WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7 Нелинейное поглощение в диэлектрических слоях, содержащих наночастицы меди, © Р.А. Ганеев, А.И. Ряснянский, А.Л. Степанов, Т. Усманов НПО „Академприбор“, 700143 Ташкент, Узбекистан Самаркандский государственный университет им. А. Навои, 703004 Самарканд, Узбекистан Институт физики 1, Технический университет Аахена, 52056 Аахен, Германия Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Российской академии наук, 420029 Казань, Россия E-mail: ryasn2000@yahoo.com (Поступила в Редакцию в окончательном виде 15 декабря 2002 г.) Представлены результаты исследований нелинейного поглощения в наночастицах меди, содержащихся в стеклянных матрицах, методом Z-сканирования на длине волны излучения Nd : YAG-лазера ( = 1064 nm) в поле пикосекундных импульсов. Впервые на основе анализа экспериментальных данных, полученных на образцах с наночастицами меди, синтезированными ионной имплантацией, показано, что в условиях лазерного облучения вне области плазменного резонанса нелинейное поглощение в металлических частицах может быть обусловлено двухфотонным эффектом. Обсуждается характер протекания процесса оптического ограничения в образцах с медными частицами при участии двухфотонного поглощения.

Р.А. Ганеев и Т. Усманов благодарят за частичную финансовую поддержку УНТЦ (грант № Uzb-29).

А.И. Ряснянский благодарит за поддержку Государственный комитет по науке и технике Узбекистана (грант № 7/01). А.Л. Степанов благодарит за финансовую поддержку Немецкий научный фонд имени Александра Гумбольдта, а также Российский фонд фундаментальных исследований (№ 00-15-96615).

Композиционные материалы на основе диэлектри- удовлетворяет соотношению 2 1; m — диэлектриков, содержащих металлические наночастицы, являются ческая проницаемость окружающей матрицы; p — объектами интенсивных исследований в области нели- частота ППР в частице. Из данного уравнения следует, нейной оптики в течение последних двадцати лет [1–5]. что максимум ППР наночастиц меди расположен в Это направление актуально и в настоящее время [6–10] видимой области спектра (около 600 nm).

вследствие перспектив создания оптических переклю- Таким образом, значительное число исследований чателей с ультракоротким откликом [9], а также опти- нелинейно-оптических характеристик рассматриваемых ческих ограничителей, использующих особенности нели- композиционных материалов проводилось с применейного поглощения [7,10]. Данные композиционные нением лазеров, работающих на частотах, лежащих материалы проявляют высокие значения нелинейных в спектральной области ППР металлических часвосприимчивостей третьего порядка ((3)), ответствен- тиц [3,4,8]. Одним из примеров могут служить реных за оптический эффект Керра, особенно в условиях, зультаты работы [9], в которой изучались композикогда частота излучения лазера оказывается в спек- ционные слои, основанные на кластерах меди, внедтральной области линейного селективного поглощения ренных в Al2O3. Методом Z-сканирования исследовалметаллических наночастиц, определяемого поверхност- ся коэффициент нелинейного поглощения на длине ным плазменным резонансом (ППР). Это обусловлено волны 596 nm, тогда как ППР кластеров меди протем, что нелинейный отклик наночастиц максимально является при 590 ± 5 nm. Была измерена динамика проявляется в условиях резонансного возбуждения сво- изменения параметра в зависимости от интенсивбодных электронов в них, а именно на частотах ППР. ности накачки лазера на красителе ( = 6ps), при Известно, что ППР наночастиц различных металлов этом полученное значение варьировалось в преохватывает широкий спектральный диапазон, простира- делах — 0.8 · 10-4-0.2 · 10-4 cm · W-1 в интервале ющийся от УФ вплоть до ближнего ИК в зависимости используемых интенсивностей 2 · 107-2 · 108 W · cm-2.

от типа металла, формы, структуры и размера частиц, В работе [12] методами вырожденного четырехфотона также свойств окружающей их диэлектрической мат- ного смещения и Z-сканирования исследована спекрицы. Так, например, для случая сферических частиц тральная зависимость величины (3) в композитах с в условиях квазистатического приближения положение нанокристаллами серебра в BaO-B2O3-P2O3-стекле максимума ППР определяется соотношением [11] при излучении фемтосекундного лазера в видимой области спектра. Экспериментально определена мнимая 1(p) +2m(p) =0, (1) часть (3), максимальное значение которой составило где — действительная часть диэлектрической про- -1.5 · 10-10 CGSE вблизи максимума ППР нанокристалницаемости металлической частицы, а мнимая часть лов серебра (420 nm). Показано, что величина Im (3) Нелинейное поглощение в диэлектрических слоях... положительна в диапазоне длин волн 441-576 nm и рованию с открытой диафрагмой, аналогичной описанотрицательна в области 385-437 nm. ной в [14], что позволяло исследовать нелинейное поглщение в образцах. Выходные характеристики излучения Проявление наночастицами ППР обусловливает при Nd : YAG-лазера определялись следующими параметраисследованиях выбор таких частот для лазерного изми: длительность импульса 35 ps, энергия импульса 1 mJ, лучения, при которых в изучаемых композиционных = 1064 nm. Лазерное излучение фокусировалось на обматериалах достигаются максимальные значения нелиразцы линзой с фокусным расстоянием 25 cm. Диаметр нейности. Однако с точки зрения реальных применений пучка в области перетяжки составляла 150 µm. Исследанных материалов следует учитывать, что имеющиеся в дуемые образцы перемещались с шагом 2 mm вдоль наличии и используемые на практике в настоящее время лазеры, такие как Nd : YAG ( = 1064 nm), Ti : Al2O3 оптической оси Z, проходя через область фокусировки.

Флуктуации энергии лазера от импульса к импульсу ( = 800 nm) и т. д., работают на строго фиксированных не превышали величину 10%. Энергия излучения отчастотах. Поэтому возникает необходимость изучения дельных лазерных импульсов измерялась калиброваннелинейно-оптических свойств композиционных материным фотодидом ФД-24К и регистрировалась цифровым алов не только в спектральной области ППР металвольтметром В4-17 при использовании калиброванных лических наночастиц, но также и на специфических нейтральных фильтров. На расстоянии 50 cm от зоны фочастотах промышленных лазеров с целью поиска и оптикусировки помещался второй фотодиод ФД-24К, сигнал мизации новых рабочих материалов, предпочтительных с которого направлялся в цифровой вольтметр В4-17.

для комплексного применения в действующих лазерных Данное расстояние было подобрано таким образом, системах.

чтобы детектор аккумулировал все прошедшее время В данной работе приведены результаты исследования образец излучение. Для устранения влияния нестабильметодом Z-сканирования на длине волны пикосекундноности выходных энергетических характеристик лазера го Nd : YAG-лазера ( = 1064 nm) процесса нелинейного на результаты измерения сигнал, регистрируемый этим поглощения в композиционных материалах на основе фотодиодом, нормировался на величину сигнала, рестекла с наночастицами меди, синтезированными мегистрируемого первым фотодиодом. Схема с открытой тодом ионной имплантации. С помощью полученных диафрагмой позволяла определять коэффициент нелиэкспериментальных зависимостей провоодятся оценки нейного поглощения.

оптического ограничения в образцах и обсуждаются Зарождение и рост металлических наночастиц в стеквозможные области практического применения исследо- ле во время имплантации происходят при превышении ванных материалов. концентрацией атомов металла предела растворимости, Для получения композиционного материала в качест- определяемого ионной дозой порядка 1016 ion/cm2 для энергии 60 keV [15,16]. Образование металлических наве подложки были использованы силикатное стекло — ночастиц в настоящей работе установлено рентгеновскиSiO2 (SG) — компании Heraeus и натриево-кальциевое ми и оптическими спектроскопическими измерениями.

силикатное стекло (SLSG) компании Societa Italiana Данные по GISAXS позволяют оценить средний размер Vetro, характеризующееся однородным содержанием хисферических наночастиц, равный 3.4-4.5 nm, и указымических компонентов: 70 at.% SiO2, 20 at.% Na2O, вают на достаточно узкую функцию распределения по 10 at.% CaO. Показатели преломления стекол n0 для SG размерам [8]. Глубина залегания металлических нанои SLSG составляли 1.5 и 1.54 соответственно. Стекла частиц в стеклах для данной энергии имплантации не были приготовлены в виде пластин размером 2 2cm превышала 60 nm [17].

при толщине 1.05 mm для SG и 3.1 mm для SLSG.

Формирование металлических наночастиц подтверПараметры имплантации ионов Cu+: энергия 60 keV, ждается появлением в оптических спектрах пропускания доза 8.0 · 1016 ion/cm2, плотность тока в ионном пучимплантированных стекол (рис. 1) селективных полос ке 10 µA/cm2. Стекла крепились теплопроводящей краспоглощения с минимумами в области 550-600 nm, кой к массивной металлической пластине, температура обусловленных эффектом ППР в частицах меди [11].

которой контролировалась и стабилизировалась при поВ зависимости от условий ионной имплантации силимощи системы, состоящей из резистивного нагреватекатных стекол внедрение ускоренных ионов приводит ля и газового охладителя. Температура пластины при к появлению радиационных дефектов, которые могут имплантации составляла 40C. Для оценки среднего стимулировать обратимые или необратимые изменения размера синтезируемых металлических наночастиц была структуры стекла [16]. На практике зарегистрированы использована рентгеновская рефлектометрия в режиме различные типы структурных нарушений, таких как угловой дисперсионной моды [13]. Композиционные обпротяженные и точечные дефекты, локальная кристалразцы анализировались при малоугловом рентгеновском лизация и аморфизация, формирование новой фазы из рассеянии под скользящим лучом (GISAXS). Измерение атомов, составляющих структуру стекла или внедренных оптического пропускания проводилось на двухлучевом ионов, и т. д. В частности, образование металлических спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 19 в области частиц в стекле ведет к увеличению его объема и длин волн 300-1100 nm.

появлению внутренних напряжений в пределах импланДля определения нелинейно-оптических характерис- тированного слоя. Радиационные дефекты вызывают потик образцов была использована установка по Z-скани- вышенное поглощение стекла на краю фундаментальной Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1294 Р.А. Ганеев, А.И. Ряснянский, А.Л. Степанов, Т. Усманов нелинейного поглощения зависимости: нормализованное пропускание уменьшается по мере приближения образца к фокусу с минимумом при z = 0. Отметим, что каждая точка на графике соответствует усредненному значению по 40 импульсам. Флуктуации экспериментальных значений на этом рисунке обусловлены некоторыми энергетическими и (в основном) временными нестабильностями лазерного излучения.

Для определения коэффициента композиционных материалов воспользуемся выражением для нормализованного пропускания, которое в случае измерения в схеме с открытой диафрагмой может быть представлено в виде [18] T (z ) =q(z )-1 ln 1 + q(z ), (2) Рис. 1. Спектры оптического пропускания. 1 — SG, где q(z ) =I(z )Leff — параметр лазерного пучка, 2 —SLSG, 3 —SG : Cu, 4 —SLSG : Cu.

Leff =(1 - e-L)/ — эффективная длина оптического пути в образце, L — длина образца, — линейный коэффициент поглощения на длине волны лазерного излучения, I(z ) — интенсивность света, прошедшего через образец, в зависимости от его положения по координате z. Параметр q(z ) описывает распространение лазерного пучка в материале, поскольку 1/q(z ) =1/P(z ) - 2 /w2 - i/w2, (3) 2 где P(z ) =z 1 +(z /z ) — радиус кривизны волнового фронта в направлении z, z = kw2/2 — дифракционная длина пучка, k = 2/ — волновой вектор, 2 2 2 = / 1 + z /z, w(z ) =w0 1 + z /z —ради0 0 ус пучка в точке z, w0 — радиус пучка в фокусе на уровне e-2.

Для условия z = 0 (фокальная плоскость) параметр q(0) =q0 определяется следующим уравнением:

q0 = I0Leff, (4) Рис. 2. Зависимости нормализованного пропускания для композитов с медью в различных матрицах (a — SG : Cu, где I0 = I(0).

b —SLSG : Cu) в схеме с открытой диафрагмой.

Используя соотношение (4) совместно с уравнением (2), получим полосы в УФ-области спектра стекла, которое можно T0 = q-1 ln(1 + q0), (5) наблюдать в нашем случае на коротковолновом краю где T0 — минимальное нормализованное пропускание спектра на рис. 1. Однако следует отметить, что все нелинейно-оптические исследования в настоящей работе в фокальной плоскости в схеме с открытой диафрагмой, были выполнены при облучении образцов лазером на которое позволяет определить величину нелинейного кодлине волны 1064 nm, которая лежит далеко вне области эффициента. Вычисленные таким образом по эксперилинейного поглощения как ППР, так и межзонных пере- ментальным данным значения для SLSG : Cu и SG : Cu ходов металлических частиц и стекол, располагающихся составили 3.42 · 10-6 cm · W-1 и 9 · 10-6 cm · W-1 соотв УФ-области спектра. Поэтому в дальнейшем при об- ветственно. Как видно, данные значения различаются суждении результатов экспериментов влияние межзон- в 2.63 раза.

ных переходов и радиационных структурных дефектов Рассмотрим далее возможные механизмы, ответственисключалось из рассмотрения. ные за нелинейное поглощение в исследуемых среНа рис. 2 приведены экспериментальные зависимости дах с металлическими наночастицами. Для корректнонормализованного пропускания обоих типов стекол с го сравнения величин, полученных для SLSG : Cu наночастицами меди, полученные в схеме измерения с и SG : Cu необходимо принять во внимание индивиоткрытой диафрагмой, позволяющей определить коэф- дуальные коэффициенты для слоев с наночастицафициент. Из этого рисунка видны характерные для ми меди в различных матрицах (SG : Cu = 9340 cm-Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Нелинейное поглощение в диэлектрических слоях... Таким образом, можно сделать следующиме выводы.

1) Полученные при измерениях высокие значения коэффициента нелинейного поглощения стекол с медными наночастицами в ближнем ИК-диапазоне определяются наличием металлических частиц и проявлением ППР в них.

2) Положение максимумов ППР медных наночастиц обусловливает эффективность двухфотонного поглощения в рассматриваемых композиционных образцах на длине волны 1064 nm.

Отметим, что ранее были продемонстрированы принципиальные возможности двухфотонного поглощения, связанного с ППР коллоидных частиц серебра в растворе [14,20].

Анализируя результаты, полученные в настоящей работе, следует указать возможные области практического применения исследуемых композиционных материалов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.