC) matrix 4ґn-pentyl-4-cyanobiphenyl (5CB) doped with anthraquinone (AQ) dye are presented in the thesis. The photoinduced changes of refractive index and absorption coefficient due to selfaction of the laser beam, absorption spectroscopy of visible and IR ranges, photoluminescence (PL) spectroscopy and third harmonics generation techniques were used.

For the first time the PL band at 720with the decay time about 3was observed and its excitation spectrum structure was investigated. Origin of the band is due to quenching of 5CB PL band when the AQ dopant was admixed.

It was found the quadric dependence on dopant concentration of real and imaginary parts of cubic NLO susceptibility (3) of the LC doped with AQ: Re((3))~cw2 and Im((3))~cw2 under excitation by picosecond laser pulses in the transparency range (=532 nm) of the system. The obtained dependences can be explained by the cooperative response of the dye subsystem.

It was shown the cubic behavior on dopant concentration of real part of (3): Re((3))~cw3 of homeotropic LC cell doped with AQ dye under excitation by continuous wave He-Ne laser beam. The cubic dependence was explained by the response of strongly interacted dye molecules.

The sign inversion effect of the cubic NLO response was discovered in planar LC cell doped with AQ dye when the angle between the LC director and excitation polarization changed from 900 down to 00. It was assumed, that the angle with zero value of the NLO response corresponds to the dye molecular aggregates axis direction in LC matrix.

Keywords: liquid crystal, anthraquinone dye, nonlinear optical response, selfaction of laser beam, optical spectroscopy, picosecond and femtosecond laser pulses.