Инфракрасный нелинейно-оптический материал

 

Нелинейно-оптический материал содержит диэлектрическую среду и наночастицы с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой. Оболочка наночастиц выполнена из островковой пленки металла. Технический результат - расширение спектральной области, в которой композит обладает нелинейно-оптическими свойствами. 5 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике.

Известны нелинейно-оптические материалы - оптические композиты, состоящие из прозрачной диэлектрической среды и наночастиц металла (АG, Ay, Аl), размер которых много меньше длины волны излучения [1-3]. При частоте излучения, близкой к плазменной частоте металла, в таком материале имеет место плазменный резонанс, проявляющийся в возникновении поверхностных электромагнитных волн (плазмонов) на частицах металла. В условиях плазменного резонанса происходит увеличение амплитуды электромагнитного поля внутри наночаcтиц и в прилегающем слое диэлектрика. Увеличение амплитуды поля приводит к изменению диэлектрической проницаемости наночастиц либо окружающего их диэлектрика и, в результате, - к сдвигу полосы поглощения, связанной с плазменным резонансом. Данные нелинейно-оптические материалы используются в качестве быстродействующих оптических переключателей, а также сред для обращения волнового фронта излучения [3]. Основным их недостатком является то, что плазменные частоты большинства металлов лежат в видимой области спектра. Например, плазменная частота Ag соответствует длине волны 0.39 мкм, плазменная частота Аu 0.52 мкм. Поэтому область применения таких композитов ограничена спектральным диапазоном 0.39-0.85 мкм.

Известен нелинейно-оптический композит [4, 5], выбранный в качестве прототипа, состоящий из диэлектрической среды и наночастиц диэлектрика - сульфида золота, окруженных тонкой оболочкой из металлического золота. Благодаря такой структуре наночастиц плазменный резонанс сдвигается в ближнюю ИК-область спектра. Это позволяет использовать композит в качестве нелинейно-оптического переключателя в спектральной области 0.8-1.1 мкм. Недостатком композита является невозможность его использования для переключения излучения в более длинноволновой области спектра.

Целью данного изобретения является расширение спектральной области, в которой композит обладает нелинейно-оптическими свойствами.

Поставленная цель достигается тем, что в известном материале оболочка наночастиц состоит из островковой пленки металла.

Комплексная диэлектрическая проницаемость островковой пленки металла значительно отличается от комплексной диэлектрической проницаемости сплошной пленки металла и зависит от формы частиц металла (островков), расстояния между ними и диэлектрической проницаемости окружающей среды [6]. При этом плазменный резонанс островковой пленки сдвигается в длинноволновую область спектра по отношению к плазменному резонансу сплошной пленки. Поэтому в оптическом композите, содержащем диэлектрические наночастицы, окруженные островковой пленкой металла, область оптической нелинейности также сдвигается в длинноволновую область спектра, в частности в средний ИК-диапазон.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что наночастицы композита содержат оболочку из островковой пленки металла.

Пример конкретной реализации изобретения.

Композит состоит из диэлектрической среды без поглощения с показателем преломления 2.2 и содержит два типа сферических наночастнц, имеющих диаметр, много меньший длины волны излучения. Наночастицы первого типа состоят из ядра в виде полости, заполненной газом с показателем преломления 1, и оболочки в виде островковой пленки серебра. Наночастицы второго типа состоят из ядра из диэлектрика с показателем преломления 2.2 и оболочки из островковой пленки серебра. Островковые пленки серебра наночастиц первого и второго типа одинаковы и состоят из плоских частиц серебра размером 5-10 нм. Расстояние между частицами серебра в пленке более 10 нм.

На фиг.1 показана расчетная зависимость коэффициента поглощения композита от длины волны излучения в спектральной области 2.5-12 мкм. Расчет диэлектрической проницаемости островковой пленки серебра проводился на основании теоретической модели и формул, приведенных в [6]. При расчете использовались спектральные зависимости показателя преломления и поглощения Аg из [7]. Расчет диэлектрической проницаемости композита и коэффициента поглощения проводился на основании теоретической модели и формул, приведенных в [5, 8]. Из фиг.1 следует, что данный композит имеет максимумы поглощения при λ =3, 10 и 11.5 мкм. Максимумы поглощения при λ =3 и 11.5 мкм вызваны частицами второго типа, при λ =10 мкм - частицами первого типа.

Условие плазменного резонанса для сферических частиц с оболочкой имеет вид [8]:

F=Rе(ε ₂+ε _a+2ε ₃ε _b)=0,

ε _a=ε ₁(3-2Р)+2ε ₂Р,

ε _b=ε ₁Р+ε ₂(3-P),

P=1-(r₁/r₂)³.

Здесь ε ₁, ε ₂, ε ₃ - диэлектрические проницаемости ядра наночастицы, ее оболочки и среды соответственно, r₁ и r₂ - радиус ядра наночастицы и оболочки соответственно. Расчетная зависимость F от длины волны излучения в спектральной области 2.5-12 мкм показана на фиг.2. Из фиг.2 следует, что условие возникновения плазменного резонанса выполняется на длинах волн, соответствующих максимумам поглощения (фиг.1). Следовательно, максимумы поглощения вызваны плазменным резонансом.

На фиг.3 показана расчетная зависимость коэффициента усиления электромагнитного поля К от расстояния от центра наночастицы. Расчет проводился на основании теоретической модели и формул, приведенных в [8] для частиц второго типа и λ =11 мкм. Из фиг.3 следует, что внутри частицы происходит увеличение амплитуды электромагнитного поля в 10³ раз. Аналогичное увеличение амплитуды поля происходит и для излучения с длиной волны λ =3 и 10 мкм.

На фиг.4 показана экспериментальная зависимость коэффициента пропускания пластины композита толщиной 2 мм, содержащего диэлектрические наночастицы в форме эллипсоидов размером 200 нм из АgСl+AgBr с оболочкой из островковой пленки серебра, а также полости диаметром 300-500 нм с оболочкой из островковой пленки серебра. Размер м форма наночастиц определялись по изображению, полученному с помощью электронного микроскопа. Диэлектрическая среда - смесь галогенидов серебра АgСl и АgВr. Из фиг.4 видно, что композит имеет полосы поглощения на λ =3.2, 10 и 11 мкм, которые отсутствуют в смеси галогенидов серебра без наночастиц. Данные полосы поглощения связаны с плазменными резонансами (ср. с фиг.1 и 2).

Нелинейно-оптические свойства композита экспериментально проверялись на длине волны 10.6 мкм (импульсный СО₂-лазер с длительностью импульса генерации 2 мкс) и в спектральной области 3.8-4.2 мкм (импульсный ПГ-лазер с длительностью импульса генерации 250 нс). На фиг.5а,б показаны экспериментальные зависимости плотности энергии излучения, прошедшего через пластину композита толщиной 1.5 мм (Е_вых) от плотности энергии падающего излучения (Е_вх). Из фиг.5а следует что для λ =10.6 мкм при Е_вх<10 мкДж/см² коэффициент пропускания композита линейно зависит от Е_вх. При Е_вх>10 мкДж/см² композит проявляет нелинейно-оптические свойства, приводящие к ограничению излучения. Для λ =3.8-4.2 мкм коэффициент пропускания композита линейно зависит от Е_вх при Е_вх<5 мДж/см² (фиг.5б). Нелинейно-оптические свойства, приводящие к ограничению излучения в данной спектральной области, возникают при Е_вх>5 мДж/см².

Из приведенных примеров следует, что композит, содержащий наночастицы с оболочкой из островковой пленки металла, позволяет получить плазменный резонанс и вызванную им оптическую нелинейность в среднем ИК-диапазоне для λ =3-11 мкм. Таким образом, изобретение позволяет расширить спектральную применения композита по сравнению с прототипом.

Изобретение может быть использовано в лазерных оптических системах ближнего и среднего ИК-диапазона для управления амплитудой лазерных импульсов, для защиты фотоприемных устройств от разрушения излучением и для обращения волнового фронта излучения в системах коррекции волнового фронта.

ЛИТЕРАТУРА

1. F.Hashe, D.Ricard, C.Flitzanis Optical nonlinearities of small metal particles: surface-mediated resonance and quantum size effects. J. Opt. Soc. Am. B, V.3, P.1647, 1986.

2. Y.Hamanaka, A.Nakamura, S.Omi et al Ultrafast response of nonlinear refractive index of silver nanocrystals embedded in glass. Appl. Phys. Lett., V.75, N12, P.1712, 1999.

3. J.W.Haus, N.Kalianiwalla. R.Inguva et al Nonlinear-optical properties of conductive spheroidal particle composites. J. Opt. Soc. Am. B, V.6, N4, P.797, 1989.

4. R.D.Averitt, S.L.Westcott, N.J.Halas Ultrafast optical properties of gold nanoshells. J. Opt. Soc. Am. B, V.16, N10, P.1814, 1999.

5. R.D.Averitt, S.L.Westcott. N.J.Halas Linear optical properties of gold nanoshells. J. Opt. Soc. Am. B, V.16, N10, P.1824, 1999.

6. T.Yamaguchj, H.Takahashi, A.Sudoh Optical behavior of metal island film. J. Opt. Soc. Am., V.68, N8, P.1039, 1978.

7. B.M.Золоторев, В.Н.Морозов, Е.В.Смирнова. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. Л.: Химия, 1984, 215 с.

8. A.E.Neeves, M.H.Birnboim Composite structures for the enhancement of nonlinear optical susceptibility. J. Opt. Soc. Am. B, V.6, N4, P.787, 1989.

Формула изобретения

Нелинейно-оптический материал, содержащий диэлектрическую среду и наночастицы с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой, отличающийся тем, что оболочка наночастиц выполнена из островковой пленки металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5