CC BY
23
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 148, кн. 1 Физико-математические пауки 2006
УДК 535.2
ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ФОТОННОЕ ЭХО В ПОЛИМЕРНОЙ ПЛЕНКЕ, ЛЕГИРОВАННОЙ МОЛЕКУЛАМИ КРАСИТЕЛЯ,
ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
А.В. Леонтьев, К. В. Ивапип, B.C. Лобков, Г.М. Сафтуллип,
А.Е. Климовицкий, К.М. Салихов, В.В. Самарцев
Аннотация
Обнаружены и исследованы сигналы первичного и стимулированного фемтосекундного фотонного эха в поливипилбутиралевой пленке, легированной молекулами фтало-цпапппа, при комнатной температуре, причем сигнал стимулированного эха при столь высокой температуре наблюден впервые. Сняты кривая спада и спектр сигнала первичного фемтосекундного фотонного эха.
Введение
В настоящее время сформирована новая область лазерной нестационарной спектроскопии. основанная на исследовании сигналов фотонного эха. оптическая эхо-спектроскопия, представляющая собой мощный метод исследования быстро-протекающих процессов в веществе. Активно разрабатываются оптические эхо-процессоры [1]. работа которых основана на явлении фотонного эха. возбуждаемого ультракороткими лазерными импульсами.
Подавляющее число оптических эхо-экспериментов в твердом теле поставлено при температуре жидкого гелия. Это связано с необходимостью подавления релаксационных процессов с участием тепловых фононов. что происходит в результате удлинения характеристических времен этих необратимых процессов релаксации [2].
Использование фемтосекундных лазерных импульсов позволяет снять эти ограничения и довести температуру образца в эхо-экспериментах до комнатных температур [31.
Данная работа посвящена экспериментальному поиску и исследованию фемтосекундного фотонного эха в полимерных пленках, легированных молекулами красителя. при комнатной температуре. Подобные материалы являются прототипами недорогих компактных носителей информации высокой плотности для использования в оптических эхо-процессорах [1].
В настоящей работе в качестве исследуемого образца использована полимерная пленка поливинилбутираля РУВ толщиной 65 мкм. легированная молекулами фталоцианина марки Н\¥ 1009 в концентрации 10-3 — 10-4 моль/л. Ранее было экспериментально установлено [5]. что длина волны линии поглощения пленок, легированных этими молекулами па энергетическом переходе $о — $1, составляет 780 нм. что совпадает с рабочей длиной волны их титан-сапфирового лазера и аналогичного усилителя, использовавшихся в пашем эксперименте.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки по обнаружению фемтосекундного фотонного эха (ФФЭ) и самодифракции в полимерной пленке, легированной молекулами красителя: 1 усилитель (Ткв), 2 УАС-лазер, 3 блок синхронизации. 4 осциллограф, 5 компрессор. 6 стретчер, 7 ячейка Поккельса, 8, 9 Р1К-диоды. 10 Аг-лазер. 11 фемтосекундный лазер (Ткв), 12 полихроматор, 13, 14. 15 оптические линии задержки, 16 - образец, 17 - полихроматор, 18 - система сбора данных, кі, кг, кз, к_Б — волновые векторы, соответственно, первого, второго, третьего импульсов и эхо-сигпала
1. Экспериментальная установка
В качество источника возбуждения в экспериментах использовалась лазерная система ”А\-081а (Россия, г. Троицк. Московская обл.). включающая в себя
фемтосекундный ТкБ-лазер ТЮБАЮО. с накачкой Аг-лазора ЛГН-512. и усилитель на кристалле ТкБ. Средняя выходная мощность ТкБ-лазера составляла 600 мВт при мощности накачки 6 Вт. длительность импульсов 50 60 фс. частота следования импульсов составляла 100 МГц. Усилитель представлял собой шестипроходную систему из конфокальных зеркал с предварительным чирпированиом импульсов. подлежащих усилению, и последующим оптическим сжатием после усиления. Эффективность усиления достигала примерно 105 при накачке усилителя второй гармоникой УАС:>М-лазора с энергией 10 мДж (фирма ГОТЮ. Беларусь). Энергия усиленного импульса составляла 600 мкДж. Частота следования импульсов после усиления составляла 50 Гц. Спектральные характеристики сигналов контролировались полихроматорами. сигналы с которых поступали в систему сбора данных.
Импульсы с волновыми векторами кх, к^ кз, разделенные во времени при помощи оптических линий задержки (ОЛЗ). направлялись на образец. При дву-
кз
нал первичного фемтосекундного фотонного эха (ПФФЭ) в направлении, заданном волновым вектором ке = 2к2 — кх. В случае возбуждения образца тремя импульсами в направлении ке = кх + к2 + к3 наблюдался сигнал стимулирован-
/РЕ* • •# (а) SE (Ь) SD (С) . . (d)
\ • 3 л л • • *# * * •*л-.
2 1 р j 2 1 t. . .
SD> . ,
Рис. 2. Фотографии «следов» на экране от возбуждающих импульсов, эхо-сигналов и сигналов самодифракции: 1, 2, 3 - первый, второй и третий импульсы соответственно, РЕ -сигнал ПФФЭ, 8Е - сигнал СФФЭ, прочие слабые «следы» - сигналы самодифракции
100 150 200 250 300 350 400 450
Delay, fs
Рис. 3. Зависимость относительной интенсивности ПФФЭ от времени задержки т (кривая спада) при температуре жидкого азота (а) и при комнатной температуре (b)
ного фемтосекундного фотонного эха (СФФЭ). Визуально наличие сигналов ФФЭ можно было проследить, наблюдая «следы» на экране, помещенном за образцом (рис. 2). Временной интервал между первым и вторым возбуждающими импульсами варьировался с помощью линии задержки от 150 до 450 фс, а временной интервал т' между вторым и третьим импульсами при наблюдении стимулированного ФФЭ составлял 150-170 фс.
При двухимпульсном возбуждении и нулевом значении задержки между первыми двумя импульсами к2, на экране видна симметричная картина - первые
порядки сигналов самодифракции (рис. 2, с). С увеличением задержки (рис. 2, а) сигналы самодифракции исчезают, и наблюдается только сигнал ПФФЭ на месте первого порядка дифракции. При дальнейшем увеличении задержки зафиксирован временной спад интенсивности эхо-сигнала. При возбуждении образца тремя импульсами также видна система «следов» сигналов самодифракции (рис. 2, с1), с увеличением задержки между к^ и к2 наблюдаются сигналы ПФФЭ и СФФЭ (рис. 2, Ъ).
2. Результаты и обсуждение
В данном эксперименте были сняты зависимости относительной интенсивности
т
полученные при температуре жидкого азота (а) и при комнатной (Ь) температуре.
Wavelength, nm
Рис. 4. Спектр сигнала ПФФЭ, полученный при комнатной температуре (сравнение с нормированным спектром сигнала возбуждения, прошедшего через образец)
Они приведены на рис. 3. Спектр этого сигнала приведен на рис. 4 с полушириной 3 • 1013c-1.
Анализ кривых (За. 3Ь) показывает, что они не могут быть описаны простой экспоненциальной функцией. В таких ситуациях обычные оптические уравнения Блоха не описывают процессы фазовой релаксации [3]. Дело в том. что оптическая полоса поглощения примесных центров состоит из узкой босфононной линии (БФЛ) лоронцовской формы и широкого фононного крыла (ФК). При сильном взаимодействии, реализующемся при комнатной температуре образца. БФЛ практически отсутствует. В этих условиях сигнал ФФЭ формируется примесными центрами. возбуждаемыми через фононноо крыло, а кривая спада может быть описана функцией F(т, Т) (где т - время задержки, Т - температура образца), зависящей от типа элоктрон-фононного взаимодействия [3]. Поэтому, в принципе, из кривой спада ФФЭ можно определить силу элоктрон-фононного взаимодействия.
Отметим, что в этом режиме можно организовать процесс когерентного лазерного охлаждения, когда фотоны когерентного отклика будут уносить из образца энергию фононов, участвующих в электронно-колебательных переходах.
Настоящие исследования поддержаны РФФИ (проекты X- 05-02-16003, 06-0216491), Договором между КФТП КНЦ РАН и НЦВТ ИОФ РАН, Программой «Ведущие научные школы» (X- НШ-1905.2003.02), Договором между КФТН КНЦ РАН и ФИ РАН и Программой ОФН РАН «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты».
Авторы благодарны профессору А.К. Ребано за предоставленные образцы.
Summary
A.V. Leontiev, K.V. Ivanin, V.S. Lobkov, G.M. Safiullin, A.E. Klimovitskiy, K.M. Sali-khuv, V. V. Swmartsev. Femtosecond photon echo in dye-doped polymer film at room temperature.
The two-pulse and three-pulse (stimulated) photon echoes are observed in polyvinylbutural film activated by the plithalocyanine molecules at room temperature. The intensity decay and spectrum of the two-pulse photon echo are investigated.
Литература
1. Калачев А.А., Самарцев В.В. Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2003. 281 с.
2. Маиыкии Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
3. Lobkov V.S., Salikhov К.М., Samartsev V.V., Safiullin G.M., Zuikov V.A. Femtosecond photon echo in dye-doped polymer film at room temperature // Laser Pliys. Lett. 2005. V. 3, No 1 P. 26 30.
4. Контуров С.В., Зуйков В.А., Лобков B.C., Салихов К.М., Сафиуллии Г.М., Самарцев В.В. Обнаружение фемтосекундного фотонного эха в полимерной пленке, легированной молекулами красителя, при температуре жидкого азота // Когерентная оптика и оптическая спектроскопия. Казань, 2004. С. 282.
5. Zuikov V.A., Ferri М., Ollikainen О. et al. Wave-matching of femtosecond and picosecond photon echoes in dye-doped polymer films // Laser Pliys. 1996. V. 6, No 4. P. 729 734.
Поступила в редакцию 17.02.06
Леонтьев Андрей Владимрович студент физического факультета Казанского государственного университета.
Иванин Константин Валерьевич студент физического факультета Казанского государственного университета.
Лобков Владимир Сергеевич кандидат физико-математических паук, заместитель заведующего лаборатории МФХ Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН.
Сафиуллин Георгий Маратович кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник лаборатории МФХ Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН.
Климовицкий Александр Евгеньевич кандидат физико-математических паук, научный сотрудник лаборатории физической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Салихов Кев Минуллинович доктор физико-математических паук, директор Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН.
E-mail: salikhovQkfti.kne.ru
Самарцев Виталий Владимирович доктор физико-математических паук, академик РАЕН, профессор, заведующий лабораторией нелинейной оптики Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН.
E-mail: samartsevekfti.kne.ru
