Анализ работы лимитеров на основе фуллеренсодержащих сред, астраленов, углеродных наночастиц и нанотрубок в параллельных и в сфокусированных пучках

В предыдущих параграфах рассматривались ограничительные свойства фуллеренсодержащих сред, астраленов, углеродных наночастиц и нанотрубок в различных условиях. В работе [1] приведены сводные результаты исследований оптического ограничения различных фуллеренсодержащих сред (растворы, полимерные матрицы, sol-gel, и микропористые стеклянные матрицы) а также суспензия астраленов, и нанотрубок. Все измерения проведены в параллельных пучках, в одинаковых условиях на l=308 нм (эксимерный лазер), l= 355 нм, 532 нм, 1064 нм (гармоники Nd:YAG лазера), а также на l=1315 нм (йодный лазер) в наносекундном диапазоне длительностей. Представлены результаты оптического ограничения в единицах отношения Е_вых/Е_вх при различном начальном пропускании, а также пороги разрушения этих образцов. (Таблица 1).

Таблица 1. Параметры лимитеров на различных средах.

Вещество	Длина волны, m м	Во сколько раз Евых/Евх	Начальное пропускание, %	Порог разрушения, Дж/см^2
Раствор С60 в толуоле	0.308			12.6
0.355			> 8
0.532			> 8
0.532			> 7
Раствор смеси С76-С84 в толуоле	1.06			>8
Раствор С60 в CCl4	0.532			>4
Суспензия астраленов в CCl4, 1%	0.532			>4
Суспензия нанотрубок в CCl4, 1%	0.532			>4
Суспензия PVP в H2О	0.532			>4
Суспензия астраленов в H2О	0.532			>4
Суспензия астраленов в 30 % H2О и 70 % C2H5OH	0.308			>4
0.532			>4
1.315			>4
Суспензия нанотрубок в H2О, 0.1 %	0.532			>4
С60 в полиакрилонитриле в DMFA	0.532			>4
C60 в золь-гель SiO2	0.532			2.6
С60 в микропористом стекле (размер пор 2 нм)	0.532
С60 в микропористом стекле (размер пор 7 нм)	0.532
С60 в микропористом стекле (размер пор 17 нм)	0.532
С60 в полиимиде	0.532
С60 в полистироле	0.532			2.1
С60 в РММА	0.532			0.9
С60 в поликарбонате	0.532			0.9
С60 в органо-силикатной композиции	0.532			3.8
С70 в модифицированном полиимиде	1.315			1.9

Проведенные исследования более 200 образцов различных сред позволили, прежде всего, выявить закономерность в отличии механизма оптического ограничения в фуллеренсодержащих растворах и твердотельных системах (полимеры, sol-gel и стеклянные матрицы). Для длительности импульса > 1 нс коэффициент оптического ограничения фуллеренов в растворах превосходит коэффициент оптического ограничения для твердотельных составов. Это связано с двумя факторами: 1) в фуллеренсодержащих средах в механизм ограничения кроме RSA существенный вклад вносит фотоиндуцированное рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях плотности и показателя преломления, которые не развивается в твердотельных матрицах 2) агрегация фуллеренов в твердотельных матрицах приводит к изменению электронной структуры фуллерена и его кинетических констант, включая сечения поглощения и времена жизни возбужденных состояний. В связи с этим величина коэффициента оптического ограничения (Е_вых/Е_вх) для фуллеренсодержащих растворов оказывается примерно на порядок больше, чем для твердотельных матриц. Суспензии углеродных наночастиц (CBS), нанотрубок и фуллероидных наноструктур – астраленов имеют близкие к раствору фуллерена (С₆₀) коэффициент оптического ограничения. Важно отметить, что суспензии углеродных наноструктур ограничивают в ближней ИК-области спектра на l=1315 нм. Механизм ограничения на суспензиях углеродных наночастиц (CBS) определяется нелинейным рассеянием на пузырьках растворителя и углеродного пара, нелинейным рассеянием и поглощением в углеродной плазме. Механизм ограничения на суспензиях астраленов и нанотрубок дополняется нелинейным поглощением, связанным с их электронной оболочкой.

Порог разрушения ограничителей на фуллеренсодержащих растворах и суспензиях углеродных наноструктур определяется лучевой прочностью окон кювет, в которых они находятся, т.е. для кварцевых окон, изготовленных методом глубокой полировки (ГПШ) эта величина составляет» 10 Дж/cм².

Порог разрушения фуллеренсодержащих твердотельных матриц значительно ниже, например, для полимерных пленок 1-4 Дж/см². Исключение составляют микропористые стеклянные матрицы, для них возможно получение лучевой прочности до 8-10 Дж/см². Порог ограничения в параллельных пучках практически для всех этих сред составляет 0.1-1 Дж/см². Вследствие всего вышесказанного динамический диапазон работы Е_{пор. разр}./Е_{пор. огр.} жидкостных лимитеров может составлять в параллельных пучках» 10², в то время как для твердотельных матриц, допированных фуллереном и углеродными структурами £ 10. Для понижения порога ограничения фуллеренсодержащих сред и суспензий углеродных наноструктур используется технический прием: расположение ограничивающего элемента вблизи фокуса оптической системы. Это позволяет существенно (в зависимости от качества оптической системы) увеличить плотность энергии падающего излучения в рабочей среде при снижении энергии на входе в оптическую систему.

В п. 1.1.3.2. демонстрировались результаты определения порога ограничения лимитеров на различных углеродных наноструктурах (С₆₀-CCl₄, суспензии астраленов в спирте, CBS в воде и спирте) в софокусной асферической системе, с диаметром пучка в центре кюветы 23 мкм и f/2.5 [2]. Порог ограничения определялся по уровню входной энергии, при которой пропускание снижается на 20 % по сравнению с линейным пропусканием. [2].

Для раствора С₆₀ в CCl₄ порог ограничения составил 5´10^-6 Дж (на входе в оптическую систему), для суспензии CBS в спирте 10^-6 Дж, для суспензии CBS в воде 10^-6 Дж, для суспензии астралена в спирте 10^-5 Дж. Примерно такой же порог ограничения - 10^-6 Дж получен для суспензии многослойных нанотрубок в воде (начальное пропускание 70%, оптическая система f/5, диаметр пятна в фокусе 7-8 мкм) [3]. Ниже приведена сводная таблица, где сравниваются параметры лимитеров, работающих в коллимированных и сфокусированных пучках для фуллеренсодержащих растворов и суспензий углеродных наноструктур (при длительности импульса 8-10 нс). Как видно из таблицы 2, при использовании оптической системы, в которой центр кюветы (образца) ограничителя располагается в фокусе оптической системы, удается снизить порог ограничителя до 10^-5 - 10^-6 Дж (на входе в систему) и расширить динамический диапазон работы жидкостных лимитеров до 10³-10⁴ крат.

Таблица 2. Параметры лимитеров в коллимированных и сфокусированных пучках.

Состав среды	Фокусировка	Длина волны, нм	Начальное пропускание, %	Порог лимитинга	Динамический диапазон
С60-толуол	Нет			0.1 Дж/см^2	» 100
Есть			2´10^-3Дж/см^2	> 10^3
1.5´10^-5Дж
C60-CCl4	Нет			0.02-0.05 Дж/см^2	³ 200
Есть			6´10^-4Дж/см^2	> 10^4
5´10^-6Дж
Суспензия астраленов в воде или спирте	Нет*			0.1 Дж/см^2	» 100
Есть**			10^-3Дж/см^2	10^4
10^-5Дж
Суспензия CBS в воде или спирте	Нет			0.1-0.15 Дж/см^2
Есть			2´10^-4Дж/см^2*, 10^-4Дж/см^2**	5´10^4- 10^5
2´10^-6Дж*, 10^-6Дж**
Суспензия многослойных нанотрубок (в воде)	Нет			0.1 Дж/см^2	60-100
Есть			2.5´10^-4Дж/см^2	10^4
2´10^-6Дж
С60-ПММА (полиметил-метакрилат)	Нет			0.1 Дж/см^2		Порог разрушения 1 Дж/см^2
есть			4´10^-2Дж/см^2		Пробой 2.5´10^-4Дж
10^-5Дж

* - суспензия астраленов в воде

** - суспензия астраленов в спирте

Для лимитеров на фуллеренсодержащих твердотельных матрицах (особенно для полимерных пленок) не удается существенно увеличить динамический диапазон вследствие ограничений по лучевой стойкости образцов, которая становится особенно критичной при расположении тонких пленок (10-100 мкм) в фокусе оптических систем.

Литература к 1.1.4.:

1. I.M. Belousova, V.P. Belousov, O.B. Danilov et al. Photodynamic Nonlinear optical limiting in fullerenes and fulleroid molecules containing media. Proc. SPIE, 2004, Vol. 5479, pp. 204-210.

2. 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.

3. I.M. Belousova, I.M. Kislyakov, E.Van Strayland (не опубликовано).

Глава 1.2. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в органических кристаллах и композитах.

Оптическое ограничение в органических соединениях интенсивно исследовалось и продолжает исследоваться в России и за рубежом. Учитывая многообразие органических соединений в кратком обзоре невозможно охватить все ведущиеся в данной области исследования. Поэтому будут приведены лишь наиболее характерные работы и результаты, иллюстрирующие достоинства и недостатки ограничителей на основе органических соединений.

В работе [1] проведено исследование 23 композитных материалов на основе гетероароматических и неполярных ароматических углеводородов на длине волны 0.53 мкм при длительности лазерного импульса 5 нс. Во всех материалах наблюдался эффект ограничения, связанный с двухфотонным поглощением. Однако, эффективность ограничения была невысока и коэффициент ослабления при Е_вх = 150 мкДж лежал в интервале 3-15. В то же время, во всех исследованных композитах был получен высокий начальный коэффициент пропускания: 80-100 %.

Оптическое ограничение во фталоцианинах и порфиринах, а также их металлоорганических комплексах исследовалось в работе [2, 3]. Эксперименты проводились на длине волны 0.53 мкм при τ = 7 нс в сфокусированном пучке. Механизм ограничения связан с обратным насыщающимся поглощением (RSA). В экспериментах были получены пороги ограничения в интервале от 10 мкДж до 0.1 Дж в зависимости от металла, входящего в комплекс. Достоинством данной группы материалов является возможность их ввода в прозрачные полимеры, используемые для производства оптических деталей, например – в полиметилметакрилат.

Определенный интерес для оптического ограничения в видимой области спектра представляют прозрачные органические молекулярные кристаллы. В работе [4] исследовалось двух- и трехфотонное поглощение в ряде органических кристаллов в видимой области спектра для наносекундных лазерных импульсов. Установлено, что при резонансном поглощении коэффициенты многофотонного поглощения значительно возрастают. Так для кристаллов 3-метил-4-нитропиридин-1-оксида в спектральном интервале 620-660 нм коэффициент трехфотонного поглощения может достигать 14000 см³/ГВт². В работе [5] в кристаллах 2-амино-5-нитропиридин-дигидрогенфосфата и стильбена при двухфотонном поглощении в сфокусированном пучке был получен эффект ограничения с порогом 15-20 мкДж для наносекундных лазерных импульсов. Недостатком органических кристаллов является сложность их выращивания и отсутствие технологии создания крупных кристаллов с высоким оптическим качеством. В тоже время, перспективным может оказаться создание композитов с органическими нанокристаллами. Как показано в работе [5] композит с нанокристаллами стильбена позволяет получить порог ограничения менее 10 мкДж в спектральном интервале 450-650 нм для импульсов длительностью 2.6 нс.

Таким образом, органические кристаллы и композиты на основе органических соединений представляют интерес для ограничения излучения в видимой области спектра. В то же время, они имеют относительно высокие пороги ограничения, на данный момент нетехнологичны и не обладают хорошим оптическим качеством. Поэтому данную группу материалов можно рассматривать как перспективную для будущих применений в случае разработки технологий создания оптических элементов на их основе.

Литература к главе 1.2:

1. P.Lind, C.Lopes, K.Oberg et al A QSPR study on optical limiting in organic compounds // Chem. Phys. Lett., 2004, 387, P.238.

2. M.Calvete, G.Y.Yang, M.Hanack Porphyrins and phthalocyanines as materials for optical limiting // Synth. Metals, 2004, 141, P. 231.

3. B.Aneeshkumar, P.Gopinath, J.Thomas et al Nanosecond optical limiting response of sandwich-type neodimium dyphthalocyanine in co-polymer host // Synth. Metals, 2004, 143, P.197.

4. Y.Morel, A.Ibanez, C.Nguefack et al Nonlinear absorption spectra of transparent organic crystals for optical limiting application at visible wavelengths // Synth. Metals, 2000, 115, P. 265.

5. Y.Morel, P.Najechalski, N.Sanz et al // Optical power limiting of organic crystals and nanocrystals in an f/5 optical system // Synth. Metals, 2000, 109, P. 215.

Глава 1.3. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках.

Дата добавления: 2015-06-28