CC BY
11
МИХЕЕВ Г.М., БУЛАТОВ Д.Л., КУЗНЕЦОВ В.Л., МОСЕЕНКОВ С.И.
УДК 53-535:535.015
ОПТИЧЕСКОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ В СУСПЕНЗИИ НАНОУГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ ЛУКОВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ В ДИМЕТИЛФОРМАМИДЕ
МИХЕЕВ Г.М., БУЛАТОВ Д.Л., *КУЗНЕЦОВ В.Л., *МОСЕЕНКОВ С.И.
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия, [email protected] *Институт катализа СО РАН, Новосибирск, Россия
АННОТАЦИЯ. Отжигом наноалмазов в вакууме при температуре 1800 К получены образцы углерода луковичной структуры. Исследовано оптическое ограничение в суспензиях полученных наночастиц в диметилформамиде и показано, что оно конкурирует с эффектом лазерного просветления.
Исследование взаимодействия лазерного излучения с растворами и суспензиями различных форм углерода в жидкостях представляет интерес с точки зрения создания эффективных и стабильных во времени оптических ограничителей [1-5]. Целью данной работы является исследование оптического ограничения в суспензиях наноуглеродных частиц луковичной структуры в диметилформамиде.
В экспериментах образцы углерода луковичной структуры были получены отжигом наноалмазов в вакууме при температуре 1800 K [6]. Полученные углеродные частицы с характерными размерами 100-120 нм суспендировались в диметилформамиде посредством ультразвукового воздействия при концентрации 1 мг на 1 мл. Суспензии стабильны во времени (наблюдается лишь незначительный осадок по прошествии 9 месяцев после их приготовления).
Оптическое ограничение исследовалось методом z-сканирования с применением
3+
излучения одномодового YAG:Nd - лазера с пассивной модуляцией добротности с длительностью импульсов излучения, равной 20 нс [7]. При этом кювета с исследуемой жидкостью сканировалась вдоль оптической оси вблизи фокуса собирающей линзы с фокусным расстоянием 100 мм (см. рис.1). Энергии лазерных импульсов, на входе и на выходе измерительной ветви, состоящей из собирающей линзы и оптической кюветы, измерялись с помощью автоматизированной многоканальной системы регистрации лазерных импульсов [8]. Это позволяло рассчитать коэффициент пропускания т кюветы с исследуемой жидкостью при различных расстояниях z кюветы относительно точки фокуса собирающей линзы. Лазерные импульсы генерировались с заданной частотой повторения 1 Гц.
Предварительные эксперименты показали, что в исследуемых суспензиях наблюдается эффект лазерного просветления, при котором после определенного количества вспышек Ncr область жидкости, взаимодействующая с лазерным излучением, становится полностью прозрачной. Было установлено, что значение Ncr зависит от импульсной энергии 8ín лазерного излучения на входе оптической кюветы и расстояния z.
На рис. 2 показаны зависимости коэффициента пропускания исследуемого раствора т от количества лазерных вспышек N. Энергия лазерных импульсов на длине волны 1064 нм составляла 8in= 0,3 мДж. Этот рисунок убедительно демонстрирует эффект лазерного просветления исследуемой суспензии. Видно, что многократное лазерное воздействие на одно и то же место кюветы с исследуемой суспензией приводит практически к полному просветлению поглощающей жидкости.
Для предотвращения влияния эффекта лазерного просветления в экспериментах оптическому ограничению результаты измерений усреднялись не более чем по 5 вспышкам лазера с последующим перемешиванием суспензии.
□ 3
5
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования оптического ограничения: 1 - источник лазерного излучения, 2 - полупрозрачное зеркало, 3, 8, 10 - нейтральные фильтры, 4, 7 - фотодиоды, 5 - многоканальная система регистрации энергии лазерных импульсов, 6 - персональный компьютер, 9 - фокусирующая линза с фокусным расстоянием 100 мм, 11 - оптическая кювета с исследуемой жидкостью.
Рис. 2. Зависимость коэффициента пропускания исследуемой жидкости т от количества лазерных вспышек N
МИХЕЕВ Г.М., БУЛАТОВ Д.Л., КУЗНЕЦОВ В.Л., МОСЕЕНКОВ С.И.
На рисунке 3 представлены результаты ¿-сканирования, полученные для четырех
значений 8т. Для зависимости, представленной на рисунке (см. плотность мощности
лазерного излучения на длине волны 1064 нм вдали от точки фокуса собирающей линзы
2 2 составила 0,04 МВт/см , а в точке фокуса (г = 0) равна 8 МВт/см .
Рис. 3. Экспериментальные результаты ^-сканирования, полученные для исследуемой жидкости на длине волны 1064 нм и линзы с фокусным расстоянием 100 мм при = 470 мкДж (а), 90 мкДж (Ь), 60 мкДж (с) и 30 мкДж
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, проведенные в данной работе эксперименты показали, что взаимодействие лазерного излучения со стабильной во времени суспензией углеродных наночастиц луковичной структуры в диметилформамиде сопровождается оптическим ограничением, способным перейти в режим просветления при больших мощностях лазерного излучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vivien L., Riehl D.. Nonlinear scattering origin in carbon nanotube suspensions // Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 2000. Vol. 9, № 3. P. 297-307.
2. Dou K., Knobbe Edward T. Optical limiting and related upconverted emission in fullerene complex // Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 2000. Vol. 9, № 3. P. 269-287.
3. Jin Z., Huang L., Goh S.H., Xu G., Ji W. Size-dependent optical limiting behavior of multi-walled carbon nanotubes // Chemical Physics Letters, 2002, 352, p. 328-333.
4. Mishra S.R., Rawat H.S., Mehendale S.C. and e.a. Optical limiting in single-walled carbon nanotube suspensions // Chemical Physics Letters, 2000, Т.317. P. 510-514.
5. Hagan D.J., Soileau M.J. and e.a. Nonlinear refraction and optical limiting in thick media // Optical Engineering, 1991. Т.30, №8. P. 1228-1235.
6. Koudoumas E., Kokkinaki O., Konstantaki M. and et al // Chem. Phys. Lett. 2002. Vol. 357. P. 336-340.
7. Михеев Г.М., Малеев Д.И., Могилева Т.Н. Эффективный одночастотный ИАГ:Ш3+ - лазер с пассивной модуляцией добротности и поляризационным выводом излучения // Квантовая электроника, 1992, Vol. 19, № 1. P. 45-47.
8. Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Попов А.Ю., Калюжный Д.Г. Автоматизированная лазерная система для диагностики водорода в газовых смесях // Приборы и техника эксперимента, 2003. №2. С. 101-107.
SUMMARY. Onion-like carbon structures are obtained by the annealing of nanodiamonds at the temperature 1800 K in vacuum. The optical limiting is studied in the suspensions of the obtained nanoparticles in dimethylformamide. It is shown that the optical limiting completes with the laser phototropic effect.
