Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Chemia koloru cz.10 Optyka nieliniowa Daniel T. Gryko.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Chemia koloru cz.10 Optyka nieliniowa Daniel T. Gryko."— Zapis prezentacji:

1 Chemia koloru cz.10 Optyka nieliniowa Daniel T. Gryko

2 OPTYKA NIELINIOWA Optyka liniowa opisuje zjawiska (tj: absorpcja, odbicie światła, jego rozproszenie, załamanie itd.), w których światło przechodząc przez ośrodek nie zmienia częstotliwości, a natężenie fali liniowo zależy od pola elektrycznego np: natężenie fali przechodzącej przez ośrodek absorbujący, jest proporcjonalne do natężenie fali padającej. Reguła ta dotyczy tylko światła o stosunkowo niewielkim natężeniu. Optyka nieliniowa opisuje właściwości optyczne ośrodka, które nieliniowo zależą od natężenia fali padającej. Efekty nieliniowe wymagają użycia światła o wysokim natężeniu np: światła laserowego dlatego optyka nieliniowa jest nauką prężnie rozwijającą się od chwili wynalezienia laserów, czyli od 1960 roku.

3 PODSTAWOWA KLASYFIKACJA ZJAWISK OPTYCZNYCH: Zjawiska liniowe, Zjawiska nieliniowe drugiego rzędu, Zjawiska nieliniowe trzeciego rzędu, Zjawiska nieliniowe wyższych rzędów.

4 WPROWADZENIE – Optyka liniowa Padając na ośrodek fala elektromagnetyczna powoduje jego polaryzację. Zmiana rozkładu elektronów w materii prowadzi do powstania indukowanego momentu dipolowego (μ): μ = α E gdzie E to natężenie przyło ż onego pola elektrycznego, a α to liniowa polaryzowalność.

5 Natężenie światła emitowanego przez źródła klasyczne mieści się w granicach od 10 (w przypadku promieniowania słonecznego) do 10 3 V/cm. Pola elektryczne tego rzędu są polami słabymi i indukowana przez nie polaryzacja (P) jest liniowa funkcją ich natężenia (E): P = χ E gdzie χ jest tensorem podatności elektrycznej pierwszego rzędu. W prypadku braku znaczących odziaływań międzycząsteczkowych χ jest sumą α.

6 WPROWADZENIE – Optyka nieliniowa Natężenia pola elektrycznego związanego ze światłem laserowym są na tyle duże (10 5 – 10 8 V/cm), że dorównują natężeniom pól elektrycznych panującym w materii. W tak silnych polach zmieniają się właściwości atomów lub molekuł. Działanie światła o tak dużej mocy powoduje znaczne przesuniecie ładunku w cząsteczce, co objawia się jej polaryzacją. W takich warunkach polaryzacja elektryczna P nie będzie już zależna liniowo od pola E, ale będzie opisywana wzorem: P = χ ij (1) E j + χ ijk (2) E j E k + χ ijkl (3) E j E k E l +... χ ij (1) - polaryzowalność pierwszego rzędu (zjawiska liniowe), χ ij (2) - pierwsza hiperpolaryzowalność (zjawiska nieliniowe drugiego rzędu), χ ij (3) - druga hiperpolaryzowalność (zjawiska nieliniowe trzeciego rzędu).

7 Optyka nieliniowa – drugiego rzędu Zjawiska optyki nieliniowej drugiego rzędu możemy obserwować jedynie w cząsteczkach i materiałach nie posiadających środka symetrii. Gdy kryształ lub cząsteczka mają środek symerii to P(E) = P(-E) i z obliczeń wynika, że χ ( 2) E 2 = 0.

8 Optyka nieliniowa – trzeciego rzędu

9 OPTYKA NIELINIOWA – Mikroskopowo Polaryzacja jest miarą sumy momentów dipolowych w ośroku przypadających na jednostkę objętości. Indukowany w każdej cząsteczce moment dipolowy μ i jest definiowany jako: μ i = α ij E j + β ijk E j E k + γ ijkl E j E k E l +... E j,k,l - składowa lokalnego pola elektrycznego, α ij - składowa tensora polaryzowalności molekularnej, β ijk - składowa tensora pierwszej hiperpolaryzowalności, γ ijkl - składowa tensora drugorzędowej hiperpolaryzowalności. Przy zastosowaniu klasycznych źródeł światła wpływ podatności drugiego i trzeciego rzędu jest znikomy, ponieważ każda kolejna podatność jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od poprzedniej. Aby zobaczyć efekty nieliniowe potrzeba światła o dużym natężeniu.

10 J aką strukturę powinien mieć materiał stosowany w optyce nieliniowej? 1. Zjawiska optyki nieliniowej drugiego rzędu. g – poziom podstawowy e – poziom wzbudzony Na wielkość β ma wpływ: Charakter podstawnika donorowego (D) i akceptorowego (A) –cząsteczki dipolarne Natura i wielkość układu sprzężonego π. Środowisko (np: polarność rozpuszczalnika). Obecność jonów metali. Zmiana momentu dipolowego pomiędzy stanami podst. i wzb. moment przejścia

11 Molekuły, które są nieliniowe to przede wszystkim cząsteczki typu push-pull, zawierające ugrupowania elektrono-donorowe (D) i elektrono-akceptorowe (A) rozdzielone mostkiem wiązań sprzężonych. Donorowo-akceptorowy system sprzężony π-wiązaniami wykazuje asymetryczną dystrybucję ładunku, co bezpośrednio ma swoje przełożenie na wysoki moment dipolowy cząsteczki. Struktury związków organicznych o wys. β

12 Natura i charakter układu sprzężonego

13

14 Struktury związków organicznych o wys. β r 33 = 55 pm/V μβ = 280 x 10 –48 esu μβ = x 10 –48 esu

15 Mikro i makro Aby materiał charakteryzował się widocznym drugorzędowym efektem NLO... Poziom molekularnyPoziom ponadmolekularny Wysokie współczynniki β i γ Wysoki stopień organizacji (warstw, filmów, kryształów)

16 Zjawiska optyki nieliniowej: Mieszanie fal : dodawanie i odejmowanie częstotliwości. Generowanie drugiej harmonicznej Efekt elektrooptyczny

17 Efekty NLO Efekty NLO gdy substancja oddziaływuje z dwoma polami elektrycznymi (E 1 i E 2, ω 1 i ω 2 ) Np. materiał i dwa promienie laserowe trygonometria Polaryzacja nieliniowa zachodzi przy sumie i różnicy częstości

18 Mieszanie fal generacja fal o częstościach sumarycznych i różnicowych

19 oscylacje indukowanego dipola z podwojoną częstością generacja fali o częstości 2ω, dł. fali λ/2 tzw. druga harmoniczna Generowanie drugiej harmonicznej Przypadek specjalny gdy ω 1 = ω 2 2ω2ω2ω2ω

20 Efekt elektrooptyczny Inny przypadek specjalny gdy E 2 to prąd stały a więc ω 2 = 0 E 2 zmienia efektywną podatność liniową (zależność polaryzacji od światła E 1 ), a więc współ. refrakcji zmienia się w zależności od E 2

21 Urządzenia Zielony wskaźnik laserowy All-optical 40Gb/s switch (Alcatel)

22 Efekty NLO trzeciego rzędu Trzy pola elektryczne E 1, E 2 i E 3. A gdy E 1 = E 2 = E 3 i χ (2) = 0... σ 2 (ω) ~Im[γ(-ω;ω,ω,-ω)] Jednym z czynników które wpływają na imaginary contributions do podatności i hiperpolaryzowalności Im(γ) i Im(χ (3) ) jest absorpcja dwufotonowa

23 Absorpcja dwufotonowa (z ang. TPA – Two Photon Absorption) - przejście elektronu ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego poprzez równoczesną absorpcję dwóch fotonów padającego promieniowania. Prawdopodobieństwo procesów dwufotonowych (w ogólności wielofotonowych) jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż jednofotonowych. TPA – została po raz pierwszy przewidziana w 1931 r przez Göppert-Mayer r. Kaiser and Garrett pierwsza obserwacja TPA Absorpcja dwufotonowa 2h ν hνhν hνhν

24 Absorpcja dwufotonowa Stan podstawowy Stan wzbudzony Stan pośredni hv Stan podstawowy Stan wzbudzony Stan pośredni hv PROCES DWUFOTONOWY PROCES TRÓJFOTONOWY Stan pośredni

25 Dwufotonowa absorpcja fotonów o tej samej energii – proces zdegenerowany. Dwufotonowa absorpcja fotonów o różnej energii – proces nie- zdegenerowany. przejścia wirtualne O przejściach, które zachodzą bez zachowania energii mówimy, że są to przejścia wirtualne. Proces absorpcji dwufotonowej może być interpretowany w następujący sposób: jeden foton o częstości ω powoduje przejście do stanu wirtualnego, a następny foton powoduje przejście ze stanu wirtualnego do stanu wzbudzonego. Przy przejściach tych energia nie jest zachowana, a tylko zachowana jest sumaryczna energia przy przejściu dwufotonowym, tzn. ω sumaryczna = 2ω. Absorpcja dwufotonowa

26 TPA wyrażone jest w jednostkach GM (1GM = cm 4 s cząsteczka -1 foton -1 ) Absorpcja dwufotonowa współczynnik absorpcji dwufotonowej (makroskopowy) TPA cross-section cm 4 /GW (mikroskopowy) TPA cross-section cm 4 /(foton/s) (mikroskopowy)

27 Struktura chromoforu Dipolowa Kwadrupolowa Oktupolowa

28 Przykłady σ = 120 GM σ = 1400 GM σ = 3000 GM

29 Przykłady Cooperative effect - zmierzona wartość σ jest większa niż sumy σ jednostek σ = 490 GM σ = GM DPAS σ = 325 GM G 0 σ = 2800 GM G 2 σ = GM σ = 187 GMσ = 1340 GM

30 σ = 290 GM σ = 470 GM

31 Przykłady σ = 1-10 GM σ = 8200 GM σ = 5500 GM σ = GM

32 Zastosowanie Potencjalne zastosowanie związków charakteryzujacych się dużym współczynnikiem sigma: Blokowanie optyczne Mikroskopia fluorescencyjna wzbudzana dwufotonowo Tworzenie obiektów nanowymiarowych Medycyna (np: w terapii fotodynamicznej do generowanie tlenu singletowego) Informatyka (np: światłowody, pamięci optyczne)

33 Blokowanie optyczne Urządzenie, które przepuszczalność optyczna zmniejsza się wraz ze zwiększeniem intensywności światła: Brak liniowej absorpcji w tym rejonie Silne zmniejszanie się przeźroczystości gdy wzrasta int. sygnału Szybkość procesu Reverse saturable absorption i absorpcja wielofotonowa

34 Dwufotonowa mikroskopia fluorescencyjna Wady zwykłej mikroskopii fluorescencyjnej: Odbicia Absorpcja wzdłuż sygnału światła Niewielka głębokość Konfokalna fluorescencyjna mikroskopia dwufotonowa: Wzbudzenie w nm emisja w zakresie widzialnym Rozdzielczość 3D z -4 !! Wapń w grubych płatach mózgu, studia in-vivo nad angiogenezą, Lymphocyte trafficking


Pobierz ppt "Chemia koloru cz.10 Optyka nieliniowa Daniel T. Gryko."

Podobne prezentacje


Reklamy Google