Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Реализация лазера с распределенной обратной связью на основе лазероиндуцированных рельефно-фазовых решеток записанных на поверхности полимерной активной среды

Содержание

Введение. 7

1 Перспективные полимерные матрицы для реализации РОС-лазеров. 9

1.1 Свойства полимерных систем. 9

1.2 Сенсибилизация полимерных матриц красителями. 14

1.3 Голографическая методика записи структур. 19

1.4 Лазеры с распределенной обратной связью (РОС лазеры) 23

2 Методики подготовки образцов для исследования. 26

2.1 Приготовление окрашенных полимерных образцов. 26

2.2 Используемые приборная база и экспериментальные методики. 28

3 Принципы реализации РОС-лазеров на органических красителях. 30

3.1 Современные типы лазеров с РОС и основные трудности их дальнейшего развития  30

3.2 Лазеры на растворах красителей с динамической концентрационной РОС   ………………………………………………………………………………..32

3.3 Распределенная тепловая решетка. 43

3.4 Рельефные распределенные резонаторы.. 47

3.5 Формирование динамического распределенного резонатора в активной среде с помощью рельефной решетки. 50

3.6 Инициирование рельефных решеток в полимерных пленках. 56

3.7 Перспективы дальнейшего развития данной работы.. 60

Список использованных источников. 62

Введение

Проект направлен на решение прикладной задачи лазерного инициирования регулярных пространственных рельефных структур на поверхности композитных полимерных систем. Важнейшим механизмом подобного инициирования является лазерный свеллинг полимера – резкое изменение объема полимера в результате фазового перехода под действием лазерного излучения. Детальный теоретический анализ данного процесса, а равно и его экспериментальное исследование, направленные на поиск полимерных систем и режимов их инициирования с оптимальными показателями по чувствительности и линейности процесса записи, амплитуде записанных рельефных решеток и т.д. имеет важное значение, как в фундаментальном научном, так и в прикладном технологическом смысле.

Одним из приложений решаемой в проекте задачи является создание, на основе полученных рельефно-фазовых решеток, лазера с распределенной обратной связью (РОС-лазера). В этом случае записанная решетка может, как непосредственно выступать в качестве распределенного резонатора, так и служить для разделения излучения накачки на несколько пучков и наведения в активной среде динамического распределенного резонатора. В качестве активной среды РОС-лазеров предлагается использовать полимерные пленки и растворы, окрашенные молекулами органических красителей, что позволяет в достаточно широких пределах регулировать длину волны РОС-лазера. Этот факт и ряд других особенностей РОС-лазера: нелинейный характер добротности распределенного резонатора, его высокая спектральная и модовая селективность, чувствительность к внешним параметрам и т.д. позволяет разрабатывать лазерные устройства с уникальными характеристиками. Такие устройства могут применятся в качестве лазерных источников в современных волоконно-оптических линиях связи, а также в системах газового анализа, например как в датчике концентрации кислорода.

Физическую проблему, направленную на создание РОС-лазера на красителях в полимерной пленке можно разбить на ряд задач:

• Запись рельефной решетки на поверхности полимера.
• Дифракция на записанной рельефной решетке излучения накачки.
• Формирование динамического распределенного резонатора в активной среде.

1 Перспективные полимерные матрицы для реализации РОС-лазеров

1.1      Свойства полимерных систем

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения специфических свойств. К специфическим свойствам следует отнести следующие способности: способность к значительным механическим обратимым высокоэластическим деформациям, образованию анизотропных структур, образованию высоковязких растворов при взаимодействии с растворителем, резкому изменению свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n , т.е. числом звеньев в цепи. Если n=10...20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием n увеличивается вязкость, вещество становится вязким, при n~1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может достигать 10⁴ ,в этом случае длина молекул достигает микрометров. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах 10³ ... 3*10⁵. Большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьируетcя от аморфной до частично кристаллической. Доля кристалличности в значительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе уклад цепи, тем более кристаллообразным полимер становится.

Приведенные физико-химические особенности можно объяснить исходя из представления о строении полимеров. Говоря о строении, следует подразумевать элементный состав вещества, порядок связи атомов, природу связей, наличие межмолекулярных взаимодействий. Характерным для полимеров является наличие длинных цепных молекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Следует отметить, что нет изолированных цепных молекул. Молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой, которая может иметь как полимерный характер (случай чистого полимера), так и характер обычной жидкости (разбавленные растворы полимеров). Поэтому для характеристики полимера не достаточно указания типа связей вдоль цепи, необходимо еще иметь сведения о природе межмолекулярного взаимодействия. Следует иметь в виду, что характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. В этом и состоит основная особенность строения полимерных тел. Исходя из этого, можно утверждать, что весь комплекс свойств полимеров определяется наличием линейных цепных молекул с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием. Разветвление этих молекул или соединение их в сетку вносит некоторые изменения в комплекс свойств, но не меняет их до тех пор, пока остаются достаточно длинные цепные линейные отрезки. Напротив, утрата цепного строения молекул при образовании из них глобул или густых сеток приводит к полной утрате всего комплекса характерных для полимеров свойств.

Следствием вышеуказанного является возникновение гибкости цепной молекулы. Она заключается в её способности изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. В реальных молекулах полимеров валентные углы имеют вполне определённую величину, а звенья расположены не произвольно, и положение каждого последующего звена оказывается зависимым от положения предыдущего.

Полимеры, у которых наблюдаются достаточно интенсивные крутильные колебания, называются гибкоцепными, а полимеры, у которых повороты одной части цепи относительно другой затруднены - жесткоцепными. Молекулы могут вращаться и изменять своё строение без разрыва химических связей, образуя различные конформации, под которыми понимают различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных её частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др.

Таким образом: полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и  координационных валентностей.

В данной работе в качестве базового материала для полимерной матрицы нами выбран поливиниловый спирт (ПВС)

Поливиниловый спирт (ПВС) - кристаллический полимер, получаемый посредством гидролиза поливинилацетат (ПВА).

Рисунок 1.1.1

Молекулярная масса полимера 10000-1000000. В зависимости от молекулярной массы и соотношения гидроксильных и ацетатных групп (оставшихся после гидролиза поливинилацетата) различают различные марки ПВС. На данный момент выпускаются более десятка марок полимера, различающихся по растворимости в воде и вязкости (чем ниже степень гидролиза, тем ниже растворимость ПВС, чем выше молекулярная масса — тем выше вязкость раствора полимера). При содержании ацетатных групп до 5% ПВС набухает в холодной воде и растворяется в нагретой до 90-100°С. При 10% ВА-звеньев ПВС растворяется в воде выше 65° С. При содержании 10-15% ВА-звеньев полимер растворяется в холодной воде. Но осаждается из раствора при нагревании выше 40° С. Если содержание ацетатных групп выше 30%, то ПВС, который можно в этом случае назвать сополимером винилацетата и винилового спирта, в воде только набухает, а растворяется в водных растворах спиртов.

При добавлении желатина или другого коллагенового клея, крахмала, декстрина, КМЦ растворимость ПВС в воде растет.

ПВС растворяется в алифатических гликолях, глицерине, водных растворах мочевины, диметилформамиде, диметилсульфаксиде.

Температура стеклования = 65°-85° С, Т размягчения = 140° С.

В качестве пластификатора используют, в частности, глицерин, с которым ПВС совмещается в большом количестве. Пластифицирующим воздействием обладает также вода. Пленки полимера гидрофильны: активно поглощают влагу, содержащуюся в воздухе. ПВС, содержащий 10-35% пластификатора, поглощает при 60% влажности воздуха 7—8% воды. При этом уменьшается температура стеклования полимера (до 36° С).

Поливиниловый спирт (ПВС) имеет следующие показатели: плотность 1200—1300 кг/м3, показатель преломления 1,49—1,53, предел прочности при растяжении 60—120 МПа, температуру стеклования 85°С, теплостойкость по Вика 120°С, коэффициент линейного расширения (7—12)10~6, высокое сопротивление истиранию, низкую газопроницаемость.

Особенностью пленок ПВС является их очень низкая газопроницаемость (в сравнении с другими полимерами), в то же время они хорошо пропускают водяной пар. Молекулы ПВС отличаются сильной полярностью, вследствие чего пленки полимера обладают хорошей адгезией к разным типам подложек.

К недостаткам ПВС следует отнести его низкую биостойкость и атмосферостойкость. Во влажной атмосфере пленки ПВС теряют прочностные качества, а в условиях низкой влажности становятся жесткими. Введенный в полимер пластификатор со временем неизбежно утрачивается.

Под действием света, тепла, кислорода воздуха протекают процессы старения полимера. Процессы деструкции и сшивания полимера протекают по следующей схеме:

1 Образование полиеновых связей.

Рисунок 1.1.2

2 Структурирование, сшивка, с образованием простых эфирных межцепных связей.

Рисунок 1.1.3

Одновременно с химическим будет протекать процесс конформационного старения полимера. Оба эти процесса будут приводить к помутнению и возрастанию жесткости пленок ПВС.

Для нашего исследования поливиниловый спирт (ПВС) является оптимальным полимером сочетающий в себе все необходимые качества такие как: кислородонепроницаемость, технологичность, прочность, прозрачность, а также относительная дешевизна и распространенность.

В целях его спектральной сенсибилизации к воздействию лазерного излучения в полимер внедрялись молекулы органического красителя.