Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Тенденция к использованию в оптических исследованиях и технологиях конденсированных сред с высокой концентрацией активных центров обуславливается несколькими причинами. С одной стороны, в таких средах наиболее ярко проявляются нелинейные эффекты коо-перат;язного характера, предполагающие сильное взаимодействие центров на основе тех или иных механизмов и приводящие к развитию различного рода неустойчивостей и явлений самоорганизации. С другой стороны, практическая необходимость создания более миниатюрных, менее материале»- и энергоемких оптических устройств требует разработки более эффективных технологических материалов. За счет увеличения концентрации активных центров можно, например, повысить чувствительность и контрастность оптических регистрирующих сред, эффективность преобразования солнечной энергии, увеличить удельный энергосъем в генерирующих лазерных средах.
Межцентровое взаимодействие, приводящее к безызлучательному переносу энергии электронного возбуждения существенно модифицирует динамику преобразования поглощенной световой энергии концентрированными средами в подавляющем большинстве случаев. Наиболее изученным с точки зрения кооперативных оптических явлений типом конденсированных сред с высокой (предельной) плотностью поглощающих центров и эффективным безызлучателъным переносом энергии являются кристаллы. Значительно меньше внимания к настоящему времени уделено подобным явлениям в неупорядоченных ансамблях поглощающих центров: примесные центры в стеклообразных и кристаллических матрицах, концентрированные жидкие растворы, полимеры и аморфкки. В то же время перечисленные типы сред неизменно вызывают интерес в связи с открывающимися возможностями в области оптической обработки информации и находят широкое применение в качестве лазерных и оптических регистрирующих материалов.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния безызлуча-тельного переноса энергии электронного возбуждения между люми-несцируодими центрами, образующими пространственно неупорядоченный ансакйль, на эффективность люминесценции и насыщения фотохромних превращений фотоактивных центров такого ансамбля.
Связь работы с крупными научными программами. Основные иссле-
дования, результаты которых вошли в диссертацию, проводились на кафедре физической оптики и в лаборатории молекулярной фотоники отдела физики преобразования информации физического факультета Белгосуниверситета при выполнении НИР, входящих в Республиканскую научно-техническую программу "Информатика" (1988-1995 г.г), программу Министерства образования и науки РБ "Лазер" (1994-1995 г.г.) и внутриуниверситетских исследовательских программ "Синергетика" (1991-1995 г.г.) и "Когерентная и нелинейная оптика" (1996-2000 г.г.).
Цель и задачи.
Цель настоящей работы - установление закономерностей динамики фотохромних превращений и связанных с ними изменений оптических параметров концентрированных неупорядоченных сред с безызлуча-тельным переносом энергии электронного возбуждения между центрами среды, конверсия которых в метастабильный фотопродукт не приводит к образованию акцепторов возбуждений.
Задачи:
Экспериментальное исследование динамики концентрационного тушения флуоресценции при фотохромних превращениях ассоциатов -акцепторов энергии электронного возбуждения;
Моделирование систем с фотохромними превращениями донорных центров в условиях миграционно-ускоренного тушения их электронно-возбужденных состояний. Поиск условии реализации собственно- бистабильных режимов заселения метастабильных состояний фотохромних центров в таких системах;
Теоретический анализ динамики насыщения состояний трехуровневых центров в неупорядоченных ансамблях с концентрационным тушением и самотушением;
Описание и анализ эффектов фотоиндуцированного возникновения пространственных корреляции в ансамблях неподвижных фотохромних центров при насыщении их метастабильных состояний.
Научная новизна полученных результатов.
- Экспериментально обнаружено явление увеличения и темпового
восстановления интенсивности флуоресценции полимерных слоев с
высоким содержанием 9-замещенных антрацена, основанное на изме
нении эффективности концентрационного тушения при сенсибилизиро
ванном превращении молекулярных ассоциатов и последующем пос
тэкспозиционном восстановлении их числа. На основании описанного
явления предложен принцип повышения чувствительности записи люминесцентных изображений.
Впервые обнаружена возможность развития безреаонаторной оптической бистабильности в средах с миграционно-ускоренным тушением электронно-возбужденных состояний фотохрсчных центров. Причем если в средах с короткодействующим (обменно-резонансный) механизмом переноса неустойчивость развивается при непосредствен-нов возбуждении поглощающих фотохромов, то при далънодействующем механизме требуется сенсибилизированное возбуждение.
Впервые продемонстрировано существенное влияние подвижности фотохромных центров, по которым осуществляется миграция энергии электронных возбуждений, на динамику насыщения метастабильных состояний в присутствии тушителей.
Предложена модель новой среды с собственной оптической бис-табильностью на основе динамического концентрационного тушения.
Обнаружено явление динамического микроструктурирования в ансамблях фотохромних центров, связанных безызлучательным переносом энергии, при заселении их метастабильных состояний.
Построена статистическая модель процессов, вызывающих эффект "фотонной лавины" и получены усредненные решения, описывающие зависимости населенностей возбужденных состояний от интенсивности возбуждения.
Практическая значимость полученных результатов.
Практический интерес при создании сред для оптической записи и обработки информации представляют описанный принцип чувствительной люминесцентной записи и явление оптической беэреэонатор-ной бистабильности в средах с миграционно-ускоренным тушением, позволяющее осуществить схемы чисто оптической логики.
Обнаруженные нелинейные зависимости нетривиального характера в фотохромних концентрированных средах с безызлучательным переносом энергии позволят обратить внимание специалистов, работающих в области фотофизики и фотохимии на проблемы динамики Оезыз-лучательного транспорта энергии в системах с насыщением. Научную ценность для теории фотофизических процессов и экспериментальной практики применения оптических материалов (лазерных, регистрирующих и т.д.) имеют результаты, демонстрирующие возникновение микроструктурирования локального окружения фотоактивных центров и его влияние на динамику насыщения. Дальнейшее развитие методов
расчета многоуровневых активных сред с безызлучательным переносом энергии и рассмотренный примерописание эффекта "фотонной лавины" при наличии миграции возбуждений, позволят расширить представления о возможностях нелинейных оптических материалов, создавая основу для адекватного расчета их характеристик. Основные положения, выносимые на защиту.
Механизм усиления эффективности испускания флуоресценции полимерных слоев с высокой (-»1 М) концентрацией 9-замещенных антрацена и принцип записи усиленных люминесцентных изображений, основанные на ослаблении миграционно-ускоренного тушения флуоресценции при сенсибилизированном фотопревращении акцепторов энергии.
Механизм безрезонаторной бистабильности оптических параметров двух- и трехкомпонентных- ансамблей с миграционно-ускоренным тушением, основанный на уменьшении вероятности тушения фотохромных донорных центров при насыщении их метастабильных состоянии вследствие замедления миграционного транспорта возбуждений.
Обнаруженная зависимость эффективности насыщения метастабильных состояний фотохромных центров, связанных безызлучательным переносом'энергии в присутствии тушителей, от интенсивности перемешивания частиц: как при диполь-дипольном, так и при обмен-но-резонансном механизме миграционно-ускоренного тушения эффективность заселения метастабильных состояний донорных центров в вязком растворе выше по сравнению с жестким.
Модель среды с собственной оптической бистабильностыо на основе динамического концентрационного тушения, обусловленного диполь-дипольным индуктивно-резонансным переносом энергии на ас-социаты.
Механизм возникновения и закономерности развития микроструктурирования ансамблей фотохромных центров в вязких средах с безызлучательным транспортом энергии электронного возбуждения.
Описание и закономерности развития антистоксовой люминесценции с ростом интенсивности возбуждения в нелинейных лазерных средах с двухступенчатой накачкой трехуровневых примесных центров, взаимодействие между которыми приводит к беаызлучательному переносу энергии и кросс-релаксации.
Личный вклад соискателя. Основные результаты работы получены автором самостоятельно и в соавторстве с научным руководителем.
Апробация результатов диссертации. По результатам исследований сделаны догслгды на Всесоюзной студенческой конференции (г.Томск, 1989 г.), двух Международных конференциях, проводимых SPIE: Optical Computing (г.Минск, 1992 г.) и Optical Memory and Neural Networks (г.Москва, 1994 г.), двух международных конференциях по лазерной физике и спектроскопии в г.Гродно (1993 г., 1995 г.), конференции молодых ученых БГУ, посвященной 50-летию освобождения Беларуси от немецко-фашистских захватчиков (г.Минск, 1994г.), международной конференции по люминесценции (г.Москва, 1994 г.).
Опубликованность результатов. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, изложены в 10 статьях, опубликованных в периодических научных изданиях и 6 сборниках тезисов научных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики, четырех глав и кратких выводов. Включает 119 страниц машинописного текста, 27 рисунков, и список литературы, содержащий 120 наименований.
