Твердотельные образцы

В [7] исследуется ограничение на твердотельных образцах, - углеродные наночастицы наносятся на стеклянную подложку. Экспериментальные условия [7]: средний размер частиц около 5 mм, длина волны излучения 1.064 mм (1-я гармоника лазера на Nd:YAG), длительность импульса 20 нс. Стеклянная пластина с нанесенными на нее углеродными частицами помещается в фокальную плоскость (радиус луча в фокусе 3.5 mм (расстояние, на котором интенсивность падает в 1/e²). Порог ограничения составляет 800 Вт (20 Дж/см²) в фокальной плоскости или 8´10^-6 Дж падающего излучения, что в два раза выше пороговой мощности для суспензий CBS на этой же длине волны (под порогом оптического ограничения авторы [1] определяют значение мощности (энергии, плотности энергии), которое соответствует точке пересечения линий, соответствующих продолжениям линейного и нелинейного участков). Авторы [7] связывают более высокий порог для твердотельных образцов с большим размером частиц (при одинаковой мощности нагрев больших частиц меньше). Однако, это может быть также связано с тем, что механизмы нелинейного ограничения для суспензии более разнообразны. Для твердотельных образцов основной механизм ограничения – нелинейное поглощение и рассеяние в плазме и углеродном паре, тогда как в жидкостях существенен вклад светоиндуцированного рассеяния на пузырьках пара жидкости.

Твердотельные образцы с углеродными наночастицами типа CBS вообще не могут работать в импульсно-периодическом режиме. Эксперимент показал, что после облучения стеклянная подложка не содержит частиц в месте облучения, что связано с их разрушением и испарением.

Выводы.

1. Основные механизмы нелинейного оптического ограничения суспензиями углеродных наночастиц – нелинейное рассеяние на пузырьках растворителя и углеродного пара, нелинейное рассеяние и нелинейное поглощение в углеродной плазме.

2. Нелинейное оптическое ограничение сильно зависит от теплофизических свойств растворителя (ограничение сильнее у жидкостей с меньшей теплотой парообразования, меньшей вязкостью и меньшим коэффициентом поверхностного натяжения).

3. При умеренных мощностях ограничение определяется вначале рассеянием на растущей паровой прослойке растворителя вокруг углеродной наночастицы. Через некоторое время происходит сублимация углеродной частицы, что приводит к усилению нелинейного рассеяния и дальнейшему снижению пропускания. В этом случае теплофизические свойства растворителя сильно влияют как на порог, так и на эффективность нелинейного ограничения.

4. При достаточно высокой мощности, реализующихся для наносекундных импульсов при плотностях энергии больших, чем 1 Дж/cм², ограничение определяется вначале рассеянием на растущем пузырьке углеродного пара и плазмы, поэтому начальный участок кривой лимитинга не зависит от растворителя. Зависимость начинает проявляться на больших временных масштабах, после образования парового пузырька растворителя.

5. Ограничение одиночных импульсов суспензиями углеродных наночастиц возможно в микросекундном, наносекундном и субнаносекундном диапазонах в видимом и ближнем ИК-диапазонах.

6. Порог ограничения в диапазоне 0.1 нс – 1000 нс приблизительно одинаков, однако ограничение в субнаносекундном диапазоне значительно менее эффективно.

7. Ограничение на углеродных наночастицах, внедренных в твердотельную матрицу, менее эффективно, чем ограничение на суспензиях.

8. Недостатком ограничителей на углеродных наночастицах является их необратимая сублимация при воздействии интенсивного лазерного излучения, то есть невозможность использования при многократном (периодическом) воздействии лазерного излучения.

Литература к 1.1.2.:

1. D. Riefl, F. Fougeanet. Thermodynamic modeling of optical limiting in carbon-black suspensions (CBS).// Nonlinear Optics, 1999. vol. 21, pp. 391-398.

2. И.М. Белоусова, Н.Г. Миронова, М.С.Юрьев. Теоретическое исследование нелинейного ограничения лазерной мощности углеродными суспензиями.// Оптика и спектроскопия, 2003, том 94, № 1, стр. 93-98.

3. I.M. Belousova, N.G. Mironova et al. The investigation of nonlinear optical limiting by aqueous suspensions of carbon nanoparticles.// Optics communications, 2004, Vol. 235, iss. 4-6, p. 445-452.

4. В.К. Пустовалов, И.А. Хорунжий, Д.С. Бобученко. Образование и динамика паровой оболочки, возникающей при взаимодействии излучения с частицей в жидкости//. Известия АН СССР, сер. физич.,1988. т. 52, № 9, с. 1847-1851.

5. D.B. James, K.J. McEWAN. Bubble and Refractive Processes in Carbon Suspensions.//Nonlinear Optics, 1999, vol. 21, p 377-389.

6. O. Durand, V. Grolier-Mazza, R. Frey. Picosecond-resolution study of nonlinear scatering in carbon black suspensions in water and ethanol.// Optical Letters, 1998, vol. 23, pp. 1471-1473.

7. K. Mansour, M.J. Soileau, E.W. Stryland. Nonlinear optical properties of carbon-black suspensions (ink).// J. Opt. Soc. Am. B., 1992, vol. 9, No 7, pp. 1100-1109.

8. H. Chen, G. Diebold. Chemical Generation of Acoustic Waves: A Giant Photoacoustic Effect.// Science,1995, vol. 270, # 10, p.963-966.

9. K.J. McEwan, Paul A.Madden. Transient grating effects in absorbing colloidal suspensions.// J.Chem.Phys.,1992, vol.97, # 11, p.8748-8759.

10. H. Lowen, Paul A. Madden. A microscopic mechanism for shock-wave generation in pulsed-laser-heated colloidal suspensions .// J.Chem.Phys.,1992, vol.97, # 11, p. 8760-8765.

11. D. Riefl, F. Fougeanet. Investigation of limiting mechanisms in CBS.//. Nonlinear Optics, 1999, vol. 21, pp. 441-446.

12. K.N. Nashold, D. P. Walter. Investigations of optical limiting mechanisms in carbon particle suspensions and fullerene solutions.// J. Opt Soc. Am. B., 1995. vol. 12, No 7, pp. 1228-1237.

13. R. Goedebert, R. Becker et al. Time-resolved shadowgraphic imaging of the response of dilute suspensions to laser pulses.// J.Opt.Soc. Am. B., 1998, vol. 15, No 5, pp. 1442-146.

14. D. Vincent. Optical limiting with carbon suspensions at selected wavelengths and pulse lengths.// Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, 2000, vol. 9, # 3, pp. 243-259.

15. D. Vincent, S. Petit, S.L. Chin. Optical limiting studies in carbon-black suspension for subnanosecond and subpicosecond laser pulses.// Applied Optics, 2002, vol.41, # 15, p.2944-2946

16. S.K. Tiwari, M.P. Joshi, S. Nath, S.C. Menendale. Salt-induced aggregation and enhanced optical limiting in carbon-black suspensions.// Journal of nonlinear optical physics and materials, 2003, vol. 12, # 3, pp. 335-339

17. K.J. McEwan, P.K. Milsom, D.B. James. Nonlinear optical effects in carbon suspensions.// Proc. SPIE.,1998, vol. 3472, p.42-52.

18. D. Vincent. High-Performance Optical Limiter based on Fine Carbon Particles Suspended in an Organic Solvent.// Nonlinear Optics, 1999, vol.21, p.413-422.

19. F.E. Hernandez, W. Shensky, I. Cohanoschi, D.J. Hagan, E.V.Stryland. Viscosity dependence of optical limiting in carbon black suspensions.// Applied Optics,2002, vol. 41, # 6, p.1103-1107.

20. I.M. Belousova, V.P. Belousov, N.G. Mironova, T.D. Murav’eva, A.G. Scobelev, M.S. Yur’ev, D.A. Videnichev. Fast-acting nonlinear optical limiters and switchers, based on fullerenes and fullerene-like nanostructures.// Proc. SPIE, 2007, Vol. 6455.

Дата добавления: 2015-06-28