Введение к работе
Актуальность темы. Создание лазеров позволило экспериментально ire следовать процессы, обусловленные большим» плотностями мощности излучении. Это стимулировало быстрой развитие нелинейной оптики, дало возможность исследовать эффекты, недоступные методам долазерной спектроскопии. Изучение закономерностей трансформации оперши в возбуждаемой высокой плотностью радиации молекулярной систош с неоСходимостью требует учета нелинейных процессов, сопровождающих то нлп иное явление.
Наиболее полную информацию о нелинейных процессах, протекающих в многоатомных молекулах, как с точки орення изучения общих закономерностей преобразования энергии cdotoboto возбуждения, так п нх практического применении (в первую очередь в качество активных лазерных сред), можно получить путем исследования спектрально-поляризационных зависимостей. С помощью лазерного излучения, как источника возбуждения, обладающего большими функциональными возможностями (широкий диапазон шшеиения мощности, воомож-ность преобразования получения п любое состояние поляризации, перестройка этого излучения по частоте), можно поучать разнообразный круг нелинейных явлений (ииогофотоиное поглощение, насыщение и тушение люминесценции, наведенная анизотропия и др.). Для перечисленных и других типов нелинейных процессов величина и вид зависимости степени поляризации по частоте возбуждения и испускания весьма характерны. Это позволяет весьма аффективно решать многие задачи нелинейной спектроскопии, в частности, устанавливать природу состояний, участвующих в многоквантовом возбуждении, механизм преобразования поглощенной световой энергии при мощном возбуждении, определять аоанмное расположения осцилляторов переходов с поглощением и испусканием и т.п.
Хотя исследования о области нелинейной спектроскопии сложных молекул ведутся давно, взаимосвязь поляризационных характеристик с видом нелинейных процессов и механизмом их осуществления для рао-ных нелинейных оффектов с единых полиций не исследовалась. В силу вышесказанного, изучение поляризационных зависимостей в спектрах излучения, поглощения н генерации многоатомных молекул в широком
диапазоне мощностей воздействующего на молекулярные системы излучения является, безусловно, актуальным, в особенности с учетом использовании их в различных устройствах квантовой электроники.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре общей фиопкп и лаборатории нелинейной спектроскопии Белгосуїшверсптета п 1970-1994 годах в соответствии с плановыми научными исследованиями по темам, входившим в программы АН СССР, АН БССР, АН РБ.
Целью работы являлось систематическое поучение методами поляризованной люминесценции процессов, возникающих при воздействии мощного оптического возбуждения на многоатомные органические молекулы, н разработка спектрально-поляризационных методик определения типов и механизмов нелинейных процессов в молекулярных системах. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
выяснить общие закономерности в механизмах двухбайтового возбуждения люминесценции с первого и более высоких возбужденных электронных состояний (ВВЭС) для различных классов молекул, найти связь между поляризационными характеристиками люминесценции молекул и механизмом процесса двухфотонного поглощения (ДФП);
установить и исследовать закономерности нелинейного поглощения в зависимости от структуры молекулы, определить природу электронных состояний, участвующих в процессе возбуждения;
показать эффективность применения осцилляторноп модели для процессов двухквантового возбуждения люминесценции сложных молекул. Разработать оецплляторную модель для описания -поляризационных характеристик двухфотонновозбуждаемоп люминесценции во взаимосвязи со структурой энергетических уровней молекул;
изучить закономерности формирования индуцированного излучения лазеров на основе органических соединений в широком диапазоне изменения интенсивности накачки, включая околопороговую область разработать модель для описания этих закономерностей применительно к различным вариантам накачки и спсктрально-полярпэационныь: характеристикам возбуждающего излучения;
разработать методику измерения интенсивности и степени поляризации излучения* при импульсном лазерном возбуждении флуорес
ценцип и генерации растворов.
Hay тшая НОВИОІїа работы определяется тем, что в диссертации систематически исследованы нелинейные явлення: двухфотошюо поглощение, спетовое тушение люминесценции, люминесценция из высоких возбужденных состоянии, наведенная оптическая анизотропия индуцированного излучения и растворах; установлена спяль между строенном молекул, поляризационными характеристиками получения растворов и особенностями протекания нелинейных процессов. Получены спадения об энергетической структуре состоянии, которые це могут быть обнаружены при одноквантовых переходах. Обоснованы условия создания лазеров на основе растворов органических красителей с управляемыми энергетическими и поляризационными характеристиками. Впервые:
для нескольких классов органических молекул d растворах (производные фталнмнда, ннразолнна, антрацена, кеантеновые красители) обнаружено ДФП череп виртуальные промежуточные состояния; определена природа этих состояний. Установлена связь между сечением ДФП, степенью поляризации- флуоресценции а структурой уровней энергии молекулы;
показано, что световое тушение влияет на скорость вращатель-нон деполяризации люминесценции, а дезориентация молекулы скапывается на интегральной мощности получения; обнаружена п докаоана необходимость учета при больших мощностях возбуждающего излучения дополнительных каналов деоактиващш энергии возбужденного состояния, кроме вынужденных переходов (кумуляция энергии (КЭ), двухквантовые переходы);
экспериментально доказано наличие коротковолновой люминесценции из ВВЭС для растворов органических молекул; поучена кумуляция энергии еинглетно-возбужденных молекул в растворе; установлено существование различных каналов заселення ВВЭС и показана возможность экспериментального разделения двух процессов оаселенпя высоких возбужденных электронных состояний, ДФП и двухступенчатого возбуждения (ДСП) через реальные состояния; предложен метод определения взаимного расположения дппольных моментов переходов между возбужденными состояниями для сложных молекул в растворах при двухквантовом возбуждении;
теоретически проанализирована и якгпернментальио проверена зависимость энергии и степени поляризации индуцированного излучения лазера на красителе от геометрии накачки и эллиптичности возбуждающего излучения; обоснован механизм формировании излучения генерации, обусловленный некогеренткой смесью колебаний всех возможных поляризаций; предложен метод управления анергией и степенью поляризации генерации жидкостного лазера, работающего в околопо-рогоиом режиме;
разработан двухлучевой метод измерения степени поляризации излучения при импульсном возбуждении, заключающийся в одновременном сравнении световых полей двух составляющих анализируемого излучения, являющийся некритичным к нестабильности световых лазерных источников по анергии п сечению пучка. Метод позволяет измерять близкие к единице оначсішя степени поляризации спонтанного и вынужденного излучения с высокой степенью точности.
Практическая значимость результатов работы и
их реализация
-
Разработанный метод анализа спектров ДФП и спектральных поляризационных зависимостей многоатомных молекул в растворах обеспечивает идентификацию состояний, участвующих в двухквантовог*; переходе, позволяет определить механизм ДФП, энергетическую природу виртуальных состояний. Показано, что поляризационные исследования являются надежным способом установления характера и вид; тензора ДФП.
-
Результаты спектральных поляризационных исследований люми несценцпи в пределах нескольких электронных переходов растворов ор гапических соединений при двуххвантовом возбуждении могут служнті основой для разработки жидкостных лазеров с заданными частотным! и поляризационными характеристиками.
3. Разработаны методы определения каналов и механизмов дезак
тпвации оперши (кумуляция анергии, двухбайтовые переходы) прі
интенсивном возбуждении, основанные на исследовании спектрально
поляризационных характеристик сложных молекул при световом туше
ІШИ.
-
Покапано, что налігше различных каналов засоления ВВЭС молекул, может существенно влиять на энергию, спектральный состав и состояние поляризации излучения лаперов на основе растворов органических соединении.
-
Предложен метод оптимизации п управления выходными параметрами генерации лшдкостшлх лазеров, заключающийся d подборе концент])ицпи активного вещества п изменении степени эллиптичности пнерпт возбуждающего получения; обоснован механизм формирования получения генерации, позволяющий более детально подойти к вопросу о природе поляризации нплуления жидкостных лаоероп.
-
Разработан визуальный и фотометрический двухлучепой метод намерении степени поля]>ипацті спонтанного и индуцированного получения с. необходимо)! точностью в широком диапазоне оначеннй анизо-трошш.
Защищаемые положения
-
Механизм ДФП многоатомных органических молекул, а также природа промежуточных электронных состояний молекулярной системы, ответственных за протекание укапанного' процесса. Применимость приближения одного промежуточного состояния, пооволяющего в теории ДФП построить осцилляторную модель дипольных переходов в молекуле, на ее основе интерпретировать экспериментальные результаты по намерению поляризационных зависимостей в спектрах поглощения и люминесценции для различных классов молекул и обосновать анизотропный характер двухфотонновозбуждаемой флуоресценции.
-
Схема формирования колебательной структуры спектров ДФП для многоатомных молекул, обладающих центром инверсии, для которых двухфотонные дппояьные переходы запрещены по четности. Механизм снятия оапрета по четности для ДФП "за счет електронно-колебательного взаимодействия по теории Гсрцберга-Теллера.
3. Метод разделения различных каналов дезактивации энергии поз-
бужде-шюго состояния (кумуляция, многоквантовые процессы) для изу
чения особенностей внутри- и межмолекулярных процессов релакса
ции. Влияние процессов броуновской вращательной релаксации на сте
пені, поляризации н интенсивность излучения и поле мощной световой
волны.
4. Метод определения взаимной ориентации дппольных моментов пе
реходов между возбужденными состояниями в молекуле, основанный на
измерении степени поляризации люминесценции из ВВЭС при ступен
чатом возбуждении двумя линейно поляризованными световыми пото
ками с различной взаимной ориентацией векторов поляризации.
Критерий' разделения состояний, ответственных оа коротковолновую и "горячую" люминесценцию, основанный на оценке времени жизни возбужденных состояний из поляризационных измерений флуоресценции.
5. Метод определения механизма заселения ВВЭС при двухбайто
вом возбуждении световыми потоками с различным состоянием поля
ризации, основанный на изучения поляризационных характеристик ко
ротковолновой люминесценции. Аномальное увеличение сечения ДФП
(приближение к величине одноквантового ступенчатого поглощения) в
области двойного резонанса для молекулярных систем с высокой плот
ностью конечных состоянии.
6. Результаты исследований кумуляции энергии еннглетпо-
возбужденных молекул в растворах, основанные на изучении поляри
зационных характеристик люминесценции из ВВЭС и показывающие
влияние КЭ на анизотропию и порог.генерации жидкостных лазеров.
7. Теоретический анализ и экспериментальные исследования влия
ния степени эллиптичности излучения возбуждения и геометрии на
качки на генерационные характеристика лазера на растворах краси
телей в околопороговой области, обосновывающие механизм формиро
вания излучения генерации, обусловленный некогерентной смесью ко
лебаний различаых поляризации и показывающие возможность упра
вления энергией и степенью поляризации генерации путем изменения
эллиптичности излучения накачки и концентрации активного вещества.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции по люминесценции, Ленинград, 1972; XIII Международной конференции по Рама-новской спектроскопии, Вюрсбург, Германия, 1992; Европейском конгрессе по квантовой оптике, Фирекзе, Италия, 1993; Австралийской конференции по оптике, лазерам и спектроскопии, Мельбурн, Австра-лия,1993; XVI Конгрессе Международного оптического общества, Бу-
дапешт, Венгрия, 1993; на Всесоюзных совещаниях по люминесценции, когерентной и нелинейной оптике (Сухуми 1971, Москва 1974, Киев 1975, Минск 1977, Самарканд 1979, Ленинград 1986, Харьков 1990); республиканских конференциях и семинарах.
Публикации. Основные реоультаты работы опубликованы в одном препринте, 20 научных статьях, 20 теопсах докладов, в трудах конференций и совещании, оащнщены патентом на нообретение. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. В диссертации положены результа
ты работ, выполненных лично автором, либо п соавторстве с колле
гами и учениками. Личный вклад автора заключается в постановке
оадач исследования (в ряде случаев совместно с Воропаем Е.С., Гай-
сенком В.А., Слободяшоком А.И.), разработке методик эксперимента
и создание оригинальной установки, построении теоретических моде
лей, аналиое и интерпретации результатов, а также в непосредствен
ном участии в экспериментальных исследоавнпях. Полуколичественное
описание отдельных явлений нелинейного тушения флуоресценции было
выполнено совместно с Гайсенком В.А. Осцилляторное моделирование
процессов получения и поглощения растворяв многоатомных молекул
при мощном возбуждении было проведено совместно с Буровым Л.И.
Другие соавторы участвовали в постановке эксперимента п обсужденип
результатов. . '.-
