Нелинейно-оптические свойства дисперсных сред на основе одностенных углеродных нанотрубок при воздействии лазерного излучения с нано- и фемтосекундной длительностью импульса
Аннотация
Постоянное увеличение мощностей лазерных установок и рост потенциальных областей применения лазеров делает актуальной проблему защиты чувствительных элементов электрооптических систем и органов зрения от высокоинтенсивного излучения. Современные системы способны генерировать лазерное излучение в широком диапазоне длин волн, длительностей и частот повторения импульсов. Для качественной защиты требуется использование универсального ограничителя, способного ослаблять лазерное излучения, не вызывать цветового
искажения и иметь высокое значение пропускания при воздействии маломощным излучением. Для этого могут использоваться дисперсные среды на основе углеродных нанотрубок, обладающими уникальными физико-химическими свойствами. Такие среды имеют постоянные значения коэффициента поглощения и показателя преломления при воздействии низкоинтенсивным лазерным излучением и изменяют свои свойства только при достижении порогового значения.
Целью работы было исследование нелинейно-оптических свойств водной дисперсии одностенных углеродных нанотрубок при воздействии нано- и фемтосекудным излучением. Для характеризации исследуемой среды использовались методы Z-сканирования и эксперимента с фиксированным положением образца. Расчет оптических параметров выполнен с использованием пороговой модели, основанной на уравнении переноса излучения.
Показано, что водная дисперсия одностенных углеродных нанотрубок способна ограничивать излучение с длинами волн из видимого и ближнего ИК диапазонов: нано- (532, 1064 нм) и фемтосекундное (810 нм). Предложено описание нелинейно-оптических эффектов при воздействии на среды излучением с наносекундной длительностью за счет обратного насыщаемого поглощения и двухфотонного поглощения, а при воздействии фемтосекундного излучения –
пространственная фазовая самомодуляция. Рассчитанные оптические параметры могут использоваться для описания поведения дисперсий углеродных нанотрубок при воздействии излучения с разной интенсивностью.
Продемонстрированные эффекты позволяют сделать вывод о перспективности использования исследованных сред в качестве ограничителей высокоинтенсивного лазерного излучения в оптических системах для защиты светочувствительных элементов.
Скачивания
Литература
Shin Y. C., Wu B., Lei S., Cheng G. J., Lawrence Yao Y. Overview of laser applications in manufacturing and materials processing in recent years. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020;142(11): 110818. https://doi.org/10.1115/1.4048397
Kalisky Y. Y., Kalisky O. The status of high-power lasers and their applications in the battlefield. Optical Engineering. 2010;49(9): 091003. https://doi.org/10.1117/1.3484954
Nishizawa N. Ultrashort pulse fiber lasers and their applications. Japanese Journal of Applied Physics. 2014;53(9): 090101. http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.53.090101
Kashaev N., Ventzke V., Çam G. Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications. Journal of Manufacturing Processes. 2018;36: 571–600. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.10.005
Liaros N., Fourkas J. T. Ten years of two-color photolithography. Optical Materials Express. 2019;9(7): 3006–3020. https://doi.org/10.1364/OME.9.003006
Roberts H. W., Day A. C., O’Brart D. P. S. Femtosecond laser–assisted cataract surgery: a review. European Journal of Ophthalmology. 2020;30(3): 417–429. https://doi.org/10.1177/1120672119893291
Campbell P., Moore I. D., Pearson M. R. Laser spectroscopy for nuclear structure physics. Progress in Particle and Nuclear Physics. 2016;86: 127–180. https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2015.09.003
Dekan M., František D., Andrej B., Jozef R., Dávid R., Josip M. Moving obstacles detection based on laser range finder measurements. International Journal of Advanced Robotic Systems. 2018;15(1): 1–18. https://doi.org/10.1177/1729881417748132
Bukin O. A., Babii M. Yu., Golik S. S., Il’in A. A., Kabanov A. M., Kolesnikov A. V., Kulchin Yu. N., Lisitsa V. V., Matvienko G. G., Oshlakov V. K., Shmirko K. A. Lidar sensing of the atmosphere with gigawatt laser pulses of femtosecond duration. Quantum Electronics. 2014;44(6): 563–569. https://doi.org/10.1070/QE2014v044n06ABEH015431
Goodin C., Carruth D., Doude M., Hudson C. Predicting the influence of rain on LIDAR in ADAS. Electronics. 2019;8(1): 89. https://doi.org/10.3390/electronics8010089
Farid N., Li C., Wang H., Ding H. Laser-induced breakdown spectroscopic characterization of tungsten plasma using the first, second, and third harmonics of an Nd: YAG laser. Journal of Nuclear Materials. 2013;433(1-3): 80–85. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.09.002
Saylam K., Hupp J. R., Averett A. R., Gutelius W. F., Gelhar B. W. Airborne lidar bathymetry: assessing quality assurance and quality control methods with Leica Chiroptera examples. International Journal of Remote Sensing. 2018;39(8): 2518–2542. https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1430916
Chomicki D., Kharchenko O., Skowronski L., Kowalonek J., Smokal V., Krupka O., Derkowska-Zielinska B. Influence of methyl group in a quinoline moiety on optical and light-induced properties of side-chain azo-polymers. Applied Nanoscience. 2021: 1–9. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01764-0
Büyükekşi S. I., Karatay A., Orman E . B., Selçuki N. A., Özkaya A. R., Salih B., Elmali A., Şengül A. A novel AB 3-type trimeric zinc (ii)-phthalocyanine as an electrochromic and optical limiting material. Dalton Transactions. 2020;49(40): 14068–14080. https://doi.org/10.1039/D0DT02460K
Beverina . , Pagani G. A. , Sassi M. Multichromophoric electrochromic polymers: colour tuning of conjugated polymers through the side chain functionalization approach. Chemical Communications. 2014;50(41): 5413–5430. https://doi.org/10.1039/C4CC00163J
Savelyev M. S., Gerasimenko A. Y., Vasilevsky P. N., Fedorova Y. O., Groth T., Ten G. N., Telyshev D. V. Spectral analysis combined with nonlinear optical measurement of laser printed biopolymer composites comprising chitosan/SWCNT. Analytical biochemistry. 2020;598: 113710. https://doi.org/10.1016/j.ab.2020.113710
Eevon C., Halimah M. K., Zakaria A., Azurahanim C. A. C., Azlan M. N., Faznny M. F. Linear and nonlinear optical properties of Gd3+ doped zinc borotellurite glasses for all-optical switching applications. Results in Physics. 2016;6: 761–766. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.10.010
Varma S. J., Kumar, J., Liu, Y., Layne, K., Wu, J., Liang, C., Nakanishi Y., Aliyan A. Yang W. Ajayan P. M., Thomas J. 2D TiS2 layers: a superior nonlinear optical limiting material. Advanced Optical Materials. 2017;5(24): 1700713. https://doi.org/10.1002/adom.201700713
Tutt L. W., Boggess T. F. A review of optical limiting mechanisms and devices using organics, fullerenes, semiconductors and other materials. Progress in Quantum Electronics.1993;17(4): 299–338. https://doi.org/10.1016/0079-6727(93)90004-S
Li R., Dong N., Ren F., Amekura H., Wang J., Chen F. Nonlinear absorption response correlated to embedded Ag nanoparticles in BGO single crystal: from two-photon to three-photon absorption. Scientific Reports. 2018;8(1): 1–8. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20446-6
Miao R., Hu Y., Ouyang H., Tang Y., Zhang C., You J., Zheng X., Xu Z., Cheng X., Jiang T. A polarized nonlinear optical response in a topological insulator Bi2Se3–Au nanoantenna hybrid-structure for alloptical switching. Nanoscale. 2019;11(31): 14598–14606. https://doi.org/10.1039/C9NR02616A
Savelyev M. S., Vasilevsky P. N., Gerasimenko A. Y., Ichkitidze L. P., Podgaetsky V. M., Selishchev S. V. Nonlinear optical characteristics of albumin and collagen dispersions with single-walled carbon nanotubes. Materials Physics and Mechanics. 2018;37(2): 133–139. https://doi.org/10.18720/mpm.3722018_4
Savotchenko S. E. Periodic states near the plane defect with non-linear response separating non-linear self-focusing and linear crystals. Kondensirovannye Sredy I Mezhfaznye Granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2020;20(2): 255–262. https://doi.org/10.17308/kcmf.2018.20/517
Valligatla S., Haldar K. K., Patra A., Desai N. R. Nonlinear optical switching and optical limiting in colloidal CdSe quantum dots investigated by nanosecond Z-scan measurement. Optics & Laser Technology. 2016;84: 87–93. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.05.009
Zhang Y., Wang Y. Nonlinear optical properties of metal nanoparticles: a review. RSC Advances. 2017;7(71); 45129–45144. https://doi.org/10.1039/C7RA07551K
Kuzmina E. A., Dubinina T. V., Vasilevsky P. N., Saveliev M. S., Gerasimenko A. Y., Borisova N. E., Tomilova L. G. Novel octabromo-substituted lanthanide (III) phthalocyanines–Prospective compounds for nonlinear optics. Dyes and Pigments. 2021;185: 108871. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2020.108871
Papagiannouli I., Bourlinos A. B., Bakandritsos A., Couris S. Nonlinear optical properties of colloidal carbon nanoparticles: nanodiamonds and carbon dots. RSC Advances. 2014;4(76): 40152–40160. https://doi.org/10.1039/C4RA04714A
Gerasimenko A. Yu. Laser structuring of the carbon nanotubes ensemble intended to form biocompatible ordered composite materials. Kondensirovannye Sredy I Mezhfaznye Granitsy =Condensed Matter and Interphases. 2017;19(4): 489–501. https://doi.org/10.17308/kcmf.2017.19/227 (In Russ., absract in Eng.)
Atlukhanova L. B., Dolbin I. V., Kozlov G. V. The Physics of Interfacial Adhesion between a Polymer Matrix and Carbon Nanotubes (Nanofibers) in Nanocomposites. Kondensirovannye Sredy I Mezhfaznye Granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2020;22(2): 190–196. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2822
Maurya S. K., Rout A., Ganeev R. A., Guo C. Effect of size on the saturable absorption and reverse saturable absorption in silver nanoparticle and ultrafast dynamics at 400 nm. Journal of Nanomaterials. 2019;2019: 1–13. https://doi.org/10.1155/2019/9686913
Tereshchenko S. A., Podgaetskii V. M., Gerasimenko A. Yu., Savel’ev M. S. Threshold effect under nonlinear limitation of the intensity of highpower light. Quantum Electronics. 2015;45(4): 315–320. https://doi.org/10.1070/QE2015v045n04ABEH015569
Tereshchenko S. A., Savelyev M. S., Podgaetsky V. M., Gerasimenko A. Yu., Selishchev S. V. Nonlinear threshold effect in the Z-scan method of characterizing limiters for high-intensity laser light. Journal of Applied Physics. 2 0 16; 120 (9): 093109. https://doi.org/10.1063/1.4962199
Savelyev M. S., Gerasimenko A. Y., Podgaetskii V. M., Tereshchenko S. A., Selishchev S. V., Tolbin A. Y. Conjugates of thermally stable phthalocyanine J-type dimers with single-walled carbon nanotubes for enhanced optical limiting applications. Optics & Laser Technology. 2019;117: 272–279. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.04.036
Tong Q., Wang Y. H., Yu X. X., Wang B., Liang Z., Tang M., Wu A. S., Zhang H. J., Liang F., Xie Y. F. Nonlinear optical and multi-photon absorption properties in graphene–ZnO nanocomposites. Nanotechnology. 2018;29(16): 165706. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aaac13
Wang S., Dong Y., He C., Gao Y., Jia N., Chen Z., Song W. The role of sp 2/sp 3 hybrid carbon regulation in the nonlinear optical properties of graphene oxide materials. RSC Advances. 2017;7(84): 53643–53652. https://doi.org/10.1039/C7RA10505C
Li J., Zhang Z., Yi J., Miao L., Huang J., Zhang J., He Y., Huang B., Zhao C., Zou Y., Wen S. Broadband spatial self-phase modulation and ultrafast response of MXene Ti3C2Tx (T= O, OH or F). Nanophotonics. 2020;9(8): 2415–2424. https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0469
Stavrou M., Dalamaras I., Karampitsos N., Couris S. Determination of the nonlinear optical properties of ingle-and few-layered graphene dispersions under femtosecond laser excitation: electronic and thermal origin contributions. The Journal of Physical Chemistry C. 2020;124(49): 27241–27249. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c09959
Copyright (c) 2021 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
