RU2683873C1 - Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material - Google Patents
Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683873C1 RU2683873C1 RU2017133995A RU2017133995A RU2683873C1 RU 2683873 C1 RU2683873 C1 RU 2683873C1 RU 2017133995 A RU2017133995 A RU 2017133995A RU 2017133995 A RU2017133995 A RU 2017133995A RU 2683873 C1 RU2683873 C1 RU 2683873C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarization
- optical
- sensitive material
- radiation
- anisotropic
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 107
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 115
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 113
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 93
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 29
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000005283 ground state Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 39
- 239000000987 azo dye Substances 0.000 claims description 28
- 239000000975 dye Substances 0.000 claims description 22
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 18
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 15
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 14
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 12
- -1 polyazo Polymers 0.000 claims description 12
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 11
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 7
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 claims description 5
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 claims description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- DMLAVOWQYNRWNQ-UHFFFAOYSA-N azobenzene Chemical group C1=CC=CC=C1N=NC1=CC=CC=C1 DMLAVOWQYNRWNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920001490 poly(butyl methacrylate) polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 3
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 3
- 239000004974 Thermotropic liquid crystal Substances 0.000 claims description 3
- 239000001000 anthraquinone dye Substances 0.000 claims description 3
- 229920002301 cellulose acetate Polymers 0.000 claims description 3
- 150000004696 coordination complex Chemical class 0.000 claims description 3
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 claims description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 3
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 claims description 2
- 239000004976 Lyotropic liquid crystal Substances 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims description 2
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 240000009023 Myrrhis odorata Species 0.000 claims 1
- 235000007265 Myrrhis odorata Nutrition 0.000 claims 1
- 235000012550 Pimpinella anisum Nutrition 0.000 claims 1
- 229940114081 cinnamate Drugs 0.000 claims 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 claims 1
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 claims 1
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N para-benzoquinone Natural products O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M trans-cinnamate Chemical compound [O-]C(=O)\C=C\C1=CC=CC=C1 WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M 0.000 claims 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 19
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 15
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 238000006552 photochemical reaction Methods 0.000 description 12
- 239000012453 solvate Substances 0.000 description 11
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000002535 lyotropic effect Effects 0.000 description 7
- 150000003071 polychlorinated biphenyls Chemical class 0.000 description 7
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 6
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 5
- BYGHZDSINXXOSM-UHFFFAOYSA-N 2-(9h-fluoren-2-yl)-5-[5-(9h-fluoren-2-yl)thiophen-2-yl]thiophene Chemical compound C1=C2CC3=CC=CC=C3C2=CC=C1C(S1)=CC=C1C(S1)=CC=C1C1=CC=C2C3=CC=CC=C3CC2=C1 BYGHZDSINXXOSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 4
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 4
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 2-(2-cyanopropan-2-yldiazenyl)-2-methylpropanenitrile Chemical compound N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical group NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 2
- 125000003647 acryloyl group Chemical group O=C([*])C([H])=C([H])[H] 0.000 description 2
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 2
- 238000007699 photoisomerization reaction Methods 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 1,1-Dichloroethane Chemical compound CC(Cl)Cl SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSJXEFYPDANLFS-UHFFFAOYSA-N Diacetyl Chemical group CC(=O)C(C)=O QSJXEFYPDANLFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010073306 Exposure to radiation Diseases 0.000 description 1
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical class O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical compound CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006934 PMI Polymers 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- DUFKCOQISQKSAV-UHFFFAOYSA-N Polypropylene glycol (m w 1,200-3,000) Chemical compound CC(O)COC(C)CO DUFKCOQISQKSAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005699 Stark effect Effects 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- SOGAXMICEFXMKE-UHFFFAOYSA-N alpha-Methyl-n-butyl acrylate Natural products CCCCOC(=O)C(C)=C SOGAXMICEFXMKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- IVRMZWNICZWHMI-UHFFFAOYSA-N azide group Chemical group [N-]=[N+]=[N-] IVRMZWNICZWHMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010290 biphenyl Nutrition 0.000 description 1
- 239000004305 biphenyl Substances 0.000 description 1
- 125000006267 biphenyl group Chemical class 0.000 description 1
- 125000004218 chloromethyl group Chemical group [H]C([H])(Cl)* 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000005493 condensed matter Effects 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 125000000664 diazo group Chemical group [N-]=[N+]=[*] 0.000 description 1
- 230000000447 dimerizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 235000019256 formaldehyde Nutrition 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 229920006158 high molecular weight polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000000636 p-nitrophenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C(=C([H])C([H])=C1*)[N+]([O-])=O 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- FZYQHMHIALEGMG-MVOHYUIRSA-N pcbb Chemical compound CCCCOC(=O)CCCC1([C@]23C4=C5C=CC6=C7C=CC8=C9C=CC%10=C%11C=CC%12=C(C=C4)[C@]31C1=C3C4=C2C5=C6C=2C7=C8C5=C9C%10=C(C3=C5C4=2)C%11=C%121)C1=CC=CC=C1 FZYQHMHIALEGMG-MVOHYUIRSA-N 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N phenylbenzene Natural products C1=CC=CC=C1C1=CC=CC=C1 ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000015843 photosynthesis, light reaction Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 238000001845 vibrational spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение относится к оптической физике, а именно к способу формирования поляризационно-чувствительного материала, способного в твердотельном состоянии обратимо образовывать и/или преобразовывать в своем объеме и на поверхности картину пространственно-модулированной, упорядоченной анизотропной молекулярной структуры в виде поляризационно-оптического элемента. Предмет настоящего изобретения может быть использован и в специфических системах 3-мерных оптических элементов, например, таких как, анизотропные трехмерные оптические элементы типа дифракционных решеток, линз, функциональных фазовых пластин, а также разнообразных структур со сложной объемной конфигурацией анизотропных оптических свойств. В качестве последних могут быть поляризационные прозрачные для измерительного излучения компьютерные модели различных изделий, подвергшихся механическим напряжениям и с которыми можно осуществлять такие же исследования методом фотоупругости, как и с реальными объектами [J.W. Dally, Introduction to Photoelasticity, Exp. Mech. 20, 409 (1980)].The present invention relates to optical physics, and in particular to a method of forming a polarization-sensitive material capable of reversibly forming and / or transforming in its bulk and on the surface a picture of a spatially modulated, ordered anisotropic molecular structure in the form of a polarizing optical element. The subject of the present invention can be used in specific systems of 3-dimensional optical elements, for example, such as anisotropic three-dimensional optical elements such as diffraction gratings, lenses, functional phase plates, as well as various structures with a complex three-dimensional configuration of anisotropic optical properties. As the latter, there can be polarized computer models transparent for measuring radiation of various products subjected to mechanical stresses and with which it is possible to carry out the same studies by photoelasticity as with real objects [J.W. Dally, Introduction to Photoelasticity, Exp.
Предлагаемое изобретение относится также к трехмерным системам стереовидения и поляризационной голографии и трехмерным системам оптической памяти WORM (write only read many) или RW (rewritable) - типа.The present invention also relates to three-dimensional systems of stereo imaging and polarization holography and three-dimensional systems of optical memory WORM (write only read many) or RW (rewritable) type.
Слои на основе не люминесцирующих или слабо люминесцирующих, фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных) веществ с поверхностно упорядоченными молекулярными структурами могут быть использованы как фотоориентирующие слои для термотропных и лиотропных жидких кристаллов (ЖК), а также как оптически формируемые высокоориентированные матрицы для специальных низкомолекулярных активных добавок, проявляющих высокую реакционную селективность и эффективность происходящих в них разнообразных фото- термо- или просто химических процессов, зависящих от степени их картинной ориентационной молекулярной упорядоченности в матрице и т.д.Layers based on non-luminescent or weakly luminescent, photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic) substances with surface-ordered molecular structures can be used as photo-oriented layers for thermotropic and lyotropic liquid crystals (LC), as well as optically formed highly oriented matrices for special low-molecular active additives exhibiting high reaction selectivity and the effectiveness of the various photothermo- or simply chemically occurring processes depending on the degree of their picture orientation molecular ordering in the matrix, etc.
Механизм фотоиндуцированной оптической анизотропии в таких средах ранее не был известен и основан на обратимом формировании в них пространственной картины ориентационной молекулярной упорядоченности, величина и направление которой определяются локальным пространственным распределением состояния поляризации (и направлением распространения) оптического излучения, одно- или двухфотонно поглощаемого ими.The mechanism of photoinduced optical anisotropy in such media was not previously known and is based on the reversible formation of a spatial pattern of orientational molecular ordering in them, the magnitude and direction of which are determined by the local spatial distribution of the polarization state (and the direction of propagation) of optical radiation absorbed by them one or two photons.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Первые промышленные применения твердотельных поляризационных оптических элементов (ПОЭ) и устройств были реализованы более 70-ти лет назад, например, в виде модуляторов света с использованием в качестве поляризационно-оптических материалов материалы из естественных электрооптических кристаллов с заданными оптическими и геометрическими параметрами (например, см. Справочник по лазерам, под ред. акад. A.M. Прохорова, в 2-х томах, т. 2, М.: Сов. радио, 1978 г., 400 стр.), а также в виде пленочных поляризаторов Лэнда и фазовых пластин с использованием одноосно растянутых полимерных пленок с наличием в них (или без них) растворенных дихроичных веществ (например, см. У. Шерклиф, Поляризованный свет, получение и использование, перевод с англ., М.: «МИР», 1965 г., 264 стр.) или ориентированных твердотельных слоев красителей, формируемых из проявляющих в определенных растворителях лиотропные жидкокристаллические свойства (например, см. J.F. Dreyer, US 2400877 A, IPC G02B 5/30, опубл. 28.05 1946 г.). Несмотря на значительные технологические усилия, данные работы по ПОЭ (кроме пленочных поляризаторов Лэнда) не получили широкого распространения главным образом из-за их ограниченных функциональных возможностей.The first industrial applications of solid-state polarizing optical elements (POEs) and devices were realized more than 70 years ago, for example, in the form of light modulators using materials from natural electro-optical crystals with specified optical and geometric parameters as polarizing-optical materials (for example, see Handbook of Lasers, edited by Academician AM Prokhorov, in 2 volumes, vol. 2, Moscow: Sov. Radio, 1978, 400 pages), as well as in the form of Land’s film polarizers and phase plates with using one fundamentally stretched polymer films with the presence in them (or without them) of dissolved dichroic substances (for example, see W. Sherklif, Polarized light, preparation and use, translated from English, Moscow: MIR, 1965, 264 pp. .) or oriented solid-state layers of dyes formed from lyotropic liquid-crystalline properties exhibiting in certain solvents (for example, see JF Dreyer, US 2,400,877 A, IPC
Значительный прогресс в разработке ПОЭ наступил с открытием лазеров, голографии и оптической памяти. При этом для расширения их функциональных возможностей усилилась роль технологического воздействия оптического, особенно поляризованного излучения на объемные и поверхностные свойства твердотельных, в частности органических, сред в виде так называемых поляризационно-чувствительных материалов (ПЧМ).Significant progress in the development of POE has come with the discovery of lasers, holography, and optical memory. At the same time, to expand their functional capabilities, the role of the technological effect of optical, especially polarized radiation on the bulk and surface properties of solid-state, in particular organic, media in the form of so-called polarization-sensitive materials (PCM) has increased.
Разработка таких анизотропных объемных оптических структур как, например, разнообразных волоконно- или интегрально-оптических элементов ввода-вывода излучения или фотонных кристаллов включает в себя получение пространственно периодических нано-, микро- и субмикроструктур для использования в видимом или ближнем инфра-красном диапозоне длин волн электромагнитного излучения.The development of such anisotropic bulk optical structures as, for example, a variety of fiber or integrated optical radiation input-output elements or photonic crystals includes the preparation of spatially periodic nano-, micro- and submicrostructures for use in the visible or near infrared wavelength range electromagnetic radiation.
Стремление разработчиков к созданию технологии дешевого и массового производства легких по весу анизотропных оптических и электрооптических элементов и устройств стимулирует их к необходимости использовать новые поляризационно-чувствительные оптические среды и материалы.The developers' desire to create technology for cheap and mass production of light-weight anisotropic optical and electro-optical elements and devices stimulates them to use new polarization-sensitive optical media and materials.
В технологии производства ориентированных молекулярных структур, как в объеме, так и на поверхности твердых оптических пленок и тел, возможны оптические методы, которые позволяют формировать обратимые или необратимые ориентационные молекулярные структуры в слоях толщиной примерно от нескольких нанометров до нескольких миллиметров под действием оптически активного облучения, поглощаемого в слое.In the technology for the production of oriented molecular structures, both in volume and on the surface of solid optical films and bodies, optical methods are possible that allow the formation of reversible or irreversible orientational molecular structures in layers with a thickness of about several nanometers to several millimeters under the influence of optically active radiation, absorbed in the layer.
В общем случае, оптические способы формирования таких анизотропных молекулярных структур могут быть двух типов: «фототермический тип формирования» (ФТТФ) способ, принятый за ближайший аналог заявляемого авторами способа формирования поляризационно-чувствительного материала и «фотонный тип формирования» (ФОТФ) способ, принятый за прототип заявляемого авторами способа формирования поляризационно-чувствительного материала.In general, the optical methods for the formation of such anisotropic molecular structures can be of two types: the “photothermal type of formation” (FTTF), the method adopted for the closest analogue of the method of forming the polarization-sensitive material claimed by the authors, and the “photon type of formation” (POTF), the method adopted for the prototype of the inventive method of forming a polarization-sensitive material.
При использовании не магнитооптических сред, работающей в режиме ФТТФ, локальное мощное импульсное оптическое воздействие излучением с энергией кванта hv приводит к импульсному локальному плавлению (при температуре Т1 на время т1) среды и переходу из аморфного фазового состояния в поликристаллическое при ее охлаждении [смотри, например, US Pat. No, No: 6,090,508; 5,666,344; 5,597,998] (рис. 1b):When using non-magneto-optical media operating in the FTTF mode, a local powerful pulsed optical exposure to radiation with quantum energy hv leads to pulsed local melting (at temperature T1 for a time t 1 ) of the medium and the transition from the amorphous phase state to the polycrystalline state when it is cooled [see, e.g. US Pat. No: 6,090,508; 5,666,344; 5,597,998] (Fig. 1b):
Процесс обратим и возможен обратный переход при воздействии того же источника излучения с другими параметрами (kТ2, т2) импульса.The process is reversible and a reverse transition is possible when exposed to the same radiation source with different parameters (kT 2 , t 2 ) of the pulse.
В случае использования магнитооптических сред, работающих в режиме ФТТФ в присутствие внешнего магнитного поля Н, локальное импульсное оптическое воздействие приводит к импульсному локальному плавлению среды с последующей обратимой ориентационной реорганизаций ее микродоменов при охлаждении [смотри, например, US Pat. No, No: 5,187,703; 5,822,282; 6,061,307] (рис. 1c).In the case of using magneto-optical media operating in the PTF mode in the presence of an external magnetic field H, the local pulsed optical effect leads to pulsed local melting of the medium followed by reversible orientational reorganization of its microdomains upon cooling [see, for example, US Pat. No, No: 5,187,703; 5,822,282; 6,061,307] (Fig. 1c).
Недостатками материалов на основе ФТТФ типа являются его применимость только к средам с очень малой толщиной слоя (порядка 1 мкм) и сложность применения в технологии производства картинно-ориентационных молекулярных нано- или микроструктур больших пространственных размеров (площадей).The disadvantages of materials based on FTTF type are its applicability only to media with a very small layer thickness (of the order of 1 μm) and the difficulty of using large spatial sizes (areas) of picture-oriented molecular nano- or microstructures in the production technology.
В настоящее время способ «Photon-type formation» (ФОТФ) формирования поляризационно-чувствительных материалов описан в огромном числе патентов, в которых использовалось множество фоточувствительных композиций, основанных на разнообразных мономолекулярных необратимых или обратимых (фотохромных) фотохимических реакциях деструкции или структурирования под действием поляризованного излучения. Этот метод пассивной фотоселекции основан на эффекте Вейгерта (Weigert effect)), впервые обнаруженном в 1919 году [F. Weigert, einen neuen effekt der strahlung in lichtempfindlichen schichten. Verhandl. Deutsch. PhysiK. Ges., 21, 479-491, 615, 623 (1919)] (рис. 1d).Currently, the “Photon-type formation” (POTF) method of forming polarization-sensitive materials is described in a huge number of patents, which used a lot of photosensitive compositions based on a variety of monomolecular irreversible or reversible (photochromic) photochemical reactions of destruction or structuring under the action of polarized radiation . This method of passive photo selection is based on the Weigert effect), first discovered in 1919 [F. Weigert einen neuen effekt der strahlung in lichtempfindlichen schichten. Verhandl. Deutsch. PhysiK. Ges., 21, 479-491, 615, 623 (1919)] (Fig. 1d).
Сущность метода пассивной фотоселекции, являющегося следствием угловой селективности (angular hole burning (АНВ)), заключается в том, что резонансное поглощение оптического излучения фотохимически активной молекулой происходит с максимальной вероятностью ε, если направление длинной оси ее дипольного момента перехода μqe на длине волны активирующего излучения совпадает с направлением электрического вектора световой волны Ehv в соответствии с уравнением (2):The essence of the method of passive photo selection resulting from angular hole burning (ANB) is that the resonance absorption of optical radiation by a photochemically active molecule occurs with a maximum probability ε if the direction of the long axis of its dipole transition moment μqe at the wavelength of the activating radiation coincides with the direction of the electric vector of the light wave Ehv in accordance with equation (2):
где θ - угол между Ehv и μge. При перпендикулярном взаимном направлении этих векторов вероятность поглощения света близка к нулю.where θ is the angle between Ehv and μge. With the perpendicular mutual direction of these vectors, the probability of light absorption is close to zero.
В связи с этим, в отсутствие достаточно быстрого броуновского теплового вращения в неупорядоченных системах (при исходной беспорядочной ориентации молекул) различные молекулы поглощают свет с различной вероятностью, т.е. свет производит отбор молекул по их ориентации - фотоселекцию. Поглотившие свет молекулы затем вступают в фотохимическую реакцию с определенным квантовым выходом и, таким образом, нарушается исходное неупорядоченное распределение молекул по их пространственной ориентации.In this regard, in the absence of a sufficiently fast Brownian thermal rotation in disordered systems (with the initial disordered orientation of the molecules), various molecules absorb light with different probabilities, i.e. light selects molecules according to their orientation - photo selection. Molecules that absorbed light then enter into a photochemical reaction with a certain quantum yield and, thus, the initial disordered distribution of the molecules according to their spatial orientation is violated.
Результатом различной вероятности поглощения света различным образом ориентированными центрами является возникновение в ходе реакции преимущественной ориентации как не прореагировавших молекул исходного вещества, так и молекул продукта фотохимического превращения и, как следствие, возникновением фотоиндуцированной оптической анизотропии (дихроизма поглощения и двулучепреломления (ДЛП) Δn=no-ne) в облученном твердом теле.The result of the different probability of light absorption by variously oriented centers is the appearance during the reaction of the preferential orientation of both unreacted molecules of the starting material and the molecules of the product of the photochemical transformation and, as a result, the appearance of photoinduced optical anisotropy (dichroism of absorption and birefringence (DLF) Δn = no- ne) in an irradiated solid.
Молекулярный ориентационный порядок зависит от энергии экспонирования, в то время как направление предпочтительной молекулярной ориентации определяется направлением вектора поляризации и/или направлением распространения активирующего излучения.The molecular orientation order depends on the exposure energy, while the direction of the preferred molecular orientation is determined by the direction of the polarization vector and / or the direction of propagation of the activating radiation.
Метод пассивной фотоселекции позволяет использовать для искусственного формирования ориентационно-упорядоченных молекулярных структур (и, соответственно, анизотропии оптических свойств) в твердом теле различные необратимые или обратимые (фотохромные) мономолекулярные фотохимические реакции [В.А. Барачевский, Г.И. Пашков, В.А. Цехомский. Фотохромизм и его применение // М.: «Химия», 280 с. (1977); «Органические фотохромы», под ред. А.В. Ельцова, Л-д (1982); R.C. Bertelson, in: ʺPhotochromismʺ, ed. G.H. Brown; Wiley Interscience (1971), 853; G.H. Dorion, A.F. Weibe, in: ʺPhotochromism - Optical and Photographic Applicationʺ, N.Y., Focal Press, (1970), 120; R.C. Bertelson, in: ʺPhotochromism: Techniques of Chemistryʺ, ed. G.H. Brown, N.Y.: Wiley Interscience, 3 (1971), 45; ʺOrganic Phorochromicsʺ, ed. by A.V. Eltsov, translaited from Russian by Y.E. Sviridov and translation, ed. by J. Whittall, Consultants Bureu, N.Y. 1990].The method of passive photo selection allows one to use various irreversible or reversible (photochromic) monomolecular photochemical reactions for the artificial formation of orientationally ordered molecular structures (and, accordingly, anisotropy of optical properties) in a solid [V.A. Barachevsky, G.I. Pashkov, V.A. Tsekhomsky. Photochromism and its application // M .: "Chemistry", 280 p. (1977); Organic Photochromes, ed. A.V. Eltsova, L-d (1982); R.C. Bertelson, in: ʺPhotochromismʺ, ed. G.H. Brown; Wiley Interscience (1971), 853; G.H. Dorion, A.F. Weibe, in: hotPhotochromism - Optical and Photographic Applicationʺ, N.Y., Focal Press, (1970), 120; R.C. Bertelson, in: ʺPhotochromism: Techniques of Chemistryʺ, ed. G.H. Brown, N.Y .: Wiley Interscience, 3 (1971), 45; ʺOrganic Phorochromicsʺ, ed. by A.V. Eltsov, translaited from Russian by Y.E. Sviridov and translation, ed. by J. Whittall, Consultants Bureu, N.Y. 1990].
Оптическая анизотропия, индуцированная светом, является широко распространенным физическим феноменом, о чем свидетельствует фундаментальная экспериментальная работа Кондо (Т. Kondo) [Т. Kondo, den photoanisotropen effect (Weigerteffekt) an farbstoffen 1 // Zeitschrift wissenschaftliche photographie, photophysik und photochemie, Bd. 31, 153 (1932).], обнаружившего дихроичный эффект в более чем 450 (в основном красителях, введенных в коллодий и желатину) из 1700 различных обследованных им органических соединений.Light-induced optical anisotropy is a widespread physical phenomenon, as evidenced by the fundamental experimental work of Kondo (T. Kondo) [T. Kondo, den photoanisotropen effect (Weigerteffekt) an
Данная статья является наиболее близким по технической сущности и практической реализации к заявляемому в настоящем изобретении способу искусственного формирования картинно-ориентированных упорядоченных нано-, микро- и макромолекулярных структур в твердом теле, принятому за прототип.This article is the closest in technical essence and practical implementation to the claimed in the present invention method for the artificial formation of picture-oriented ordered nano-, micro- and macromolecular structures in a solid, adopted as a prototype.
В последние два десятилетия исследования в области фотоиндуцированной оптической анизотропии в конденсированных средах получили наиболее широкое распространение после обнаружения одним из авторов настоящего изобретения эффекта картинной фотоориентации термотропных и лиотропных жидких кристаллов на поверхности ПЧМ после их облучения поляризованным или даже не поляризованным, но направленным излучением [см. В.М. Козенков и другие, 2-ой Всесоюзный семинар «Оптика жидких кристаллов», Тезисы докладов, Красноярск, 17-21 сентября 1990 г.]. Рефераты практически всех патентов (150), относящиеся к этому направлению применения поляризационно-чувствительных материалов, опубликованных за период с 1990 по 2007 гг., приведены в [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].In the last two decades, research in the field of photoinduced optical anisotropy in condensed matter has become most widespread after one of the authors of the present invention discovered the effect of picture photo orientation of thermotropic and lyotropic liquid crystals on the surface of the PMF after irradiation with polarized or not even polarized, but directed radiation [see V.M. Kosenkov and others, 2nd All-Union Seminar "Optics of Liquid Crystals", Abstracts, Krasnoyarsk, September 17-21, 1990]. Abstracts of almost all patents (150) related to this area of application of polarization-sensitive materials published between 1990 and 2007 are given in [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].
Фотоиндуцированная ориентационная упорядоченность и оптическая анизотропия в таких поляризационно-чувствительных материалах, подобно жидким кристаллам [V.G. Chigrinov, Liquid Crystal Devices. Physics an Applications, Artech House Boston - London, 1999], определяются как:Photoinduced orientational ordering and optical anisotropy in such polarization-sensitive materials, like liquid crystals [V.G. Chigrinov, Liquid Crystal Devices. Physics an Applications, Artech House Boston - London, 1999], are defined as:
- параметр порядка S:- order parameter S:
- дихроичное отношение d:- dichroic ratio d:
- двулучепреломление Δn:- birefringence Δn:
где, n11, и А11, - показатели преломления п и оптические плотности А, измеряемые для компонент, ориентированных параллельно и перпендикулярно вектору поляризации активирующего света, соответственно.where, n11, and A11, - refractive indices n and optical densities A, measured for components oriented parallel and perpendicular to the polarization vector of the activating light, respectively.
При этом величина параметра порядка S может изменяться от 0 (полностью неупорядоченная структура) до 1 (полностью упорядоченная структура).In this case, the value of the order parameter S can vary from 0 (completely disordered structure) to 1 (fully ordered structure).
Величина фазовой задержки δ определяется выражением:The magnitude of the phase delay δ is determined by the expression:
где: Δn и d - величина двулучепреломления и толщина оптически прозрачнойwhere: Δn and d are the birefringence and the thickness of the optically transparent
пленки, соответственно; λ - длина волны измерительного света.films, respectively; λ is the wavelength of the measuring light.
Однако в реальности, максимально достигаемые значения параметра молекулярного порядка S для первоначально изотропного ПЧМ, формируемого на основе пассивной фотохимической селекции (обратимой или необратимой фотохимической реакции в поляризованном свете) достаточно маленькие (обычно меньше, чем 0.3). Это связано с тем, что он очень чувствителен к химической структуре фоточувствительных веществ и времени (энергии) их экспонирования (рис. 2, кр. 1, 2) и требует точного контроля режима облучения.However, in reality, the maximum achievable values of the molecular order parameter S for the initially isotropic PSM formed on the basis of passive photochemical selection (reversible or irreversible photochemical reaction in polarized light) are quite small (usually less than 0.3). This is due to the fact that it is very sensitive to the chemical structure of photosensitive substances and the time (energy) of their exposure (Fig. 2, cr. 1, 2) and requires precise control of the irradiation mode.
Кроме того, индуцированная оптическая анизотропия уменьшается или полностью исчезает при достаточно высокой энергии экспозиции, т.е. молекулярная порядок зависит от энергетической экспозиции критически (рис. 2, кр. 1, 1ʺ).In addition, the induced optical anisotropy decreases or completely disappears at a sufficiently high exposure energy, i.e. the molecular order depends critically on the energy exposure (Fig. 2, cr. 1, 1ʺ).
Более того, как правило, фото-наведенная анизотропия в этих материалах термически не стабильна и быстро исчезает при нагревании.Moreover, as a rule, photo-induced anisotropy in these materials is thermally unstable and quickly disappears when heated.
Характерным свойством метода формирования ориентационно-упорядоченных молекулярных нано-, микро- и макроструктур с фотоиндуцированной анизотропией (например, двулучепреломлением) в слоях всех типов этих фотохимических материалов является частичная обратимость процесса формирования оптической анизотропии с возможностью оптического и/или термического ʺстиранияʺ и последующего восстановления оптической анизотропии с тем же направлением оптической оси (см. рис. 2, кр. 1 и 1' 1ʺ; 2 и 2', 2ʺ, соответственно).A characteristic property of the method of forming orientationally ordered molecular nano-, micro-, and macrostructures with photoinduced anisotropy (for example, birefringence) in layers of all types of these photochemical materials is the partial reversibility of the process of forming optical anisotropy with the possibility of optical and / or thermal “erasure” and subsequent restoration of optical anisotropy with the same direction of the optical axis (see Fig. 2, curves 1 and 1 '1ʺ; 2 and 2', 2ʺ, respectively).
Обратимость процесса фото-индуцированной анизотропии в поляризационно-чувствительном материале (ПЧМ), например, позволяет осуществлять процесс оптической корректировки неправильно записанной в слое ПЧМ картинной анизотропной нано-, микро- или макроструктуры. Это упрощает сам технологический процесс изготовления таких картинных оптически анизотропных структур.The reversibility of the photo-induced anisotropy process in a polarization-sensitive material (PCM), for example, allows the process of optical correction of the picture anisotropic nano-, micro- or macrostructure incorrectly recorded in the PCM layer. This simplifies the technological process of manufacturing such picture optically anisotropic structures.
Однако, значительным недостатком использованим таких ПЧМ, фомируемых с использованием фоточувствительных веществ на основе пассивной фотохимической селекции является их крайне ограниченая обратимость. Это видно из рис. 2 (кр. 1ʺ), где показано, что вид кинетик формирования и величина оптической анизотропии (например, ДЛП) значительно изменяется с циклами «оптическое наведение (кр. 1) - оптическое стирание (кр. 1') и оптическое восстановление (кр. 1ʺ)».However, a significant drawback of using such IFMs formed using photosensitive substances based on passive photochemical selection is their extremely limited reversibility. This can be seen from Fig. 2 (cr. 1ʺ), where it is shown that the form of kinetics of formation and the magnitude of optical anisotropy (for example, DLP) varies significantly with the cycles “optical guidance (cr. 1) - optical erasure (cr. 1 ') and optical recovery (cr. one)".
Таким образом, недостатками ФТР метода формирования картинно молекулярно ориентационно упорядоченных нано-, микро- или макроструктур в фоточувствительных средах на основе пассивной фотоселекции являются:Thus, the disadvantages of the FTD method of forming picture-molecularly orientationally ordered nano-, micro- or macrostructures in photosensitive media based on passive photo-selection are:
1. Низкий оптически формируемый ориентационный порядок (S<0.1-0.3),1. Low optically formed orientational order (S <0.1-0.3),
2. Неоднозначность зависимости количественной величины формируемой ориентационной и оптической анизотропии от величины поглощенной энергии фотохимически активного поляризованного излучения. Это видно из приведенных на рис. 2 типичных зависимостей наведения фотоиндуцированного ДЛП от энергии экспозиции для фотоанизотропных материалов на основе пассивной необратимой (кр. 1) и обратимой (фотохромной) (кр. 2) фотохимической селекции. В ходе фотолиза в таких системах наведенная анизотропия, проходя через максимум, при длительном облучении может стремиться либо к некоторому фотостационарному значению Δn, как для фотохромных сред (кр. 2÷2ʺ), либо к нулю (кр. 1÷1ʺ), как для необратимых фотохимических процессов. В последнем случае при длительном облучении формируется изотропный слой фотопродукта.2. The ambiguity of the dependence of the quantitative value of the formed orientational and optical anisotropy on the absorbed energy of photochemically active polarized radiation. This can be seen from the ones shown in Fig. 2 typical dependences of photoinduced DLP induction on exposure energy for photoanisotropic materials based on passive irreversible (cr. 1) and reversible (photochromic) (cr. 2) photochemical selection. During photolysis in such systems, the induced anisotropy passing through a maximum during long-term irradiation can tend to either some photostationary value Δn, as for photochromic media (cr. 2 ÷ 2ʺ), or to zero (cr. 1 ÷ 1ʺ), as for irreversible photochemical processes. In the latter case, with prolonged exposure, an isotropic layer of the photoproduct is formed.
3. Ограниченная реверсивность. Она обусловленна конечным количеством фотохимически чувствительных молекул в среде для необратимых процессов или фотодеструкцией фотохромных молекул.3. Limited reversibility. It is due to a finite number of photochemically sensitive molecules in the medium for irreversible processes or photodegradation of photochromic molecules.
4. Изменчивость формы спектров поглощения и химических свойств в исходном и упорядоченном состояниях. Для примера, на рис. 3 приведен спектр поглощения фоточувствительного вещества из класса феноксинафтаценхинонов в полимерной матрице до (кр. 1) и после (кр. 2 и 3) облучения актиничным излучением [В.М. Козенков и др., Вестник МГОУ, серия Физика и матеатика, 4, 115-122 (2011)].4. The variability of the shape of the absorption spectra and chemical properties in the initial and ordered states. For example, in fig. Figure 3 shows the absorption spectrum of a photosensitive substance from the class of phenoxynaphthacinquinones in a polymer matrix before (cr. 1) and after (cr. 2 and 3) irradiation with actinic radiation [V.M. Kosenkov et al., Vestnik MGOU, series Physics and Mathematics, 4, 115-122 (2011)].
Кроме того, ФОТФ метод формирования картинно молекулярно ориентационно-упорядоченных нано-, микро- или макроструктур в ПЧМ на основе пассивной фотоселекции имеет и ряд других недостатков, которыми являются:In addition, the POTF method of forming picture-molecularly orientationally ordered nano-, micro-, or macrostructures in the PSM based on passive photo-selection has several other disadvantages, which are:
5. Отсутствие порогового эффекта по плотности мощности активирующего излучения при формировании локально-ориентированных молекулярных нано- и микроструктур непосредственно в объеме фотоанизотропного ПЧМ. По этой причине невозможно использовать однофотонные фотохимические реакции для формирования локальных пространственно модулированных ориентационных молекулярных нано- или микро структур в объеме слоя.5. The absence of a threshold effect on the power density of the activating radiation during the formation of locally oriented molecular nano- and microstructures directly in the volume of the photoanisotropic PSM. For this reason, it is impossible to use single-photon photochemical reactions to form local spatially modulated orientational molecular nano- or microstructures in the bulk of the layer.
6. Наличие только одного (неупорядоченно изотропного) термодинамически устойчивого состояния.6. The presence of only one (disordered isotropic) thermodynamically stable state.
7. Отсутствие методов фиксации формируемого в слое ориентационного порядка (оптической анизотропии). Это приводит к его деструкции при воздействии посторонних или считывающих излучений, поглощаемых ими. Кроме того, наведенная поляризованным светом анизотропия (ориентационная упорядоченность) может релаксировать в результате вращательной термической диффузии фотоселектированных молекул и их фотопродуктов в темноте или в результате обратного химического превращения для фотохромных веществ.7. Lack of methods for fixing the orientational order (optical anisotropy) formed in the layer. This leads to its destruction when exposed to extraneous or read radiation absorbed by them. In addition, anisotropy induced by polarized light (orientational ordering) can relax as a result of rotational thermal diffusion of photoselected molecules and their photoproducts in the dark or as a result of chemical reversal for photochromic substances.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования новых поляризационно-чувствительных твердотельных фотоанизотропных материалов на основе не известного ранее эффекта в не люминесцирующих или слабо люминесцирующих, фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных) веществах (ФХСВ), способных обратимо формировать и/или трансформировать в своем объеме и на поверхности пространственно-модулированные, упорядоченные молекулярные функциональные нано-, микро- или макрокартинные структуры в соответствии с пространственным распределением поляризационных и энергетических характеристик одно- или двухфотонно поглощаемого активирующего излучения.The objective of the present invention is to develop a method for the formation of new polarization-sensitive solid-state photoanisotropic materials based on a previously unknown effect in non-luminescent or weakly luminescent, photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic) substances (PCF), capable of reversibly forming and / or transforming in its volume and on the surface, spatially modulated, ordered molecular functional nano-, micro- or macro-picture structures in accordance and with the spatial distribution of the polarization and energy characteristics of one- or two-photon absorbed activating radiation.
Задача решается за счет того, что создан способ формирования пояризационно-чувствительного материала, способного в твердотельном состоянии образовывать в своем объеме и на поверхности поляризационно-оптический элемент в виде картины пространственно-модулированной, упорядоченной анизотропной молекулярной структуры путем облучения поляризованным или неполяризованным, но направленным излучением указанного поляризационно-чувствительного материала, поглощаемым поляризационно-чувствительной компонентой, входящей в состав этого материала, отличающийся тем, что в качестве поляризационно-чувствительной компоненты, отвечающей за формирования в нем анизотропного оптического элемента, вместо анизотропного фотохимически чувствительного вещества предлагается использовать фотохимически стабильное, анизотропно одно- или двухфотонно поглощающее, не люминесцирующее или слабо люминесцирующее вещество, входящее в состав поляризационно-чувствительного материала, например, в виде равномерно распределенной на молекулярном уровне компоненты в однородной и изотропной низко- или высокомолекулярной матрице, причем образованная указанная пространственно-модулированная, упорядоченная анизотропная молекулярная структура, в которой ориентационный порядок и анизотропия оптических свойств (направления оптической оси и величин дихроизма поглощении, двулучепреломления и фазовой задержки) и других угловых зависимостей физико-химических свойств непосредственно коррелирует с пространственным распределением линейного, эллиптического или циркулярного состояния поляризации, энергетических характеристик и направлением распространения активирующего излучения, может быть многократно обратимо образовываться и/или преобразовываться как в случае одно-, так и в случае двухфотонного (через реальный или виртуальный промежуточный уровень) поглощения предлагаемым фотохимически стабильным компонентом поляризационно-чувствительного материала, в состав которого также входят другие низкомолекулярные добавки, колебательные уровни основного состояния которых близки или находятся в резонансе с соответствующими колебательными уровнями молекул ФХСВ, обеспечивая эффективный процесс анизотропии межмолеулярной колебательной кросс-релаксации энергии поглощенного кванта при облучении ПЧМ и, кроме того, регулирующие пленкообразующие, вязкостные, анизотропно-оптические, физико-химические и механические свойства формируемого материала в зависимости от его конкретного применения.The problem is solved due to the fact that a method has been created for forming a tape-sensitive material capable of forming a polarizing optical element in its volume and surface in the form of a spatially modulated ordered anisotropic molecular structure by irradiation with polarized or non-polarized but directed radiation the specified polarization-sensitive material absorbed by the polarization-sensitive component that is part of this mat rial, characterized in that as a polarization-sensitive component responsible for the formation of an anisotropic optical element in it, instead of an anisotropic photochemically sensitive substance, it is proposed to use a photochemically stable, anisotropic one- or two-photon absorbing, non-luminescent or weakly luminescent substance, which is part of the polarization -sensitive material, for example, in the form of components uniformly distributed at the molecular level in a uniform and isotropic low - or a high molecular weight matrix, wherein the indicated spatially modulated ordered ordered anisotropic molecular structure is formed in which the orientational order and anisotropy of the optical properties (directions of the optical axis and absorption dichroism, birefringence, and phase delay) and other angular dependences of the physicochemical properties directly correlate with spatial distribution of a linear, elliptical or circular polarization state, energy characteristics and By propagation of the activation radiation, it can be reversibly formed and / or converted both in the case of one- and two-photon (through the real or virtual intermediate level) absorption of the proposed photochemically stable component of the polarization-sensitive material, which also includes other low molecular weight additives whose vibrational levels of the ground state are close to or in resonance with the corresponding vibrational levels of the PCF molecules Providing an effective process of anisotropy of intermolecular vibrational cross-relaxation of the energy of the absorbed quantum upon irradiation of the PMF and, in addition, the regulatory film-forming, viscous, anisotropic-optical, physicochemical and mechanical properties of the formed material, depending on its specific application.
Другим предметом изобретения является способ формирования поляризационно-чувствительного материала, способного образовывать в своем объеме и на поверхности поляризационно-оптический элемент, который при облучении линейно, эллиптически или циркулярно поляризованным или неполяризованным излучением, поглощаемым поляризационно-чувствительной фотохимически стабильной компонентой материала, проявляет анизотропию своих оптических свойств (дихроизм поглощения, двулучепреломление и фазовую задержку), оставляя без изменения форму спектров поглощения фотохимически стабильной компоненты, независимо от величины поглощенной энергии, но всегда «просветляясь» для поляризационной составляющей, параллелной поляризации активирующего излучения и «затемняясь» для ортогональной составляющей.Another subject of the invention is a method of forming a polarization-sensitive material capable of forming a polarization-optical element in its volume and on the surface, which, when irradiated with linearly, elliptically or circularly polarized or non-polarized radiation absorbed by a polarization-sensitive photochemically stable component of the material, exhibits anisotropy of its optical properties (absorption dichroism, birefringence and phase delay), leaving the spectral shape unchanged the absorption line of the photochemically stable component, regardless of the amount of absorbed energy, but always “clearing” for the polarization component, parallel to the polarization of the activating radiation and “darkening” for the orthogonal component.
При этом некоторые возможные изменения в спектрах поглощения обусловлены проявлением изменения Ван-дер-Ваальсовых сил межмолекулярного взаимодействия при воздействии поляризованного или направленного излучения на поляризационно-чувствительный материал [Дубинин Н.В., Юдин С.Г., Блинов Л.М. Квадратичный эффект Штарка и ориентация молекул в полярных лэнгмюровских мультислоях // Оптика и спектроскопия, 1985, 59(1), 92].Moreover, some possible changes in the absorption spectra are due to the manifestation of changes in the Van der Waals forces of intermolecular interaction when polarized or directed radiation affects polarization-sensitive material [Dubinin N.V., Yudin S.G., Blinov L.M. The quadratic Stark effect and the orientation of molecules in polar Langmuir multilayers // Optics and Spectroscopy, 1985, 59 (1), 92].
Особенно это проявляется в эффекте так называемого «нефотохимического спектрального провала» в средах с неоднородно уширенными спектрами поглощения при гелиевых температурах [Е.И. Альшиц, Б.М. Харламов, З.И. Персонов, К вопросу о нефотохимическом выжигании спектральных провалов // Журн. Прикл. Сректроск., XLV, 559 (1986)].This is especially evident in the effect of the so-called “non-photochemical spectral dip” in media with inhomogeneously broadened absorption spectra at helium temperatures [E.I. Alshits, B.M. Kharlamov, Z.I. Persons, On the question of non-photochemical burning of spectral dips // Journal. Adj Srektrosk., XLV, 559 (1986)].
Еще одним предметом настоящего изобретения является поляризационно-чувствительный материал, в котором поляризационно-чувствительная компонента выполнена из различных классов фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных) веществ с полосами поглощения между 150 нм и 2000 нм в УФ-, видимом и/или ИК областях спектра.Another object of the present invention is a polarization-sensitive material in which the polarization-sensitive component is made of various classes of photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic) substances with absorption bands between 150 nm and 2000 nm in the UV, visible and / or IR spectral regions .
При этом, классы таких анизотропных веществ могут включать, например:Moreover, classes of such anisotropic substances may include, for example:
- моно-, дис-, трис-, полиазокрасители, металлокомплексные или комплексообразующие азокрасители [смотри, например, А.В. Иващенко, Дихроичные азокрасители для жидкокристаллических дисплеев. Хим. пром., Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1987];- mono-, dis-, tris-, polyazo dyes, metal-complex or complex-forming azo dyes [see, for example, A.V. Ivashchenko, Dichroic azo dyes for liquid crystal displays. Chem. prom., Aniline-paint prom., NIITEKHIM, Cherkasy, 1987];
- антрахиноновые красители, моно- и полиокси антрахиноны [смотри, например, А.В. Иващенко, Дихроичные антрахиноны для жидкокристаллических дисплеев. Хим. пром., Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1989];- anthraquinone dyes, mono- and polyoxy anthraquinones [see, for example, A.V. Ivashchenko, Dichroic anthraquinones for liquid crystal displays. Chem. prom., Aniline-paint prom., NIITEKHIM, Cherkasy, 1989];
- азокрасители с полярными гидрофильными «головками» и длинными углеводородными липофильными «хвостами» для пленок Лэнгмюра-Блоджетт- azo dyes with polar hydrophilic "heads" and long hydrocarbon lipophilic "tails" for Langmuir-Blodgett films
- протравные или кислотные азокрасители [Б.И. Степанов, Введение в химию и технологию органических красителей, изд. «Химия», М. 1971]; а также многие другие фотохимически стабильные вещества из классов анизотропных (дихроичных) веществ, проявляющих свойство фотоиндуцированной оптической анизотропии в твердотельных слоях с участием низкомолекулярных добавок, колебательные уровни основного состояния которых близки или находятся в резонансе с соответствующими колебательными уровнями молекул фотохимически стабильного вещества, обеспечивая эффективный процесс анизотропии межмолегулярной колебательной кросс-релаксации энергии поглощенного кванта. В большинстве случаев такими молекулярными добавками по отнощению к оптически возбужденным молекулам могут являться те же, но не возбужденные анизотропные молекулы, расположенные в ближайшем окружении (nearest neighbors) первых.- mordant or acid azo dyes [B.I. Stepanov, Introduction to Chemistry and Technology of Organic Dyes, ed. "Chemistry", M. 1971]; as well as many other photochemically stable substances from the classes of anisotropic (dichroic) substances exhibiting the property of photoinduced optical anisotropy in solid-state layers with the participation of low molecular weight additives, the vibrational levels of the ground state of which are close to or in resonance with the corresponding vibrational levels of molecules of a photochemically stable substance, providing an efficient process anisotropy of intermolecular vibrational cross-relaxation of the energy of the absorbed quantum. In most cases, such molecular additives in relation to optically excited molecules can be the same, but not excited, anisotropic molecules located in the nearest neighbors of the former.
Поляризационно-чувствительный материал может (но не обязательно) представлять собой, например, исходно изотропный, твердый неупорядоченный полимерный раствор (матрицу) с равномерно распределенными в ней на молекулярном уровне фотохимически стабильными анизотропно поглощающими, не люминесцирующими или слабо люминесцирующими веществами.A polarization-sensitive material can (but not necessarily) be, for example, an initially isotropic, solid disordered polymer solution (matrix) with photochemically stable anisotropically absorbing, non-luminescent or weakly luminescent substances uniformly distributed in it at the molecular level.
В некоторых случаях полимерное связующее может и отсутствовать, а в роли изотропной матрицы при этом выступает сам стеклообразный, изотропный необлученный слой фотохимически стабильного низко- или высокомолекулярного вещества с введенными в него (при необходимости) на молекулярном уровне разнообразными технологическими или другими низкомолекулярными добавками, обеспечивающими, кроме того, в частности, эффект фотоиндуцированной оптической анизотропии в твердотельном состоянии ПЧМ.In some cases, a polymer binder may be absent, and the glassy, isotropic unirradiated layer of a photochemically stable low or high molecular weight substance with various technological or other low molecular weight additives introduced into it (if necessary) at the molecular level acts as an isotropic matrix in this case, providing in addition, in particular, the effect of photoinduced optical anisotropy in the solid state of the PMF.
Фотохимически устойчивые анизотропные хромофоры, например, производные азокрасителей, могут быть введены непосредственно в основную цепь макромолекулы полимера или ковалентно связаны с ней в боковой группе. В том числе посредством конформационно подвижного, например, алкильного спейсера, облегчающего процесс фотоиндуцированной ориентационной упорядоченности при воздействии поляризованного или не поляризованного, но направленного излучения. При этом подобные полимерные структуры могут содержать в своем составе фрагменты, придающие им свойства термотропных жидких кристаллов в определенном температурном диапазоне или лиотропных жидких кристаллов в определенном интервале концентраций.Photochemically stable anisotropic chromophores, for example, derivatives of azo dyes, can be introduced directly into the main chain of the polymer macromolecule or covalently linked to it in the side group. Including by means of a conformationally mobile, for example, an alkyl spacer, facilitating the process of photoinduced orientational ordering under the influence of polarized or not polarized, but directed radiation. Moreover, similar polymer structures can contain fragments that give them the properties of thermotropic liquid crystals in a certain temperature range or lyotropic liquid crystals in a certain concentration range.
Низко - или высокомолекулярные ФХСВ могут и сами проявлять термотропные жидкокристаллические свойства в определенном температурном интервале или лиотропные жидкокристаллические свойства в определенном концентрационном интервале растворителя.Low or high molecular weight PCBs can themselves exhibit thermotropic liquid crystal properties in a certain temperature range or lyotropic liquid crystal properties in a certain concentration range of a solvent.
Кроме того, ФХСВ могут быть выполнены в виде би- или многофункциональных веществ типа мономеров или олигомеров, в состав которых могут быть дополнительно введены, например, люминесцирующие или фотохромные фрагменты, а также один или несколько фрагментов, способных димеризоваться или образовывать под действием фотохимически активного по отношению к ним излучения (не поглощаемого ФХСВ) пространственную полимерную сетку.In addition, FHSV can be made in the form of bi- or multifunctional substances such as monomers or oligomers, which can be additionally introduced, for example, luminescent or photochromic fragments, as well as one or more fragments capable of dimerizing or forming under the action of photochemically active the relation to them of radiation (not absorbed by FHSW) is a spatial polymer network.
Указанные выше вещества могут самостоятельно образовывать твердые слои или могут быть введены в качестве добавки в прозрачные для активирующего по отношению к ним излучения полимерные матрицы, а сами твердые слои ПЧМ на их основе могут получаться методом полива, центрифугирования или окунания полимерного раствора с последующим испарением растворителя. Они могут также быть получены путем фото- или термополимеризации мономерных или олигомерных композиций с добавкой анизотропно поглощающих веществ (ФХСВ), изготовлены без полимерной матрицы в виде пленок Лэнгмюра-Блоджетт или аморфных слоев путем центрифугирования, окунания, полиграфической печати или термического напыления в вакууме.The above substances can independently form solid layers or can be added as additives to polymer matrices transparent to the radiation that activates them, and PCM solid layers based on them can be obtained by watering, centrifuging, or dipping a polymer solution followed by evaporation of the solvent. They can also be obtained by photo- or thermopolymerization of monomeric or oligomeric compositions with the addition of anisotropic absorbing substances (PCF), made without a polymer matrix in the form of Langmuir-Blodgett films or amorphous layers by centrifugation, dipping, printing or thermal spraying in vacuum.
Для придания заданных объемных форм конденсированным средам на основе ФХСВ, растворенных в мономерных или олигомерных матрицах, последние могут отверждаться с помощью тепла или какого-либо другого излучения с длиной волны вне спектральной области оптического излучения, поглощаемого этими дихроичными веществами.To give the given volumetric forms to condensed media based on PCFB dissolved in monomeric or oligomeric matrices, the latter can be cured using heat or some other radiation with a wavelength outside the spectral region of the optical radiation absorbed by these dichroic substances.
В качестве высокомолекулярных (полимерных) матриц могут быть использованы фотохимически устойчивые или фоточувствительные полимеры, прозрачные в спектральной области одно- и/или двухфотонного поглощения ФХСВ. Они служат для сохранения или получения требуемой формы и обеспечения необходимой жесткости ПЧМ. Желательно, чтобы колебательные уровни основного электронного состояния полимерной матрицы находились в резонансе с соответствующими уровнями дихроичных ФХСВ, в качестве которых используются стержнеобразные молекулы с сильно выраженной анизотропией осциллятора поглощения на длине волны одно- или двухфотонного поглощения. Это обеспечивает получение более высокой фотостимулированной степени молекулярной ориентационной упорядоченности как самих ФХСВ, так и полимерных фрагментов и других молекул, содержащихся в ПЧМ и находящихся в ближайшем окражении ФХСВ.As high molecular weight (polymer) matrices, photochemically stable or photosensitive polymers transparent in the spectral region of single and / or two-photon absorption of PCBs can be used. They serve to maintain or obtain the required shape and provide the necessary stiffness of the MFM. It is desirable that the vibrational levels of the ground electronic state of the polymer matrix are in resonance with the corresponding levels of dichroic PCBs, which are used as rod-shaped molecules with a pronounced anisotropy of the absorption oscillator at a wavelength of one or two photon absorption. This ensures a higher photostimulated degree of molecular orientational ordering both of the PCFB itself, and of polymer fragments and other molecules contained in the PCM and located in the immediate vicinity of the PCFB.
Такими полимерами могут быть хорошо известные производные: полиимида, полиэтилена, полистирола, ацетата целлюлозы, поликарбоната, полиэфиров, полиакрилонитрилов, поливинилового спирта, полиметилметакрилата, поливинилэтилаля, поливинилбутираля, полибутилметакрилата, фенолформальдегидные смолы, полиакрилаты, и другие полимеры.Such polymers can be well-known derivatives: polyimide, polyethylene, polystyrene, cellulose acetate, polycarbonate, polyesters, polyacrylonitriles, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyvinyl ethyl, polyvinyl butyral, polybutyl methacrylate, phenol formaldehyde resins, other polymers, polymers.
В качестве низкомолекулярных добавок желательно использовать фотохимически устойчивые, прозрачные в спектральной области поглощения ФХСВ также анизотропные вещества, колебательные уровни которых в основном невозбужденном электронном состоянии находятся в резонансе или близки к соответствующим электронным уровням ФХСВ.As low molecular weight additives, it is desirable to use photochemically stable anisotropic substances, transparent in the spectral region of absorption of PCBs, whose vibrational levels in the ground unexcited electronic state are in resonance or close to the corresponding electronic levels of PCBB.
Для улучшения своей ориентационной упорядоченности эти добавки могут быть и химически связаны непосредственно с анизотропно поглощающими веществами ФХСВ в виде би- или многофункциональных мнономерных или олигомерных веществ.To improve their orientational ordering, these additives can also be chemically bonded directly to the anisotropic absorbing substances of PCFB in the form of bi- or multifunctional monomeric or oligomeric substances.
Все эти вещества предпочтительно должны иметь в своем составе, по крайней мере, два заместителя типа -ОН, -NH2, СООН, NHR (где в качестве R могут быть, например, -All these substances should preferably have at least two substituents of the type —OH, —NH2, COOH, NHR (where R can be, for example, -
-С6Н4СН3, -(СН3)2, СОСН3) и другие, способные образовывать, по крайней мере, две специфические межмолекулярные донорно-акцепторные или водородные связи между данным веществом и макромолекулой полимерной матрицы или между самими дихроичными молекулами с образованием пространственной упорядоченной сетки.-С6Н4СН3, - (СН3) 2, СОСН3) and others, capable of forming at least two specific intermolecular donor-acceptor or hydrogen bonds between this substance and the macromolecule of the polymer matrix or between the dichroic molecules themselves with the formation of a spatial ordered network.
Предлагаемые поляризационно-чувствительные материалы, кроме исходного термодинамически устойчивого изотропного состояния с хаотическим пространственным ориентационным распределением анизотропных фотохимически устойчивых молекул в нем, обеспечивают при поглощении ими актиничного излучения еще два вида квазитермодинамически устойчивых состояния с ориентацией поглощающих молекулярных осцилляторов в плоскости, перпендикулярной вектору поляризации активирующего излучения и вдоль направления распространения циркулярно поляризованного или неполяризованного излучения.The proposed polarization-sensitive materials, in addition to the initial thermodynamically stable isotropic state with a random spatial orientation distribution of anisotropic photochemically stable molecules in it, provide, when they absorb actinic radiation, two more types of quasi-thermodynamically stable states with the orientation of the absorbing molecular oscillators in a plane perpendicular to the polarizing radiation vector circularly polarized along the propagation direction annogo or unpolarized radiation.
Заявляемые ПЧМ проявляют эффект формирования ориентационной молекулярной упорядоченности и в режиме двухфотонного каскадного или кооперативного поглощения, что обеспечивает возможность, например, картинного формирования распределения направления оптической оси или величины ДЛП по глубине объемного ПЧМ. Такие структуры невозможно получить при формировании в режиме однофотонного экспонирования.The inventive IFMs exhibit the effect of the formation of orientational molecular ordering in the two-photon cascade or cooperative absorption mode, which makes it possible, for example, to form a pattern of the distribution of the direction of the optical axis or the DLP along the depth of the volume IFM. Such structures cannot be obtained when forming in single-photon exposure mode.
Еще одним вариантом формирования ориентационной молекулярной упорядоченности в предлагаемых материалов в соответствии с настоящим изобретением является сенсибилизированная ориентационная упорядоченность.Another option for the formation of orientational molecular ordering in the proposed materials in accordance with the present invention is a sensitized orientational ordering.
Преимуществами поляризационно-чувствительных фотоанизотропных материалов на основе не люминесцирующих или слабо люминесцирующих, фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных) веществ являются:The advantages of polarization-sensitive photoanisotropic materials based on non-luminescent or weakly luminescent, photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic) substances are:
1. высокое значение параметра порядка, наводимого активирующим излучением (S~ 0.8÷0.9),1. high value of the order parameter induced by the activating radiation (S ~ 0.8 ÷ 0.9),
2. высокое значение фотоиндуцированного ДЛП, наводимого активирующим излучением2. high value of photoinduced DLP induced by activating radiation
(~ 0.2÷0.5),(~ 0.2 ÷ 0.5),
3. однозначность зависимости количественной величины формируемой ориентационной и оптической анизотропии от величины поглощенной энергии активного поляризованного излучения,3. the unambiguity of the dependence of the quantitative value of the formed orientation and optical anisotropy on the absorbed energy of the active polarized radiation,
4. наличие трех (одно изотропное и два анизотропных) термодинамически устойчивых состояний,4. the presence of three (one isotropic and two anisotropic) thermodynamically stable states,
5. возможность темновой самоорганизации,5. the possibility of dark self-organization,
6. низкая темновая релаксация (как минимум, более 25 лет),6. low dark relaxation (at least more than 25 years),
7. два пороговых эффекта по плотности мощности активирующего излучения,7. two threshold effects on the power density of the activating radiation,
8. практически неограниченная реверсивность и возможность адаптивной переориентации,8. almost unlimited reversibility and the possibility of adaptive reorientation,
9. высокая инвариантность спектров поглощения в исходном и ориентированном состояниях.9. High invariance of absorption spectra in the initial and oriented states.
Предметом настоящего изобретения является также использование заявляемого поляризационно-чувствительного материала:The subject of the present invention is also the use of the claimed polarization-sensitive material:
- в качестве химического и/или конструкционного материала в фототехнологии производства разнообразных картинных двух- и/или трехмерных поляризационно-оптических элементов и устройств нано-, микро- и макрооптоэлектронной техники, а также в приборостроении с использованием таких поляризационно-оптических элементов. Указанный поляризационно-чувствительный материал может быть использован при изготовлении оптических анизотропных изделий волоконной и интегральной оптики типа анизотропных фотонных кристаллов, объемных дифракционных решеток, устройств ввода-вывода излучения, линз, поляризационно-селективных делителей световых пучков и т.д, в фототехнологии производства фототермически стабильных адаптивных внутренних тонкопленочных фазовых пластин и поляроидов, а также фотоориентантов жидких кристаллов.- as a chemical and / or structural material in phototechnology for the production of a variety of pictorial two- and / or three-dimensional polarization-optical elements and devices of nano-, micro- and macro-optoelectronic equipment, as well as in instrumentation using such polarization-optical elements. The specified polarization-sensitive material can be used in the manufacture of optical anisotropic fiber and integrated optics such as anisotropic photonic crystals, bulk diffraction gratings, radiation input-output devices, lenses, polarization-selective light beam dividers, etc., in phototechnology for the production of photothermally stable adaptive internal thin-film phase plates and polaroids, as well as photo-orientants of liquid crystals.
- в качестве оптически формируемой картинной высокоориентированной матрицы для специальных низкомолекулярных активных добавок, проявляющих высокую селективность и эффективность происходящих в них термо-, фото- или просто химических процессов в зависимости от степени их упорядоченности в высокоориентированной матрице.- as an optically formed picture highly oriented matrix for special low molecular weight active additives exhibiting high selectivity and efficiency of thermo-, photo- or simply chemical processes occurring in them, depending on the degree of their ordering in the highly-oriented matrix.
- в качестве поляризационно-чувствительных фотоанизотропных носителей информации в технических средствах записи, хранения, обработки и отображения информации, в том числе в системах двух - (2D) и/или трех - (3D) мерной оптической памяти WORM и VR - типа, в поляризационной компьютерной, в том числе коноскопической, голографии, в средствах защиты от подделок и идентификации ценных бумаг и других изделий бытового и технического назначения, при создании новых приборов и устройств измерительной техники для исследования механических напряжений в различных изделиях методом фотоупругости и т.д.- as polarization-sensitive photoanisotropic storage media in technical means of recording, storing, processing and displaying information, including in systems of two - (2D) and / or three - (3D) dimensional optical memory WORM and VR - type, in polarization computer, including conoscopic, holography, in means of protection against counterfeiting and identification of securities and other products for household and technical purposes, when creating new instruments and devices of measuring equipment for the study of mechanical stresses in various cing product photoelasticity method, etc.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На фиг. 1In FIG. one
представлены оптические способы формирования ориентированных молекулярных структур:optical methods for the formation of oriented molecular structures are presented:
a) фотоориентация фотохимически стабильных анизотропных молекул,a) photo orientation of photochemically stable anisotropic molecules,
b) фазовые изменения (Prior Art),b) phase changes (Prior Art),
c) магнитооптика (Prior Art),c) magneto-optics (Prior Art),
d) пассивная фотохимическая угловая селекция (Weigert эффект) (Prior Art).d) passive photochemical angular selection (Weigert effect) (Prior Art).
На фиг. 2In FIG. 2
представлена реверсивность процесса наведения (кр. 1, 2 и 3), оптического ʺстиранияʺ (кр. 1', 2' и 3') и повторного наведения (кр. 1ʺ, 2ʺ и 3ʺ) оптической анизотропии в средах на основе фотохимически чувствительных (кр. 1, 2,) и фотохимически стабильных (кр. 3) веществ.the reversibility of the guidance process (cr. 1, 2 and 3), optical ʺ erasure ʺ (cr. 1 ′, 2 ’and 3)) and repeated pointing (cr. 1ʺ, 2ʺ and 3ʺ) of optical anisotropy in media based on photochemically sensitive (cr . 1, 2,) and photochemically stable (cr. 3) substances.
На фиг. 3In FIG. 3
представлена типичная форма спектров поглощения поляризационно-чувствительных фотоанизотропных сред на основе пассивной фотохимической селекции (Prior Art) (а) и фотоориентации фотохимически стабильных анизотропных молекул (b) в исходном изотропном (кр. 1) и фотоиндуцированном анизотропном (кр. 2, 3) состояниях при ориентации вектора поляризации Emeas измерительного излучения параллельно () и перпендикулярно () вектору поляризации Еехр активирующего излучения, соответственно.a typical form of absorption spectra of polarization-sensitive photoanisotropic media based on passive photochemical selection (Prior Art) (a) and photoorientation of photochemically stable anisotropic molecules (b) in the initial isotropic (cr. 1) and photoinduced anisotropic (cr. 2, 3) states is presented with the orientation of the polarization vector Emeas of the measuring radiation in parallel ( ) and perpendicular ( ) polarization vector exp of the activating radiation, respectively.
На фиг. 4In FIG. four
представлена схема молекулярной переориентации в поляризационно-чувствительном материале на основе фотохимически стабильных веществ:The scheme of molecular reorientation in a polarization-sensitive material based on photochemically stable substances is presented:
- ориентационная «самоорганизация» элементарной ячейки (сольвата) при поглощении одного кванта оптического излучения (а-с);- orientation "self-organization" of the unit cell (solvate) upon absorption of one quantum of optical radiation (a-c);
- переориентация при многократном поглощении (d).- reorientation with multiple absorption (d).
На фиг. 5 а-сIn FIG. 5 a-s
представлено схематическое изображение исходного неупорядоченного (а) и двух высоко ориентированных (b и с), термически устойчивых состояний в аморфных слоях ФХСВ.a schematic representation of the initial disordered (a) and two highly oriented (b and c), thermally stable states in amorphous layers of PCF is presented.
На фиг. 6аIn FIG. 6a
схематическое представление принципов одно- и двух-фотонного формирования заданных пространственных конфигураций анизотропных диэлектрических оптических свойств в объеме предлагаемых поляризационно-чувствительных материалов.a schematic representation of the principles of one- and two-photon formation of specified spatial configurations of anisotropic dielectric optical properties in the scope of the proposed polarization-sensitive materials.
На фиг. 7In FIG. 7
представлен типичный вид кинетических кривых наведения, стирания и темновой релаксации оптической анизотропии δ в фотоанизотропных средах на основе фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих веществ. Стрелками ↑ (вверх) и ↓ (вниз) обозначены моменты включения и отключения фотоактивирующего излучения. Символы А→ В и А← В обозначают моменты переключения состояния поляризации активирующего излучения на ортогональное. Знаки «0», «1» и «-1» обозначают соответственно исходное и фотоиндуцированное квазитермодинамически устойчивые ориентационные состояния.A typical view of the kinetic curves of guidance, erasure, and dark relaxation of optical anisotropy δ in photoanisotropic media based on photochemically stable, anisotropic absorbing substances is presented. The arrows ↑ (up) and ↓ (down) denote the moments of turning on and off photoactivating radiation. Symbols A → B and A ← B denote moments when the polarization state of the activating radiation is switched to orthogonal. The signs "0", "1" and "-1" denote the initial and photoinduced quasithermodynamically stable orientational states, respectively.
На фиг. 8In FIG. 8
показана зависимость фоточувствительности аморфных слоев на основе ФХСВ от плотности мощности активирующего излучения.The dependence of the photosensitivity of amorphous layers based on PCFs on the power density of activating radiation is shown.
На фиг. 9In FIG. 9
показаны два разных изображения, воспроизведенных в скрещенных поляризаторов с «голограммы», записанной некогерентным, немонохромным излучением на ПЧМ на основе ФХСВ.two different images are shown reproduced in crossed polarizers from a “hologram” recorded by incoherent, non-monochrome radiation on a PCF based on PCF.
Сущность предлагаемого изобретения, заключающееся в описании признаков, технических элементов и его преимуществ, поясняется на некоторых конкретных, но не ограничивающих заявляемые технические решения примерах реализации изобретения со ссылками на сопровождающие рисунки, на которых:The essence of the invention, which consists in the description of features, technical elements and its advantages, is illustrated in some specific, but not limiting, claimed technical solutions, examples of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:
РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Перед описанием ряда вариантов и примеров осуществления настоящего изобретения, представляем термины, используемые в данном описании.Before describing a number of options and embodiments of the present invention, we present the terms used in this description.
Под термином ʺанизотропно поглощающее веществоʺ, подразумевается соединение с анизотропной геометрией, например, типа стержня или в форме диска, которое проявляет абсорбционные свойства с различными значениями вдоль различных осей. Например, дихроичные лиотропные и термотропные жидкие кристаллические соединения являются анизотропно поглощающими веществами.By the term “anisotropic absorbing substance” is meant a compound with anisotropic geometry, for example, a rod or a disk, which exhibits absorption properties with different values along different axes. For example, dichroic lyotropic and thermotropic liquid crystalline compounds are anisotropic absorbing substances.
Термин ʺфотохимически активное (фотохимически чувствительное) вещество означает анизотропную поглощающую молекулу, которая проявляет фотоиндуцированную оптическую анизотропию в твердом состоянии или в твердотельной матрице, в результате протекания обратимой или необратимой (фотохромной) моно- или бимолекулярной фотохимической реакции с квантовым выходом около 0,1÷1, в результате которой изменяется, как минимум, спектр поглощения.The term ʺ photochemically active (photochemically sensitive) substance means an anisotropic absorbing molecule that exhibits photo-induced optical anisotropy in the solid state or in a solid-state matrix as a result of a reversible or irreversible (photochromic) mono- or bimolecular photochemical reaction with a quantum yield of about 0.1 ÷ 1 as a result of which at least the absorption spectrum changes.
Термин ʺметод пассивной фотохимической селекцииʺ, означает, что ориентационная молекулярная структура с фотоиндуцированной оптической анизотропией в светочувствительной твердотельной оптической среде на основе фотохимически активных (фотохимически чувствительных) веществ имеет место в результате необратимых или обратимымых (фотохромных) фотохимических реакций в поляризованном свете (эффект Вейгерта (Weigert effect)).The term “passive photochemical selection method” means that an orientational molecular structure with photoinduced optical anisotropy in a photosensitive solid-state optical medium based on photochemically active (photochemically sensitive) substances occurs as a result of irreversible or reversible (photochromic) photochemical reactions in polarized light (Weigert effect (Weigert effect)).
Термин ʺфотохимически стабильное, анизотропно поглощающее (дихроичное), не-люминесцирующее веществаʺ (ФХСВ) означает, что молекула, которая проявляет фотоиндуцированную оптическую анизотропию в твердом состоянии или в твердотельной матрице без участия в какой-либо обратимой или необратимой (фотохромной) фотохимической реакции без изменений формы спектральных полос поглощения в процессе формирования анизотропии.The term “photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic), non-luminescent substances” (PCFS) means that a molecule that exhibits photo-induced optical anisotropy in the solid state or in a solid-state matrix without participating in any reversible or irreversible (photochromic) photochemical reaction without changes forms of spectral absorption bands in the process of anisotropy formation.
В настоящем изобретении под ʺФХСВʺ подразумеваются вещества, в которых при поглощении энергии ориентирующего излучения не приводят какие-либо фотохиические реакции, сопровождающиеся спектральными изменениями. Конечно, это определение относительное и зависит от конкретных условий применения и свойств поляризационно-чувствительных фотоанизотропных материалов на основе ФХСВ. В твердой фазе, квантовый выход, связанный с фотохимическими реакциями в таких веществах составляет около 10-1÷10-8 и меньше. При этом за время оптического формирования в таком слое анизотропии фотохимическими изменениями можно пренебречь.In the present invention, ʺ Х Х ʺ ʺ ʺ is understood to mean substances in which, when absorbing the energy of the orienting radiation, they do not produce any photochemical reactions accompanied by spectral changes. Of course, this definition is relative and depends on the specific conditions of use and the properties of polarization-sensitive photoanisotropic materials based on PCF. In the solid phase, the quantum yield associated with photochemical reactions in such substances is about 10 -1 ÷ 10 -8 or less. Moreover, during the time of optical formation in such an anisotropy layer, photochemical changes can be neglected.
Термин ʺфотостабильная молекулаʺ, означает далее, что квантовая эффективность, связанная с фотохимической реакционной способностью молекулы практически равна нулю.The term “photostable molecule” further means that the quantum efficiency associated with the photochemical reactivity of a molecule is practically zero.
Термин "поляризационно-чувствительный материал" (ПЧМ), означает, что, как правило, первоначально изотропная твердотельная среда на основе ʺфотохимически активных (фотохимически чувствительных)ʺ, ʺфотохимически стабильных анизотропно поглощающихʺ или «фотостабильных молекул» проявляет фотоиндуцированную анизотропию (дихроизм поглощения и/или двулучепреломление) в твердом состоянии при поглощении поляризованного или не поляризованного, но направленного излучения.The term "polarization-sensitive material" (FMS), means that, as a rule, an initially isotropic solid-state medium based on "photochemically active (photochemically sensitive)", "photochemically stable anisotropically absorbing" or "photostable molecules" exhibits photo-induced anisotropy (dichroism of absorption and / or birefringence) in the solid state upon absorption of polarized or non-polarized but directed radiation.
До настоящего времени был хорошо известен только один (фотохимический) ФТФ механизм долгоживущего эффекта фотоиндуцированной оптической анизотропии (дихроизма поглощения и/или двулучепреломления) в твердотельных средах на основе ПЧМ с «замороженной» броуновской вращательной молекулярной подвижностью. Оптическая анизотропия в таких ПЧМ является следствием пассивной фотохимической пространственно угловой селекции, происходящей в результате протекания в таких ПЧМ необратимых или обратимых (фотохромных) фотохимических моно- или бимолекулярных фотохимических реакций (эффект Вейгерта) (фиг. 1d).Until now, only one (photochemical) FTF mechanism was well known for the long-lived effect of photoinduced optical anisotropy (dichroism of absorption and / or birefringence) in solid-state media based on PCM with “frozen” Brownian rotational molecular mobility. Optical anisotropy in such IFs is the result of passive photochemical spatially angular selection resulting from irreversible or reversible (photochromic) photochemical mono- or bimolecular photochemical reactions (Weigert effect) (Fig. 1d).
Механизм фотоиндуцированной оптической анизотропии в предлагаемых в настоящем изобретении ПЧМ на основе фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных), не люминесцирующих или слабо люминесцирующих веществ (ФХСВ) ранее был неизвестен.The mechanism of photoinduced optical anisotropy in the PMIs of the present invention based on photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic), non-luminescent or weakly luminescent substances (PCF) was previously unknown.
Как считают авторы предлагаемого изобретения он основан на ранее неизвестном фотофизическом механизме активного молекулярного упорядочения и переориентации таких веществ при одно- или двухфотонном поглощении ими линейно, эллиптически или циркулярно поляризованного или не поляризованного, но направленного оптического излучения (фиг. 1а).According to the authors of the present invention, it is based on a previously unknown photophysical mechanism of active molecular ordering and reorientation of such substances during one- or two-photon absorption of linearly, elliptically or circularly polarized or non-polarized, but directed optical radiation (Fig. 1a).
При этом максимально достигаемый параметр ориентационного порядка S в таких ПЧМ на основе чистых ФХСВ без полимерной матрицы и даже в ряде случаев в слоях ФХСВ в полимерной матрице достигает значения S>0.8-0.9, что значительно превышает величину параметра порядка ПЧМ на основе фотохимической угловой селекции (S<0.3).In this case, the maximum achievable orientational order parameter S in such IFMs based on pure PCFs without a polymer matrix and even in some cases in PCFW layers in a polymer matrix reaches S> 0.8-0.9, which significantly exceeds the value of the PCM order parameter based on photochemical angular selection ( S <0.3).
Авторами предлагаемого изобретения обнаружено, что параметр ориентационного порядка для таких ПЧМ достигает предельно максимального значения асимптотически с увеличением дозы облучения (фиг. 2b, кр. 3,), даже после оптического ʺстиранияʺ (3') и повторного наведения (3ʺ), вплоть до достижения температуры плавления (~150-250°С), зависящей от компонентного состава ПЧМ.The authors of the present invention found that the orientational order parameter for such IFM reaches its maximum value asymptotically with increasing radiation dose (Fig. 2b, cr. 3,), even after optical “erasure” (3 ') and re-guidance (3ʺ), until melting point (~ 150-250 ° C), depending on the component composition of the PM.
Фиг. 4а-d схематически иллюстрирует предлагаемый процесс фотоиндуцированной упорядоченности и переориентации молекул в ПЧМ на основе фотохимически стабильных, анизотропно поглощающих (дихроичных), не люминесцирующих веществ, растворенных в, например, полимерной матрице или без нее.FIG. 4a-d schematically illustrates the proposed process of photoinduced ordering and reorientation of molecules in the PMM based on photochemically stable, anisotropically absorbing (dichroic), non-luminescent substances, dissolved in, for example, a polymer matrix or without it.
В соответствие с Onsager- [ С.J.F., Theory of Electric Polarization, Elsever, Amcterdam, 1952; 2nd ed. Revised by Van Belle, О.C. Bordewijk, P. and Rip, A., Vol. 1 and 2, Elsever, Amsterdam, 1973]) в исходном состоянии (фиг. 4а) среда 40 изотропна и ее можно характеризовать множеством случайно ориентированных сольватов 41 диаметром от нескольких десятков до сотен А°, каждый из которых включает невозбужденную фотохимически стабильную дихроично поглощающую молекулу ФХСВ 42, окруженную, в общем случае, не поглощающими активирующее излучение фрагментами макромолекулярной матрицы, другими низкомолекулярными добавками или, например, молекулами того же вещества) 43. Такой сольват 41 можно охарактеризовать дипольным моментом перехода μge дихроичной молекулы 42 (однозначно связанным с ее постоянным или наведенным электрическим дипольным моментом), ориентированным под углом θо по отношению к некоторой оси координат Y. Квазистатическое (медленно, за десятки или сотни минут изменяющееся во времени за счет тепловых движений) поле Onsager (field Onsager) Ero ~107÷108 V/cm создается окружающими ФХСВ молекулами 43 и молекулой 42. Векторы μge и Ero первоначально (до облучения) ориентированны между собой под некоторым углом ϕо, статистическая величина которого во многом определяется предысторией приготовления образца 40.In accordance with Onsager- [ C. JF, Theory of Electric Polarization, Elsever, Amcterdam, 1952; 2 nd ed. Revised by Van Belle, O.C. Bordewijk, P. and Rip, A., Vol. 1 and 2, Elsever, Amsterdam, 1973]) in the initial state (Fig. 4a),
Предложенный механизм формированияProposed formation mechanism
фотоиндуцированной упорядоченной молекулярной структуры в таких материалах на основе ФХСВ 40 (фиг. 4a-d) имеет место как процесс активной фотопереориентации и фотоупорядочения молекул ФХСВ (42) и их ближайшего окружения (43) в нано-масштабной области 41) во внутреннем локальном электрическом реактивном поле среды Еr во время кросс-колебательной релаксации энергии, поглощенных молекулой фотохимически неактивных фотонов поляризованного Ehν, или неполяризованного, но направленного излучения (фиг. 4b÷4d).the photoinduced ordered molecular structure in such materials based on PCFB 40 (Fig. 4a-d) takes place as the process of active photo-reorientation and photoordering of PCBF molecules (42) and their immediate environment (43) in the nano-scale region 41) in the internal local electric reactive medium field Er during cross-vibrational relaxation of energy absorbed by a molecule of photochemically inactive photons of polarized Ehν, or unpolarized but directed radiation (Fig. 4b ÷ 4d).
В соответствие с уравнением (2) при облучении такой среды 40 с множеством случайно ориентированных молекул 42 линейно поляризованным, например, в направлении оси Y излучением Ehν, его резонансное поглощение анизотропной молекулой 42 происходит с максимальной вероятностью, когда угол θо близок к нулю.In accordance with equation (2), when such a medium 40 is irradiated with many randomly oriented
При этом, в соответствии с принципом Франка-Кондона ориентационной молекулярной перестройке сольвата 41 в момент перехода молекулы 42 в возбужденное состояние не происходит (фиг. 4а).Moreover, in accordance with the Frank-Condon principle, the orientational molecular rearrangement of
Лежащий в их основе механизм сочетает в себе три процесса:The mechanism underlying them combines three processes:
- «пассивная» ʺPhoton-mode fomingʺ фотоселекция, связанная с поглощением (формула (2)) определенным образом пространственно ориентированных молекул 42 с дипольным моментом перехода μge, ориентированным под углом θо по отношению к активирующему излучению Ehν, и формированием анизотропного ансамбля пространственно-неоднородно ориентированных возбужденных молекул (фиг. 4а);- “passive” onPhoton-mode fomingʺ photo-selection associated with absorption (formula (2)) of spatially oriented
- «активный», обусловленный фотоупорядочением возбужденных фотоселектированных молекул- “active”, due to photoordering of excited photo-selected molecules
хромофора 42 и их ближайшего окружения (nearest neighbors) 41, 43 под действием поля Онзагера Еro (х, у), первоначально ориентированного под углом ϕ0 относительно молекулы 42, с их взаимной ориентационной перестройкой в положения 44 и 41 с параметрами ϕ, θ ≠ ϕ0, θ0<90° и Er (х, у) ≠ Еrо (х, у) (фиг. 4b);
- «статистическая» фотопереориентация и упорядочение фотоселектированных молекул хромофора 42→44→45 и их ближайшего окружения (nearest neighbors) 43→46 и 41→47 в результате однократного (для пикосекундного импульса) или многократного (для непрерывного излучения) поглощения и безызлучательной дезактивации энергии квантов активирующего изучения в среду (рис. 4с) с переходом в фотостационарное состояние 42→44→45→49, 43→46→50, 41→47→48 и ϕn→0°, θn→90° и Ero (x, y)→Ern (х, у) (фиг. 4d).- “statistical” photo-reorientation and ordering of photo-selected
При этом роль поляризации активирующего излучения (или направления его распространения для циркулярного или неполяризованного, но направленного излучения), как и в «пассивном» методе фотохимической селекции, заключается в формировании анизотропного ансамбля возбужденных молекул фотохимически стабильных хромофоров, способных к последующей ориентационной перестройке и повороту на определенный угол Δθ от исходной пространственной ориентации θ0. Для ФХСВ в прозрачной для активирующего излучения полимерной матрицы величина Δθ, как правило, мала и составляет доли градуса при однократном поглощении квантов света маломощного излучения.In this case, the role of the polarization of the activating radiation (or the direction of its propagation for circular or non-polarized but directed radiation), as in the “passive” method of photochemical selection, consists in the formation of an anisotropic ensemble of excited molecules of photochemically stable chromophores capable of subsequent orientational rearrangement and rotation by a certain angle Δθ from the initial spatial orientation θ0. For PCFS in a polymer matrix transparent to activating radiation, the Δθ value is, as a rule, small and amounts to fractions of a degree for a single absorption of light quanta of low-power radiation.
Направление и величина такого изменения угла θ при каждом акте поглощения являются случайными.The direction and magnitude of such a change in the angle θ at each absorption event are random.
«Квантовый выход» такой перестройки возбужденного хромофора и его окружения после дезактивации уже не зависит от поляризации света, а определяется величиной диссипируемой энергии кванта света, предысторией формирования наноструктуры среды и плотностью молекулярной упаковки в среде, механизмом межмолекулярной кросс-колебательной релаксации, постоянными дипольными моментами молекул и поляризуемостью элементов сольватного комплекса, а также наличием специфических межмолекулярных взаимодействий в нем и окружающей температурой.The “quantum yield" of such a rearrangement of the excited chromophore and its surroundings after deactivation no longer depends on the polarization of light, but is determined by the magnitude of the dissipated energy of the light quantum, the history of the formation of the nanostructure of the medium and the density of the molecular packing in the medium, the mechanism of intermolecular cross-vibrational relaxation, and constant dipole moments of the molecules and the polarizability of the elements of the solvate complex, as well as the presence of specific intermolecular interactions in it and the ambient temperature.
В отличие от фотохимически активных молекул, после поглощения фотона молекулы ФХСВ не претерпевают химических превращений и не люминесцируют. В результате они способны изменять свою ориентацию и, как правило, при длительном непрерывном облучении в ходе многократного повторения такого процесса (в случае непрерывного облучения в течение ли минут) накапливаются в ориентации дипольных моментов перехода μge, неблагоприятной для поглошения света в этой спектральной области, т.е. с θ→90°. Индуцированная таким образом оптическим излучением молекулярное упорядочение и ориентация в общем случае сопровождается приэтом анизотропными изменениями оптических (дихроизм поглощения и ДЛП) и других физических (например, механических, электрических и т.д.) свойств.In contrast to photochemically active molecules, after absorption of a photon, the PCB molecules do not undergo chemical transformations and do not luminesce. As a result, they are able to change their orientation and, as a rule, during prolonged continuous irradiation during repeated repetition of such a process (in the case of continuous irradiation for several minutes) accumulate in the orientation of the dipole transition moments μge, which is unfavorable for the absorption of light in this spectral region, t .e. with θ → 90 °. The molecular ordering and orientation thus induced by optical radiation in the general case is accompanied by anisotropic changes in the optical (absorption dichroism and DLP) and other physical (e.g., mechanical, electrical, etc.) properties.
Кроме того, этот процесс сопровождается ростом размера сольвата 48 (47, 41) за счет вовлечения в его состав частично переориентированных и упорядоченных переферийных молекул. Увеличение объема сольвата 48 (47, 41) и взаимное упорядочение молекул, входящих в его состав приводят к существенному замедлению броуновского теплового разупорядочения фотоиндуцированной анизотропии в среде после отключения активирующего излучения. Это обусловлено увеличением роли как стерических препятствий, так и анизотропии сил межмолекулярных Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий в сольвате. Этот эффект не наблюдается или имеет значительно меньшее значение в случае пассивной фотоселекции в средах на основе веществ с высокими квантовыми выходами фотохимических реакций.In addition, this process is accompanied by an increase in the solvate size 48 (47, 41) due to the involvement of partially reoriented and ordered peripheral molecules in its composition. An increase in the volume of solvate 48 (47, 41) and the mutual ordering of the molecules included in its composition lead to a significant slowdown of the Brownian thermal disordering of photoinduced anisotropy in the medium after the activation radiation is turned off. This is due to the increasing role of both steric obstacles and the anisotropy of the forces of intermolecular Van der Waals interactions in the solvate. This effect is not observed or is much less important in the case of passive photo-selection in media based on substances with high quantum yields of photochemical reactions.
Результат наведенного в предлагаемых нами ПЧМ на основе ФХСВ долгоживущего ориентационного упорядочения и, соответственно, оптической анизотропии, в значительной мере связан с процессом анизотропии межмолекулярного переноса энергии электронного возбуждения через возбужденные вибронные уровни основного состояния. Этот процесс колебательной кросс-релаксации носит резонансный и ориентационный характер. Влияние кросс-колебательной релаксации наиболее сильно проявляется в случае, когда колебательные уровни основного состояния молекул ФХСВ и молекул сольвата (фрагментов полимерной матрицы и низкомолекулярных добавок) близки или тождественны. Примером могут быть, однородные по составу аморфные, например, напыленные слои некоторых азокрасителей или пленки Лэнгмюра-Блоджетт, когда эффект фотоиндуцированной анизотропии (ориентационный порядок, дихоричное отношение и ДЛП) могут достигать максимальных значений, соизмеримых с ЖК структурами.The result of a long-lived orientational ordering and, accordingly, optical anisotropy induced in our FFM based on PFSS, the result of this experiment is largely related to the anisotropy of intermolecular energy transfer of electronic excitation through excited vibronic levels of the ground state. This process of vibrational cross-relaxation is resonant and orientational in nature. The effect of cross-vibrational relaxation is most pronounced when the vibrational levels of the ground state of PCFB molecules and solvate molecules (fragments of the polymer matrix and low molecular weight additives) are close or identical. An example is amorphous homogeneous in composition, for example, sprayed layers of some azo dyes or Langmuir-Blodgett films, when the photoinduced anisotropy effect (orientational order, dichoric ratio, and DLP) can reach maximum values comparable with LC structures.
В этом случае внутрисольватная упорядоченность стремится к малым величинам ϕn→0°, а θn→90°.In this case, the intrasolvation ordering tends to small values ϕn → 0 °, and θn → 90 °.
(фиг. 4d). При этом достигаются предельные величины фотоиндуцированной ориентационной(Fig. 4d). In this case, the limit values of the photoinduced orientation
упорядоченности (как в ориентированных слоях жидких кристаллов) S ~ 0,8 и более и, следовательно, высокие значения оптической анизотропии (Δn ~ 0,4 и более) даже при длительном воздействии маломощными (порядка единиц мВт/см2) источниками излучения.ordering (as in oriented layers of liquid crystals) S ~ 0.8 or more and, consequently, high values of optical anisotropy (Δn ~ 0.4 or more) even under prolonged exposure to low-power (of the order of units mW / cm 2 ) radiation sources.
С другой стороны, отсутствие резонанса в колебательных спектрах поглощающего свет вещества и молекул сольвата (solvate) и сильные стерические препятствия как, например, для тех же ФХСВ в полимерной матрице, приводят к малым величинам θn и значительному снижению предельно достигаемых значений оптической анизотропии.On the other hand, the absence of resonance in the vibrational spectra of the light-absorbing substance and solvate molecules and strong steric hindrances, for example, for the same PCBs in the polymer matrix, lead to small θn values and a significant decrease in the maximum attainable optical anisotropy values.
Предлагаемые в настоящей заявке поляризационно-чувствительные материалы на основе данного эффекта с фотохимически стабильными анизотропно поглощающими веществами имеют ряд особенностей и преимуществ по сравнению с известными материлами на основе фотохимически-чувствительных веществ.The polarization-sensitive materials proposed in this application based on this effect with photochemically stable anisotropic absorbing substances have a number of features and advantages compared to known materials based on photochemically sensitive substances.
Типичная форма кинетика наведения оптической анизотропии в этих средах существенноThe typical kinetics of optical anisotropy induction in these media is significantly
отличается от аналогичной зависимости для сред на основе пассивной угловой фотоселекции (фиг. 2, кр. 1 и 2). Прежде всего, в случае ПЧМ на основе ФХСВ в процессе их облученияdiffers from a similar dependence for media based on passive angular photo-selection (Fig. 2, cr. 1 and 2). First of all, in the case of PCFs based on PCF during their irradiation
поляризованным излучением оптическая анизотропия (например, фазовая задержка δ) достигаетWith polarized radiation, optical anisotropy (e.g., phase delay δ) reaches
максимального значения ассимптотически, причем на начальном участке наблюдается ее быстроеmaximum value asymptotically, and in the initial section, its fast
нарастание с последующим существенным замедлением скорости (фиг. 2, кр. 3). В прикладныхincrease followed by a significant slowdown (Fig. 2, cr. 3). In applied
применениях таких материалов это снимает вопрос об однозначности зависимости величиныapplications of such materials, this removes the question of the uniqueness of the dependence of the quantity
фотоиндуцированной оптической анизотропии от энергии поглощенного излучения.photoinduced optical anisotropy of the energy of absorbed radiation.
В ПЧМ на основе фотохимически активных веществ, где в процессе их экспонированияIn PCM based on photochemically active substances, where during their exposure
поляризованным излучением обе компоненты оптической плотности в полосе поглощения активирующего излучения А11 и А всегда меньше (как на фиг. 3а, кр. 2, 3) (или больше) исходной оптической плотности Ао (рис. 3а). В предлагаемых ПЧМ на основе ФХСВ, как видно из рис. 3b, в процессе облучения всегда имеет место А > Ао > А11, что также указывает на ориентационный механизм формирования оптической анизотропии в них.polarized radiation, both components of the optical density in the absorption band of the activating radiation A11 and A always less (as in Fig. 3a, cr. 2, 3) (or more) of the initial optical density Ao (Fig. 3a). In the proposed FSMs based on FHSV, as can be seen from Fig. 3b, A always occurs during irradiation >Ao> A11, which also indicates the orientational mechanism of the formation of optical anisotropy in them.
В отсутствие полимерной матрицы в таких аморфных, изначально изотропных пленках максимально достигаемые величины фотоиндуцированной ориентационной упорядоченности и оптической анизотропии близки к соответствующим величинам в жидких кристаллах. Так, параметр ориентационного порядка S и двулучепреломления Δn могут достигать значений доIn the absence of a polymer matrix in such amorphous, initially isotropic films, the maximum attainable values of photoinduced orientational ordering and optical anisotropy are close to the corresponding values in liquid crystals. Thus, the orientational order parameter S and birefringence Δn can reach values up to
0.8 и 0.4 и более, в зависимости от анизотропных свойств этих хромофоров.0.8 and 0.4 or more, depending on the anisotropic properties of these chromophores.
Действительно, как видно на рис. 5а, в исходном термодинамически устойчивом состоянииIndeed, as can be seen in Fig. 5a, in the initial thermodynamically stable state
аморфные слои ФХСВ, полученные, например, методом центрифугирования, изотропны и ориентационная молекулярная упорядоченностьв них отсутствует.amorphous layers of PCBs obtained, for example, by centrifugation, are isotropic and there is no orientational molecular ordering in them.
При длительном воздействии на эти слои поляризованного излучения молекулы ФХСВ ориентируются так, что их дипольные моменты перехода на длине волны активации μge располагаются преимущественно в плоскости (Z-Y на рис. 5b), перпендикулярной вектору электрического поля световой волны (ось X на фиг. 5b), без преимущественного направленияWhen the polarized radiation is exposed to these layers for a long time, the PCFB molecules are oriented so that their transition dipole moments at the activation wavelength μge are located mainly in the plane (ZY in Fig. 5b) perpendicular to the electric field vector of the light wave (X axis in Fig. 5b), without preferential direction
ориентации в этой плоскости (плоскости Z-Y на фиг. 5b).orientation in this plane (Z-Y plane in FIG. 5b).
Аналогичный характер ориентации имеет место и при воздействии циркулярно поляризованногоA similar character of orientation takes place when exposed to circularly polarized
или направленного, не поляризованного излучения. Однако ось преимущественнойor directional, non-polarized radiation. However, the predominant axis
фотоиндуцированной ориентации молекул ФХСВ в этом случае совпадает с направлением распространения поглощаемого средой излучения (ось Z на фиг. 5с).In this case, the photoinduced orientation of the PCFB molecules coincides with the direction of propagation of the radiation absorbed by the medium (Z axis in Fig. 5c).
Из спектров поглощения на рис. 3b также видно, что в процессе облучения пленок на основе ФХСВ поляризованным светом форма спектров поглощения для обоих компонент практически неFrom the absorption spectra in Fig. 3b, it is also seen that during the irradiation of films based on PCFB with polarized light, the shape of the absorption spectra for both components practically does not
изменяется. Небольшие спектральные изменения связаны с формированием упорядоченной ориентационной структуры в слое и изменения анизотропных сил межмолекулярного, например,is changing. Small spectral changes are associated with the formation of an ordered orientational structure in the layer and changes in the anisotropic intermolecular forces, for example,
Ван-дер-Ваальсовых сил взаимодействия. Цикличность «наведения-стирания» фотоиндуцированной ориентационной упорядоченности (оптической анизотропии) (фиг. 2, кр. 3, 3' и 3ʺ) в таких слоях ограничивается только фотодеструкцией ФХСВ, квантовый выход которых, например, для азокрасителя (1) (см. Таблицу) не превышает 10-5. Van der Waals forces of interaction. The cyclic “guidance-erasure” of photoinduced orientational ordering (optical anisotropy) (Fig. 2, curves 3, 3 'and 3ʺ) in such layers is limited only by photodegradation of the PCFW, the quantum yield of which, for example, for an azo dye (1) (see Table ) does not exceed 10 -5.
В соответствие с предлагаемым изобретением формирование ориентационной молекулярнойIn accordance with the invention, the formation of orientational molecular
упорядоченности в описанных выше ПЧМ на основе ФХСВ может производиться как в режиме однофотонного (hv) поглощения активирующего излучения (рис. 6а), так и в режимеordering in the FSMF-based FSMs described above can be performed both in the single-photon (hv) mode of absorption of activating radiation (Fig. 6a), and in the mode
реального двухфотонного каскадного (hv1+hv2) (рис. 6b) или виртуального кооперативного (hv0v+hvv1) (рис. 6с) поглощения.real two-photon cascade (hv1 + hvv1) (Fig. 6b) or virtual cooperative (hv0v + hvv1) (Fig. 6c).
Каскадный режим, в общем случае осуществляется с помощью двух независимых источниковCascade mode, in the general case, is carried out using two independent sources
излучения (рис. 6b) (с различными длинами волн λ1 и λ2), и, как и однофотонный, основанradiation (Fig. 6b) (with different wavelengths λ1 and λ2), and, like single-photon, is based
на реальном последовательном поглощении квантов света hv1 и hv2 сначала с основного Е0, а затемon real sequential absorption of light quanta hv1 and hv2 first from the main E0, and then
с возбужденного Е1 синглетного или триплетного уровней (фиг. 6b).from excited E1 singlet or triplet levels (Fig. 6b).
При кооперативном двухфотонный режиме (фиг. 6с), в общем случае также осуществляемом сIn a cooperative two-photon mode (Fig. 6c), in the general case also carried out with
помощью двух независимых источников с различными длинами волн λ3 и λ4, энергии квантов света каждого из них hv0v и hvv1 таковы, что не приводят к каким-либо изменениям в среде. Однако, если сумма энергий этих двух квантов находится в резонансе с определенной частотойusing two independent sources with different wavelengths λ3 and λ4, the energies of the light quanta of each of them hv0v and hvv1 are such that they do not lead to any changes in the medium. However, if the sum of the energies of these two quanta is in resonance with a certain frequency
однофотонного поглощения анизотропного центра с энергией кванта hv=Е1-Е0, последний можетsingle-photon absorption of an anisotropic center with a quantum energy hv = Е1-Е0, the latter can
перейти в возбужденное состояние Е1 через виртуальный уровень Ev. В результате в процессеgo to the excited state E1 through the virtual level Ev. As a result in the process
безызлучательной деградации энергии двух поглощенных квантов света происходитnonradiative energy degradation of two absorbed light quanta occurs
ориентационная перестройка и упорядочение как самого центра, так и его ближайшего окружения.Orientational restructuring and ordering of both the center itself and its immediate environment.
Направления распространения излучения двух независимых источников при двухфотонномDirection of propagation of radiation of two independent sources at two-photon
формировании ориентационно-упорядоченных молекулярных структур в средах на основе ФХСВthe formation of orientationally ordered molecular structures in media based on PCF
могут быть как коллинеарны, так и под углом друг к другу. В первом случаеcan be both collinear, and at an angle to each other. In the first case
векторы их поляризации должны быть параллельны. Во втором случае векторы поляризации должны быть преимущественно перпендикулярны к плоскости, определяемой направлениями ихtheir polarization vectors must be parallel. In the second case, the polarization vectors should be mainly perpendicular to the plane defined by their directions
распространения. Наиболее приемлем двухфотонный кооперативный процесс с одним линейно или циркулярно поляризованным пучком в коллинеарном режиме. Эффективность двух-фотонной записи с различными частотами генерации с разнесенными направлениями распространения пучков ухудшается при использовании циркулярно поляризованного или не поляризованного излучений.distribution. The most acceptable two-photon cooperative process with one linearly or circularly polarized beam in a collinear mode. The efficiency of two-photon recording with different generation frequencies with spaced apart propagation directions of the beams deteriorates when using circularly polarized or non-polarized radiation.
Еще одним вариантом формирования ориентационной молекулярной упорядоченности вAnother option for the formation of orientational molecular ordering in
предлагаемых средах в соответствии с настоящим изобретением является сенсибилизированнаяthe proposed environments in accordance with the present invention is sensitized
ориентационная упорядоченность. В этом случае в качестве одно- или двухфотонного поглотителя используются анизотропно поглощающие, фотохимически стабильные и способные люминесцировать вещества. Они осуществляют анизотропный перенос энергии поглощенного ими фотона на фотохимически стабильное не люминесцирующее и не поглощающее это первоначальное излучение анизотропное вещество. Оно, в свою очередь, совместно с сольватной оболочкой претерпевает ориентационную перестройку в результате безызлучательного перехода в основное состояние.orientational ordering. In this case, anisotropically absorbing, photochemically stable, and luminescent substances are used as a one- or two-photon absorber. They carry out anisotropic energy transfer of the photon absorbed by them to a photochemically stable non-luminescent and non-absorbing anisotropic substance of this initial radiation. It, in turn, together with the solvate shell undergoes orientational restructuring as a result of a nonradiative transition to the ground state.
На фиг. 7 приведен типичный вид кинетических кривых наведения, стирания и темновой релаксации оптической анизотропии (фазовой задержки) δ в ПЧМ на основе ФХСВ без матрицы. Как видно на фиг. 7, в исходном термодинамически устойчивом состоянии аморфный слой изотропен и ориентационная молекулярная упорядоченность в нем отсутствует, как это показано на фиг. 5а. Такое состояние можно трактовать как состояние, соответствующее логическому нулю «0» с точки зрения применимости такого ПЧМ в системе оптическеой памяти. При малых временах облучения (малых дозах поглощенной энергии (малом числе поглощенных квантов)) (кр. 1) отключение активирующего излучения приводит к быстрому спаду наведенной оптической анизотропии вследствие броуновской вращательной диффузии. Этот процесс темновой релаксации на начальном участке имеет только динамическую составляющую (кр. 1'). При увеличении дозы поглощенной энергии наряду с динамической составляющей появляется и квазистатическая компонента (кр. 2'). Ее доля растет вплоть до полной остановки релаксационного процесса (кр. 3') вблизи экспозиций, соответствующих насыщению ориентационной упорядоченности. Дальнейшее облучение слоя поляризованным излучением приводит к определенному фотостационарному значению фазовой задержки δphst.In FIG. Figure 7 shows a typical kinetic curve for the guidance, erasure, and dark relaxation of optical anisotropy (phase delay) δ in an FSM based on PCF without matrix. As seen in FIG. 7, in the initial thermodynamically stable state, the amorphous layer is isotropic and there is no orientational molecular ordering in it, as shown in FIG. 5a. Such a state can be interpreted as a state corresponding to a logical zero “0” from the point of view of the applicability of such a frequency converter in an optical memory system. At short irradiation times (small doses of absorbed energy (small number of absorbed quanta)) (eq. 1), switching off the activating radiation leads to a rapid decay of the induced optical anisotropy due to Brownian rotational diffusion. This process of dark relaxation in the initial section has only a dynamic component (cr. 1 '). With an increase in the dose of absorbed energy, along with the dynamic component, a quasistatic component also appears (cr. 2 '). Its share grows up to a complete stop of the relaxation process (cr. 3 ') near exposures corresponding to saturation of orientational ordering. Further irradiation of the layer by polarized radiation leads to a certain photostationary value of the phase delay δphst.
Последующее отключение активирующего излучения приводит даже к некоторому дальнейшемуSubsequent shutdown of the activating radiation leads even to some further
молекулярному самоупорядочению (кр. 4') с достижением нового, более упорядоченного состояния с величиной δdarkst>δphst. Скорость такой аномальной темновой релаксации »вверх» возрастает с нагревом слоя (кр. 5'). Это фотостимулированное темновое состояние δdarkst можно трактовать как новое квазитермодинамически устойчивое состояние среды, соответствующее логической единице «1». Оно устойчиво вплоть до температур, близких к температуре плавления или термодеструкции ФХСВ. Однако повторное облучение слоя тем же источником с той же поляризацией сопровождается понижением величины δdarkst до предыдущего фотостационарного значения δphst (кр. 6). Но оно снова сопровождается аномальной релаксацией «вверх» при его повторном отключении (кр. 7').molecular self-ordering (cr. 4 ') with the achievement of a new, more ordered state with the value δdarkst> δphst. The rate of such anomalous dark relaxation "upward" increases with heating of the layer (cr. 5 '). This photostimulated dark state δdarkst can be interpreted as a new quasithermodynamically stable state of the medium corresponding to logical unit “1”. It is stable up to temperatures close to the melting point or thermal degradation of PCF. However, repeated irradiation of the layer with the same source with the same polarization is accompanied by a decrease in δdarkst to the previous photostationary value δphst (edge 6). But it is again accompanied by an abnormal upward relaxation when it is again turned off (cr. 7 ').
В этих условиях обращение на малое время поляризации активирующего излучения на ортогональное (А→В) приводит к частичному «стиранию» наведенного двулучепреломления (кр. 8), но его отключение сопровождается темновым восстановлением наведенного ранее значения (кр. 9'). Повторное, более длительное облучение пленки излучением с ортогональной поляризацией (А→В) (кр. 10) снова приводит к уменьшению ДЛП. Дальнейшее облучение может привести к формированию такого же высоко ориентированного состояния, но с обратным знаком. По аналогии с предыдущим его, можно представить как еще одно квазитермодинамически устойчивое состояние, соответствующее логической единице «-1».Under these conditions, reversing the short-time polarization of the activating radiation to orthogonal (A → B) leads to a partial “erasure” of the induced birefringence (curve 8), but its shutdown is accompanied by a dark restoration of the previously induced value (curve 9 '). Repeated, longer irradiation of the film by radiation with orthogonal polarization (A → B) (curve 10) again leads to a decrease in the DLP. Further irradiation can lead to the formation of the same highly oriented state, but with the opposite sign. By analogy with the previous one, it can be represented as yet another quasithermodynamically stable state corresponding to the logical unit “-1”.
Следует отметить, что эффект темновой релаксации «вверх» наблюдается даже раньше достижения фотостационарного состояния δphst. Он наблюдается сразу после того, как плотность поглощенной слоем энергии активирующего излучения достигнет критического значения, при котором темновая релаксация наводимой анизотропии останавливается, как показано на кр. 3'. Такой эффект темнового самоусиления схематически показан на кр. 11'. Он экспериментально наблюдался мнокократно во многих средах на основе ФХСВ.It should be noted that the effect of dark relaxation “upward” is observed even before reaching the photostationary state δphst. It is observed immediately after the density of the energy of the activating radiation absorbed by the layer reaches a critical value at which the dark relaxation of the induced anisotropy stops, as shown in cr. 3 '. Such an effect of dark self-amplification is shown schematically in cr. eleven'. It has been experimentally observed many times in many environments based on FHSV.
Таким образом, предлагаемые поляризационно-чувствительные материалы (ПЧМ), кроме исходного термодинамически устойчивого изотропного состояния с хаотическим пространственным ориентационным распределением анизотропных фотохимически устойчивых молекул в них (рис. 5а) обеспечивают еще 2 вида множеств квазитермодинамически устойчивых состояний, схематически представленных на рис. 5:Thus, the proposed polarization sensitive materials (FFM), in addition to the initial thermodynamically stable isotropic state with a random spatial orientational distribution of anisotropic photochemically stable molecules in them (Fig. 5a), provide 2 more types of sets of quasithermodynamically stable states, schematically shown in Fig. 5:
- анизотропные состояния с ориентацией поглощающих молекулярных осцилляторов μge в- anisotropic states with the orientation of the absorbing molecular oscillators μge in
плоскости, перпендикулярной вектору поляризации активирующего излучения (фиг. 5b) иa plane perpendicular to the polarization vector of the activating radiation (Fig. 5b) and
- анизотропные состояния с ориентацией поглощающих молекулярных осцилляторов μge вдоль- anisotropic states with the orientation of the absorbing molecular oscillators μge along
направления распространения циркулярно поляризованного или неполяризованного излучения (фиг. 5с).directions of propagation of circularly polarized or non-polarized radiation (Fig. 5c).
Конкретная угловая ориентация этих оптически формируемых упорядоченных молекулярныхThe specific angular orientation of these optically formed ordered molecular
структур определяется угловой ориентацией вектора поляризации и направлением распространения активирующего излучения в среде.structures is determined by the angular orientation of the polarization vector and the direction of propagation of the activating radiation in the medium.
Вследствие наличия обратной темновой релаксации в ПЧМ на основе ФХСВ (фиг. 7, кр. 1' и 2'), имDue to the presence of reverse dark relaxation in the FMS based on FHSV (Fig. 7, cr. 1 'and 2'), they
присущ пороговый эффект по минимальной плотности мощности активирующего излучения порядка десятков μВт/см2 (фиг. 8). Величина пороговой мощности уменьшается с возрастанием окружающей температуры. Действие активирующего излучения с такой и меньшей плотностью не приводит к формированию ориентационно-упорядоченных молекулярных структур даже при длительном облучении. Такое положение имеет место при мощностях, когда время вращательной молекулярной релаксации , определяемое в основном величиной внутренней вязкости среды η и окружающей температуры t° меньше времени между последовательными актами поглощения квантов света одной и той же дихроичной молекулой при воздействии на среду непрерывным источником излучения.inherent threshold effect on the minimum power density of the activating radiation of the order of tens of μW / cm 2 (Fig. 8). The threshold power value decreases with increasing ambient temperature. The action of activating radiation with such and a lower density does not lead to the formation of orientationally ordered molecular structures even after prolonged exposure. This situation occurs at powers when the rotational molecular relaxation time , determined mainly by the value of the internal viscosity of the medium η and the ambient temperature t ° less time between successive acts of absorption of light quanta by the same dichroic molecule when a continuous radiation source is exposed to the medium.
При импульсном воздействии поляризованного или не поляризованного, но направленногоWhen pulsed by a polarized or not polarized, but directed
излучения длительностью не более нескольких десятков нсек и плотностях энергии излученияradiation with a duration of not more than several tens of nsec and radiation energy densities
~ MW/cm2 аморфные слои дихроичных красителей без матрицы проявляют второй пороговый~ MW / cm 2 amorphous layers of dichroic dyes without a matrix exhibit a second threshold
нелинейный эффект. При таких параметрах возбуждающих импульсов предельнаяnonlinear effect. With such parameters of the exciting pulses, the limiting
фотоиндуцированная анизотропия в таких слоях достигается при однократном поглощении кванта света молекулами за время действия возбуждающего импульса (эффект «большого скачка» - Δθ~90°).photoinduced anisotropy in such layers is achieved by a single absorption of a quantum of light by molecules during the duration of the exciting pulse (the “large jump” effect is Δθ ~ 90 °).
При этом чувствительность (т.е. величина, обратная плотности энергии, необходимой дляIn this case, the sensitivity (i.e., the reciprocal of the energy density necessary for
достижения насыщения) возрастает в десятки раз (рис. 8) по сравнению с режимом возбужденияsaturation) increases tenfold (Fig. 8) compared with the excitation mode
этих же слоев маломощным непреравным излучением или импульсным с длительностью импульсов более сотен нсек и частотой импульсов порядка десятка кГц.of these layers with low-power continuous radiation or pulsed with a pulse duration of more than hundreds of nsec and a pulse frequency of the order of ten kHz.
Этот эффект наблюдается при плотностях мощности оптического излучения всего лишьThis effect is observed at optical power densities of only
несколько меньших, чем необходимо для термооптического плавления этих слоев (фиг. 8).slightly smaller than necessary for thermooptical melting of these layers (Fig. 8).
Наличие второго порога в определенном интервале плотности мощностей и длительности импульса возбуждающего излучения обусловлен тем, что в таком режиме в возбужденном состоянии одновременно находится приблизительно 50% всех молекул слоя, ориентированных преимущественно параллельно вектору электрического поля возбуждающего излучения.The presence of a second threshold in a certain range of power density and pulse duration of exciting radiation is due to the fact that in this mode, approximately 50% of all layer molecules oriented mainly parallel to the electric field vector of exciting radiation are in the excited state.
Последующая межмолекулярная кросс-релаксация и деградация энергии одновременно поглощенных квантов света на короткий период времени (наносекундной длительности) переводит все молекулы слоя в термодинамически неравновесное высокоупорядоченное состояние предплавления под действием высокоориентированного внутреннего реактивного поля ER, создаваемого оставшимися «холодными» невозбужденными молекулами.The subsequent intermolecular cross-relaxation and energy degradation of simultaneously absorbed light quanta for a short period of time (nanosecond duration) transfers all the molecules of the layer to a thermodynamically nonequilibrium highly ordered state of premelting under the action of a highly oriented internal reactive field ER created by the remaining “cold” unexcited molecules.
Быстрое охлаждение слоя сохраняет эту молекулярную структуру.Rapid cooling of the layer preserves this molecular structure.
Таким образом, по аналогии с ʺPhotothermal-mode formingʺ методом обратимого фазового перехода (1), в настоящем изобретении мы предлагаем ʺPhoton-mode formingʺ метод обратимого фазового перехода «неупорядоченная аморфная структура - ориентационно упорядоченная структура»:Thus, by analogy with the otherPhotothermal-mode formingʺ method of the reversible phase transition (1), in the present invention, we propose the hotPhoton-mode formingʺ method of the reversible phase transition “disordered amorphous structure - orientationally ordered structure”:
ПЧМ на основе таких ФХСВ веществ, поглощающих в спектральной области от 150 nm до 2000 nmIFM based on such PCBs absorbing in the spectral region from 150 nm to 2000 nm
могут быть выбраны из классов, включающих:can be selected from classes including:
При этом, классы таких анизотропных веществ могут включать, например:Moreover, classes of such anisotropic substances may include, for example:
- моно-, дис-, трис-, полиазокрасители, металлокомплексные или комплексообразующие азокрасители [смотри, например, А.В. Иващенко, Дихроичные азокрасители для жидкокристаллических дисплеев. Хим. пром., Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1987];- mono-, dis-, tris-, polyazo dyes, metal-complex or complex-forming azo dyes [see, for example, A.V. Ivashchenko, Dichroic azo dyes for liquid crystal displays. Chem. prom., Aniline-paint prom., NIITEKHIM, Cherkasy, 1987];
- антрахиноновые красители, моно- и полиокси антрахиноны [смотри, например, А.В. Иващенко, Дихроичные антрахиноны для жидкокристаллических дисплеев. Хим. пром., Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1989];- anthraquinone dyes, mono- and polyoxy anthraquinones [see, for example, A.V. Ivashchenko, Dichroic anthraquinones for liquid crystal displays. Chem. prom., Aniline-paint prom., NIITEKHIM, Cherkasy, 1989];
- азокрасители с полярными гидрофильными «головками» и длинными углеводородными липофильными «хвостами» для пленок Лэнгмюра-Блоджетт- azo dyes with polar hydrophilic "heads" and long hydrocarbon lipophilic "tails" for Langmuir-Blodgett films
- протравные азокрасители [Б.И. Степанов, Введение в химию и технологию органических красителей, изд. «Химия», М. 1971]- mordant azo dyes [B.I. Stepanov, Introduction to Chemistry and Technology of Organic Dyes, ed. "Chemistry", M. 1971]
А также многие другие фотохимически стабильные вещества из других классов анизотропных (дихроичных) веществ, проявляющих свойство фотоиндуцированной оптической анизотропии с участием низкомолекулярных добавок, колебательные уровни основного состояния которых близки или находятся в резонансе с соответствующими колебательными уровнями молекул фотохимическистабильного вещества, обеспечивая эффективный процесс анизотропии межмолеулярной колебательной кросс-релаксации энергии поглощенного кванта.As well as many other photochemically stable substances from other classes of anisotropic (dichroic) substances exhibiting the property of photoinduced optical anisotropy with the participation of low molecular weight additives, the vibrational levels of the ground state of which are close to or in resonance with the corresponding vibrational levels of the molecules of the photochemically stable substance, providing an effective process of anisotropy of intermolecular vibrational vibrational cross-relaxation energy of an absorbed quantum.
В качестве дихроичных веществ наиболее предпочтительны вещества из класса азобензолов, моно- и бисазокрасителей.As dichroic substances, substances from the class of azobenzenes, mono- and bisazo dyes are most preferred.
В качестве таких веществ могут быть использованы и такие вещества как 2-метилтетрагидрофуран (methyltetrahydrofuran) растворенные в низкомолекулярной матрице, проявляющих ориентационную перестройку при гелиевых температурах и ответственных за нефотохимическое выжигание спектральных провалов в матрицах Шпольского [смотри, например, Е.И. Альшиц, Б.М. Харламов, З.И. Персонов, К вопросу о нефотохимическом выжигании спектральных провалов // Журн. Прикл. Сректроск., XLV, 559 (1986)].Such substances can also be used such substances as 2-methyltetrahydrofuran dissolved in a low molecular weight matrix exhibiting orientational rearrangement at helium temperatures and responsible for the non-photochemical burning of spectral dips in Shpolsky matrices [see, for example, E.I. Alshits, B.M. Kharlamov, Z.I. Persons, On the question of non-photochemical burning of spectral dips // Journal. Adj Srektrosk., XLV, 559 (1986)].
В таблице приведены структурные формулы ряда фотохимически устойчивых азокрасителей и других веществ, проявляющих обратимый эффект ориентационной упорядоченности и используемых в качестве примеров в настоящей заявке.The table shows the structural formulas of a number of photochemically stable azo dyes and other substances exhibiting a reversible effect of orientational ordering and used as examples in this application.
ФХСВ могут иметь две или более группы типа -ОН, -NH2, -СООН, NHR (где в качестве R - могут быть - -С6Н4СН3, -(СН3)2, СОСН3) и другие, способные образовывать специфические межмолекулярные донорно-акцепторные или водородные связи между молекулами ФХСВ или ФХСВ и молекулами твердотельной матрицы. Эти связи обеспечивают долговременную стабильность фотоиндуцированной анизотропииFHSB can have two or more groups of the type —OH, —NH2, —COOH, NHR (where R can be —C6H4CH3, - (CH3) 2, COCH3) and others capable of forming specific intermolecular donor – acceptor or hydrogen bonds between the PCFB or PCFB molecules and the molecules of the solid-state matrix. These bonds provide long-term stability of photoinduced anisotropy.
Кроме того, ФХСВ выполняются и в виде би- или многофункциональных веществ типа мономеров или олигомеров, в состав которых дополнительно введены фрагменты, например, люминесцирующие или фотохромные. ФХСВ, например, производные азокрасителей могут вводиться непосредственно в основную цепь макромолекул или связанным через алькильные спейсеры в боковой цепи, которые не мешают эффекту фотоиндуцированной анизотропии.In addition, FHSWs are also carried out in the form of bi- or multifunctional substances such as monomers or oligomers, which are additionally composed of fragments, for example, luminescent or photochromic. FHSV, for example, derivatives of azo dyes can be introduced directly into the main chain of macromolecules or linked through alkyl spacers in the side chain, which do not interfere with the effect of photoinduced anisotropy.
Полимерные структуры могут содержать в своем составе фрагменты, придающие им свойства термотропных и лиотропных ЖК.Polymer structures can contain fragments that give them the properties of thermotropic and lyotropic FAs.
Для фиксации фотоиндуцированной анизотропии ФХСВ могут иметь два или более полимеризационно способные группы. Примером таких групп могут быть (meth) acryloyl group, а (meth)acryloxy group, a (meth) acrylamide group, a vinyl group, a vinyloxy group, an azide group, a chloromethyl group, an epoxy group, a (meth)acryloyl group, a (meth)acryloyloxy group, a (meth)acrylamide group, a vinyl group.For the fixation of photoinduced anisotropy, PFHS can have two or more polymerization-capable groups. Examples of such groups are (meth) acryloyl group, and (meth) acryloxy group, a (meth) acrylamide group, a vinyl group, a vinyloxy group, an azide group, a chloromethyl group, an epoxy group, a (meth) acryloyl group, a (meth) acryloyloxy group, a (meth) acrylamide group, a vinyl group.
Некоторыми примерами полимерных матриц могут быть хорошо известные производные: полиимида, полиэтилена, полистирола, ацетата целлюлозы, поликарбоната, полиэфиров, полиакрилонитрилов, поливинилового спирта, полиметилметакрилата, поливинилэтилаля, поливинилбутираля, полибутилметакрилата, фенолформальдегидные смолы, полиакрилаты, и другие полимеры.Some examples of polymer matrices can be well-known derivatives: polyimide, polyethylene, polystyrene, cellulose acetate, polycarbonate, polyesters, polyacrylonitriles, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyvinyl ethyl, polyvinyl butyral, polybutyl methacrylate, phenol and polymeric formaldehydes.
Задачей настоящего изобретения является использование ПЧМ на основе ФХСВ и одно- и двухфотонных методов фототехнологии производства прозрачных или окрашенных в видимой или ближней инфракрасной области спектра молекулярных ориентационно-упорядоченных структур в твердом теле, например, в виде статических или адаптивных картинных 3-мерных, например периодических micro- and/or submicrodielectric structures, such as картинных трехмерных, в частности периодических, микро- или субмикродиэлектрических структур, таких как фотонные кристаллы или волоконно- и интегрально-оптические элементы в твердом теле с заданным в соответствии с компьютерной программой пространственным распределением анизотропных, в частности оптических свойств в различных двухмерных сечениях объемных тел. Их можно использовать и в производстве специфических оптических элементов, например, таких как, анизотропные трехмерные оптические элементы типа дифракционных решеток, линз, фазовых пластин, а также разнообразных структур со сложным объемно конфигурационным профилем анизотропных оптических свойств.The objective of the present invention is the use of IFM based on PFSS and one- and two-photon methods of phototechnology for the production of transparent or colored in the visible or near infrared region of the spectrum of molecular orientationally ordered structures in a solid, for example, in the form of static or adaptive picture 3-dimensional, for example periodic micro- and / or submicrodielectric structures, such as three-dimensional, in particular periodic, micro- or submicrodielectric structures, such as photonic crystals or fiber and flax-optical elements in a solid with a predetermined in accordance with the computer program anisotropic spatial distribution, in particular the optical properties in different sections of the two-dimensional volumetric body. They can also be used in the production of specific optical elements, for example, such as anisotropic three-dimensional optical elements such as diffraction gratings, lenses, phase plates, and also various structures with a complex volumetric configuration profile of anisotropic optical properties.
В качестве последних могут быть поляризационные компьютерные объемные или коноскопические голограммы или прозрачные для измерительного излучения компьютерные анизотропные модели различных изделий, подвергшихся механическим напряжениям и с которыми можно осуществлять такие же исследования методом фотоупругости, как и с реальными объектами [Frocht М.М., Proc. Intern. Sympos. on Stress Wave Propagation in Materials, 1960; J.W. Dally, Introduction to Photoelasticity, Exp. Mech. 20, 409 (1980)].As the latter, there can be polarized computer volumetric or conoscopic holograms or computer anisotropic models transparent for measuring radiation of various products subjected to mechanical stresses and with which it is possible to carry out the same studies by photoelasticity as with real objects [Frocht MM, Proc. Intern. Sympos. on Stress Wave Propagation in Materials, 1960; J.W. Dally, Introduction to Photoelasticity, Exp.
Объемные формы таких напряженных твердых моделей, в частности могут быть предварительноThe volumetric forms of such stressed solid models, in particular, can be preliminarily
получены методоми традиционной стереолитографии с использованием с исходно жидких фотополимеризующихся композиций с введенными в них ФХСВ, анизотропно-напряженная структура в которых может дополнительно формироваться путем пространственного сканирования по объему отвержденной модели сфокусированного лазерного пучка, поляризационные и энергетические характеристики которого задаются компьютерной программой. Возможность многократного формирования разнообразных анизотропно-напряженных структур в таких исходно изотропных моделей из отвержденных фотополимерных композиций делает их особенно экономически привлекательными для данного применения.were obtained by traditional stereolithography using initially liquid photopolymerizable compositions with FHSW incorporated into them, in which an anisotropic-stressed structure can be additionally formed by spatial scanning over the volume of the cured model of a focused laser beam, the polarization and energy characteristics of which are set by a computer program. The possibility of multiple formation of various anisotropic-stressed structures in such initially isotropic models from cured photopolymer compositions makes them especially economically attractive for this application.
Такие среды могут быть использованы и в качестве искусственно созданных высоко ориентированных молекулярные матриц, обеспечивающих уникальную селективность и эффективность термо-, фото- или просто химических процессов внедренных и ориентированных в них каких-либо молекулярных активных добавок, подобно аналогичным процессам в «самоупорядоченных» биологических системах.Such media can also be used as artificially created highly oriented molecular matrices that provide unique selectivity and efficiency of thermo-, photo- or simply chemical processes of any molecular active additives introduced and oriented in them, similar to similar processes in “self-ordered” biological systems .
Они могут быть использованы и средств защиты при создании визуально или машиночитаемых признаков подлинности и идентификации различных бытовых и промышленных изделий, таких как банкноты, кредитные карты и т.д.They can be used as means of protection when creating visually or machine-readable signs of authenticity and identification of various household and industrial products, such as banknotes, credit cards, etc.
Далее приводятся примеры формирования, облучения и применения предлагаемых ПЧМ на основе ФХСВ.The following are examples of the formation, irradiation, and application of the proposed PMFs based on FHSV.
ПРИМЕР 1.EXAMPLE 1
В качестве ПЧМ был сформирован образец на основе 4-(4-нитрофенил)-41-(4-N,N-диоктиламинофенилазо)азобензола азокрасителя (1) в качестве ФХСВ:As a PCM, a sample was formed based on 4- (4-nitrophenyl) -4 1 - (4-N, N-dioctylaminophenylazo) azobenzene azo dye (1) as PCF:
Для этого блок (2,5 × 2,0 cm2 × 2 mm) поли (метилметакрилата) с азокрасителем (1) (0.05 вес. %) как монолитный объемный ПЧМ был приготовлен следующим образом. Стеклянную ампулу продували аргоном в течение четырех минут, после чего в нее помещали 0.0141 г. азобисизобутиронитрила, 0.007 г. азокрасителя (1) и 14.1 г. (14.94 мл) очищенного и свежеперегнанного метил метакрилата. После дополнительной продувки этого раствора аргоном в течение четырех минут производилось запаивание ампулы. Затем она помещалась в водяную баню с последующим постепенным повышением температуры до 80°С и выдержкой при этой температуре в течение 1.5 часов. После этого запаянная ампула переносилась в водяную баню с температурой 25÷30°С и выдерживалась там в течение трех суток с последующим двухчасовым прогревом при 100°С.For this, a block (2.5 × 2.0 cm 2 × 2 mm) of poly (methyl methacrylate) with azo dye (1) (0.05 wt.%) As a monolithic volume PCM was prepared as follows. The glass ampoule was purged with argon for four minutes, after which 0.0141 g of azobisisobutyronitrile, 0.007 g of azo dye (1), and 14.1 g (14.94 ml) of purified and freshly distilled methyl methacrylate were placed in it. After additional purging of this solution with argon for four minutes, the ampoules were sealed. Then it was placed in a water bath, followed by a gradual increase in temperature to 80 ° C and holding at this temperature for 1.5 hours. After this, the sealed ampoule was transferred to a water bath with a temperature of 25 ÷ 30 ° C and kept there for three days, followed by two hours of heating at 100 ° C.
Ампула с заполимеризованной бульбой разбивалась и из последней вырезался и шлифовался указанный выше образец фотоанизотропного материала толщиной около 2 мм. Образец достаточно интенсивно поглощал в области ~ 540 нм и был прозрачен на длине волны Ti-sapphire лазера (860 нм) и He-Ne лазера (632.8 нм).The ampoule with the polymerized bulb was broken and the above specimen of a photoanisotropic material about 2 mm thick was cut out and polished from the latter. The sample was quite intensively absorbed in the region of ~ 540 nm and was transparent at the wavelength of the Ti-sapphire laser (860 nm) and the He-Ne laser (632.8 nm).
В соответствии с предлагаемым изобретением образец был использован в упрощенном варианте оптического блока системы объемной памяти при двухфотонной записи и однофотонном считывании информации.In accordance with the invention, the sample was used in a simplified version of the optical unit of the volumetric memory system for two-photon recording and single-photon reading of information.
Она включает источник записывающего излучения на базе Ti:sapphire лазера с аргоновым лазером в качестве источника накачки, излучение которого с помощью линзы направлялось в заданную микрообласть данной объемной регистрирующей среды. Размер сфокусированного пятна менялся от 1,4 до 3 мкм.It includes a recording source based on a Ti: sapphire laser with an argon laser as a pump source, the radiation of which was directed by a lens into a given microregion of a given volume recording medium. The size of the focused spot varied from 1.4 to 3 μm.
Поскольку длина волны генерации лазера (860 нм) находится в области прозрачности используемого ПЧМ, не сфокусированный пучок не оказывает какое-либо воздействие на него. Однако сумма двух фотонов эквивалентна одному кванту с длиной волны 430 нм, что находилось в пределах полосы поглощения красителя (1).Since the laser generation wavelength (860 nm) lies in the transparency region of the used IFM, an unfocused beam does not have any effect on it. However, the sum of two photons is equivalent to one quantum with a wavelength of 430 nm, which was within the absorption band of the dye (1).
В результате двухфотонного поглощения облученные микрообласти предлагаемой в настоящемAs a result of two-photon absorption, the irradiated microregions proposed in this
изобретении регистрирующей среды становятся оптически анизотропными, в частности, двулучепреломляющими в области прозрачности при длине волны 632,8 нм. Это являлось следствием ориентационного упорядочения дихроичных молекул фотохимически стабильного красителя (1) в плоскости, перпендикулярной направлению вектора поляризации записывающего излучения.the invention of the recording medium becomes optically anisotropic, in particular, birefringent in the field of transparency at a wavelength of 632.8 nm. This was a consequence of the orientational ordering of dichroic molecules of a photochemically stable dye (1) in a plane perpendicular to the direction of the polarization vector of the recording radiation.
Кроме того, двухфотонный процесс записи позволял формировать объемные анизотропные оптические элементы, в которых величина ДЛП была картинно промодулирована по глубине ПЧМ.In addition, the two-photon recording process made it possible to form bulk anisotropic optical elements in which the DLP value was picture-modulated along the depth of the PSM.
ПРИМЕР 2.EXAMPLE 2
В качестве объемного ПЧМ использовалась толстая (~100 μm) пленка the copolymer butyl methacrylate amide of methacrylic acid and acrylonitrile с азокрасителем (1) (1 вес. %), полученная путем полива полимерного раствора на подложку и последующего испарения растворителя. Двухфотонная запись и однофотонное считывание осуществлялось как и в примере 1.A thick (~ 100 μm) film of the copolymer butyl methacrylate amide of methacrylic acid and acrylonitrile with azo dye (1) (1 wt%), obtained by pouring a polymer solution onto a substrate and subsequent evaporation of the solvent, was used as a bulk FFM. Two-photon recording and single-photon reading were carried out as in example 1.
ПРИМЕР 3.EXAMPLE 3
Использовался фотоанизотропный ПЧМ, описанный в примере 2. Он использовался для исследования напряженных состояний прозрачной деформированной модели. С помощью поляризованного некогерентного излучения ртутной лампы ДРШ-250 (436 нм) на материале записывалось изображение напряженной детали. Полученное изображение являлось «голограммой» деформированного объекта, записанной в немонохроматическом, некогерентном свете. Она считывалась также в некогерентном свете в скрещенных поляризаторах. Фотографии изображений, восстановленных с такой «голограммы» приведены на фиг. 9, полученные при двух положениях скрещенных поляризаторов.We used the photoanisotropic PSM described in Example 2. It was used to study the stress states of a transparent deformed model. Using polarized incoherent radiation from a DRSh-250 mercury lamp (436 nm), an image of a stressed part was recorded on the material. The resulting image was a “hologram” of a deformed object recorded in non-monochromatic, incoherent light. It was also read in incoherent light in crossed polarizers. Photos of images reconstructed from such a “hologram” are shown in FIG. 9 obtained with two positions of crossed polarizers.
ПРИМЕР 4.EXAMPLE 4
В качестве объемного ПЧМ применялся однородный полимерный блок, в котором в качестве полимерной матрицы использовалась исходно жидкая, УФ-отверждаемая (фотополимеризующаяся) композиция на основе α,ω-(мет)акрил-(бис-пропиленгликоль)-2,4-толуиденуретана химической формулы СН2=С(СН3)-СОО-(СН2-СН2O)3-ОС-С(СН3)=СН2) и диацетил химической формулы (СН3-СО-СО-СН3) в качестве фотоинициатора. Концентрация анизотропного красителя (1) в фотополимеризующейся композиции составляла около 0.03 вес. %. Для получения однородного твердого полимерного блока фотополимеризующаяся композиция с красителем размещалась в кварцевой кювете толщиной 2.5 мм и экспонировалась не фильтрованным поляризованным излучением ртутной лампы мощностью 250 Вт в течение 5 минут до ее полного отвердения. Момент перехода УФ отвердаемой композиции в твердое состояние контролировался на длине волны 632.8 нм по отсутствию темновой релаксации двулучепреломления, наводимого в отверждаемом блоке при наступлении в нем достаточной вязкости. После этого он потвергался температурному отжигу для перевода его в изотропное состояние.A homogeneous polymer block was used as a bulk PMF, in which an initially liquid, UV-curable (photopolymerizable) composition based on α, ω- (meth) acrylic- (bis-propylene glycol) -2,4-tolueneurethane of the chemical formula was used as a polymer matrix CH2 = C (CH3) -COO- (CH2-CH2O) 3-OC-C (CH3) = CH2) and diacetyl of the chemical formula (CH3-CO-CO-CH3) as a photoinitiator. The concentration of the anisotropic dye (1) in the photopolymerizable composition was about 0.03 weight. % To obtain a homogeneous solid polymer block, a photopolymerizable dye composition was placed in a 2.5 mm thick quartz cuvette and exposed to unfiltered polarized radiation from a 250 W mercury lamp for 5 minutes until it completely hardened. The moment of transition of the UV curable composition to a solid state was monitored at a wavelength of 632.8 nm by the absence of dark relaxation of birefringence induced in the cured block upon the occurrence of sufficient viscosity in it. After that, he underwent temperature annealing to transfer it to an isotropic state.
Двухфотонная запись и однофотонное считывание осуществлялось как в примере 1.Two-photon recording and single-photon reading were carried out as in example 1.
ПРИМЕР 6.EXAMPLE 6
В качестве трехмерного ПЧМ использовался многослойный носитель, состоящий из отдельных тонких фотоанизотропных слоев, разделенных между собой прозрачными полимерными пленками толщиной около 50 мкм. Разделительные слои выполнены из УФ отвержденной фотополимеризующейся композиции без фотоанизотропного красителя, использовавшейся в примере 2 в качестве полимерной матрицы. Каждый из регистрирующих слоев толщиной около 150 нм получался путем термического напыления красителя (1V)A multilayer carrier consisting of separate thin photoanisotropic layers separated by transparent polymer films with a thickness of about 50 μm was used as a three-dimensional PSM. The separation layers are made of UV cured photopolymerizable composition without photoanisotropic dye, used in example 2 as a polymer matrix. Each of the recording layers with a thickness of about 150 nm was obtained by thermal spraying of the dye (1V)
в вакууме (температура напыления - около 150 С°) на соответствующий разделительный слой с последующим их склеиванием между собой с помощью водорастворимой фотополимеризующейся композиции, не растворяющей регистрирующий слой.in vacuum (deposition temperature - about 150 ° C) on the corresponding separation layer with their subsequent gluing together using a water-soluble photopolymerizable composition that does not dissolve the recording layer.
Полученный ПЧМ применялся как в примере 1.Received PMM was used as in example 1.
ПРИМЕР 7.EXAMPLE 7
Аналогичен примеру 5, но каждый из регистрирующих слоев многослойного носителяSimilar to example 5, but each of the recording layers of the multilayer media
информации получался путем последовательного нанесения на фотоотвержденный разделительный слой методом центрифугирования тонкого слоя фотохимически стабильного дихроичного красителя формулы (1) из 0,5%-ного (по весу) раствора в дихлорэтане (скорость вращения - 3000 об/мин, время нанесения - 45 сек).The information was obtained by sequentially depositing a thin layer of a photochemically stable dichroic dye of the formula (1) onto a photocured separating layer from a 0.5% (by weight) solution in dichloroethane (rotation speed 3000 rpm, application time 45 sec) .
Запись информации осуществлялась в однофотонном режиме с помощью сфокусированного излучения аргонового лазера (λ=514 nm, непрерывная мощность ~5 Вт, время записи ~0,2 μс).Information was recorded in a single-photon mode using focused radiation from an argon laser (λ = 514 nm, continuous power ~ 5 W, recording time ~ 0.2 μs).
Вследствие квазинелинейности фотофизического процесса фотоориентации (сильной зависимости времени темновой релаксации от поглощенной энергии при экспозиции рис. 8), нежелательная «фоновая ориентационная молекулярная упорядоченность, наведенная в слоях, находящихся вне плоскости фокусировки (до и после информационного слоя, в котором производилась запись), постепенно исчезала со временем при комнатной температуре с одновременным повышением ориентационного порядка в записанных микрообластях (повышения яркости записанного пятна при наблюдении в скрещенных поляризаторах).Due to the quasi-linearity of the photophysical process of photo-orientation (the strong dependence of the dark relaxation time on the absorbed energy during exposure in Fig. 8), the undesirable “background orientation molecular ordering induced in layers outside the focus plane (before and after the information layer in which the recording was made) gradually disappeared with time at room temperature with a simultaneous increase in the orientational order in the recorded microregions (increasing the brightness of the recorded spot at observation in crossed polarizers).
Этот процесс ускорялся путем прогрева носителя до температур, близких к температуре плавления дихроичного красителя (~136°С).This process was accelerated by heating the carrier to temperatures close to the melting point of the dichroic dye (~ 136 ° C).
Пример 8.Example 8
Аналогичен примеру 6, но в качестве фотохимически стабильного дихроичного веществаSimilar to example 6, but as a photochemically stable dichroic substance
использовался жидкокристаллический полимер с азокрасителем в боковой цепи (11), структурная формула которого приведена в таблице.We used a liquid crystal polymer with an azo dye in the side chain (11), the structural formula of which is given in the table.
В то время как в предлагаемом изобретении приведены некоторые предпочтительные варианты его осуществления, специалистам в данной области ясно, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.While the present invention provides some preferred options for its implementation, specialists in this field it is clear that various changes in form and detail can be made without departing from the essence and scope of the present invention.
Пример 9.Example 9
Мономолекулярный слой протравного красителя чисто желтого (ПЧЖ) (111), полученный вытягиванием стеклянной подложки из 1% водного раствора красителя (111), использовался в качестве фотоориентанта термотропного ЖК фирмы Merck по методике, описанной в [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].The monomolecular layer of a pure yellow etch dye (111) obtained by drawing a glass substrate from a 1% aqueous dye solution (111) was used as a photo-orientation of Merck thermotropic LC by the method described in [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].
Пример 9.Example 9
Тонкий (порядка 0.3 мкм) слой красителя (1), полученный термическим испарением в вакууме, использовался в качестве фотоориентанта лиотропных ЖК фирмы НИОПиК (Россия) и фирмы Corning (USA) также по методике, описанной в [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].A thin (about 0.3 μm) dye layer (1) obtained by thermal evaporation in vacuo was used as a photo-orientant of lyotropic LC firms NIOPiK (Russia) and Corning (USA) also according to the method described in [V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, H.S. Kwok, Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, 232 pp., Wiley, August 2008].
Пример 10.Example 10
В качестве ПЧМ на основе ФХСВ использовались слои азокрасителя (1V),As an FCM based on PCF, layers of azo dye (1V) were used,
полученные методом Лэнгмюра-Блоджетт. Твердая пленка ПЧМ использовалась в экспериментах по реверсивной записи изображений.obtained by the Langmuir-Blodgett method. The PMF solid film was used in experiments on reverse image recording.
Пример 11.Example 11
В качестве ПЧМ являлись образцы выпускаемых отечественной промышленностью цветных стекол марки ТОСП (ГОСТ 17622-72) на основе ПММА с введенными в состав полимеризационной смеси фотохимически стабильными красителями (обычно азокрасители) и пластификатором (дибутилфталатом). Толщина стекол была 5 мм. Температура размягчения - не менее 90°С. Они применяются в приборо- и машиностроении для изготовления различных изделий технического назначения.Samples of TOSP color glasses manufactured by the domestic industry (GOST 17622-72) based on PMMA with photochemically stable dyes (usually azo dyes) and a plasticizer (dibutyl phthalate) introduced into the composition of the polymerization mixture were used as FFMs. The glass thickness was 5 mm. Softening point - not less than 90 ° С. They are used in instrument and mechanical engineering for the manufacture of various technical products.
Однако авторами настоящего изобретения в них обнаружен эффект фотоиндуцированной анизотропии (двулучепреломления (ДЛП) и дихроизма (ДХ) поглощения) и его следует учитывать при их эксплуатации, поскольку оптическая анизотропия может наводиться на только поляризованным, но и неполяризованным, направленным излучением естественного происхождения.However, the authors of the present invention have discovered the effect of photoinduced anisotropy (birefringence (birefringence) and absorption dichroism (DC)) and should be taken into account during their operation, since optical anisotropy can be induced only by polarized, but also non-polarized, directed radiation of natural origin.
В таблице приведены структурные формулы азобензолсодержащих жидкокристаллических полимеров с азокрасителями в боковой цепи V-1X, в которых ранее также был обнаружен эффект фотоиндуцированной оптической анизотропии, причем механизм этого явления объяснялся фотохимической угловой селекцией в результате повторяющейся реакции транс-цис-транс фотоизомеризации при многократном поглощении квантов света одними и теми же за время облучения азобензольнми фрагментами, присутствующими в качестве боковых фрагментов в полимерной цепи.The table shows the structural formulas of azobenzene-containing liquid crystalline polymers with azo dyes in the V-1X side chain, in which the effect of photoinduced optical anisotropy was also previously detected, the mechanism of this phenomenon being explained by photochemical angular selection as a result of the repeated trans-cis-trans photoisomerization reaction upon repeated absorption of quanta the lights are the same during irradiation with azobenzene fragments present as side fragments in the polymer chain.
Это же относится и к металлопроизводным солям азокрасителей, описанным в патенте Республики Беларусь, [№17225 (2013), авторов В.У. Агабеков и др., «4,4'-Бис[1-(4-гидрокси-3-карбокси-6-метил)фенилазо]дифенил и его металл производные соли как фотоориентирующий тонкопленочный материал»].The same applies to the metal-derived salts of azo dyes described in the patent of the Republic of Belarus, [No. 17225 (2013), authors V.U. Agabekov et al., “4,4'-Bis [1- (4-hydroxy-3-carboxy-6-methyl) phenylazo] diphenyl and its metal derivatives of salts as a photoorienting thin-film material”].
Вместе с тем, хорошо известно, что такая транс- цис- фотоизомеризация молекул азокрасителя сопровождается значительными спектральными изменениями в процессе облучения фотохромного слоя, включающего азосоединения [В.А. Барачевский, Г.И. Лашков, В.А. Цехомский. Фотохромизм и его применение // М.: «Химия», 280 с. (1977); «Органические фотохромы», под ред. А.В. Ельцова, Л-д (1982)]. Это показано и на рис. 3а для фотохромного вещества феноксинафтаценхинона. Однако такие спектральные изменения не были замечены ни в одном из указанных образцах V-1Х веществ. Причем при облучении поляризованным излучением в полосе поглощения полимерных азокрасителей, как и для заявляемых авторами настоящего изобретения ФХСВ, наводится дихроизм поглощения. При этом:At the same time, it is well known that such transcis-photoisomerization of azo dye molecules is accompanied by significant spectral changes during the irradiation of the photochromic layer, including azo compounds [V.A. Barachevsky, G.I. Lashkov, V.A. Tsekhomsky. Photochromism and its application // M .: "Chemistry", 280 p. (1977); Organic Photochromes, ed. A.V. Yeltsova, L-d (1982)]. This is shown in fig. 3a for the photochromic substance phenoxynaphthacinquinone. However, such spectral changes were not seen in any of these samples of V-1X substances. Moreover, when irradiated with polarized radiation in the absorption band of polymer azo dyes, as for the FHSW claimed by the authors of the present invention, absorption dichroism is induced. Wherein:
1. форма спектра поглощения остается всегда неизменной, независимо от величины поглощенной энергии и1. the shape of the absorption spectrum always remains unchanged, regardless of the amount of absorbed energy and
2. всегда наблюдается «просветление» поляризационной составляющей, параллельной поляризации активирующего излучения и «затемнение» для ортогональной составляющей (смотри фиг. 3b).2. there is always a “clarification" of the polarization component parallel to the polarization of the activating radiation and "dimming" for the orthogonal component (see Fig. 3b).
Это указывает на то, что высокомолекулярные вещества V-1Х, также как и металлопроизводные соли азокрасителей, относятся к классу заявляемых в настоящем изобретении ФХСВ, проявляющих обратимую фотоиндуцированную анизотропию и пригодных для получения из них поляризационно-чувствительных материалов и поляризационно-оптических элементов, соответственно.This indicates that high molecular weight substances V-1X, as well as metal derivatives of azo dyes, belong to the class of PCHS claimed in the present invention, exhibiting reversible photoinduced anisotropy and suitable for producing polarization-sensitive materials and polarization-optical elements from them, respectively.
Приведенные примеры подтверждают выполнение поставленной задачи.The given examples confirm the fulfillment of the task.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY
Предложенный в заявляемом изобретении способ и материал может быть использован в качестве химического и/или конструкционного материала в фототехнологии производства разнообразных картинных двух- и/или трехмерных поляризационно-оптических элементов и устройств нано-, микро- и макрооптоэлектронной техники, в приборостроении с использованием таких поляризационно-оптических элементов.The method and material proposed in the claimed invention can be used as a chemical and / or structural material in phototechnology for the production of a variety of picture two- and / or three-dimensional polarization-optical elements and devices of nano-, micro- and macro-optoelectronic devices, in instrumentation using such polarization optical elements.
Он может быть использован при изготовлении оптических анизотропных изделий волоконной и интегральной оптики типа анизотропных фотонных кристаллов, объемных дифракционных решеток, устройств ввода-вывода излучения, линз, поляризационно-селективных делителей световых пучков и т.д, в фототехнологии производства фототермически стабильных адаптивных внутренних тонкопленочных фазовых пластин и поляроидов, а также фотоориентантов жидких кристаллов.It can be used in the manufacture of optical anisotropic fiber and integrated optics such as anisotropic photonic crystals, volume diffraction gratings, radiation input-output devices, lenses, polarization-selective light beam dividers, etc., in phototechnology for the production of photothermally stable adaptive internal thin-film phase plates and polaroids, as well as photo-orientants of liquid crystals.
Он перспективен при изготовлении оптически формируемой картинной высокоориентированной матрицы для специальных низкомолекулярных активных добавок, проявляющих высокую селективность и эффективность происходящих в них термо-фото- или просто химичеких процессов в зависимости от степени их упорядоченности в высокоориентированной матрице.It is promising in the manufacture of an optically formed picture highly oriented matrix for special low molecular weight active additives that exhibit high selectivity and efficiency of thermo-photo or simply chemical processes occurring in them, depending on the degree of their ordering in the highly oriented matrix.
В качестве поляризационно-чувствительного фотоанизотропного носителя информации он может быть применен в технических средствах записи, хранения, обработки и отображения информации, в том числе в системах двух-(2D) и/или трех-(3D) мерной оптической памяти WORM и VR-типа, в поляризационной компьютерной, в том числе коноскопической, голографии, в средствах защиты от подделок и идентификации ценных бумаг и других изделий бытового и техническгого назначения, при создании новых приборов и устройств измерительной техники для исследования механических напряжений в различных изделиях методом фотоупругости и т.д.As a polarization-sensitive photoanisotropic information carrier, it can be used in technical means of recording, storing, processing and displaying information, including in systems of two- (2D) and / or three- (3D) dimensional optical memory WORM and VR-type in polarizing computer, including conoscopic, holography, in means of protection against counterfeiting and identification of securities and other household and technical products, when creating new instruments and devices of measuring equipment for the study of mechanical their stresses in various products by photoelasticity, etc.
Перечень используемых сокращений в порядке их упоминаний в тексте заявки:The list of abbreviations used in the order of their mention in the application text:
2D - двухмерная оптическая память,2D - two-dimensional optical memory,
3D - трехмерная оптическая память,3D - three-dimensional optical memory,
WORM - write only read many optical memory,WORM - write only read many optical memory,
RV - rewritable optical memory,RV - rewritable optical memory,
ПОЭ - поляризационно-оптический элемент,POE - polarization-optical element,
ПЧМ - поляризационно-чувствительный материалPMM - polarization sensitive material
ЖК - жидкий кристалл,LCD - liquid crystal,
ФТТФ - фототермический тип формирования,FTTF - photothermal type of formation,
ФОТФ - фотооптический тип формирования,FOTF - photo-optical type of formation,
ДЛП - двулучепреломление,DLP - birefringence,
ПЧМ - поляризационно-чувствительный материал,FFM - polarization sensitive material,
ФХСВ - фотохимически стабильное вещество,FHSV - photochemically stable substance,
УФ - ультрафиолетовое излучение,UV - ultraviolet radiation,
ИК - инфракрасное излучение,IR - infrared radiation,
ФАМ - фотоанизотропный материал.FAM - photoanisotropic material.
Claims (39)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133995A RU2683873C1 (en) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133995A RU2683873C1 (en) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2683873C1 true RU2683873C1 (en) | 2019-04-02 |
Family
ID=66090112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017133995A RU2683873C1 (en) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2683873C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001018594A2 (en) * | 1999-09-03 | 2001-03-15 | Kent State University | Fabrication of aligned liquid crystal cell/film by simultaneous alignment and phase separation |
CN1117289C (en) * | 1995-07-11 | 2003-08-06 | 罗列克有限公司 | Method and apparatus for transferring polarization mode |
JP2007066888A (en) * | 2005-08-27 | 2007-03-15 | Samsung Electronics Co Ltd | Lighting system for flat-plate display device |
-
2017
- 2017-09-29 RU RU2017133995A patent/RU2683873C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1117289C (en) * | 1995-07-11 | 2003-08-06 | 罗列克有限公司 | Method and apparatus for transferring polarization mode |
WO2001018594A2 (en) * | 1999-09-03 | 2001-03-15 | Kent State University | Fabrication of aligned liquid crystal cell/film by simultaneous alignment and phase separation |
JP2007066888A (en) * | 2005-08-27 | 2007-03-15 | Samsung Electronics Co Ltd | Lighting system for flat-plate display device |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Стяпшин В.М., Зонов Р.Г., Михеев Г.М. "Поляризационно-чувствительный фотовольтаический эффект в наноуглеродных пленках и его применение". Механика и физико-химия гетерогенных сред, наносистем и новых материалов. Институт механики УрО РАН, 2015. * |
Т. Kondo, den photoanisotropen effect (Weigerteffekt) an farbstoffen 1 // Zeitschrift wissenschaftliche photographie, photophysik und photochemie, Bd. 31, 153 (1932). * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zola et al. | Dynamic control of light direction enabled by stimuli‐responsive liquid crystal gratings | |
US6624915B1 (en) | Holographic recording and micro/nanofabrication via ultrafast holographic two-photon induced photopolymerization (H-TPIP) | |
Delaire et al. | Linear and nonlinear optical properties of photochromic molecules and materials | |
McConney et al. | Photoresponsive structural color in liquid crystalline materials | |
JP2003251643A (en) | Method for manufacturing anisotropic polymer film on substrate material having structural surface | |
US20060147810A1 (en) | Holographic optical elements, devices and methods | |
CA2586359A1 (en) | Switchable holographic gratings | |
KR20070091615A (en) | Photoactive film, its preparation and use, and preparation of surface relief and optically anisotropic structures by irradiating said film | |
Ozaki et al. | Photonic crystals based on chiral liquid crystal | |
RU2683873C1 (en) | Method of formation of polarization-sensitive material, polarization-sensitive material produced therewith and polarization-optical elements and devices, including specified polarization-sensitive material | |
Goldenberg et al. | First observation of DFB lasing in polarization gratings written in azobenzene film | |
Venediktov et al. | Liquid crystals in dynamic holography | |
Podlipnov et al. | Formation of microstructures on the surface of a carbaseole-containing azopolymer by the action of laser beams | |
RU2707990C2 (en) | Polarization-sensitive material based on photochemically stable organic substances | |
Ikeda et al. | Photoinduced alignment behavior of polymer liquid crystals containing azobenzene moieties in the side chain | |
Yager et al. | Light-induced nanostructure formation using azobenzene polymers | |
Aleksejeva et al. | Azobenzene containing low-molecular weight organic glasses for optical recording | |
US12090705B2 (en) | Additive manufacturing systems and methods | |
Yuvaraj et al. | Writing with light: recent advances in optical storage property of azobenzene derivatives | |
Priimägi | Polymer-azobenzene complexes: from supramolecular concepts to efficient photoresponsive polymers | |
Barachevsky | Photoinduced birefringence and its application | |
Saad | Linearly and circularly polarized laser photoinduced molecular order in azo dye doped polymer films | |
Ahmad et al. | The UV and laser aging for PMMA/BDK/Azo-dye polymer blend cured by UV light beams | |
Rochon | Optically inscribed volume or surface structures in azobenzene polymer films | |
Wang et al. | Photoinduced Mass Transport |