Нелинейно-оптическая среда

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для защиты фотоприемных устройств от ослепления лазерным излучением повышенной интенсивности и при создании нелинейно-оптических ограничителей излучения, предназначенных для защиты органов зрения от повреждения лазерным излучением, для создания низкопороговых оптических переключателей. Целью изобретения является уменьшение энергетического порога возникновения нелинейно-оптического отклика среды. Нелинейно-оптическая среда содержит неорганические кристаллические наночастицы, помещенные в прозрачную среду с линейными оптическими свойствами. Наночастицы состоят из ядра, не содержащего оболочки, содержащей поглощающие центры, например примеси или дефекты. Оболочка и ядро наночастицы изготовлены из одного материала. При воздействии лазерного излучения на нелинейно-оптическую среду в оболочке наночастицы, содержащей дефекты, начинается фотогенерация неравновесных электронов из примесной зоны в зону проводимости. Изменение концентрации носителей приводит к появлению нелинейной добавки к показателю преломления и поглощения оболочки. При фотогенерации носителей возникает градиент их концентрации между оболочкой и ядром, в результате чего начинается их диффузия вглубь ядра. При этом растет толщина слоя, содержащего нелинейную добавку к показателю преломления и поглощения. В результате изменяется диэлектрическая проницаемость наночастицы, что приводит к изменению сечения ее поглощения и рассеяния. Нелинейно-оптический эффект проявляется в ограничении излучения. 4 ил.

 

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

Известен нелинейно-оптический материал, выбранный в качестве аналога. Нелинейно-оптический материал включает в себя наночастицы, имеющие ядро из галогенидов серебра (AgCl и AgBr) с оболочкой из островковой пленки серебра [1]. Оптическая нелинейность проявляется в виде ограничения излучения. Механизмом нелинейности является электрострикционный эффект, усиленный плазменным резонансом. Порог ограничения лазерного излучения 15 мкДж/см², на λ=10.6 мкм, при длительности лазерного импульса τ=1 мкс. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.

Известен также нелинейно-оптический материал, выбранный в качестве аналога. Нелинейно-оптический материал состоит из наночастиц, имеющих ядро из Au₂S и оболочку из Au в прозрачной полимерной матрице [2, 3]. Нелинейный оптический отклик проявляется в виде просветления среды. Механизм нелинейности заключается в сдвиге полосы поглощения, связанной с плазменным резонансом при изменении диэлектрической проницаемости оболочки. Эффект возникает при плотности энергии излучения более 100 мкДж/см², на λ=865 нм, при τ=50 фс. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.

Известен нелинейно-оптический материал [4], выбранный в качестве прототипа, представляющий собой суспензию полупроводниковых наночастиц в виде ядра из Ag₂S с оболочкой из CdS. Порог проявления нелинейного оптического отклика в такой среде равен 0.5-0.7 Дж/см², на λ=0.532 нм, при длительности лазерного импульса λ=7 нс. Механизмом нелинейности является поглощение на свободных носителях заряда. Нелинейность выражается в ограничении лазерного излучения при интенсивности, превышающей пороговую. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.

Целью данного изобретения является уменьшение энергетического порога возникновения нелинейно-оптического отклика среды.

Цель достигается тем, что ядро и оболочка наночастиц состоят из одного и того же материала с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию фотона более чем в 1.3 раза, причем ядро наночастицы не содержит поглощающих центров, а оболочка содержит поглощающие центры, создающие глубокие примесные уровни или примесную зону в запрещенной зоне.

При воздействии лазерным излучением на нелинейно-оптическую среду, содержащую неорганические кристаллические наночастицы, ядро которой не содержит, а оболочка содержит примесные центры, в оболочке, содержащей дефекты, начинается фотогенерация неравновесных электронов из примесной зоны, которая находится в запрещенной зоне, в зону проводимости. Изменение концентрации неравновесных носителей приводит к появлению нелинейной добавки к показателю преломления и поглощения оболочки наночастицы. При фотогенерации носителей в оболочке возникает градиент их концентрации между оболочкой и ядром, в результате чего начинается диффузия носителей вглубь ядра, и, следовательно, растет толщина слоя, содержащего нелинейную добавку к показателю преломления и поглощения. Изменяется диэлектрическая проницаемость наночастицы, что приводит к изменению ее сечения поглощения и рассеяния. Так как данный процесс является однофотонным, то нелинейный оптический отклик среды возникает при низких интенсивностях лазерного излучения.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что нелинейно-оптический материал включает в себя неорганические кристаллические наночастицы, имеющие ядро и оболочку из одного материала, причем ядро наночастицы не содержит поглощающих центров, а оболочка содержит поглощающие центры, создающие глубокие уровни или примесную зону в запрещенной зоне.

Конкретные примеры реализации изобретения.

Наночастицы TiO₂ размером 100 нм, с оболочкой из того же материала, содержащей дефекты, помещенные в матрицу - вакуумное масло ВМ-4. Дефекты кристаллической структуры создают примесную зону в запрещенной зоне. На спектре пропускания наночастиц наблюдается широкая полоса поглощения, связанная с переходами электронов из примесной зоны в зону проводимости (Фиг.1). Толщина кюветы, содержащей наночастицы TiO₃ в вакуумном масле ВМ-4, - 0.6 см. Измерение нелинейного отклика среды проводилось при помощи YAG:Nd лазера, для двух длин волн излучения 0.53 мкм и 1.06 мкм, длительность лазерного импульса 10 нс. На Фиг.2. показана зависимость плотности энергии излучения, прошедшего через среду, от плотности энергии падающего излучения. Из Фиг.2. (кривая 1) видно, что на длине волны λ=0.53 мкм при Q_вх<0.15 нДж/см² пропускание линейно. При 0.15 нДж/см²<Q_вх<7.5 нДж/см² возникает оптическая нелинейность, проявляющаяся в ограничении излучения. При Q_вх>7.5 нДж/см² процесс ограничения прекращается. Динамический диапазон ограничения равен 50. Аналогичный эффект наблюдается и на длине волны 1.06 мкм (кривая 2). Здесь ограничение возникает при Q_вх>0.1 нДж/см² и прекращается при Q_вх>10 нДж/см² (Фиг.2). Динамический диапазон ограничения равен 100. Таким образом, в среде с наночастицами TiO₂, имеющими оболочку, содержащую глубокие примесные уровни для наносекудных лазерных импульсов видимого и ближнего ИК-диапазона, возникает оптическая нелинейность с энергетическим порогом 0.1-0.15 нДж/см².

Наночастицы CaF₂ размером 100 нм, с оболочкой из того же материала, содержащей дефекты, помещенные в матрицу - вакуумное масло ВМ-4. Дефекты кристаллической структуры в оболочке создают примесную зону в запрещенной зоне. На спектре пропускания наночастиц наблюдается широкая полоса поглощения, связанная с переходами электронов с примесной зоны в зону проводимости (Фиг.3). Толщина кюветы, содержащей наночастицы CaF₂ в вакуумном масле ВМ-4, - 1 см. Измерение нелинейного отклика среды проводилось при помощи YAG:Nd лазера для двух длин волн излучения 0.53 мкм и 1.06 мкм, длительность лазерного импульса 10 нс. На Фиг.4. показана зависимость плотности энергии излучения, прошедшего через среду, от плотности энергии падающего излучения. Из Фиг.4. (кривая 1) видно, что на длине волны λ=0.53 мкм при Q_вх<0.1 нДж/см² пропускание линейно. При 0.1 нДж/см²<Q_вх<10 нДж/см² возникает оптическая нелинейность, проявляющаяся в ограничении излучения. При Q_вх>10 нДж/см² процесс ограничения прекращается. Динамический диапазон ограничения равен 100. Аналогичный эффект наблюдается и на длине волны 1.06 мкм (кривая 2). Здесь ограничение возникает при Q_вх>0.5 нДж/см² (Фиг.4). Динамический диапазон ограничения равен 30. Таким образом, в среде с наночастицами CaF₂, имеющими оболочку, содержащую глубокие примесные уровни для наносекудных лазерных импульсов видимого и ближнего ИК-диапазона, возникает оптическая нелинейность с энергетическим порогом 0.1-0.5 нДж/см².

Из приведенных примеров следует, что использование для ограничения излучения нелинейно-оптической среды, содержащей неорганические кристаллические наночастицы с дефектной оболочкой, позволяет уменьшить порог ограничения излучения в 10⁸-10⁹ раза по сравнению с порогом ограничения за счет поглощения на свободных носителях заряда, предложенного в прототипе.

Изобретение может быть использовано для защиты фотоприемных устройств от ослепления лазерным излучением повышенной интенсивности и благодаря низкому порогу ограничения при создании нелинейно-оптических ограничителей излучения, предназначенных для защиты органов зрения от повреждения лазерным излучением, а также для создания низкопороговых оптических переключателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сидоров А.И. Оптические свойства композита с наночастицами серебра в диапазоне 8-12 мкм. Оптический журнал, т.70, №2, с.9-14, 2003 г.

2. Averitt R.D., Westcott S.L. et al. Ultrafast optical properties of gold nanoshells, J. Opt.Soc.Am. B, vol.16, №10, p.1814-1822, 1999.

3. Oldenburg S.J.. Averitt R.D., Halas N.J. Патент 6344272 США, МКИ⁷ В 32 В 15/02, приоритет от 11.03.1998.

4. Han M.Y., Huang С. H. et al. Large nonlinear absorption in coated Ag₂S/CdS nanoparticles by inverse microemulsion, J. Phys. Chem. B, v.102, p. 1884-1886,1998.

Нелинейно-оптическая среда, состоящая из прозрачной матрицы и неорганических кристаллических наночастиц, имеющих ядро и оболочку, отличающаяся тем, что ядро и оболочка наночастиц состоят из одного и того же материала с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию фотона более чем в 1,3 раза, причем ядро наночастицы не содержит поглощающих центров, а оболочка содержит поглощающие центры, создающие глубокие примесные уровни или примесную зону в запрещенной зоне.