Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
ИСАЕВА ЕЛЕНА АНДРЕЕВНА
ОДНОЧАСТИЧНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НЕУПОРЯДОЧЕННЫМИ ДИСПЕРСНЫМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ
01.04.21 - Лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физикоЦматематических наук
Саратов - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Зимняков Дмитрий Александрович
Официальные оппоненты:
Скрипаль Анатолий Владимирович, доктор физикоматематических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, заведующий кафедрой медицинской физики Аветисян Юрий Арташесович, доктор физико-математических наук, Институт проблем точной механики и управления РАН (г.
Саратов), ведущий научный сотрудник лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем
Ведущая организация:
Саратовский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.
Котельникова РАН
Защита состоится 15 ноября 2012 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 при Саратовском государственном университете им.
Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, III корпус, ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета (Саратов, ул. Университетская, 42)
Автореферат разослан л____ октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Дербов Владимир Леонардович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Одним из актуальных направлений в современной лазерной физике является уточнение и развитие фундаментальных представлений о взаимодействии лазерного излучения с дисперсными средами с упорядоченной или случайной структурой в условиях сильного влияния характеристик излучения на оптические свойства среды. Результаты подобных исследований являются физической основой для разработки новых подходов к синтезу дисперсных оптических и лазерных материалов, эффективных лазерных методов анализа структуры дисперсных систем для многочисленных промышленных и медико-биологических применений.
Существенное влияние на распространение лазерного света в дисперсных системах оказывают резонансные эффекты при коллективном или одночастичном взаимодействии излучения со структурными составляющими системы, проявляющиеся в частотных интервалах, определяемых структурой системы и частотными зависимостями электродинамических параметров структурных составляющих в оптическом диапазоне. Типичным примером является развитие фундаментальных основ и практических приложений в области синтеза и использования фотонно-кристаллических материалов, начиная с пионерских работ Э. Яблоновича и С. Джона в середине восьмидесятых годов прошлого века и заканчивая обилием публикаций в настоящее время, посвященных различным аспектам производства и применения одномерных, двумерных и трехмерных периодических и почти периодических структур, характеризуемых существованием фотонных запрещенных зон в оптическом, терагерцовом и радиодиапазонах.
Специфические оптические свойства подобных структур, обусловленные имеющим интерференционную природу коллективным резонансным эффектом при взаимодействии с ними света, в настоящее время широко используются при передаче и обработке информации, для генерации широкополосного оптического излучения (в том числе и для медикобиологических применений в части создания широкополосных преобразователей излучения для оптических когерентных томографов с высоким пространственным разрешением) и др.
К числу коллективных резонансных эффектов, возникающих при взаимодействии света с многократно рассеивающими случайнонеоднородными дисперсными системами, также могут быть отнесены локализация электромагнитного поля, а также генерация и усиление лазерного излучения в системах, содержащих селективные поглотители с высоким квантовым выходом флуоресценции. Существование локализованных состояний электромагнитного поля в неупорядоченных дисперсных системах обычно связывают с явлением слабой локализации, проявляющимся в форме когерентного обратного рассеяния лазерного света дисперсной средой, а также гипотетической сильной локализации электромагнитных волн, теоретически предсказанной С. Джоном в восьмидесятых годах прошлого века и аналогичной андерсоновской локализации электронов в аморфных проводниках. Значительный вклад в развитие данного направления лазерной физики и фотоники внесли такие российские и зарубежные исследователи, как В. С. Летохов, А. М.
Желтиков, А.А. Голубенцев, A. Lagendijk, D.S. Wiersma, C. Soukoulis, J.D.
Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, P.N. Prasad, J.-M. Lourtioz, H. Benistry, V. Berger, J.-M. Gerard, D. Maystre, А. Yamilov, М.А. Ногинов, Л.А.
Мельников и др.
Одночастичные резонансные эффекты при рассеянии и/или поглощении света структурными элементами дисперсной системы в отсутствии существенного вклада локальных полей, формируемых другими частицами среды, во взаимодействие электромагнитного поля с данным элементом системы, также могут оказывать значительное влияние на макроскопические оптические характеристики системы в определенных частотных интервалах. К числу подобных явлений прежде всего следует отнести возбуждение поверхностных плазмонных резонансов в металлических наночастицах, широко используемых в настоящее время в различных областях современной оптики, лазерной физики и биофотоники (в частности, для создания наносенсоров, обладающих чрезвычайно высокой чувствительностью к изменениям биохимических свойств анализируемой среды). Одночастичные резонансные эффекты проявляются при взаимодействии света с клеточными слоями в биотканях (резонансы Ми при рассеянии зондирующего излучения ядрами клеток, проявляющиеся в спектрах однократного обратного рассеяния света клеточными структурами (Л. Перельман с сотрудниками, 1994), что позволяет предложить методику ранней диагностики патологических изменений эпителиальных клеток), в явлении лазерной генерации изолированными полимерными частицами, насыщенными красителями с высоким квантовым выходом флуоресценции (А. Лагендайк с сотрудниками, 2006) и др. Значительный вклад в исследования и практические применения подобных явлений сделан P.
Chakraborty, R.D. Averitt, S.L. Westcott, N.J. Halas, J.B. Pendry, В.М.
Шалаевым, Н.Г. Хлебцовым, Л.А. Дыкманом, С.В. Щеголевым и др.
Следует отметить, что, несмотря на существенные достижения в оптике дисперсных сред и лазерной физике в последние два десятилетия, связанные с установлением фундаментальных особенностей резонансных взаимодействий оптического излучения с микро- и наночастицами в дисперсных системах и практическим использованием этих особенностей, отдельные важные аспекты подобных взаимодействий исследованы не в полной мере. Следует отметить, например, вопрос о влиянии резонансного поглощения базовой среды, содержащей рассеивающие частицы, на распространение лазерного излучения и формирование спеклмодулированных световых полей в подобных дисперсных системах. Не в полной мере выявлены особенности возбуждения поверхностных мод в оптическом диапазоне в диэлектрических наночастицах с низкой топологической размерностью (в частности, в квазиодномерных и квазидвумерных наночастицах) и, соответственно, влияние этих особенностей на оптические характеристики дисперсных систем, состоящих из подобных частиц. Эксперименты по исследованию нелинейного поглощения и рассеяния мощного лазерного излучения в подобных низкоразмерных дисперсных системах приводят к противоречивым результатам, не допускающим адекватную интерпретацию в рамках существующих представлений о взаимодействии электромагнитного излучения с наноструктурированными дисперсными средами (M. Feng, H. Zhan, L. Miao, Nanotechnology, 2010). Вместе с тем, решение подобных задач не только приведет к дальнейшему развитию фундаментальных представлений о взаимодействии лазерного излучения с дисперсными средами, но также даст основу для разработки новых подходов в синтезе оптических и лазерных материалов со случайнонеоднородной структурой, новых оптических и лазерных методов анализа структуры и функциональных свойств микро- и наноструктурированных композитных материалов.
В связи с этим целью диссертационной работы явилось установление закономерностей, определяющих влияние резонансных эффектов при рассеянии и поглощении излучения лазерных и широкополосных источников структурными составляющими дисперсных систем, состоящих из диэлектрических микро- и наночастиц, на оптические характеристики систем, а также феноменологическая интерпретация установленных закономерностей в рамках классических и квантовых представлений о взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- экспериментальные и теоретические исследования эффекта конкуренции поглощения и рассеяния лазерного излучения в микроструктурированных дисперсных системах с околорезонансным поглощением базовой среды, приводящего к оптическому просветлению дисперсной системы при возрастании концентрации селективно поглощающего компонента базовой среды;
- экспериментальные исследования спектров экстинкции дисперсных систем на основе разбавленных суспензий квазидвумерных диэлектрических наночастиц (нанопластин гидратированного титаната калия) в спектральном интервале, соответствующем фундаментальному поглощению материала наночастиц; теоретическая интерпретация полученных результатов на основе классических представлений о взаимодействии электромагнитного излучения с материалами, характеризуемыми сильными частотными зависимостями оптических свойств, с учетом геометрических особенностей частиц;
- экспериментальные исследования эффекта околорезонансного насыщения поглощения лазерного излучения дисперсными системами на основе разбавленных суспензий квазидвумерных диэлектрических наночастиц (нанопластин гидратированного титаната калия);
теоретическая интерпретация полученных результатов в рамках двухуровневой модели поглощающей среды с обедняемым основным состоянием.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1) Возрастание концентрации селективно поглощающего компонента базовой среды в дисперсных системах, состоящих из непоглощающих диэлектрических частиц в однородной базовой среде с околорезонансным поглощением зондирующего лазерного излучения приводит к возрастанию средней интенсивности и индекса мерцаний рассеянного вперёд излучения. Необходимым условием для проявления этого эффекта, обусловленного конкуренцией процессов рассеяния лазерного света на частицах и его поглощения базовой средой, является реализация режима распространения лазерного излучения в среде, переходного между диффузионным режимом и баллистическим режимом распространения.
2) Отношение высокочастотного (вблизи 200 нм) и низкочастотного (вблизи 300 нм) пиковых значений коэффициента экстинкции суспензий наночастиц полититаната калия зависит от геометрического фактора частиц и приблизительно равно 2.5 для квазидвумерных частиц (нанопластин) с объемом, большим ~ 10 105 нм ; при этом доминирующий вклад в экстинкцию обусловлен рассеянием зондирующего излучения частицами. При убывании объема наночастиц до значений, меньших ~ 4 105 нм, отношение пиковых значений коэффициента экстинкции уменьшается, асимптотически стремясь к 0.7; при этом доминирующий вклад в экстинкцию дает поглощение света наночастицами.
3) Отношение высокочастотного и низкочастотного пиковых значений коэффициента экстинкции суспензий наночастиц полититанатов в ближней ультрафиолетовой области может быть использовано в качестве индикатора структурной стабильности суспензии. В частности, формирование трехмерных кластеров в результате агрегации нанопластин полититанатов приводит к существенному возрастанию отношения пиковых значений.
4) Спектральная зависимость комплексного показателя преломления полититанатов в диапазоне длин волн 190 - 400 нм допускает интерпретацию спектров экстинкции наночастиц полититанатов в рамках одноосцилляторной модели Лоренца со значением плазменной частоты, сопоставимым со значением плазменной частоты для металлов.
5) Убывание экстинкции суспензий наночастиц полититанатов в непоглощающих жидких средах при возрастании интенсивности зондирующего импульсного лазерного излучения с длиной волны вблизи максимума поглощения материала наночастиц обусловлено эффектом насыщаемого поглощения, адекватно описываемого двухуровневой моделью с обедняемым основным состоянием.
Научная новизна работы:
1) Впервые установлено существование эффекта частичного оптического просветления дисперсных систем с селективным поглощением для длин волн зондирующего лазерного излучения, соответствующих околорезонансному поглощению лазерного излучения базовой средой. Данный эффект проявляется при возрастании концентрации селективного поглотителя в базовой среде и обусловлен конкуренцией процессов рассеяния лазерного излучения непоглощающими диэлектрическими частицами в базовой среде и поглощения базовой средой при увеличении действительной части ее показателя преломления.
2) Впервые показано, что существование двух пиков в ближней ультрафиолетовой области в спектрах экстинкции неупорядоченных дисперсных систем на основе квазидвумерных наночастиц (нанопластин) титаната калия обусловлено возбуждением поверхностных мод в наночастицах в частотных интервалах, для которых действительная часть диэлектрической функции материала частиц стремится к 0. При этом доминирующую роль в экстинкции системы играет рассеяние зондирующего излучения наночастицами.
3) Показано, что отношение значений высоты высокочастотного и низкочастотного пиков в спектрах экстинкции неупорядоченных дисперсных систем на основе нанопластин титаната калия со значениями толщины в интервале 5 - 15 нм и поперечного размера в интервале 100 нм - 300 нм пропорционально четвертой степени отношения частот, соответствующих пиковым значениям экстинкции, и монотонно увеличивается по мере перехода от квазидвумерной к трехмерной форме наночастиц вследствие их агрегации. Соответственно, данная величина может быть использована как индикатор структурной стабильности дисперсных систем на основе нанопластин титаната калия, а также для анализа процессов агрегации и эксфолиации наночастиц в подобных системах.
4) Впервые исследовано явление насыщаемого околорезонансного поглощения лазерного излучения неупорядоченными дисперсными системами на основе нанопластин титаната калия. Показано, что данное явление с приемлемой точностью допускает интерпретацию в рамках двухуровневой модели среды с обедняемым основным состоянием.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы дополняют и развивают существующие представления о процессах взаимодействии лазерного излучения с неупорядоченными дисперсными средами на основе диэлектрических микро- и наночастиц в условиях существенного влияния резонансных эффектов при рассеянии и поглощении лазерного света частицами на макроскопические оптические характеристики среды.
Установленный в ходе проведенных исследований эффект частичного просветления селективно поглощающих неупорядоченных дисперсных систем для длин волн лазерного излучения, соответствующих околорезонансному поглощению света в среде, необходимо учитывать при синтезе дисперсных лазерных сред с неупорядоченной структурой, а также при фотобиологических применениях лазерного излучения (в частности, при дозиметрическом обеспечении процедур фотодинамической терапии онкологических заболеваний).
Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в исследованиях спектров экстинкции и насыщаемого поглощения неупорядоченных дисперсных систем на основе нанопластин титаната калия, являются физической основой для разработки оптических и лазерных методов анализа структуры подобных систем в процессе их синтеза.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы при выполнении НИР в рамках государственного задания ВУЗам на выполнение НИР (Мероприятие 1. Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований и экспериментальных разработок) Исследования резонансных явлений при многократном рассеянии света в микро- и наноструктурированных случайно-неоднородных средах (СГТУ-345, 2011г.); Исследования механизмов локализации упругого и неупругого взаимодействия оптического излучения с наноструктурированными дисперсными системами (СГТУ-14, 2012 г.), а также гранта РФФИ №09-02-01048-а Управляемая генерация лазерных спеклов в неоднородных средах и ее биомедицинские применения (20092011 гг.).
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, будут использованы в учебном процессе для подготовки бакалавров и магистров, обучающихся по направлению Техническая физика, для модернизации специальных курсов лекций и постановки учебно-исследовательских работ в специальном практикуме по оптическим и лазерным измерениям.
ичный вклад автора диссертации состоит в непосредственном участии в постановке и решении основных задач работы, в разработке методик теоретического анализа и экспериментальных исследований, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Представленные экспериментальные результаты получены или лично автором, или при его непосредственном участии совместно с д.ф.-м.н., проф. Зимняковым Д.А. В экспериментальных исследованиях эффекта частичного просветления дисперсных систем в условиях конкуренции поглощения и рассеяния также принимала участие Исаева А.А.
Экспериментальные исследования экстинкции и нелинейного отклика дисперсных систем на основе квазидвумерных наночастиц титаната калия проводились совместно с к.ф.-м.н., доц. Ушаковой О.В., д.х.н., проф.
Гороховским А.В. и к.х.н., доц. Третьяченко Е.В.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
использованием хорошо обоснованных и многократно апробированных экспериментальных методов анализа оптических свойств дисперсных сред;
соответствием в частных случаях полученных данных известным из литературы результатам аналогичных исследований, выполненных другими научно-исследовательскими группами; воспроизводимостью экспериментальных данных и их соответствием результатам теоретического моделирования переноса лазерного излучения в дисперсных системах, полученным с использованием обоснованных и апробированных теоретических моделей.
Апробация работы Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международной междисциплинарной школе для студентов и молодых учёных по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophotonics (SFM) (Саратов, Россия, 2009-2011 гг.), международной конференции "Correlation OpticsТ10Ф (Черновцы, Россия, 2011 г.), 15-й международной конференции Laser Optics 2012 (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 6 в сборниках научных трудов и материалах конференций.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, состоящего из 217 наименований. Материалы работы изложены на 151 странице, содержащих 35 рисунков и 2 таблицы.
Краткое содержание работы Во введении указаны цели и задачи исследования, обоснованы актуальность темы, научная новизна и практическая значимость результатов, кратко изложено содержание работы и сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту.
В главе 1 п. 1.1. обсуждаются основные особенности взаимодействия лазерного излучения со случайно-неоднородными микро- и наноструктурированными средами (в том числе и с биотканями) в условиях проявления резонансных эффектов при рассеянии и поглощении.
Масштабы взаимодействия электромагнитного излучения с дисперсными средами определяются транспортной длиной l*, длиной рассеяния ls и длиной поглощения la ; случайно-неоднородные среды с усилением, используемые для генерации и усиления лазерного излучения, также характеризуются длиной генерации lgain и длиной усиления lamp.
Рассмотрены два фундаментальных подхода к описанию распространения лазерного излучения в случайно-неоднородных средах: аналитическая теория многократного рассеяния и теория переноса излучения. Обсуждена взаимосвязь между характеристиками излучения в среде, получаемыми с использованием этих подходов. Рассмотрены теоретические модели для расчета транспортных характеристик дисперсных систем (коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и параметра анизотропии рассеяния), позволяющие анализировать частотные зависимости этих характеристик и тем самым учитывать влияние одночастичных резонансных эффектов при рассеянии и поглощении на перенос излучения в дисперсных системах.
В главе 1 п. 1.2. рассмотрены коллективные резонансные эффекты, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с частично упорядоченными и неупорядоченными дисперсными системами, при этом существенное влияние на формирование рассеянного светового поля будет оказывать интерференция локальных полей, возникающих при взаимодействии распространяющегося излучения с различными структурными элементами системы. В качестве примеров подобных явлений могут быть рассмотрены взаимодействие лазерного излучения с фотонными кристаллами, эффекты слабой и сильной локализации света в случайно-неоднородных средах, явление генерации и усиления лазерного излучения в случайно-неоднородных средах большим квантовым выходом флуоресценции. В последнем случае в среде случайным образом возникают микроскопические резонансы электромагнитного поля, области локализации которых можно рассматривать как микрорезонаторы со стохастической структурой. Подобные микрорезонаторы возникают благодаря случайной конфигурации рассеивателей и приводят к конструктивной интерференции многократно рассеянных парциальных составляющих рассеянного поля в среде. Необходимыми условиями для достижения подобного состояния электромагнитного поля в случайнонеоднородной среде являются достаточно большие значения сечений рассеяния рассеивающих центров и малое значение длины генерации (меньшее характерного размера среды). Также обсуждаются взаимосвязи между транспортными характеристиками неупорядоченных дисперсных систем и их структурными параметрами и критерии возникновения локализованных состояний электромагнитного поля, а также лазерной генерации в случайно-неоднородных средах в зависимости от характерных пространственных масштабов среды, контролирующих перенос излучения.
В главе 1 п. 1.3. обсуждаются одночастичные резонансные эффекты, возникающие при взаимодействии света с микро- и наночастицами с различной геометрией. Рассмотрены работы, посвящённые теоретическим и экспериментальным исследованиям явления локализованных поверхностных плазмонных резонансов в металлических наночастицах с различными характеристиками.
Проанализированы основные результаты исследования влияния формфактора, размеров и электродинамических свойств металлических наночастиц и их диэлектрического окружения на амплитуду и спектральный сдвиг плазмонных резонансов в оптических спектрах.
Сформулированы краткие выводы по главе и предложения по направлению исследований диссертационной работы.
В главе 2 представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований эффекта конкуренции поглощения и рассеяния лазерного излучения при его распространении в дисперсных системах с околорезонансным поглощением базовой среды, содержащей непоглощающие диэлектрические микрочастицы. Исследуемые дисперсные системы представляли собой суспензии полистироловых микросфер (средний диаметр 1 мкм, среднеквадратичное значение вариаций диаметра частиц 0.05 мкм) в этиленгликоле с добавлением родамина 6Ж. Выбор величины объёмной доли полистироловых частиц ( f 0.06) был обоснован тем, чтобы транспортная длина распространения зондирующего излучения с длиной волны 532 нм в среде была сравнима с c оптической толщиной кюветы. Концентрация родамина 6Ж в базовой среде варьировалась от 0 моль/л до 2.1510-3 моль/л. В качестве зондирующего излучения использовался АИГ:Nd лазер с диодной накачкой и удвоением частоты ( 532 нм, выходная мощность 2 мВт, линейная поляризация). Для сравнения на отдельных образцах также были проведены измерения с He-Ne лазером ( 633 нм). Интенсивность спекл-модулированного рассеянного вперёд излучения на каждом шаге регистрировалась в пределах небольшой области на границе раздела суспензия - стекло. Реализации детектируемого оптического сигнала при различных экспериментальных условиях представлены на рис.1.
а) б) Рис. 1. Зависимости интенсивности регистрируемого оптического сигнала (в относительных единицах) от поперечного смещения образца при сканировании излучением 532 нм (а) и 633 нм (б) и различной 0 c концентрации родамина 6Ж в базовой среде: а) I - 0 моль/л; II - c c 7.0510-4 моль/л; III - 2.1510-3 моль/л, б) IV- 2.1510-3 моль/л.
Согласно полученным результатам, средняя интенсивность рассеянного вперёд лазерного излучения I и индекс мерцания рассеянного поля I существенно возрастают при возрастании i c концентрации красителя. Это приводит к значительной спекл-модуляции регистрируемого оптического сигнала для сред с максимальной для данного эксперимента концентрацией красителя. В нашем случае зависимость эффективности рассеяния зондирующего излучения полистироловыми частицами от концентрации красителя объясняется влиянием следующих факторов. Уменьшение фактора эффективности рассеяния Qsca обусловлено ростом действительной части показателя преломления базовой среды nb при возрастании концентрации красителя для длины волны лазерного излучения вблизи S0 S1 пика поглощения родамина 6Ж (около 530 нм, в соответствии с литературными данными). В соответствии с полученными в ходе выполнения работы экспериментальными результатами, параметр nb c для 532 нм при c вариации концентрации красителя от 0 до 2.1510-3 моль/л составляет приблизительно 16.7 л/моль. Также подавление эффективности рассеяния диэлектрических частиц в поглощающей среде Qsca может быть связано с эффектом уменьшения сечения рассеяния непоглощающих частиц в поглощающей среде при возрастании коэффициента поглощения последней. Теоретические оценки показали несущественное влияние данного фактора на рассеяние частиц для используемых в эксперименте концентраций красителя. Основной вклад в подавление рассеяния дает возрастание действительной части показателя преломления базовой среды вследствие оптического иммерсионного эффекта. Согласно теоретическим c оценкам, для исследуемых дисперсных сред при максимальной ( 2.1510-3 моль/л) и минимальной (для 0 моль/л) концентрациях красителя величина Qsca для 532 нм принимает значения 0.86 и 1.41, соответственно. Воздействие этих факторов на экстинкцию исследуемых дисперсных сред может быть интерпретировано как эффект частичного уменьшения рассеяния вследствие индуцированной поглощением оптической иммерсии (специфическая форма классического эффекта Христиансена). Конкуренция поглощения и рассеяния связана с существованием режима распространения излучения в зондируемой среде, соответствующего переходу между двумя предельными режимами - баллистическим и диффузионным режимами распространения света. Был проведён анализ влияния параметра расстройки действительной части показателя преломления базовой среды относительно показателя f T преломления частиц на коэффициент пропускания, коэффициент экстинкции и долю Уквази-баллистическихФ компонент рассеянного t T поля. Значение рассчитанной величины для 532 нм, определяемой как отношение средних интенсивностей при максимальной и минимальной концентрациях красителя (маркеры A и B на рис. 2), приблизительно равное 2.15, хорошо согласуется с полученным из эксперимента значением I I 2.4. Экстраполированная зависимость c max c min ( f ) получена для f 0.032.
a Рис. 2. Зависимость, T, и баллистический режим коэффициента экстинкции анализируемой t s a дисперсной системы от параметра f (результаты расчётов по теории Ми и моделирования Монте-Карло).
Точки A и B на всех кривых соответствуют максимальной и минимальной концентрации красителя. Сплошные линии до маркера B описывают рассеивающую систему с поглощающей базовой средой, пунктирные линии описывают рассеивающую систему в отсутствие поглощения.
В главе 3 представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований особенностей экстинкции суспензий нанопластин гидратированного титаната калия (ГТК) в воде с добавлением поверхностноЦактивных агентов (лаурилсульфата натрия диффузионный режим (ЛН) и этоксилированного алкифенола (ЭАФ)) и без них в ближней УФ области, обусловленных возбуждением поверхностных мод в нанопластинах.
Рис. 3. Спектры экстинкции водных суспензий ГТК нанопластин (после приготовления суспензий - 24 ч.) 1- ГТК-НП суспензия на основе водного раствора ЭАФ; 2- ГТК-НП суспензия на основе водного раствора ЛН; 3- ГТК-НП водные растворы. Маркеры F1 и Fсоответствуют положениям пиков экстинкций, индуцированных поверхностными модами.
Характерные спектры экстинкции, полученные с использованием УФ-ВИД спектрофометра Evolution-300, представлены на рис. 3. Общей особенностью спектров экстинкции ГТК суспензий является наличие двух пиков (явно выраженные пики около 200 нм, обозначенные F1, и низкоамплитудные уширенные пики около 300 нм, обозначенные F2), которые связаны с возбуждением поверхностных мод низших порядков в ГТК-НП частицах. Анализ экспериментальных данных проводился в рамках классической электромагнитной теории рассеяния и поглощения малыми частицами. Эффект возбуждения поверхностных мод, приводящий к усилению рассеяния и поглощения, связан с поведением диэлектрической функции наночастиц титаната в УФ области. Для оценки диэлектрической функции вблизи фундаментальной полосы поглощения использовалась одноосцилляторная модель Лоренца. Наблюдаемые в спектрах экстинкции пики соответствуют поверхностным модам Фрёлиха ' при и для сплюснутых эллипсоидов могут быть определены как ''( ) ''( ) 1/ (низкочастотное (высокочастотное значение) и F1 F / значение), где (здесь - резонансная частота, - 0 p 0 p плазменная частота, - параметр затухания). Частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической функции для оксида титана (рис. 4), рассчитанные по данным из литературы об оптических 0.0константах n, k соответствуют значению.
' '' Рис. 4. Частотные зависимости (1) и (2) для оксида титана, n,k полученные по данным из литературы об оптических константах.
Частотные зависимости (3) и (4) для исследуемых наночастиц, рассчитанные по одноосцилляторной модели Лоренца при параметрах 5.78 1015 Гц, 1.32 1016 Гц, 1.32 1015 Гц. Заштрихованные участки 0 p на оси абсцисс соответствуют высокочастотному и низкочастотному пикам экстинкции в полученном спектре экстинкции для водных суспензий ГТКНП. Врезка: рассчитанные зависимости величины отношения высокочастотного и низкочастотного пиковых значений коэффициента экстинкции от объёма частицы для различных. Заштрихованная на оси абсцисс область соответствует значениям для исследуемых суспензий.
Спектральный сдвиг максимумов экстинкции и возрастание амплитуды пиков для суспензий с поверхностно-активными агентами предположительно связаны с изменением ширины запрещённой зоны исследуемого материала под влиянием двух факторов:
- эксфолиации исходных нанопластин полититаната на пластины меньшей толщины из-за воздействия поверхностно-активных агентов;
- изменения окружающей наночастицу среды вследствие покрытия продуктов эксфолиации молекулами поверхностно-активного вещества.
Анализ взаимосвязи изменения величины отношения пиковых R значений коэффициента экстинкции и форм-фактора наночастиц в рамках рассматриваемой модели позволяет сделать вывод о возрастании R при переходе от квази-2D частиц (дискообразные частицы) к 3D частицам (сферические частицы). Согласно проведённым оценкам, R значения для сферических и дискообразных частиц соотносятся как R R. Изменение резонансной частоты (и, соответственно,, plate,sphere энергии запрещенной зоны Eg 0 ) должно приводить к смещению положений пика и изменению частотного интервала между пиками экстинкции. Таким образом, наблюдаемые особенности экстинкции ГТК нанопластин, индуцированной возбуждением поверхностных мод низших порядков в наночастицах, предположительно, обусловлены электронными коллективными возбуждениями в узкозонном диэлектрике для частот зондирующего излучения в области резонансного поглощения материала наночастиц.
Глава 4 посвящена исследованиям нелинейного оптического отклика водных суспензий нанопластин титаната калия с использованием метода Z - сканирования с открытой апертурой и интерпретации полученных результатов в рамках двухуровневой модели с обедненным основным состоянием.
В проведённых исследованиях в качестве зондирующего излучения использовался азотный лазер (длина волны 337 нм, длительность импульса 8 нс, частота импульсов 1 кГц, и средняя выходная мощность 0.05 Вт).
азерное излучение фокусировалось кварцевой линзой с фокусным расстоянием 50 мм; диаметр фокального пятна составлял 10 мкм, что обеспечивало максимальную интенсивность в кювете с образцами, равную 4.5 10 Вт/см2. Плоские кварцевые кюветы (толщиной 1 мм) заполнялись исследуемыми ГТК-НП водными суспензиями и располагались на однокоординатном микропозиционирующем устройстве, обеспечивающем продольное смещение образца. Средняя мощность прошедшего лазерного излучения измерялась с помощью болометрического измерителя мощности лазерного излучения типа ИМО2.
Характерные зависимости прошедшего излучения от смещения кюветы относительно фокальной плоскости линзы представлены на рис. 5.
Проявление нелинейных оптических свойств ГТК нанопластин для 337 нм предположительно связано с насыщением резонансного поглощения.
Рис. 5. Нелинейный оптический отклик ГТК-НП водных суспензий для 337 нм, полученный методом Zсканирования с открытой апертурой. 1- ГТК-НП суспензия в водном растворе ЭАФ; 2- ГТК-НП суспензия в водном растворе ЛС; 3- сглаженные кривые.
Интерпретация полученных данных проводилась в рамках двухуровневой модели с использованием ad-hoc формулы следующего вида (I) 1 I Isat, где параметры и определяются a aрассматриваемой моделью. Были построены и проанализированы зависимости нормированного коэффициента экстинкция /, = + (здесь - коэффициент затухания исследуемой t t 0 t 0 t, depl a t,depl системы при I т.е. когда затухание определяется только рассеянием, на нанопластинах с полностью обеднённым основным состоянием при отсутствии поглощения другими компонентами системы, такими как вода и примеси; - вклад насыщенного поглощения нанопластин в a экстинкцию системы) от интенсивности зондирующего лазерного излучения (рис. 6), полученные экспериментально и в результате расчётов.
Рис. 6. Зависимости нормированного коэффициента экстинкция /, = + t t 0 t 0 t, depl a от интенсивности зондирующего лазерного излучения.
Наилучшее согласование экспериментальных данных и значений, рассчитанных на основе двухуровневой модели достигается при следующих параметрах: 0.7; 0.3; 1.250.10;
t, depl t 0 a t Isat (1.3020.058)1010 Вт/см2. Полученное в результате аппроксимации экспериментальных данных значение хорошо согласуется с теоретическим значением = 1 для двухуровневой среды с обедняемым основным состоянием. Также была рассмотрена зависимость величины отношения среднего сечения поглощения случайно ориентированных малых частиц в виде диска к их среднему сечению экстинкции от объёма рассевающей частицы. Установлено, что данная величина, вычисляемая по электронно-микроскопическим данным о размере наночастиц с учетом результатов, представленных в Главе 3, хорошо согласуется с полученными в результате аппроксимации параметрами модели.
В заключении представлены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
1. Выявлено, что в суспензиях полистироловых сферических микрочастиц с селективным поглотителем (родамином 6Ж) в базовой среде (этиленгликоле) при максимальной для данных исследований концентрации красителя 2.1510-3 моль/л и длине волны зондирующего лазерного излучения 532 нм имеет место значительное возрастание средней интенсивности и индекса мерцаний прошедшего излучения по сравнению с меньшими значениями концентрации селективного поглотителя и при зондировании на другой длине волны (633 нм).
2. Предложен и теоретически обоснован физический механизм возрастания средней интенсивности и индекса мерцания рассеянного вперед излучения в суспензиях диэлектрических частиц в базовой среде с околорезонансным поглощением при увеличении концентрации поглощающего компонента, заключающийся в частичном оптическом просветлении суспензии при увеличении действительной части показателя преломления базовой среды с ростом концентрации поглощающего компонента. Данное явление может быть интерпретировано как специфическое проявление эффекта Христиансена в дисперсных системах, связанное с конкуренцией процессов рассеяния лазерного света частицами и его поглощения базовой средой.
3. Установлено, что конкуренция поглощения и рассеяния лазерного излучения в дисперсных системах на основе непоглощающих диэлектрических микрочастиц с околорезонансным поглощением базовой среды имеет место в переходной области между баллистическим и диффузионным режимом распространения лазерного излучения.
4. Установлено, что спектры экстинкции водных суспензий квазидвумерных наночастиц гидратированного титаната калия характеризуются двумя пиками, обусловленными возбуждением поверхностных мод низших порядков в наночастицах в частотных интервалах, соответствующих условиям Фрёлиха.
5. Показано, что диэлектрическая функция для наночастиц полититаната калия может быть аппроксимирована одноосцилляторной функцией Лоренца, позволяющей получить хорошее соответствие между наблюдаемыми и рассчитанными положениями пиков экстинкции.
6. Значения таких параметров, как частотный интервал между пиками экстинкции, амплитуда и полуширина пиков экстинкции, различаются для систем с различными физико-химическими свойствами базовой среды и чувствительны к влиянию процессов агрегации и дефолиации.
Установлено, что отношения пиковых значений коэффициента экстинкции для квазидвумерных наночастиц (нанопластин) R и, plate трехмерных наночастиц (сфероидов) R из одинакового материала,sphere удовлетворяют условию R R. Установлено в экспериментах, plate,sphere и теоретически показано, что для нанопластин полититаната калия R значение близко к 2.5; при этом основной вклад в экстинкцию, plate зондирующего излучения дисперсной системой дает его рассеяние наночастицами.
7. Установлено, что изменение экстинкции суспензий ГТК-нанопластин при возрастании мощности зондирующего лазерного излучения с длиной волны 337 нм (в области фундаментального поглощения материала наночастиц) обусловлено насыщением околорезонансного поглощения. Данный эффект допускает интерпретацию в рамках модели двухуровневой среды с обедняемым основным состоянием.
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:
1. Zimnyakov D. A., Isaeva E. A. Resonance effects in multiple scattering and absorption of laser light in granular random media: partial bleaching and expressed speckle formation // Proc. of SPIE. 2011. V.8338. P. 83380X: 1-9.
2. Зимняков Д.А., Исаева Е.А., Исаева А.А.Эффект Христиансена в дисперсных системах с резонансным поглощением // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. №1. С. 82-86.
3. Zimnyakov D. A., Isaeva E. A., Isaeva A. A., Pavlova M. V., Sviridov A.
P., and Bagratashvili V. N. Attenuation and speckle modulation of laser light in dispersive dye-doped media: competition of absorption and scattering processes // Optics communications. 2012. V. 285. №9. P. 23772381.
4. Zimnyakov D. A., Ushakova O. V., Gorokhovsky A. V., Tret'yachenko E.
V., Isaeva E. A., Isaeva A. A., Pravdin A. B. Resonant scattering and absorption in the titanate-based nano-platelet dispersions in near UV region // Applied Optics. 2012. V. 51. №16. P. 3675-3683.
5. Zimnyakov D. A., Gorokhovsky A. V., Tret'yachenko E. V., Ushakova O.
V., Isaeva E. A., Isaeva A. A. Surface mode induced extinction of potassium titanate nanoplatelets // Optical materials. 2012. V. 34. №11. P. 1865-1868.
6. Зимняков Д. А., Исаева Е. А., Исаева А. А., Плотников М. В. Влияние оптической иммерсии на формирование горячих зон при объёмном рассеянии лазерного излучения гранулярными средами: перспективы использования в материаловедении и биомедицине // Вестник СГТУ.
2011. Т. 1. №2. С. 185-192.
Публикации в других изданиях:
7. Зимняков Д. А., Исаева Е. А. К оценке параметров флуктуационных составляющих световых полей, рассеянных случайно-неоднородными средами с высокой анизотропией рассеяния // Проблемы оптической физики и биофотоники. Сборник научных трудов СГУ. Саратов: Изд-во Новый ветер. 2009. С. 80-84.
8. Исаева Е. А. Анализ пространственно-временных полей применительно к задаче лостровковой гипортермии биотканей с использованием лазерного излучения // Молодые учёные - здравоохранению: материалы 71-й межрегиональной научнопрактической конференции студентов и молодых учёных с международным участием. Саратов: Изд-во СГМУ. 2010. С. 258-259.
9. Зимняков Д. А., Исаева Е. А., Исаева А. А. Генерация лазерных спеклов применительно к задачам селективного лазерного спекания биокомпозитов на основе полимерных частиц и лостровковой гипертермии биотканей // Биосовместимые материалы и покрытия:
сборник материалов Всероссийского конкунрса научных работ бакалавров и магистрантов. Саратов: СГТУ. 2010. С. 140-141.
10. Зимняков Д. А., Исаева Е. А., Гороховский А. В., Третьяченко Е. В.
Спектрометрические и когерентно-оптические технологии контроля характеристик дисперсных наноматериалов // XXV Междунар. науч.
конф. Математические методы в технике и технологиях-25. 2012. С.
44-45.
11. Зимняков Д. А., Исаева Е. А. Статистическое и аналитическое моделирование лазерных полей в случайно-неоднородных средах применительно к задачам селективного лазерного спекания биокомпозитных материалов и локальной гипертермии // Участники школы молодых учёных и программы У.М.Н.И.К.: сборник трудов ХХIV Междунар. науч. конф. 2011. С. 77-80.
12. Зимняков Д. А., Исаева Е. А., Гороховский А. В., Третьяченко Е. В.
Развитие спектрометрических и когерентно-оптических технологий контроля структуры и характеристик дисперсных наноматериалов // Участники школы молодых учёных и программы У.М.Н.И.К.: сборник трудов ХХV Междунар. науч. конф. 2012. С. 49-51.