способ определения эффективных нелинейностей органических кристаллов

Формула изобретения

Способ определения нелинейно-оптических свойств кристаллов органических соединений, по которому луч от источника излучения направляют на исследуемый кристалл, регистрируют интенсивность излучения второй гармоники, сопоставляют интенсивность излучения второй гармоники исследуемого соединения и органического соединения с известными свойствами (органического эталона), полученными при одинаковых условиях, отличающийся тем, что берут кристаллы фосфорорганических соединений в виде полидисперсных порошков с размером частиц в пределах 10-10³ мкм, помещают их в кювету толщиной слоя в 1 мм, последовательно пропускают через него и органический эталон, имеющий такие же показатели преломления, что и исследуемый кристалл, луч твердотельного лазера с длиной волны генерации 1064 нм, интенсивностью 10⁸ Вт/см², частотой повторения импульсов 12,5-50 Гц, длительностью импульсов 8 нс, регистрируют излучение второй гармоники автоматизированным спектрометром, определяют эффективную нелинейность исследуемого образца по формуле



где - эффективная нелинейность эталона;

- эффективная нелинейность исследуемого образца;

I^э - интенсивность второй гармоники эталона;

I^ио - интенсивность второй гармоники исследуемого образца, интенсивности I^э и I^ио определяются из полученных спектров в относительных единицах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области материаловедения по исследованию нелинейных оптических материалов.

Кристаллы ряда органических материалов обладают достаточно высокими нелинейными восприимчивостями и прозрачностью в рабочем диапазоне длин волн часто используемых источников излучения. Они могут быть использованы в нелинейной оптике во всех случаях, в которых применяются фосфаты, формиаты и ниобаты металлов. Поэтому изучение нелинейно-оптических свойств кристаллов различных органических материалов представляет важное значение.

Известен способ оценки нелинейных восприимчивостей монокристаллов хорошего оптического качества [1]. Сущность метода заключается в том, что поликристаллы погружаются в кювету, заливаются иммерсионной жидкостью, излучение лазера направляется на поликристаллический порошок исследуемого соединения. Сигнал удвоенной частоты регистрируется с помощью датчиков оптического излучения - фотоэлемента или фотоумножителя. Сравнивая интенсивность излучения второй гармоники в порошках эталонного и исследуемого соединения, оценивается величина нелинейной восприимчивости последнего. К недостаткам следует отнести отсутствие требований к кристаллическому порошку исследуемого соединения и режимам работы лазера.

Известна работа [2]. Авторы предложили экспериментальное устройство и методику оценки нелинейных восприимчивостей оптических материалов. Основная конфигурация, используемая для исследования второй гармоники в порошках, состоит из переключаемого лазера, несфокусированный луч которого падает на тонкий слой (~0,2 мм) порошка исследуемого вещества. После того, как основной луч удален выходным светофильтром, фотоумножителем регистрируется интенсивность второй гармоники, которая отображается на экране осциллографа. Чтобы улучшить эффективность пребразования основного излучения во вторую гармонику, в датчик непосредственно перед образцом был помещен параболический отражатель с маленьким отверстием, пропускающим возбуждающий лазерный луч. При исследовании кристаллов CaWO₄ использовался YAG лазер, имеющий пиковую мощность импульса около 100 Вт. Максимальный период импульсов лазера составлял 30 секунд. Диаметр луча в образце был ~5 мм. В работе использовался YAG лазер в режиме модуляции добротности с вращающимся с частотой 400 Гц зеркалом. Пиковые мощности в этом случае были ~1 кВт, длительность импульса ~200 нс. Недостатки: авторы описали оценку нелинейно-оптических свойств только неорганических соединений, таких как PbO, MgTiO₃, PbMg₄ .

В данном случае дается оценка нелинейно-оптических свойств органических соединений.

При некоторой общей схожести с указанной выше работой конструкции установок существенно отличаются параметрами лазерного излучения, оптической схемой. Отличаются режимы работы установки и требования к порошку.

Наиболее близким является способ исследования эффекта возбуждения второй гармоники, изложенный в работе [3]. Для возбуждения второй гармоники применяется импульсно-периодический Nd: YAG - лазер 2PSL-105/5QEM, длина волны излучения 1,064 мкм, характерная длительность импульсов излучения 15 нс, энергия в импульсе 35 мДж, частота повторения импульсов 17 Гц. Излучение лазера пропускается через светофильтр КС-18, отсекающий излучение видимого диапазона, создаваемое лампой накачки лазера, и затем попадает на кювету с исследуемым образцом. Образец приготавливается в виде порошка со средним размером зерен ~0,1 мм, засыпанного между двумя параллельными вертикально установленными покровными стеклами. Толщина стекла ~0,17 мм, расстояние между ними - 1,5 мм. Излучение второй гармоники от образца с помощью линзы с фокусным расстоянием f=94 мм собирается в симметричной геометрии 2f/2f на входящую щель решетчатого монохроматора. На пути этого излучения устанавливается светофильтр СЗС-21, имеющий полосу пропускания в окрестности ожидаемого максимума на спектре излучения второй гармоники. Измерение сигнала, получаемого на ФЭУ (R-928), производится по схеме синхронного детектирования на усилителе SR-810. Измерение спектра второй гармоники излучения, возбуждаемого в образце, проводится в спектральном диапазоне 532-534 нм с использованием дифракционной решетки 600 штрихов/мм с максимумом отражательной способности около 500 нм. Недостатки: данная методика применена для ураносодержащих соединений и использовать ее для исследования нелинейно-оптических свойств кристаллов органических материалов не предоставляется возможным из-за использования различных эталонных образцов и различных элементов экспериментальной установки. Лазеры отличаются своими характеристиками, линзы также имеют различные характеристики, требования к порошку и его расположения также отличаются [3].

Целью предлагаемого изобретения является определение нелинейно-оптических свойств кристаллов органических соединений. Для достижения данной цели предлагается способ, состоящий в том, что луч от источника излучения направляют на исследуемый органический кристалл, регистрируют интенсивность излучения второй гармоники, сопоставляют интенсивности излучения второй гармоники исследуемого соединения и органического соединения с известными свойствами (органического эталона), полученными при одинаковых условиях, отличающийся тем, что берут кристаллы фосфорорганических соединений в виде полидисперсных порошков с размером частиц в пределах 10-10³ км, помещают в кювету толщиной слоя в 1 мм, последовательно пропускают через него и органический эталон, имеющий такие же показатели преломления, что и исследуемый кристалл, луч твердотельного лазера с длиной волны генерации 1064 нм, интенсивностью 10⁸ Вт/см ², частотой повторения импульсов 12,5-50 Гц, длительностью импульсов 8 нс, регистрируют излучение второй гармоники автоматизированным спектрометром, определяют эффективную нелинейность исследуемого образца по формуле

где - эффективная нелинейность эталона,

- эффективная нелинейность исследуемого образца,

I^э - интенсивность второй гармоники эталона,

I^ио - интенсивность второй гармоники исследуемого образца,

интенсивности I^э и I^ио определяются из полученных спектров в относительных единицах.

Более подробно определение нелинейно-оптических свойств кристаллов фосфорорганических соединений по предложенному способу осуществляется следующим способом. Для определения нелинейно-оптических свойств фосфорорганических соединений в качестве представителей взяты ЕЕЕ- и ZZZ-изомеры тристирилфосфиноксида и тристирилфосфинсульфида.

Исследования нелинейно-оптических свойств тристирилфосфиноксидов и тристирилфосфинсульфидов включали следующие операции:

- отбирают для исследования полидисперсные порошки с размером частиц 10-10³ мкм;

- подбирают органический эталон, имеющий такой же показатель преломления, что и исследуемый кристалл;

- последовательно помещают в кювету толщиной в 1 мм кристаллические порошки одинаковых размеров фосфорорганических соединений и органического эталона;

- направляют луч твердотельного лазера с длиной волны излучения 1064 нм и интенсивностью 10⁸ Вт/см² (частота повторения импульсов варьировалась в пределах от 12,5 до 50 Гц, длительность импульсов, управляемая электрооптическим затвором, составляла 8 нс) поочередно на слой исследуемого порошка и эталона;

- собирают преобразованное во вторую гармонику излучение с помощью линзы и направляют на входную щель монохроматора, расположенного на фокусном расстоянии линзы;

- регистрируют сигнал второй гармоники фотоумножителем и подают его на АЦП персонального компьютера, который с помощью программного обеспечения записывает спектр излучения второй гармоники;

- анализируют спектр второй гармоники (длина волны излучения 0,532 мкм) с помощью автоматизированного спектрометра, включающего монохроматор, дополненный шаговым двигателем, вращающим барабан перестройки длины волны под управлением персонального компьютера;

- определяют эффективную нелинейность исследуемого образца по формуле

где - эффективная нелинейность эталона,

- эффективная нелинейность исследуемого образца,

I^э - интенсивность второй гармоники эталона,

I^ио - интенсивность второй гармоники исследуемого образца.

Интенсивности I^э и I^ио определяются из полученных спектров в относительных единицах.

В Иркутском филиале института лазерной физики СО РАН были проведены исследования по определению нелинейно-оптических свойств кристаллов фосфорорганических соединений: Е,Е,Е- и Z,Z,Z-изомеров трис(стирил)фосфиноксида и трис(стирил)фосфинсульфида.

На фиг.1, 2 представлены результаты проведенных исследований для кристаллов Z,Z,Z-трис(стирил)фосфиноксида и органического эталона формиата лития.

Из фиг.1 находим, что I^ио=51 о.е., из фиг.2 находим, что I^э=62,9 o.e., из работы [4] берем тогда по разработанной формуле изобретения для исследуемого образца Z,Z,Z-трис(стирил)фосфин оксида определяем

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исследовать нелинейно-оптические свойства новых органических кристаллов и определять с достаточной точностью их эффективные нелинейности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коренева Л.Г., Золин В.Ф., Давыдов Б.Л. Нелинейная оптика молекулярных кристаллов. - М. - Наука, 1985. - С.91-92.

2. KURTZ S.К., PERRY Т.Т. A powder technique for the evaluation of nonlinear optical materials // Journal of applied physics. - 1968. - number 8. - volume 39. - P.3798-3813.

3. Алексеева Е.В., Сулейманова Е.В. и др. Кристаллическая структура и некоторые нелинейные оптические свойства соединения K₂ UO₂(SO₄)₂·2H₂ O // Кристаллография. - 2006. - № 1. - том 51. - С.36-40.

4. Никогосян Д.Н., Гурзадян Г.Г. Кристаллы для нелинейной оптики // Квантовая электроника. - 1987. - № 8. - т.14. - С.1532.