Суперлюминесценция в активных средах с металлическими наночастицами

Рисунок 3.11 - Временная динамика деградация раствора R6G. Энергия излучения накачки 42,7 мДж.

Далее был проведен эксперимент с использованием раствора содержащего 2% агломератов алюминия. При исследовании раствора с агломератами алюминия, порог суперлюминесценции понизился в 2.8 раза, то есть суперлюминесценция проявлялась при 1,96 мДж излучения накачки. При таких накачках также наблюдалась явная суперлюминесценция, и деградация раствора заняла довольно долгий промежуток времени, более 20 минут, как можно увидеть из рисунка 3.12. В ходе экспериментов, также было доказано, что при концентрации 10^-3 моль/л, порог генерации для растворов с агломератами в 3 раза меньше чем в чистом R6G.

Рисунок 3.12 - Временная динамика деградация раствора родамина 6G с агломератами алюминия (2%). Энергия излучения накачки 1,96 мДж.

Также было выяснено, что превышение накачки на 40% приводит к вскипанию растворов с агломератами. При вскипании растворов в кювете образовывались пузыри паров спирта, которые создавали помехи для дальнейшей работы с раствором. На рисунке 3.13 представлена фотография паровых пузырей, образованных при вскипании раствора.

Рисунок 3.13 - Образование паров спирта в рабочем растворе с агломератами, при превышении энергии накачки на 40%.

Далее было произведено сравнение порогов суперлюминесценции и порогов вскипания для растворов с концентрациями 10^-2 и 10^-3моль/л. Для сравнения растворов, мною были использованы результаты ранее полученные, рабочей группой лаборатории распространения оптических волн СФТИ. В данных работах были получены графики деградации растворов со временем, для растворов с концентрациями 10^-2, как с наночастицами, так и без. На рисунке 3.14 мы видим, что суперлюминесценция чистого R6G и R6G с одиночными наночастицами остается постоянной, на протяжении 13 мин, что говорит о стабильности раствора.

Рисунок 3.14 - Временная динамика деградация растворов. Энергия излучения накачки 13,3 мДж. Кривая 1 - R6G+Ag 2% (не агл.), кривая 2 - R6G+Ag 2% (агл.), кривая 3 - R6G+Ag 2% (агл. №2), кривая 4 - чистый R6G 10^-2 моль/л [33]

В то же время интенсивность свечения раствора R6G с агломератами в одном случае через 4-5 мин опускается до нуля (синие треугольники), а в другом случае совпадает с кинетикой чистого R6G (зеленые треугольники).

Как показал визуальный осмотр рабочего раствора, в первом случае падение интенсивности связано с образованием неисчезающего в течение времени пузыря, т.е. исчезновением вещества из активной области. Можно предположить, что во втором случае из активной области исчезли наночастицы, поскольку интенсивность свечения исследуемого раствора практически совпадает с интенсивностью свечения раствора чистого R6G. Сравнение данных результатов с результатами, полученными мной, говорит о том, что растворы с концентрацией 10^-2 моль/л более стабильны, и менее подвергаются деградации.

После проведения сравнения пороговых характеристик, мы можем говорить о том что, поскольку порог вскипания для растворов с агломератами концентрацией 10^-3моль/л, выше, чем в аналогичном растворе с концентрацией 10^-2 моль/л, а порог суперлюминесценции ниже. Мы получаем увеличение динамического диапазона работы излучателя.

Хотя, как было сказано ранее, раствор с концентрацией 10^-3 моль/л, подвергается деградации сильнее, нежели аналогичный раствор с концентрацией 10^-2 моль/л. Мы можем говорить о том, что раствор с R6G концентрации 10^-3 моль/л с агломератами более эффективен, нежели аналогичный раствор с родамином R6G концентрации 10^-2. Так как, время деградации этого раствора более 20 минут, чего, более чем достаточно для постановки эксперимента с ним.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе экспериментальным путем исследовались спектрально-энергетические характеристики свечения растворов красителя R6G в этаноле с добавлениями в виде взвесей наночастиц Al и Ag различной агрегации, а также мономерных наночастиц Ag с характерным размером 5-20 нм. В ходе отработки методики эксперимента был проведен анализ спектров поглощения исследуемых наночастиц. Были определены пространственные характеристики свечения растворов. Показано, что максимальное значение интенсивностей суперлюминесценции в растворах красителей с наночастицами наблюдается под углами близкими к 50°, что совпадает с теоретически рассчитанными значениями.

Экспериментальным путем были установлены оптимальные концентрации красителя и наночастиц. Оптимальная концентрация красителя составила 10^-3 моль/л, а концентрация наночастиц 2,5 %. Экспериментально получены зависимости интенсивности свечения от энергии накачки для рабочих растворов при различной концентрации наночастиц. Из которых определено, что использование раствора с концентрацией 2,5 % ведет к понижению порогов генерации в 7,5 раза. Так же показано, что использование данной концентрации приводит к увеличению интенсивности свечения в 3,8 раз относительно чистого раствора.

Установлено влияние различных концентраций красителя и наночастиц на длину волны максимума излучения для кюветы в 1 мм. Показано, что введение в рабочий раствор наночастиц приводит к смещению длины волны максимума излучения в коротковолновую область.

Получена временная динамика деградации растворов родамина 6G, как чистого, так и с взвешенными наночастицами различной агрегации для кюветы толщиной 100 мкм.

Получены графики, временной динамики деградации растворов с концентрацией 10^-3 моль/л, как чистых, так и с наночастицами. Также было проведено сравнение полученных результатов, с результатами полученными ранее.

Исследовано взрывное вскипание растворов при взаимодействии лазерного излучения с растворами R6G с наночастицами. При этом энергетические пороги взрывного вскипания для растворов с концентрацией 10^-2 моль/л выше, чем в аналогичном растворе с концентрацией 10^-3 моль/л.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Карпов С.В., Слабко В.В. Оптические и фотофизические свойства фрактально-структурированных золей металлов // Изд-во СО РАН. - Новосибирск. - 2003. - 265 с.

2. Гигантское комбинационное рассеяние // Под ред. Р.Ченга и Т.Фуртака. М.: Мир. - 1984. - 408 с.

3. Акципетров О.А Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов // Соросовский образовательный журнал. - 2001. Т.7, №7. - С.109-116.

4. Xiangeng Meng, Koji Fujita, Yanhua Zong и др. Random lasers with coherent feedback from highly transparent polymer films embedded with silver nanoparticles // Jpn. Appl. Phys. - 2008. - V.55, № 23. - P.13265-13287.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред // М.: Наука, -1982. -234 с.

6. Зуев В.С., Франценссон А.В. Наноструктуры в лазерном эксперименте // Квантовая электроника. - 2001. - Т.31, №2. - С.120-126.

7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики // М.: Наука, -1970. -856 с.

8. Иванов Е.А. Дифракция электромагнитных волн на двух телах // Минск: Наука и техника, 1968. 189 с.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля // М.: Наука. - 1973. - 356 с.

10. Sarychev V.M., Shalaev V.M. Nonlinear optics of random metal-dielectric films // Physica Review B. - 1998. - V.57, № 20. - P.13265-13287.

11. Олейников В.А., Первов Н.В., Мчедлишвили Б.В. Трековые мембраны в темплейтном синтезе ГКР-активных наноструктур // Критические технологии.- 2004. - №4. - С. 17-28.

12. Fort E., Gresillon S. Surface enhanced fluorescence // Jpn. Appl. Phys. - 2008. - V.45, № 17. - P.1265-1287.

13. Sweatlock L.A., Maier S.A., Atwater H.A. Highly confined electromagnetic fields in arrays of strongly coupled Ag nanoparticles // Phys. Rev. - 2005. - V.62, № 12. - P.10265-10287.

14. Zhdanov A., Kreuzer M.P., Rao S. Detection of Plasmon - enhanced luminescence fields from an optically manipulated pair of partially metal covered dielectric spheres // Optics letters. - 2008. - V. 33, № 23. - P. 43-52.

15. Glass A.M., Liao P.F., Bergman J.G., Olson D.H. Interaction of metal particles with adsorbed dye molecules: absorption and luminescence // Optics letters. - 1980. - V. 5. - P.368.

16. Geints Y.E., Panamarev N.S., Zemlyanov A.A. Transient behavior of far-field diffraction patterns of a Gaussian laser beam due to the thermo-optical effect in metal nanocolloids // Journal of Optics. - 2011. - V. 13. - P. 1-9.

17. Weitz D.A., Garoff S., Hanson C.D. The effect of rough silver on fluorescent lifetimes. // Bull. Amer. Phys. Soc. - 1981. - V.26. - P.339.

18. Sha W.L., Liu C.-H., Alfano R.R. Spectral and temporal measurements of laser action of Rhodamine 640 dye in strongly scattering media // Opt.Let. - 1994. - №19. - P.1922-1924.

19. Hideki Fudjivara, Keiji Sasaki. Lasing of Microsphere in Due Solution // Jpn. Appl. Phys. - 1999. - V.38. - P.5101-5104.

20. Летохов В.С. Генерация света рассеивающей средой с отрицательным резонансным поглощением // ЖЭТФ. - 1967. - Т.53. - С.1442.

21. Markushev V.M., Ryzhkov M.V., Briskina Ch.M. Characteristics properties of ZnO random lasers pumped by nanosecond pulses // Appl. Phys. B. - 2006. - V.84. - P.333-337.

22. Маркушев В.М., Рыжков М.В., Брискина Ч.М. Спектры случайных лазеров на ZnO при наносекундной накачке // Квантовая электроника. - 2007. - Т.37, №9. - С.837-840.

23. Gouedard C., Husson D., Sautered C. et al. Generation of spatially incoherent short pulses in laser-pumped neodymium stoichiometric crystals and powders // J. Opt. Soc. Am. B. - 1993. - V.10. - P.2358.

24. Armstrong R.L., Kim W.T., Shalaev V.M., Safonov V.P. Fractals in mikrocavities: giant coupled, multiplicative enhancement of optical responses // Phys. Rev. Lett. - 1999. - V. 82, №24. - P.4811-4814.

25. Ершов Б.Г. Наночастицы металлов в водных растворах: электронные, оптические и каталитические свойства // Рос. хим. ж. - 2001. - Т.XLV, №3. - С. 20-30.

26. Diederik S. Wiersma The physics and applications of random lasers c Nature Physics. - 2008. - V. 4 - P. 359-367.

27. Ruckstuhl T., Enderlein J. The efficiency of surface-plasmon coupled emission for sensitive fluorescence detection // Anal. Chem. - 2005. - V. 13, № 22. - P.2117-2123.

28. Ruckstuhl T., Verdes D., Winterflood M., Seeger S. Simultaneous near-field and far-field fluorescence microscopy of single molecules // Anal.Chem. - 2011. - V. 19, №7, -P.221-229.

29. Kharenkov V.A., Krivosheyev N.S., Zemlyanov A.A., Donchenko V.A. Lasing in a Thin Layer of Luminophor with Metal Nanoparticles Agglomerates // EDM 2012, Erlagol, Russia 2-6 July. - 2012. - P. 213-216.

30. Донченко В.А., Землянов Ал.А., Кривошеев Н.С., Харенков В.А. Влияние локальных полей вблизи агломерированных наночастиц на эффективность суперлюминесценции в растворах органического красителя // Оптика атм. и океана. - 2012. - Т.25, №11. - С.999-1002.

31. Ramachandran H. Mirrorless lasers // Pramana. J.Phys. - 2002. - V. 58, №2. - P. 313-322.

32. Purcell E.M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Phys. Rev. - 1946. - V. 69. - P. 681.

33. Гейнц Ю.Э., Донченко В.А., Землянов Ал.А., Панамарев Н.С. Временная динамика пространственной структуры интенсивности дальнего поля лазерного пучка, прошедшего тонкий слой наноколлоидной среды // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т.24, №3. - С.190-198.

Размещено на Allbest.ru