Heat wave dynamics in frozen water droplets with eosin molecules under the femtosecond excitation of a supercontinuum

Наталья Александровна Мыслицкая; Анна Владимировна Цибульникова; Илья Геннадьевич Самусев; Василий Анатольевич Слежкин; Валерий Вениаминович Брюханов

doi:10.17308/kcmf.2021.23/3437

Наталья Александровна Мыслицкая Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация; Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 237022, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6701-5328
Анна Владимировна Цибульникова Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8578-0701
Илья Геннадьевич Самусев Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5026-7510
Василий Анатольевич Слежкин Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация; Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 237022, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2801-7029
Валерий Вениаминович Брюханов Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-4689-7207

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3437

Ключевые слова: суперконтинуум, фемтосекундное возбуждение, вода, льдинка, флуоресценция эозина, абляционные наночастицы серебра, поверхностные плазмоны, двухфотонное возбуждение, тепловая оптическая нелинейность, градиент температуры, тепловая волна, скорость распространения волны

Аннотация

В настоящей работе рассмотрены тепловые процессы в жидкой и замороженной каплях воды с добавлением молекул красителя и металлических наночастиц в момент генерации суперконтинуума. Исследованы оптические нелинейные процессы в охлажденной (+2 °С) и замороженной до температуры –17 °С водяной капле диаметром 1.92 мм с молекулами эозина и наночастицами абляционного серебра после фемтосекундного лазерного воздействия.
После фемтосекундного лазерного воздействия (l = 1030 нм) на охлажденную каплю воды и льдинку с молекулами эозина и наночастицами абляционного серебра возникает усиленная плазмонными процессами двухфотонная флуоресценция и генерация суперконтинуума (СК), затухающего в течение t = 0.02 с. Исследована геометрия нелинейной крупномасштабной самофокусировки (L_LSS ~ 0.45–0.55 мм) и экспериментально определено значение микромасштабной самофокусировки (L_SSS ~ 0.1 мм) излучения СК в лазерном канале. Показано, что в результате превышения тепловой нелинейности над электронной происходит усиление диссипации энергии в канале СК.
Проведено моделирование тепловых процессов и определен градиент температуры нагрева льдинки после воздействия фемтосекундным импульсом. На основе экспериментальных данных рассчитана скорость распространения тепловой волны, составившая n = 0.11 м/с.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Наталья Александровна Мыслицкая, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация; Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 237022, Российская Федерация

к. ф.-м. н.,
с. н. с. Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Институт физико-математических наук и
информационных технологий, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта,
Калининград, Российская Федерация; доцент кафедры физики, Калининградский государственный
технический университет, Калининград, Российская Федерация; e-mail: myslitskaya@gmail.com

Анна Владимировна Цибульникова, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация

к. ф.-м. н.,
с. н. с. Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Институт физико-математических наук и
информационных технологий, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта,
Калининград, Российская Федерация; e-mail: anna.tsibulnikova@mail.ru

Илья Геннадьевич Самусев, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация

к. ф. - м. н., руководитель Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Институт физико-математических наук и
информационных технологий, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта,
Калининград, Российская Федерация; e-mail: is.cranz@gmail.com

Василий Анатольевич Слежкин, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация; Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 237022, Российская Федерация

к. х. н., с. н. с.
Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Институт физико-математических наук и информационных технологий, Балтийский федеральный
университет имени Иммануила Канта, Калининград, Российская Федерация; доцент кафедры химии, Калининградский государственный технический университет, Калининград, Российская Федерация; e-mail vslezhkin@mail.ru

Валерий Вениаминович Брюханов, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. А. Невского, 14, Калининград 237041, Российская Федерация

д. ф.-м. н.,
профессор, в. н. с. НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Институт
физико-математических наук и информационных
технологий, Балтийский федеральный университет
имени Иммануила Канта, Калининград, Российская
Федерация; e-mail: bryukhanov_v.v@mail.ru

Литература

Alfano R. R., Shapiro S. L. Emission in the region 4000 to 7000 Å via four-photon coupling in glass. Phys. Rev. Lett.1970;24(11): 584–587. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.584

Zheltikov A. M. Let there be white light: supercontinuum generation by ultrashort laser pulses. Physics-Uspekhi. 2006;49(6): 605. http://dx.doi.org/10.1070/PU2006v049n06ABEH005975

Couairon A., Mysyrowicz A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 2007;441(2-4): 47–189. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2006.12.005

Kandidov V. P., Shlemov S. A. Javlenie filamentacii moshhnyh femtosekundnyh lazernyh impul’sov i ego prakticheskie prilozhenija. [The phenomenon of filamentation of high-power femtosecond laser pulses and its practical applications] In: Panchenko V. Ja. (ed.) Glubokoe kanalirovanie i filamentacija moshhnogo lazernogo izluchenija v veshhestve [Deep channeling and filamentation of high-power laser radiation in matter]. Moscow, Interkontakt Nauka Publ.; 2009. p. 185–266. (In Russ.)

Chin S. L. Femtosecond Laser Filamentation. N.Y.: Springer; 2010. 130 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0688-5

Chekalin S. V., Kandidov V. P. From self-focusing light beams to femtosecond laser pulse ilamenCondensedtation. Physics-Uspekhi. 2013;56(2): 123-140. https://doi.org/10.3367/ufne.0183.201302b.0133

Apeksimov D. V., Bukin O. A., Bykova E. E., Gejnc Ju. Je., Golik S. S., Zemljanov Al. A., Zemljanov A. A., Il’in A. A., Kabanov A. M., Matvienko G. G., Oshlakov V. K., Sokolova E. B., Habibullin R. R. Interaction of GW laser pulses with water droplets. Prikladnaja Fizika. 2011;6: 13–21. Available at: http://applphys.orion-ir.ru/appl-11/11-6/PF-11-6-13.pdf (In Russ., abstract in Eng.)

Kudryashov S. I., Samokhvalov A. A., Ageev E. I., Veiko V. P. Ultrafast broadband nonlinear spectroscopy of a colloidal solution of gold nanoparticles. JETP Lett., 2019;109(5): 298–302. https://doi.org/10.1134/S0021364019050096

Hoppius J. S., Maragkaki S., Kanitz A., Gregorcic P., Gurevich E. L. Optimization of femtosecond laser processing in liquids. Applied Surface Science. 2019;467–468: 255–260. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.10.121

Liu W., Kosareva O., Golubtsov I.S., Iwasaki A., Becker A., Kandidov V. P., Chin S. L. Femtosecond laser pulse filamentation versus optical breakdown in H2O. Applied Physics B: Lasers and Optics. 2003;76(3): 215–229. https://doi.org/10.1007/s00340-002-1087-1

Driben R. , Husakou A. , Herrmann J. Supercontinuum generation in aqueous colloids containing silver nanoparticles. Optics Letters. 2009;34(14): 2132–2134. https://doi.org/10.1364/OL.34.002132

Sutherland R. L. Handbook of Nonlinear Optics. 2nd Edition. CRC Press; 2003. p. 337–499. https://doi.org/10.1201/9780203912539

Ahmanov S. A., Nikitin S. Ju. Fizicheskaja optika [Physical optics]. Moscow: Nauka Publ.; 2004. 656 p. (In Russ.)

Besprozvannyh V. G., Pervadchuk V. P. Nelinejnaja optika: ucheb. posobie [Nonlinear Optics: A Tutorial]. Perm’: Perm. gos. tehn. un-ta Publ.; 2011. 200 p. (In Russ.)

Zhai S., Huang L., Weng Z., Dai W. Parabolic two-step model and accurate numerical scheme for nanoscale heat conduction induced by ultrashortpulsed laser heating. Journal of Computational and Applied Mathematics. 2020;369: 112591. https://doi.org/10.1016/j.cam.2019.112591

Lee Smith W., Liu P., Bloembergen N. Superbroadening in H2O and D2O by self-focused picosecond pulses from a YAlG: Nd laser. Physical Review A. 1977;15(6): 2396–2403. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.15.2396

Myslitskaya N. A., Tcibul’nikova A. V., Slezhkin V. A., Samusev I. G., Antipov Ju. N., Derevshhikov V. V. Generation of supercontinuum in filamentation regime in a water droplet containing silver nanoparticles at low temperature. Optics and spectroscopy. 2020;128(12): 1954–1962. https://doi.org/10.1134/s0030400x20120978

Klimov V. V. Nanoplazmonika. Moscow: Fizmatlit Publ.; 2009. 480 p. (In Russ.)

Balykin V. I. and Melentiev P. N. Optics and spectroscopy of a single plasmonic nanostructure. Physics-Uspekhi. 2018;61(2): 133. https://doi. org/10.3367/UFNe.2017.06.038163

Myslitskaya N. A., Slezhkin V. A., Borkunov R. Y., Tsar’kov M. V., Samusev I. G., Bryukhanov V. V. Spectral and temperature dynamics of the processes inside aqueous droplets containing eosine molecules and silver nanoparticles upon laser excitation in the IR and visible Ranges. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2019;93(8): 1559–1566. https://doi.org/10.1134 /S003602441908020X

Bespalov V. G., Kozlov S. A., Shpolyanskiy Yu. A., Walmsley I. A. Simplified field wave equations for the non-linear propagation of extremely short light pulses. Physical Review A. 2002;66: 013811. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.66.013811

Rozanov N. N., Vysotina N. V., Shacev A. N., Desjatnikov A. S., Shadrivov I. V., Noskov R. E., Kivshar’ Ju. S. Discrete switching and dissipative solutions in the coherently excited nanostructures and metamaterials. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2012;4(80): 1–12. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17799659 (In Russ. abstract in Eng.)

Sizmin D. V. Nelinejnaja optika [Nonlinear optics]. Saratov: SarFTI Publ.; 2015. 146 p. (In Russ.)

Marburger J. H. Self-focusing: Theory. Progress in Quantum Electronics. 1975;4(1): 35–110. https://doi.org/10.1016/0079-6727(75)90003-8

Bеspalov V. I., Talanov V. I. O nitevidnoi strukture puchkov sveta v nelineinykh zhidkostyakh [On the filamentous structure of light beams in nonlinear liquids]. JETP Letters. 1966;3(12): 307–309. Available at: http://jetpletters.ru/cgi-bin/articles/download.cgi/782/article_12073.pdf (In Russ.)

Dmitriev V. G., Tarasov L. V. Prikladnaja nelinejnaja optika. 2nd ed. [Applied nonlinear optics]. Moscow: FIZMATLIT Publ.; 2004. 512 p. (In Russ.)

Shen Y. R. The Principles of Nonlinear Optics. New York: Wiley; 1984. 563 p.

Boyd R. W. Nonlinear optics. 3rd ed. Boston: Academic Press; 2007. 640 p.

Lykov A. V. Teorija teploprovodnosti [Heat conduction theory]. Moscow: Vysshaja shkola Publ.; 1966. 592 p. (In Russ.)

Tabiryan N. V., Luo W. Soret feedback in Тhermal diffusion of suspensions. Physical Review E. 1998;57(4): 4431–4440. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.57.4431

Baffou G. Rigneault H. Femtosecond-pulsed optical heating of gold nanoparticles. Physical Review B. 2011;84: 035415-1-13. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.035415

Warren S. G., Brandt R. E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation. Journal of Geophysical Research. 2008;113(D14220). https://doi.org/10.1029/2007JD009744

Brown A. M., Sundararaman R., Narang P., Goddard III W. A., Atwater H. A. Ab initiophonon coupling and optical response of hot electrons in plasmonic metals. Physical Review B. 2016;94(7): 075120-1–075120-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.075120

Kuhling H. Handbook of Physics. Moscow: Mir Publ.; 1982. 519 p. (in Russ.).

Libenson M. N., Jakovlev E. B., Shandybina G. D. Vzaimodejstvie lazernogo izluchenija s veshhestvom (silovaja optika). Chast’ II. Lazernyj nagrev i razrushenie materialov. Uchebnoe posobie [Interaction of laser radiation with matter (power optics). Part II. Laser heating and destruction of materials. Tutorial]. Vejko V. P. (ed.). Sankt Petersburg: NIU ITMO Publ.; 2014. 181 p. (In Russ.)

Johari G. P., Whalley E. he dielectric properties of ice Ih in the range 272–133 K. The Journal of Chemical Physics. 1981;75(3): 1333–1340. https://doi.org/10.1063/1.442139