Динамика поляризационно-оптической записи в пленках азосодержащих полимеров, страница 2

Полученные величины могут использоватьсядля аналитического описания оптических свойств конкретного соединения.4.Продемонстрированавозможностьмультиплекснойполяризационнойголографической записи в пленках аморфных азополимеров, позволяющеймногократно повысить информационную емкость используемого полимерногообразца.

При воздействии на изначально изотропный аморфный азополимерциркулярно-поляризованнымипучкамиобнаруженэффектселективногоотражения циркулярно-поляризованного света определенного знака, характерныйдля холестерических соединений (обнаружен эффект фотоиндуцированной“хиральности”).Практическая ценность1.Разработана модель светоиндуцированных процессов в азосодержащих полимерахс ЖК свойствами, позволяющая в рамках единой динамической задачи описатьдинамику изменения оптических характеристик полимерного образца на этапахсветового воздействия и релаксации.2.Предложенаметодикагиперполяризуемостейопределенияизомеровэффективныхазокрасителязначениймолекулярных(поляризуемостейисеченийпоглощения) в заданной полимерной матрице. Расчет основан на разработаннойтеоретической модели процессов фотоориентации и экспериментальных данных по6измерению светоиндуцированного двулучепреломления и дихроизма полимернойпленки при воздействии линейно-поляризованного света.3.Продемонстрированавозможностьиспользованияпленочныхобразцовисследуемого в работе соединения для высокоплотной голографической записи идолговременного хранения информации.

Максимальная величина дифракционнойэффективности, достигаемая в экспериментах по голографической записипревышала 80% на пространственной частоте ~1900мм-1. Время хранениязаписанных голограмм при соблюдении необходимых температурных режимовможет достигать нескольких лет.4.Обнаруженэффектфотоиндуцированной“хиральности”,возникающийвазополимерах при голографической записи циркулярно-поляризованными пучкамии сопровождающийся селективным отражением циркулярно-поляризованногосвета определенного знака.

Данное свойство поляризационных голограмм этоготипа позволило осуществить мультиплексную голографическую запись в пленкахаморфного азополимера с поляризационным разделением каналов.5.Предложенаметодикавысокоплотной голографическойзаписи в пленкахаморфных азосодержащих полимеров, основанная на мультиплексной записиобъемных голограмм с мультиплексированием по углу и поляризационнымразделением каналов. Примененная схема записи позволяет значительно повыситьинформационную емкость используемого полимерного образца.Защищаемые положения1.Развитаятеоретическаямодельпроцессовфотоориентациимолекулазосодержащего полимера с ЖК свойствами позволяет с приемлемой точностьюописать динамику светоиндуцированного изменения показателя преломления икоэффициента поглощения полимерной пленки.2.Предложенный подход к получению приближенных аналитических выражений,описывающих динамику оптических свойств среды, дает удовлетворительнуюаппроксимацию точного решения динамических уравнений модели применительнок реальным полимерным соединениям.3.Учет влияния нефоточувствительной полимерной матрицы на фотоориентациюазокрасителей через динамику параметра порядка полимера позволяет в рамкахединой динамической задачи описать как процессы записи, так и режимы хранениязаписанной в образце информации.74.Голографическаязапись циркулярно-поляризованнымсветом в изначальноизотропном аморфном образце азосодержащего полимера при определеннойгеометрии взаимодействия пучков приводит к образованию геликоидальныхструктур и возникновению эффекта селективного отражения циркулярнополяризованного света определенного знака, характерного для холестерическихсоединений (оптически наведенная “хиральность”).5.Методы поляризационной голографии позволяют повысить информационнуюемкость пленочных образцов азосодержащих полимеров при мультиплекснойзаписи объемных голограмм.Апробация работыМатериалы диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в журналах«Квантовая электронника», «Laser Physics», «Вестник Московского Университета.Серия 3.Физика.Астрономия»,SPIEProceedings.Основныерезультатыбылипредставлены на следующих конференциях: Conference on Laser Optics «LO-2000»(St.Peterburg, 2000), Международная научная молодежная школа «Оптика-2000» (СанктПетербург, 2000), International Conference on Photochemistry “ICP-XX” (Moscow, 2001),Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам«Ломоносов-2002» (Москва, 2002), Conference on Lasers, Applications and Technologies“LAT-2002” (Moscow, 2002), III Международная конференция молодых ученых испециалистов «Оптика-2003» (Санкт-Петербург, 2003), Третья Всероссийская Каргинскаяконференция «Полимеры-2004» (Москва, 2004), конференция по Фундаментальнымпроблемам оптики “ФПО-2004” (Санкт-Петербург, 2004) и на семинарах МеждународногоЛазерного Центра и кафедры общей физики и волновых процессов физическогофакультета МГУ им.

М.В. ЛомоносоваСтруктура и объем диссертационной работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемойлитературы. Полный объем работы 176 страницы (141 печатных страниц), включая 39рисунков. Библиография содержит 112 наименований, в том числе 13 научныхпубликаций автора.8Личный вкладВсе использованные в диссертации результаты являются оригинальными и былиполучены автором лично или при его определяющем участии.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность тематики диссертации, изложены основныепроблемырассматриваемоготематическогонаправления,приведеныцелиисформулирована научная новизна работы.

Проводится обзор существующих типовматериалов, используемых в качестве регистрирующих сред в задачах динамическойголографии, а также высокоплотной записи и долговременного хранения информации.Рассмотрены основные типы фоточувствительных органических соединений полимерногостроения и проведено сравнение голографических характеристик данных образцов сдругими аналогичными материалами. В завершении параграфа изложены основныенедостатки существующих теоретических моделей процессов фотоориентации молекул,входящих в состав азосодержащих полимеров.В первой главе диссертации предлагается теоретическая модель процессоввоздействия эллиптически-поляризованного света на азосодержащие полимерные среды снематическимиЖКсвойствами.Построениемоделиосуществлялосьсучетомвзаимодействия фотохромных молекул с нефоточувствительной полимерной матрицей.Разработанный подход позволил теоретически описать фотоориентационные механизмы вазополимерах, ответственные за долговременное хранение записанной в образцеинформации.В результате поглощения кванта света, молекула азокрасителя может совершитьпереход между двумя стабильными транс- и цис- изомерными конформациями.

В общемвиде схема энергетических уровней фотохромных молекул является чрезвычайносложной, но для относительно медленных процессов ( ~ 10 −3 с) достаточно рассматриватьвкладсостороныфотоизомеризацииазокрасителя,двухстабильныхпроисходитсечениятранс-изменениепоглощенияицис-ориентациихромофораисостояний.Впоглощающегоегорезультатепереходагиперполяризуемостей.Фотоиндуцированное изменение концентраций изомеров и их пространственнойориентации, приводит к изменению оптических свойств среды (показателя преломления икоэффициента поглощения).9Вероятность фотоизомеризационного перехода определяется характеристикамикрасителей в данной полимерной матрице (сечением поглощения изомера, квантовымвыходом реакции транс-цис изомеризации), а также параметрами воздействующего света:интенсивностью и состоянием поляризации. В модели предполагалось, что транс- изомеримеет стержнеобразную форму и величины гиперполяризуемостей вдоль оси молекулыоказываются много больше величин соответствующих перпендикулярным направлениям.Вероятность изомеризации транс- изомера при воздействии линейно-поляризованногосвета пропорциональна фактору ~ cos 2 θ (где θ - угол между дипольным моментомперехода молекулы и направлением поляризации света) и максимальна для молекул,ориентированных вдоль направления линейной поляризации.

Оптический отклик цисизомера считается изотропным.В состав полимерной матрицы равноправно с азокрасителями могут входить инефоточувствительные нейтральные фрагменты, вносящие свой вклад в оптическиехарактеристикисоединения.Врезультатефотоиндуцированныхперестроенийазокрасителей возможно структурное перестроение всей полимерной цепи. Наведеннаясветом анизотропия распределения молекул на уровне полимерной матрицы как правилоявляется более долгоживущей и является основополагающим фактором при анализепроцессов, отвечающих за долговременное хранение информации, записанной впленочных образцах аморфных азополимеров.Математическоеописаниединамикипроцессовфотоизомеризацииипереориентации молекул, входящих в состав полимера, осуществляется в терминахфункцийплотностиугловогораспределения.Рассматриваетсятринезависимыемолекулярные группы: транс- изомеры азокрасителя, цис- изомеры азокрасителя инейтральные молекулы полимера.

В параграфе 1.7 главы 1 была получена системабалансных уравнений, описывающих динамику функций распределения изомеровазокрасителей при воздействии эллиптически-поляризованного света с учетом влияниянефоточувствительной полимерной матрицы:⎧ ∂nt11Rc (1 + 5SP2 + DP2( 2 ) cos 2ϕ )( N 0 − ∫ nt dΩ′) − Dt ∆ Ω (nt (t , Ω) − nt0 (Ω));= − Rt nt +⎪4π6⎪ ∂ta20 (t )1 U ht 11 U ht 16a (t )∂D(t )⎪ ∂S (t )( S (t ) −) − 6 Dh ( S (t ) − S0 );( D (t ) − 22 ) − 6 Dh D(t );=−=−⎨5 kT τ h5a00 (t )5 kT τ h5a00 (t )∂t⎪ ∂t1⎪(1)⎪⎩nc (t ) = 4π ( N 0 − ∫ nt (t , Ω′)dΩ′);10здесь Ω = (θ , ϕ ) - телесный угол; Rt =1− εI || ⎛I1⎞σ t γ t ⎜ε +ζ (θ , ϕ ) ⎟ и Rc =σ cγ c +2hωτchω1+α⎝⎠скоростные коэффициенты, характеризующие интенсивность изомеризации;ζ t (θ , ϕ ) = α 2 sin 2 θ cos 2 ϕ + cos 2 θинтенсивность воздействующего света;I-- фактор- степень эллиптичности, ε ≡ σ t⊥ / σ t|| - коэффициентэллиптичности света, где αасферичности транс- изомера; σ c , σ t|| , σ t⊥ - сечения поглощения цис- изомера и трансизомера азокрасителя в направлениях вдоль и перпендикулярно оси молекулы; γ t и γ c квантовые выходы реакции фотоизомеризации; P2 и P2( 2 ) - присоединенные функцииЛежандра; a 20 (t ) и a 22 (t ) - коэффициенты разложения функции nt (t ,θ , ϕ ) в ряд посферическим функциям; Dt и D f - коэффициенты вращательной диффузии трансизомеровазокрасителяимолекулполимернойматрицы;U ht-потенциалмежмолекулярного взаимодействия; τ h - время релаксации полимерной матрицы.Влияние нейтральных молекул было учтено путем рассмотрения динамики измененияпараметра порядка полимерной матрицы, возникающего в результате фотоориентацииподсистемы азокрасителей.

Воздействие поляризованного света на полимер приводит кпереориентации азохромофоров, которые в свою очередь вызывают перераспределениесвоего молекулярного окружения, и следовательно изменение параметра порядканематического домена. Для описания степени анизотропии распределения нейтральныхмолекулD=быливведены1 ( 2)P2 (cosθ ) cos 2ϕ2Nдваскалярныхпараметрапорядка:S = P2 (cosθ )Nи(усреднение ведется по всем молекулам полимерной матрицы).В случае нематического ЖК полимера начальные условия динамической задачи имеютвид: для подсистемы азокрасителей nt (t = 0, Ω) =1(1 + 5S 0 P2 (cosθ )), nc (t = 0) = 0 , для4πполимерной матрицы S (t = 0) = S 0 , D(t = 0) = 0 .По известным функциям плотности углового распределения можно рассчитатьсветоиндуцированное изменение показателя преломления∆nindи коэффициентапоглощения ∆β ind полимера во времени.