T.C. ANKAA ÜNİVESİTESİ BİLİMSEL AAŞTIMA PJESİ KESİN APU FEMTSANİYE LAZE SİSTEMİ İLE MALZEMELEİN ÇİZGİSEL LMAYAN PTİK ÖZELLİKLEİNİN AAŞTIILMASI Prof. Dr. Ayhan ELMALI 20060000047 01.05.2006 01.05.2008 Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Ankara - 2008 1
I. Projenin Türkçe ve İngilizce Adı ve Özetleri : Projenin Türkçe Adı: Femtosaniye lazer sistemi ile malzemelerin çizgisel olmayan optik özelliklerinin araştırılması Özet: Bu projede, çigisel olmayan optik özellikler (NL) gösteren malzemeler geliştirmek için, Ultrafast spektrokopi spektroskopisi için femtosaniye osilatör sitemi alınarak kurulmuştur. Bu femtosaniye osilatör sistemi, femyosaniye lazer sistemine entegre edilmiştir. ptik parametrik yükselteç kullanılarak, femtosaniye lazer ışınımın dalga boyu 360 nm den 1300 nm kadar değiştirilebilir duruma getirilmiştir. Daha sonra, ultrafast spektroskopi tekniklerinden pump-probe spektroskopisi kurulmuştur. Kurulan spektroskopi ile malzemelerin optiksel tepkisinin mekanizması duyarlı bir şekilde ölçülebilmektedir. Proje kapsamında makromoleküler fitalosiyaninlerin üçüncü dereceden çizgisel olmayan optik özelikleri araştırılmıştır. 2
Projenin İngilizce Adı: Investigation of Nonlinear ptical Properties of Materials by using Femtosecond Laser System Abstract: In this project, to develop new nonlinear optical materials, femtosecond oscillator is constructed for ultrafast spectroscopy. This femtosecond oscillator system is integrated to femtosecond laser system. The wavelength of the femtosecond laser can be varied from 360 nm to 1300 nm using optic parametric oscillator. Then pump-probe spectroscopy of ultrafast spectroscopy techniques is constructed. With this sytem the mechanism of the optical response of the materials can be measured precisely. In this project, the third order nonlinear optical properties of macromolecular phthalocyanin were investigated. 3
II. Amaç ve Kapsam Çizgisel olmayan optik (NL), lazer ışığı gibi kuvvetli bir ışığın varlığında maddelerin optik özelliklerinin değiştirilmesi nedeni ile meydana gelen olayların incelenmesi bilimidir [1]. Çizgisel olmayan optiğin en çarpıcı örneklerinden birisi frekansın ikiye katlanması (ikinci harmoniğin elde edilmesi) olayıdır. Bu olay optik bilgilerin kayıt edilmesi için yakın infrared lazer ışığının mavi ışığa dönüştürülmesi sırasında kullanılır. daklanmış ışığın kesit alanı ışığın dalga boyu ile orantılı olduğu için, ikinci harmoniğin oluşturulması optik disklerin bilgi depolama kapasitesini artıracaktır. Bunun gibi çizgisel olmayan optik olaylar kullanılarak, yeni ışık dalga boyları elde eden frekans karıştırıcıları, lazer ışınının genlik ve fazını kontrol eden ışık modülatörleri, optik anahtarlar, optik mantık devreleri, optik bilgi depolama, optik sınırlayıcılar, görüntü ve diğer bilgilerin farklı biçimde işlenmesi gibi optiksel aletler yapmak mümkündür [2-10]. Bir maddenin üçüncü dereceden çizgisel olmayan optik özelliği, ışığın ışık ile kontrol edilmesine olanak sağlar. Üçüncü dereceden alınganlığı büyük olan bir madde, üzerinden geçen ışığın şiddeti ile orantılı kırılma ve soğurma indisine sahiptir. Bu tür maddelerden yapılan aletlerin insan gözünün veya optoelektronik sensörlerin zararlı ışınlardan korunması gibi birçok uygulamaları vardır. Bu tür maddeler optik işlemcilerde, optik depolama uygulamalarında veya optik haberleşmede kullanılan yüksek hızlı modülatörlerde de kullanılabilirler. Bu çizgisel olmayan optik aletler işlemlerin paralel olarak çok yüksek hızlarda gerçekleşmelerini sağlarlar. Bu tür uygulamalarda kullanılabilecek malzemelerin yapılabilmesi, yeni maddelerin üçüncü dereceden çizgisel olmayan optik özelliklerinin incelenmesini çok popüler bir araştırma konusu yapmaktadır. 4
Cam, sıvı ve katı formundaki birçok madde optik özellik gösterir, fakat bu özelliklerin küçük olduğu durumlarda optik etkinin görülebilmesi için çok kuvvetli lazer ışınlarına gerek vardır. Birçok optik uygulamalarda kuvvetli lazer ışını kullanılamadığı için, kuvvetli NL özellik gösteren malzemeler bulunmalıdır. Maddelerin NL özellikleri atomik ve moleküler yapıların elektronik yapılarına ve maddedeki simetri ve geometrik düzenlemeye bağlıdır. Bu nedenle literatürdeki NL malzemelerin çok geniş bir uygulama alanı vardır. Nanoyapılar gümüzdeki en popüler malzemelerdir. İlgi alanı 1-100 nm boyutlarını kapsayan ve mikroskopik yapılar ile moleküler yapılar arasında bulunan nanoyapılar elektronikten kimyaya ve fiziğe, tüm temel bilim dallarını kapsayarak disiplinlerarası kimlik kazanan, geleceğin teknolojisinin yapı taşlarıdır. Nanoboyutlara inildiğinde madde makroboyutlardan çok daha farklı optiksel özellikler kazanmaktadır. Bunun, kullanılan ışının dalga boyu ile nanoyapıların boyutlarının birbirlerine yakın oluşundan kaynaklandığı düşünülmektedir. Nanofotonik yapılar ve fotonik kristaller kullanarak madde ile elektromanyetik dalgaların etkileşmesi kontrol altına alınabilir. Bu etkileşimi moleküler seviyeye taşıyarak, tek bir molekül ile nanofotonik teknolojiler geliştirmek mümkün olabilir. Bu etkileşim ile tek molekül hassasiyetinde sensör yapılmasını sağlanabilir. Bu tür bir aygıtın özellikle moleküler biyoloji ve nanotıp bilimlerinde önemli uygulamaları olabilir. Biyoteknoloji uygulamalarının yanında moleküler bilgisayarların giriş-çıkış sorunlarını da nanofotonik teknolojiler kullanarak, çözmek mümkündür [1]. Fullerene ve metal fullerenler NL özellikleri çok çalışılan nanoyapılardandır [3-13]. Malzemelerin üçüncü dereceden çizgisel olmayan optik özelliklerini ölçmek için en etkin yöntemlerden biri Z-tarama yöntemidir. Bu yöntem laboratuvarımızda bilgisayar kontrollü olarak yapılabilecek duruma getirilmiştir. Malzemenin optiksel tepkisinin mekanizmasını anlayabilmek için femtosaniye duralılık gerektiren ultrafast spektroskopi tekniklerine gereksinim vardır. Proje 5
kapsamında ultrafast spektroskopi tekniklerinden pum-probe spektroskopisi kurulmuştur. Kurulan bu deney sistemleri ile özellikle teknolojik uygulamaya sahip olabilecek malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. III. Materyal ve Yöntem Çizgisel optikte, yani uygulanan elektrik alan yeterince küçük olduğunda madde üzerinde oluşturulan kutupluluk (P), uygulanan elektrik alan (E) ile orantılıdır ve orantı katsayısına (χ (1) ) çizgisel alınganlık denir. P=χ (1).E Çizgisel olmayan optikte (NL), yani uygulanan elektrik alan yeterince büyük olduğunda ise yukarıdaki eşitlik şu şekle dönüşür. P=χ (1) E+ χ (2) EE+χ (3) EEE+, Burada χ (2) ve χ (3) terimleri sırası ile maddenin ikinci ve üçüncü mertebeden alınganlığını verir. Bu denklemdeki ilk terim maddelerin çizgisel soğurma ve kırılmasından sorumlu olan terimdir. İkinci mertebeden çizgisel olmayan etkileşmeler sadece simetri merkezine sahip olmayan malzemelerde oluşur. Üçüncü mertebeden çizgisel olmayan etkileşmeler χ (3) hem merkezi simetrik hem de merkezi simetrik olmayan malzemelerde mevcuttur. Şu anda mevcut altyapı ile ikinci derece NL özellikleri İkinci Harmonik Türetim (SHG) ve üçüncü derece NL özelikleri Z- tarama deneyi ile nanosaniye lazer kullanarak yapabilmekteyiz. 6
Demet ayırıcı Mercek Numune Yarık D1 D2 -Z +Z Şekil 1. Z-tarama deney seti. Bu deney sistemi ile χ (3) nin reel ve sanal kısımları, ve χ (3) nin işareti ayrı ayrı ölçülebilir. Basitçe anlatmak gerekirse bu deneyde Gauss profiline sahip lazer demeti bir mercek yardımı ile odaklanır (Şekil 1; D1 ve D2: dedektör). Örnek odak etrafında mercekten dedektöre doğru hareket ettirilirken, odak noktasından uzak bir noktada ince bir yarıktan süzülen demetin şiddeti dedektör yardımı ile kaydedilir. Elde edilen grafiğin şekli ve genliğinden χ (3) nin işareti ve reel kısmı hesaplanabilir. Eğer ince yarık kaldırılıp tüm demet mercek ile dedektörde toplanırsa elde edilecek grafikten χ (3) nin sanal kısmı hesaplanabilir. Projede, çizgisel olmayan optik özelliklerin mekanizmasının belirlenebilmesi ve optimize edilebilmesi için ultrafast spektroskopi tekniklerinden Femtosaniye pump-probe spektroskopisine kurululmuştur. Malzemelerin NL özelliklerinin optimize edilebilmesi için bu maddelerin NL tepkilerine sebep olan mekanizmaların anlaşılması gerekmektedir. Bu mekanizmalar femtosaniye (fs) zaman sürelerinde gerçekleştikleri için bir ultrafast spektroskopi tekniği kullanılmalıdır. Femtosaniye pump-probe spektroskopisi bu amaç için çok uygundur. Bu deneyi yapabilmek için PA (optik parametric yükseltici) içeren bir femtosaniye lazer sistemi ve diğer deney ekipmanları gerekmektedir. Kurulan pump-probe spektroskopisinin diyagramı Şekil 2 de gösterilmiştir. 7
Ayarlanabilir pompalama ışını Örnek ışınını oluşturmak için (ptik parametric Amplfier in genliği) L1 M Numune BB M L6 Ch1 L4 L5 Ch2 BS Beyaz ışık kaynağı M1 Örnek ışını M L3 L2 geciktirici FS SP referans Bilgisayar Şekil 2. Femtosaniye ultrafast pump-probe spektroskopisi Bu deneyde incelenen madde, maddenin çizgisel spektrumuna göre ayarlanan kuvvetli bir demet ile uyarılır. Uyarılmış durumdaki moleküller taban durumuna geçerken, oluşan etkiler zayıf bir beyaz ışın demeti ile takip edilir. Beyaz ışık demetinin spektrumu örnekten once ve örnekten sonra analiz edilerek, çizgisel olmayan soğurma ve emisyon spektrumları belirlenir. Bu spektrumlar beyaz ışın atmaları pompalamaya göre geciktirilirken kaydedilir. Elde edilen zamana bağlı spektrumlardan NL davranışlara 8
sebep olan mekanizmaların zamana bağlı dinamikleri femtosaniye çözünürlükte belirlenir. Bu ise NL özelliği gösteren malzemelerin teknolojik uygulamalarda nasıl kullanılabileceği konusunda başka yöntemlerden belirlenemeyecek cok önemli bilgiler verir. Böylece malzemenin elektronik konfigürasyanu ile NL davranışı arasında ilişkiler kurulabilir. Malzemenin elektronik konfigürasyonu değiştirilerek, NL davranışları optimize edilip, teknolojik uygulamalarda kullanılabilecek yeni NL özellik gösteren malzemeler geliştirilebilir. IV. Analiz ve Bulgular Makromoleküler metalfitalosiyaninlerin çizgisel olmayan optik özellikleri son yıllarda yoğun olarak araştırılmaktadır. Fitalosiyaninler en iyi çizgisel olmayan optik özellikler gösteren organik bileşiklerdir. Fitalosiyaninlerin merkez boşluğu 70 farklı metal atomu ile koordine edilebilmekte, ayrıca farklı yan gruplar bağlanabilmektedir. Böylece fitalosiyaninlerin çizgisel olmayan optik özellikleri değiştirilebilmektedir. Proje kapsamında incelen fitalosiyaninlerin çizgisel olmayan optik özellikleri aşağıda verilmiştir. 1-4-(4,6-diaminopyrimidin-2-ylthio) double-decker Lu(III) fitalosiyanin 4-(4,6-diaminopyrimidin-2-ylthio) double-decker Lu(III) fitalosiyanin bileşiğinin çizgisel olmayan optik özellikleri araştırılmış ve malzemenin hem çizgisel olmayan kırılma indisi hemde çizgisel olmayan soğurma gösterdiği bulunmuştur. Düşük konsantrasyonda örneğin iyi çizgisel olmayan kırılma indisi, yüksek konsantrasyonlu örneğin ise büyük çizgisel olmayan soğurma gösterdiği bulunmuştur. Bu çalışma, The nonlinear refraction and nonlinear absorption in 4-(4,6-diaminopyrimidin-2-ylthio) substituted double-decker Lu(III) phthalocyanine başlıkla Journal of Physics and Chemistry of Solids basılmış ve makale ekde verilmiştir. 9
2- ktakis (mercaptopropyl-isobutyl-pss) metal (Cu, Co, Zn) fitalosiyanin ktakis (mercaptopropyl-isobutyl-pss) metal (Cu, Co, Zn) (CuPc, CoPc, ZnPc) fitalosiyanin bileşiklerinin çizgisel olmayan optik özellikleri araştırılmıştır S S S S N N N N M N N N N S S S S Şekil 3. ktakis (mercaptopropyl-isobutyl-pss) metal (M=Cu, Co, Zn) (CuPc, CoPc, ZnPc) fitalosiyanin bileşikleri Üç örneğinde çizgisel olmayan kırılma indisi göstermediği belirlenmiştir. Üç örnekde çizgisel olmayan soğurma göstermektedir. CuPc iyi çizgisel olmayan soğurma gösterirken, CoPc ve ZnPc zayıf çizgisel olmayan soğurma göstermektedir. Üç örneğin çizgisel olmayan soğurma deney sonuçları şekil 4.2.2.2 de verilmiştir. 10
Şekil. 4 CuPc, CoPc, ZnPc bileşiklerinin çizgisel olmayan soğurma grafikleri CuPc diğerlerine göre çok büyük çizgisel olmayan soğurma gösterdiği için, bu örneğin çizgisel olmayan soğurma ve optik sınırlama özellikleri detaylı olarak çalışılmıştır. Aşağıdaki şekilde CuPc farklı şiddetlerdeki çizgisel olmayan soğurma grafikleri verilmiştir. Şekil 5. CuPc bileşiğinin farklı şiddetlerdeki çizgisel olmayan soğurma grafikleri. 11
CuPc için 6 farklı şiddette deneyler yapılmış ve her deney teoriye fit edilerek ω 0 (µm) ve β(cm/gw) değerleri hesaplanmıştır. CuPc için elde edilen beta değerleri aşağıdaki şekilde verilmiştir. Artan şiddet ile beta değerinin azaldığı bulunmuştur. Bunun nedeninin, soğurma etkisinin üçüncü ve daha yukarı mertebelerden çizgisel olmayan soğurma mekanizmalarının kombinasyonu olduğu düşünülmektedir. Şekil 6 CuPc için çizgisel olmayan soğurma katsayısının artan şiddete göre grafiği CuPc nin çizgisel olmayan soğurması çok yüksek olduğu için, bu malzemenin optik sınırlama özelliklerini araştırılmıştır. Bunun için açık yarık z-tarama deneylerinin yeniden hesabı yapılarak, normalize geçirgenlikler giriş enerji yoğunluğuna göre çizilmiştir. Bu grafikler aşağıdaki teoriye göre fit edilerek F sat ve κ değerleri hesaplanmıştır. α(f, F sat,κ) α 0 (1+F/F sat ) -1 (1+κF/F sat ) F sat enerji yoğunluğu ve κ uyarılmış durum/taban durumu soğurma katsayıları oranıdır. 12
Aşağıdaki şekilde CuPc için normalize geçirgenlik şiddete göre verilmiştir. Şekilde içi boş kutular ölçüm verilerini, düz çizgi ise fit eğrisini göstermektedir. Şekil 7 Normalize geçirğenliğin şiddete göre değişimi. İyi bir optik sınırlayıcı için yüksek κ, düşük F sat, düşük α 0, yüksek β eff değerleri gereklidir. Bu değerlerinin bazılarının iyi olması değil, bütün değerlerin birlikte iyi olması gerekmektedir. ptik sınırlayıcılar için iyi çizgisel olmayan optik özellikler gösteren, Fulleren referans malzemesi olarak alınmaktadır. Bu çalışmada, CuPc için κ değeri 12.5 (fulleren için 5.2), çok düşük F sat değeri 0.85 J cm -2 (fulleren için 5 J cm -2 ) and yüksek β eff değeri 7x10-8 cmw -1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde (fulleren için 6.6x10-8 cmw -1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde) olarak bulunmuştur. Yukarda verilen ve Fulleren ile karşılaştırılan değerler, CuPc nin çok iyi optik sınırlama özelliğine sahip olduğunu göstermektedir. Bu değerler 40 tane fitalosiayninin optik sınırlayıcı özelliklerinin verildiği bilimsel literatürle karşılaştırıldığında da çok iyi olduğu görülmektedir [14]. Bu çalışma SCı tarafından taran Dalton Transaction dergisinde yayınlanmış ve raopr ekinde verilmiştir. 13
3. 2,4,6-tris[2-oxa-9,10,16,17,23,24-hexa(hexylthio)fitalosiyaninçinko(II)]-s-triazine (Triaz- Zn) ve 2,4,6-tris[2-oxa-9,10,16,17,23,24-hexa(hexylthio)fitalosiyaninbakır(II)]-s-triazine (Triaz-Cu) Triaz-Zn ve Triaz-Cu kısaltma adı verilen komplex fitalosiyanin malzemelerin çizgisel olmayan optik özellikleri incelenmiştir (Şekil 8). Şekil 8. 2,4,6-tris[2-oxa-9,10,16,17,23,24-hexa(hexylthio)fitalosiyaninçinko(II)]-s-triazine (Triaz-Zn) ve 2,4,6-tris[2-oxa-9,10,16,17,23,24-hexa(hexylthio)fitalosiyaninbakır(II)]-s-triazine (Triaz-Cu) kimyasal şekli 14
Her iki malzeme de oldukça yüksek çizgisel olmayan soğurma göstermekle birlikte, çizgisel olmayan kırılma özellikleri çok zayıftır. Bu nedenle bu malzemeler optik sınırlama uygulamaları için oldukça güzel adaylardır. İlk olarak kullanılan malzemelerin çizgisel olmayan soğurmaları açık yarık z-tarama deneyleri ile incelenip, teorik fitler yapılarak çizgisel olmayan soğurma katsayıları hesaplanmıştır. Kullanılan konsantrasyonlar ve malzemelerin geçirgenlikleri aşağıdaki tabloda belirtilmiştir: Malzemenin adı Konsantrasyonu (M) 532 nm de soğurma katsayısı (mm -1 ) 532 nm de % geçirgenliği Triaz-Cu 1,016x10-4 0,178 64 Triaz-Zn 1,029x10-4 0,208 62 Aşağıdaki grafiklerde üç farklı şiddetteki deney verileri ve teorik fitler (düz çizgilerle çizilmiş eğriler) üst üste çizilmiştir. Şekil 9 Üç farklı şiddet için Triaz-Zn nun çizgisel olmayan soğurma grafikleri 15
Şekil 10. Üç farklı şiddet için Triaz-Cu ın çizgisel olmayan soğurma grafikleri Her iki malzeme için de 6 farklı şiddette deneyler yapılmış ve her deney teoriye fir edilerek ω 0 (µm) ve β(cm/gw) değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki tabloda verilmektedir. Triaz-Zn P(mW) W 0 (micron) β(cm/gw) I 0 (GW/cm 2 ) F 0 (J/cm 2 ) 0.0245 24.12 149 0.063 0.268 0.0577 25.46 110 0.133 0.567 0.13 25.05 83 0.31 1.32 0.375 26.22 59 0.816 3.474 0.704 25.74 61 1.59 6.768 0.722 26.47 58 1.542 6.562 Triaz-Cu P(mW) W 0 (micron) β(cm/gw) I 0 (GW/cm 2 ) F 0 (J/cm 2 ) 0.0245 29.73 136 0.041 0.177 0.0577 29.45 73 0.1 0.424 0.13 30.56 42 0.208 0.887 0.375 32.61 37 0.528 2.246 0.704 25.12 38 1.669 7.104 0.722 28.83 29 1.3 5.532 16
Aşağıdaki grafiklerden görüldüğü gibi şiddete bağlı soğurma katsayısı olan β(cm/gw) giriş şiddeti arttıkça azalmaktadır. Bunun, soğurma etkisinin üçüncü ve daha yukarı mertebelerden çizgisel olmayan soğurma mekanizmalarının kombinasyonu olduğu düşünülmektedir [14]. Bu nedenle literatürle karşılaştırabilmek için etkin çizgisel olmayan soğurma katsayıları I 0 =0.5 GW/cm 2 odak şiddetlerinde Triaz-Zn ve Triaz-Cu için sırasıyla 7x10-8 cm/w ve 3.5x10-8 cm/w olarak belirlenmiştir. Şekil 11 Triaz-Zn için çizgisel olmayan soğurma katsayısının artan şiddete göre grafiği Şekil 12 Triaz-Cu için çizgisel olmayan soğurma katsayısının artan şiddete göre grafiği 17
Çalışılan malzemelerin her ikisi de yüksek çizgisel olmayan soğurmaya sahip oldukları için, her ikisininde optik sınırlama özellikleri araştırılmıştır. Bunun için açık yarık Z-tarama deneyleri yeniden hesaplanarak, normalize geçirgenlikler giriş enerji yoğunluğuna göre çizilmiş ve bu grafikler aşağıdaki teoriye göre fit edilerek F sat ve κ değerleri hesaplanmıştır. α(f, F sat,κ) α 0 (1+F/F sat ) -1 (1+κF/F sat ) Aşağıdaki grafikte elde edilen tüm açık yarık Z-tarama grafikleri üst üste çizdirilerek elde edilen grafiğe teorik fit yapılmıştır. Teorik fitte κ ve F sat değerleri fit parametreleri olarak ele alınarak, κ=6,9 ve F sat =1,6 J/cm 2 olarak bulunmuştur. Şekil 13 Triaz-Zn için normalize geçirğenliğin şiddete göre değişimi. 18
Şekil 14 Triaz-Cu için normalize geçirğenliğin şiddete göre değişimi. Literatür karşılaştırması yapılmış ve incelenen fitalosiyaninlere yapı olarak çok benzeyen bir fitalosiyaninin optik sınırlama özelliklerinin incelendiği bir çalışma bulunamamıştır. Triaz-Zn için κ değeri 10.3 (fulleren için 5.2), çok düşük F sat değeri 3.2 J cm -2 (fulleren için 5 J cm -2 ) and yüksek β eff değeri 7x10-8 cmw -1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde (fulleren için 6.6x10-8 cmw - 1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde) olarak bulunmuştur. Triaz-Cu için κ değeri 9.6 (fulleren için 5.2), çok düşük F sat değeri 4.1 J cm -2 (fulleren için 5 J cm -2 ) and yüksek β eff değeri 4x10-8 cmw -1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde (fulleren için 6.6x10-8 cmw -1, 0.5 GWcm -2 şiddet değerinde) olarak bulunmuştur. Literatürdeki fitalosiyaninlerle karşılaştırıldığında Triaz-Zn nin β değeri oldukça büyüktür, F sat değeri oldukça küçüktür, κ(σ ex /σ 0 ) değeri ise çok sayıdaki çalışmada bulunan değerlerden daha iyidir [14]. İyi bir optik sınırlayıcı için bütün parametre birlikte düşünülürse, özellikle Triaz-Zn nin optik sınırlama için çok güzel bir aday olduğu söylenebilir. Bu çalışma ptics Communications dergisinde basılmış ve rapor ekinde verilmiştir. 19
4. Dört t-butycalixarene köprülü binuclear zinc(ii) fitalosiyanin (Zn(II)Pc) Dört t-butycalixarene köprülü binuclear zinc(ii) fitalosiyaninin kimyasal şekli aşağıda verilmiştir. Şekil 15 Dört t-butycalixarene köprülü binuclear zinc(ii) fitalosiyaninin kimyasal şekli İncelenen ZnPc iyi çizgisel olmayan kırılma göstermektedir. Bu bileşiğin çizgisel olmayan optik özelliklerinde litaratürdeki bir ilk deneysel olarak gözlenmiştir. Nanosaniye ile yapılan çalışmalarda çizgisel olmayan kırılma indisine ısısal etki olmakda ve ısı etkiside ilave mercek etkisi göstermektedir. Isı etkisi hep yayıcı mercek gibi davranmaktadır. Malzeme ise bazan yayıcı mercek bazanda odaklayıcı mercek olarak davranmaktadır. Bu örnek ile yapılan 10 cm odak uzaklıklı mercek ile yapılan kapalı yarık Z-tarama deneylerinde önce tepe sonra çukur gözlenmiştir. Aynı deney 20 cm odak uzaklıklı mercek ile yapıldığında ise önce çukur sonra tepe gözlenmiştir. Yani işaret değişmiştir (Şekil 4.2.4.2). Yani örnek yayıcı mercek gibi davranırken, odaklayıcı mercek gibi davranmaya başlamıştır. Bu durum ısısal etkinin azaldığı olarak düşünülmüştür. Bilimsel literatürde işaret değişimi puls genişliği nanosaniyeden pikosaniyeye 20
değiştiğinde gözlenmiştir [15]. Bu çalışmada ise puls genişliği sabit iken mercek odak uzaklığı değiştirilerek bulunmuştur. 10 cm odak uzaklıklı mercek için odakda demet çapı 7 µm iken, 20 cm odak uzaklıklı mercek için odakda demet çapı 20 µm olarak bulunmuştur. Bu nedenle odakdaki şiddet 20 cm odak uzaklıklı merçek için şiddet çok daha küçük olduğu için ısısal etki azalmıştır. Bu çalışma ptics communication dergisinde basımdadır ve rapor ekinde verilmiştir. Şekil 4.2.4.2 10 cm ve 20 cm odak uzaklıklı mercekler için kapalı yarık Z-tarama grafikleri 21
V. Sonuç ve Öneriler Bu proje çalışmasında ptik Malzemeler araştırma laboratuarımız deneysel olanaklar bakımından uluslar arası bir düzeye gelmiştir. Laboratuarımızda kurulan pump-probe spektroskibisi dünyada sayılı laboratuarlarda bulunmaktadır. Çizgisel olmayan optik özelliklerin araştırlması konusunda ülkemizdeki ilk laboratuardır. Bu anlamda böyle bir laboratuarın üniversitemizde kurulması çok önemlidir. Laboratuarımız yeni kurulmasına rağmen farklı üniversitelerle iş birliğine başlanmıştır. rganik malzemeleri yarıiletkenler, polimer malzemeler, nanotüpler, nanoparçacıklar gibi çok geniş bir malzeme grubu çizgisel olmayan optik özellikler gösterdiğinden bu işbirliklerinin artma ve gelişme potansiyeli çok yüksektir. Özellikle alımların ve kurulumların uzun sürmesi nedeni ile deneysel çalışmalara yeterince vakit kalmamıştır. Buna rağmen kısa sürede SCI tarafından taranan saygın dergilerde 3 adet makale basılmış ve 1 adet makale yayın aşamasındadır. Bu durum önümüzdeki yıllarda etki faktörü yüksek dergilerde yapılacak yayınların bir gösterdesidir. Ayrıca çizgisel olmayan optik özellik gösteren malzemelerin optik sensör, optik anahtarlama, optik sınırlama gibi önemli teknolojik uygulamaları olduğu için, ürüne yönelik araştırmalarda kurduğumuz altyapı ile yapılabilecektir. Şu anda araştırma laboratuarımızda 5 doktora ve 4 yüksek lisans öğrencisi tez çalışmalarını yürütmektedir. 22
VI. Kaynaklar [1] D. H. Auston, et al., Appl. pt., 26, 211 (1987). [2] E. Kopan, M. C. Tamargo, D. M. Huan, Appl. Phys. Lett, 50, 347 (1987). [3] P. M. Petroff, A. C. Gossard, and W. Wiegman, Appl. Phys. Lett. 45, 620 (1984). [4] Z. L. Zang, and N. C. MacDonald, J. Vac. Sci. Technol. B, 4, 2538 (1993). [5] J. Yao, S. Arney, and N. C. MacDonald, J. of Microelectromechanical systems 1, 14 (1992). [6] J. Yao, and N. C. MacDonald, J. Microtech. Microeng.,5, 257 (1995). [7] J. H. Hong, and D. Psaltis, in Contemporary Nonlinear ptics, edited by G. P. Agrawal,. W. Boys, Academic Press, p246 (1992). [8] P. N. Prasad, D. J. Williams, Introduction to nonlinear optical effects in molecules and polymers, John Willey and Sons, New York (1991). [9] Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri, Vizyon 2023 Projesi, Nanoteknoloji ve Strateji Grubu, Ağustos 2004, Ankara [10] M. J. osker, H.. Marcy, Y. C. Tallis, J. T. Kooury, K. Hansen,. L. Whetten, Chem. Phys. Lett., 196, 427 (1992). [11] J.. Lindle,. G. S. Pong, F. J. Bartoli, Z. H. Kafafi, Physical eview B, 48, 9447 (1993). [12] L. Yang, E. oyer, A. D. Walser,. Dorsinvile, Chem. Phys. Lett., 239, 399 (1995). [13] H. Huang, G. Gu, S. Yang, J. Fu, P. Yu, G. K. L. Wong, Y. Du, J. Phys. Chem. B, 102, 61 (1998). [14] Flaherty, S.M., Hold, S.V., Cook, M.J., Torres, T., Chen, Y., Hanack, M., Blau, W.J., Advanced Materials, 15, 19-32 (2003). [15] Wei, T.-H., Huang, T.-H., Appl. Phys. Lett., 72 2505 (1998). 23
VII. Ekler a) Mali Bilanço ve Açıklamaları Gelir: 350.000 Y.T.L. Harcanan: 293.000 Y.T.L. Kalan: 56.000 Y.T.L. Proje bütçesi, femtosaniye osilatör sisteminin alınmasında harcanmıştır. b) Makine ve Teçhizatın Konumu ve İlerideki Kullanımına Dair Açıklamalar (BAP Demirbaş numaraları dahil ) Demirbaş numarası bulunan femtosaniye osilatör sitemi bölümümüzdeki ptik Malzemeler araştırma kullanılmaktadır ve bundan sonraki ölçümler için kullanılmaya devam edilecektir. Diğer bölümlerden gelen talepler de bu sistem sayesinde değerlendirilmektedir. c) Teknik ve Bilimsel Ayrıntılar (varsa Kesim III'de yer almayan analiz ayrıntıları) d) Sunumlar (bildiriler ve teknik raporlar) e) Yayınlar (hakemli bilimsel dergiler) ve tezler 1. The nonlinear refraction and nonlinear absorption in 4-(4,6-diaminopyrimidin-2-ylthio) substituted 24
double-decker Lu(III) phthalocyanine, H. Gül Yağlıoğlu, Metin Arslan, Şaziye Abdurrahmanoğlu, Hüseyin Ünver, Ayhan Elmali, Özer Bekaroğlu, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 69 (2008) 161-167. 2. Sythesis, characterization and nonlinear absorption of novel octakis-pss substituted metallophthalocyanines and strong optical limiting property of CuPc, Tanju Ceyhan, Mustafa Yüksek, H. Gül Yağlıoğlu, Bekir Salih, Mehmet K. Erbil, Ayhan Elmalı and Özer Bekaroğlu, Dalton Trans., (2008) 2407-2413. 3. Trimeric metallo-phthalocyanines with good performances for nanosecond optical limiting in solution, Mustafa Yüksek, Tanju Ceyhan, H. Gül Yağlıoğlu, Ayhan Elmalı, Özer Bekaroğlu, ptics Communications, 281 (2008) 2970-2974. 4. The nonlinear refraction and absorption dependence on the thermal effect for 4 ns pulse duration in binuclear Zn(II) phthalocyanine solution Mustafa Yüksek, Tanju Ceyhan, Fulya Bağcı, H. Gül Yağlıoğlu, Ayhan Elmalı, Özer Bekaroğlu, ptics Communications, 281 (2008), 3897-3901. 25