ИССЛЕДОВАНИЕ  ВОЗМОЖНОСТИ  ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ  ЭФФЕКТИВНОГО  ПЕРЕНОСА  ЭНЕРГИИ  ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ  ГЕНЕРАЦИИ  НА  ОРГАНИЧЕСКИХ  СОЕДИНЕНИЯХ  В  КРАСНОЙ  ОБЛАСТИ  СПЕКТРА

Лапина  Инна  Леонидовна

магистрант  1  курса,  Радиофизический  факультет,  Национальный  исследовательский  Томский  государственный  университет,  РФ,  г.  Томск

E -mail:  inna_lapina_92@mail.ru

Гадиров  Руслан  Магомедтахирович

научный  руководитель,  канд.  хим.  наук,  Лаборатория  органической  электроники  СФТИ  ТГУ,  РФ,  г.  Томск

Актуальной  проблемой  современной  квантовой  электроники  является  создание  перестраиваемого  в  широком  диапазоне  длин  волн  лазерного  источника,  имеющего  малые  габариты  и  энергопотребление.  Тип  лазеров,  позволяющий  осуществлять  плавную  перестройку  длины  волны  генерации  в  широких  пределах,  это  лазеры  на  красителях.  Изначально  активной  средой  такого  типа  лазеров  были  растворы  органических  красителей,  что  значительно  снижало  удобство  их  эксплуатации  и  сужало  область  использования  таких  лазерных  систем.  В  настоящее  время,  создаются  твердотельные  активные  среды  перестраиваемых  лазеров  с  параметрами,  не  уступающими  параметрам  растворов.  Органические  тонкопленочные  фотовозбуждаемые  лазеры  представляют  собой  особый  интерес,  поскольку  могут  быть  использованы  в  спектроскопии,  оптоволоконных  системах  связи,  медицине,  телекоммуникациях  и  сенсорике  [2].

В  настоящее  время  в  мире  активно  ведутся  работы  по  созданию  лазеров  такого  типа.  Достигнуты  большие  успехи  французской  группой  Chenais,  которые  показали,  что  могут  быть  созданы  фотовозбуждаемые  тонкопленочные  лазеры  с  высокой  эффективностью.  Группой  А.  Хигера  было  показано,  что  при  фотовозбуждении  тонких  пленок  генерация  может  развиваться  и  в  полимерных  веществах  (MEH-PPV),  обладающих  полупроводниковыми  свойствами.  На  этих  же  полимерных  материалах  созданы  эффективно  излучающие  органические  светодиоды  и  транзисторы.  Эти  результаты  внушают  надежду  на  то,  что  может  быть  создан  органический  лазер  с  инжекционной  накачкой  [3].

Между  тем  существуют  проблемы  при  создании  тонкопленочных  лазеров.  Основная  из  них  —  это  низкая  фотостабильность  органических  материалов,  из  которых  состоит  тонкая  пленка  (краситель,  полимер).  При  фотодеструкции  материалов  образующиеся  продукты  могут  эффективно  поглощать  излучение  генерации  и/или  накачки,  приводя  к  снижению  эффективности  лазера,  срыву  генерации  и  низкому  КПД  системы.

Поиски  среди  красителей  новых  активных  сред  связаны  с  решением  проблемы  химической  и  фотохимической  неустойчивости  применяемых  красителей,  а  также  с  подбором  подходящих  растворителей.  Заметим,  что  в  качестве  растворителя  используют  воду,  этанол,  метанол,  циклогексан,  толуол,  глицерин,  бензол,  ацетон  и  другие  жидкости  [4].  В  настоящее  время  лазерная  генерация  получена  более  чем  на  1000  различных  красителях  с  общим  диапазоном  длин  волн  0,3—1,3  мкм.  Подбирая  соответствующие  красители,  можно  получить  когерентное  излучение  практически  любой  длины  волны  из  указанного  диапазона.

Для  возбуждения  красителей  чаще  всего  применяют  когерентную  накачку  излучением  лазеров,  работающих  в  импульсном  режиме.  Работа  лазера  на  красителях  может  быть  описана  при  помощи  4х  уровневой  схемы:

Рисунок  1  Система  энергетических  состояний  молекул  красителей.  Прямые  и  волнистые  стрелки  —  оптические  и  безызлучательные  переходы,  соответственно  [1]

Также  для  достижения  более  высокого  КПД  системы,  прибегают  к  так  называемому  переносу  энергии,  который  нужен  для  более  эффективного  излучения  исследуемого  образца  на  длине  волны  накачки.  Перенос  энергии  рассматривается  как  явление  передачи  энергии  возбуждения  от  одной  молекулы  к  другой  или  от  одной  хромофорной  группы  в  составе  данной  молекулы  к  другой  хромофорной  группе.  Перенос  колебательной  и  вращательной  энергии  между  молекулами  очень  хорошо  трактуется  на  основе  квантованного  импульса  перехода,  однако  для  объяснения  переноса  электронной  энергии  требуются  дополнительные  теоретические  построения.  В  самой  общей  форме  перенос  электронной  энергии  можно  представить  следующей  схемой:

D^*+  A→D  +A^*  (1)

где:  D  —  молекула  донора, 

А  —  акцептор;  звездочкой  отмечено  электронное  возбуждение.  Не  все  процессы  переноса  энергии  следуют  схеме  (1).  Есть  и  такие  хорошо  известные  примеры,  когда  энергия  возбуждения,  первоначально  локализованная  на  доноре,  не  приводит  к  электронному  возбуждению  акцептора.  Такой  процесс  можно  представить  схемой

D^*+A  →  D^ν  +A^ν  (2)

В  этом  случае  предполагается,  что  электронное  возбуждение  переходит  в  тепло,  т.  е.  во  вращения  и  колебания  молекул  донора  и  акцептора.  Излучательный  или  тривиальный,  перенос  энергии  включает  повторное  поглощение  эмиссии  донора  акцептором.  Этот  процесс  можно  изобразить  так:

D*→  D  +  hν  (3)

hν  +A  →  A*  (4)

Такой  тип  переноса  энергии  может  осуществляться  даже  тогда,  когда  молекулы  D  и  A  близки  друг  к  другу,  несмотря  на  слабое  перекрывание  их  спектров  испускания  и  поглощения,  хотя  обычно  этот  эффект  незначителен.  Однако  безызлучательный  перенос  возбуждения  включает  одновременное  устранение  возбуждения  донора  и  возбуждение  акцептора,  которое  требует  непосредственного  взаимодействия  между  D  и  A  и  наличия  виртуального  перехода  малой  энергии  между  ними.  В  зависимости  от  природы  взаимодействия  между  донором  и  акцептором  были  предложены  различные  механизмы,  позволяющие  объяснить  явление  безызлучательного  переноса  энергии.

Для  нас  наибольший  интерес  представляет  резонансный  перенос  энергии,  который  базируется  на  теории  Фёрстера,  поскольку  мы  имеем  возможность  исследования  спектров  поглощения  и  испускания  образцов,  для  наибольшего  удовлетворения  главному  условию  их  перекрыванию  а,  следовательно,  и  успешному  результату.

Немаловажным  фактором  является  подбор  резонатора,  что  является  основополагающей  проблемой  большинства  ученых  групп.

Положительная  обратная  связь,  индуцируемая  резонатором  –  один  из  основных  элементов  лазерной  системы.  Присутствие  резонатора  определяет  два  свойства  осциллируемого  лазерного  поля:

1.  определение  разрешенных  резонансных  частот  лазера  со  спектром  усиления;

2.  фильтрующая  роль  резонатора  оказывает  влияние  на  характеристики  выходного  потока.

Лазерные  резонаторы  могут  иметь  различную  архитектуру.  Существуют  следующие  виды  резонаторов:  Фабри-Перо  резонаторы,  DBR-лазеры,  DFB-лазеры  и  VCSEL-лазеры.  Последние  представляют  собой  особый  интерес,  поскольку  до  сих  пор  мы  рассматривали  полупроводниковые  лазеры,  которые  генерируют  свет  в  направлении,  параллельном  плоскости  перехода  и,  следовательно,  от  одной  грани  устройства  (лазеры  с  торцевым  излучением).  В  настоящее  время  разработаны  полупроводниковые  лазеры,  которые  излучают  в  направлении,  перпендикулярном  плоскости  перехода.  Такие  устройства  называются  вертикальным  внешним  резонатором  поверхностного  излучения  (VCSEL),  Отличительными  свойствами  которого  является:  высокая  выходная  мощность,  превосходная  эффективность  и  низкая  расходимость  выходного  пучка.

Лазеры  поверхностного  излучения,  концептуально  не  отличаются  от  лазеров  с  торцевым  излучением.  С  другой  стороны,  особенностью  лазера  поверхностного  излучения  с  вертикальным  резонатором  является  очень  короткая  длина  активной  области  и,  как  следствие,  очень  малое  значение  усиления.  Тем  не  менее,  малое  усиление  в  таком  лазере  преодолевается  за  счет  использования  зеркал  с  большими  коэффициентами  отражения,  при  которых  обеспечиваются  низкие  пороги  генерации.  Такие  лазеры  имеют  определенное  преимущество  над  соответствующими  устройствами  с  торцевым  излучением,  которое  обусловлено,  по  сути,  высокой  плотностью  упаковки  и  низкими  пороговыми  токами.

В  качестве  исследуемых  образцов  нами  были  выбраны:  Пиррометен  597  в  качестве  донора  и  Родамин  800  в  качестве  акцептора.  Спектры  поглощения  и  флуоресценции  растворов  исследовались  на  спектрофлуориметре  СМ2203.  Генерационные  характеристики  растворов  исследовались  на  установке,  приведенной  на  рисунке  2.  В  качестве  источника  возбуждения  использовалась  вторая  гармоника  неодимового  лазера  LQ529B  (длина  волны  532  нм,  длительность  импульса  10  нс,  плотность  мощности  накачки  0,1—50  МВт/см²)

Рисунок  2.  Схема  экспериментальной  установки  при  продольной  накачке:  1  —  LQ129B-лазер,  2  —  система  нейтральных  светофильтров,  3  —  Gentec  EO  ED-100A-UV,  4  —  светоделительная  пластина,  5  —  дифрагма,  6  —  зеркало  №  1,  7  —  кювета,  8  —  зеркало  №  2,  9  —  Ophir  NOVA  II,  10  —  спектрометрAvaSpec-2048ULS  (Avantes),  11  —  персональный  компьютер

На  рисунке  3  приведены  спектры  генерации  Р800  и  смеси  4:5  при  продольной  накачке.  В  продольном  варианте  накачки  генерация  развивается  в  коротковолновой  области  —  732  нм.  К  сожалению,  из-за  отсутствия  системы  фокусировки  плотность  мощности  накачки  оказалась  недостаточной  для  развития  генерации.  По  этой  причине  в  продольном  варианте  приведены  только  данные  для  плотностей  мощности  5,9  МВт/  см²  и  3,5  МВт/  см².  По  всей  видимости  значение  3,5  МВт/  см²  является  порогом  генерации.  Видно,  что  генерация  Р800  развивается  в  более  длинноволновой  области,  по  сравнению  с  генерацией  смеси.  Это  может  быть  связано  с  несколькими  причинами,  а  именно:  наличие  дополнительного  наведенного  поглощения  ПМ597  в  области  730—750  нм;  дополнительного  вклада  длинноволновой  флуоресценции  ПМ597  в  развитие  общей  генерации  смеси.

Рисунок  3  Спектры  генерации  смеси  РМ597  _R800  4:5  при  продольной  накачке

Список  литературы:

1.Лазеры  на  красителях  //  Под  ред.  Ф.П.  Шефер.  М.:  Мир.  1976.  —  330  с.

2.DeLoach  L.D,  Page  R.H,  Wilke  G.D  et  al  //  IEEE  J.  Quantum  Electronics  —  1996.  —  V.  32.  —  №  6.  —  P.  885.

3.Shi  Y,  Liu  J.  and  Yang  Y.  //  Journal  of  Applied  Physics  —  2000.  —  V.  87.  —  №  9.  —  P.  4254—4263.

4.Wegmann  G,  Giessen  H,  Greiner  A.  at  el  //  Physical  Review  B.  —  1998.  —  V.  57.  —  №  8.  —  P.  4218—4221.