بررسی پارامترهای نوری غیرخطی پلیمر دوپ شده مشتقات بی کالکون
دو مشتق بی کالکون 1,5 (دی - 4 متوکسی فنیل) پنتا - 1 ,- 4 دی - 3 -یک و 1,5 (دی - 4 کلروفنیل) پنتا 1,4 دی -3 - یک سنتز شدند. کارایی های تبدیل SHG که 6.0 و 5.0 برابر با میزان اوره قابلیت بالای قطبی شدن به ترتیب 10¯³°×9.9 و 10¯³°×10.2 گزارش شده اند. خواص نوری غیرخطی مرتبه سوم در ماتریس PMMA با روش اسکن Z و با استفاده از 7 پالس لیزری در 532 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. ضریب شکست غیرخطی ϒ ، ضریب جذب غیرخطی β ، حساسیت مرتبه سوم مؤثرχ⁽³⁾ و عامل اتصال ρ نیز بررسی شده اند. مقادیر به ترتیب از مرتبه 10¯¹⁴ سانتیمتر مربع /W ،1.2 سانتیمتر مربع /GW ، 10¯¹⁴esu و 0.2 بدست آمدند که با مقادیر بد ست آمده در رنگ های استیل بازالیوم مانند قابل مقایسه هستند. همچنین، تحقیقات تجربی نشان می دهد که آنها مواد محدود کنندۀ نوری بسار جالبی هستند و رفتار محدود کنندگی آنها نیز اساسآ به دلیل دو پدیدۀ جذب فوتون است.
فوتونیک با هم افزایی بین اپتیک و الکترونیک سروکار دارد و حتی روابط بین مواد نوری ، دستگاه ها و سیستم ها را فراهم می کند. اختراعات لیزری و پدیده های نوری غیرخطی (NLO) بسیاری از دستگاه ها و سیستم های جدید مانند تبدیل فرکانس و سوئیچ نوری را ابداع کرده اند که مورد توجه بشر قرار گرفته اند. تأثیر NLO در مولکول های آلی از یک تعامل بین مولکول های اهداء کننده و پذیرندۀ قوی، سیستم الکترون محصور شده و همچنین به دلیل قابلیت تبلور به روش غیرسانتروسیمتری نشأت می گیرد. از بین چندین ترکیب آلی گزارش شده برای خواص NLO، مشتقات کالکون به دلیل انتقال نور آبی عالی و تبلور پذیری خوب بسیار قابل توجه هستند. آنها همچنین پیکربندی لازم را برای بیان خواص NLO را با دو حلقه مسطح متصل ازطریق یک پیوند دوگانۀ مزدوج فراهم می کنند. علاوه بر این، این مواد با ضریب شکست وابسته به شدت بالا و ضریب جذب برای کاربردهای دستگاه نوری بسیار مفید هستند. این پارامترها تعیین می کنند که آیا یک پرتو لیزری شدید در هنگام انتشار در محیط ماده ، تحت خود کانونی یا بی کانونی قرار می گیرند؟ نمونه های کالکون بطور مستقیم قابل استفاده نیستند زیرا ممکن است با قرار گرفتن در معرض نور شدید لیزر تخریب یا سفید شوند. برای رفع این مشکل و بهره گیری از این مواد، میتوان آنها را به ماتریس پلیمری دوپ کرد. انتظار می رود این کار باعث افزایش ثبات شیمیایی و نوری فیزیکی شده و همچنین غلظت کافی برای مراکز جاذب یا حفره ها را فراهم کند. علاوه براین، فرایند دوپ خواص مکانیکی و حرارتی را افزایش می دهد؛ در حالی که شفافیت نوری و اثرات NLO را در مقایسه با کروموفورهای تک کریستال کالکون حفظ می کند. اخیرآ، رنگ های جذبی دو فوتونی به دلیل انتقال در شدت کم در محدودۀ مرئی طیف بیشتر مورد توجه بوده اند. در اینجا، ما سنتز دو بی کالکون یعنی 1,5 (دی - 4 متوکسی فنیل) پنتا - 1 ,- 4 دی - 3 -یک و 1,5 (دی - 4 کلروفنیل) پنتا 1,4 دی -3 - یک، و همچنین بررسی پارامترهای نوری غیرخطی مرتبه سوم پلی (متاکریلات متیل) (PMMA) در حضور این مولکول ها با روش اسکن تک پرتو Z را بیان می کنیم. پلی (متیل متاکریلات) یک پلیمر سفت، سخت و شفاف با دمای انتقال شیشه 125 درجه سلسیوس و با وزن مولکولی متوسط 60000 است. همچنین سخت تر از پلی استایرن است؛ علاوه براین، یک مادۀ قطبی با ثبات دی الکتریکی زیاد است که دوام فیزیکی آن از سایر ترموپلاستیک ها بسیار برتر است. بنابراین، ما PMMA را بعنوان پلیمری انتخاب کرده ایم که نمونه های NLO در آن دوپ می شوند.
آزمایشات
براساس شکل زیر، دو بی کالکون باتوجه به روش گزارش شده در مقالات سنتز می شوند و ترکیبات نیز با تبلور مجدد از اتانول خالص می شوند؛ ساختار ترکیبات به تأیید داده های تحلیلی و طیفی رسیده اند.
شکل 1: ساختار بی کالکون های 1 و 2
کارآیی تبدیل آنها با استفاده از 8 پالس لیزری در1064 نانومتر اندازه گیری شد. اوره بعنوان نمونه استاندارد گرفته شد. هر نمونۀ بی کالکون و PMMA پودر شده و به نسبت 12.5 - 87.5 درصد وزنی مخلوط شدند. این مخلوط در DFM گرید تحقیق با غلظت 10¯³×10 مول / لیتر حل شد. نمونه های مایع در سلول کوارتز با ضخامت 1 میلی متر گرفته شد. روش اسکن Z با استفاده از پالس های لیزر 532 نانومتر با چرخش 7nsانجام شد. یک دیافراگم نیمه بسته در ورودی آشکار سازقرار داده شد و خروجی آن نیز بعنوان نمونه ترجمه شده در امتداد محور پرتو Z (محور Z) در منطقه کانونی لنز فوکوس کنترل شد. برای بدست آوردن داده های دیافراگم باز با اسکن Z ، دیافراگم برداشته شد. همچنین مطالعات محدودیت نوری با نگه داشتن نمونه در کانون یک گلدان با ضخامت 1 میلیمتر انجام شد. طیف UV-vis در نمونه های بدست آمده از اسپکتروفتومتر (شیمادرو) UV - 160A نشان می دهد که آنها در طول موج 532 نانومتر به هیچ وجه جذب خطی ندارند. مقادیر ضریب شکست خطی نمونه های مورد استفاده در این آزمایش با استفاده از رفکرکتومتر Abbe اندازه گیری شد. جزئیات این فرایند در جدول زیر ارائه شده است.
جدول 1: پارامترهای فتوفیزیکی در بی کالکون های دوپ شدۀ PMMA در محلول DMF
روش اسکن Z برای اندازه گیری تغییر فاز پرتوی لیزر ناشی از انتشار ازطریق یک ماده غیرخطی ایده آل انجام می شود. هم علائم و هم مقدار فاز (Δφ) را تغییر می دهد که به تغییر در ضریب شکست (Δn) مربوط است. در شکل زیر، دادۀ آزمایشی بدست آمده از دیافراگم بسته با روش اسکن Z برای نمونۀ دوپ شدۀ PMMA برای انرژی ورودی 0.5mJ ارائه شده است.
شکل 2: دادۀ آزمایشی بدست آمده از دیافراگم بسته با روش اسکن Z برای نمونۀ یک دوپ شدۀ PMMA
علاوه بر این، در شکل بعدی نیز اندازه گیری دادۀ دیافراگم باز با روش اسکن Z ارائه شده است که امکان تفکیک ضریب شکست غیرخطی از جذب غیرخطی را با تقسیم داده دیافراگم بسته به باز فراهم می کند.
شکل 3: دادۀ آزمایشی بدست آمده از دیافراگم باز با روش اسکن Z برای نمونۀ یک دوپ شدۀ PMMA
منحنی های مشابهی برای نمونۀ دوم PMMA دوپ شده با همان انرژی ورودی بدست آمده است. ضریب جذب غیرخطی بدست آمده برای این دو نمونه در جدول زیر ارائه شده است.
جدول 2: پارامترهای نوری غیرخطی مرتبه سوم
اگرچه تعامل بین مولکول های اهداء کننده و پذیرنده قوی بصورت غیرخطی است، اما تأثیر کمی بر پارامترهای غیرخطی از نمونه دوم وجود دارد؛ زمانی که گروه متوکسی فنیل توسط گروه کلروفنیل جایگزین می شود. در دو شکل زیر رفتار محدود کنندۀ قدرت نوری در هر دو نمونۀ PMMA دوپ شده ارائه شده است.
شکل 6: رفتار محدود کنندۀ نوری PMMA دوپ شدۀ نمونه یک
شکل 7: رفتار محدود کنندۀ نوری PMMA دوپ شدۀ نمونه دو
هر دو نمونه نشان می دهندکه خواص محدود کنندۀ نوری ممکن است به دلیل جذب دو فوتون اتفاق بیفتد. همانطور که در جدول دو ارائه شده است، عامل اتصال کمتر از 1/3 است که نشان دهندۀ غیرخطی بودن منشأ الکترونیکی است.
نتیجه گیری
کارایی تبدیل SHG مزدوج نوری و غیرخطی بودن مرتبه سوم در دو سیستم مزدوج تازه ساخته شدۀ π ؛ یعنی مشتقات کالکون PMMA دوپ شده بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که آنها مواد غیرخطی خوبی هستند و پارامترهای غیرخطی مرتبه سوم آنها در ماتریس پلیمری با پارامترهای موجود در رنگ استیل بازالیوم مانند من جمله ترانس - 4 -(پیریل وینیل)-1 - متیل پیریدیومیودید قابل مقایسه است. علاوه براین، سنتز آسان این مواد یک مزیت اضافی نسبت به دستگاه های نوری موجود در بازار محسوب می شود. از این رو، این مواد ممکن است در برنامه های کاربردی دستگاه های نوری بجای چنین رنگ هایی مورد استفاده قرار گیرند.
