Анализ работы лимитеров на основе фуллеренсодержащих сред, астраленов, углеродных наночастиц и нанотрубок в параллельных и в сфокусированных пучках.

В предыдущих параграфах рассматривались ограничительные свойства фуллеренсодержащих сред, астраленов, углеродных наночастиц и нанотрубок в различных условиях. В работе [1] приведены сводные результаты исследований оптического ограничения различных фуллеренсодержащих сред (растворы, полимерные матрицы, sol-gel, и микропористые стеклянные матрицы) а также суспензия астраленов, и нанотрубок. Все измерения проведены в параллельных пучках, в одинаковых условиях на l=308 нм (эксимерный лазер), l= 355 нм, 532 нм, 1064 нм (гармоники Nd:YAG лазера), а также на l=1315 нм (йодный лазер) в наносекундном диапазоне длительностей. Представлены результаты оптического ограничения в единицах отношения Е_вых/Е_вх при различном начальном пропускании, а также пороги разрушения этих образцов. (Таблица 1).

Таблица 1. Параметры лимитеров на различных средах.

Проведенные исследования более 200 образцов различных сред позволили, прежде всего, выявить закономерность в отличии механизма оптического ограничения в фуллеренсодержащих растворах и твердотельных системах (полимеры, sol-gel и стеклянные матрицы). Для длительности импульса > 1 нс коэффициент оптического ограничения фуллеренов в растворах превосходит коэффициент оптического ограничения для твердотельных составов. Это связано с двумя факторами: 1) в фуллеренсодержащих средах в механизм ограничения кроме RSA существенный вклад вносит фотоиндуцированное рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях плотности и показателя преломления, которые не развивается в твердотельных матрицах 2) агрегация фуллеренов в твердотельных матрицах приводит к изменению электронной структуры фуллерена и его кинетических констант, включая сечения поглощения и времена жизни возбужденных состояний. В связи с этим величина коэффициента оптического ограничения (Е_вых/Е_вх) для фуллеренсодержащих растворов оказывается примерно на порядок больше, чем для твердотельных матриц. Суспензии углеродных наночастиц (CBS), нанотрубок и фуллероидных наноструктур – астраленов имеют близкие к раствору фуллерена (С₆₀) коэффициент оптического ограничения. Важно отметить, что суспензии углеродных наноструктур ограничивают в ближней ИК-области спектра на l=1315 нм. Механизм ограничения на суспензиях углеродных наночастиц (CBS) определяется нелинейным рассеянием на пузырьках растворителя и углеродного пара, нелинейным рассеянием и поглощением в углеродной плазме. Механизм ограничения на суспензиях астраленов и нанотрубок дополняется нелинейным поглощением, связанным с их электронной оболочкой.

Порог разрушения ограничителей на фуллеренсодержащих растворах и суспензиях углеродных наноструктур определяется лучевой прочностью окон кювет, в которых они находятся, т.е. для кварцевых окон, изготовленных методом глубокой полировки (ГПШ) эта величина составляет » 10 Дж/cм².

Порог разрушения фуллеренсодержащих твердотельных матриц значительно ниже, например, для полимерных пленок 1-4 Дж/см². Исключение составляют микропористые стеклянные матрицы, для них возможно получение лучевой прочности до 8-10 Дж/см². Порог ограничения в параллельных пучках практически для всех этих сред составляет 0.1-1 Дж/см². Вследствие всего вышесказанного динамический диапазон работы Е_{пор. разр}./Е_{пор. огр.} жидкостных лимитеров может составлять в параллельных пучках » 10², в то время как для твердотельных матриц, допированных фуллереном и углеродными структурами £ 10. Для понижения порога ограничения фуллеренсодержащих сред и суспензий углеродных наноструктур используется технический прием: расположение ограничивающего элемента вблизи фокуса оптической системы. Это позволяет существенно (в зависимости от качества оптической системы) увеличить плотность энергии падающего излучения в рабочей среде при снижении энергии на входе в оптическую систему.

В п. 1.1.3.2. демонстрировались результаты определения порога ограничения лимитеров на различных углеродных наноструктурах (С₆₀-CCl₄, суспензии астраленов в спирте, CBS в воде и спирте) в софокусной асферической системе, с диаметром пучка в центре кюветы 23 мкм и f/2.5 [2]. Порог ограничения определялся по уровню входной энергии, при которой пропускание снижается на 20 % по сравнению с линейным пропусканием. [2].

Для раствора С₆₀ в CCl₄ порог ограничения составил 5´10^-6 Дж (на входе в оптическую систему), для суспензии CBS в спирте 10^-6 Дж, для суспензии CBS в воде 10^-6 Дж, для суспензии астралена в спирте 10^-5 Дж. Примерно такой же порог ограничения - 10^-6 Дж получен для суспензии многослойных нанотрубок в воде (начальное пропускание 70%, оптическая система f/5, диаметр пятна в фокусе 7-8 мкм) [3]. Ниже приведена сводная таблица, где сравниваются параметры лимитеров, работающих в коллимированных и сфокусированных пучках для фуллеренсодержащих растворов и суспензий углеродных наноструктур (при длительности импульса 8-10 нс). Как видно из таблицы 2, при использовании оптической системы, в которой центр кюветы (образца) ограничителя располагается в фокусе оптической системы, удается снизить порог ограничителя до 10^-5 - 10^-6 Дж (на входе в систему) и расширить динамический диапазон работы жидкостных лимитеров до 10³-10⁴ крат.

Таблица 2. Параметры лимитеров в коллимированных и сфокусированных пучках.

* - суспензия астраленов в воде

** - суспензия астраленов в спирте

Для лимитеров на фуллеренсодержащих твердотельных матрицах (особенно для полимерных пленок) не удается существенно увеличить динамический диапазон вследствие ограничений по лучевой стойкости образцов, которая становится особенно критичной при расположении тонких пленок (10-100 мкм) в фокусе оптических систем.

Литература к 1.1.4.:

1.I.M. Belousova, V.P. Belousov, O.B. Danilov et al. Photodynamic Nonlinear optical limiting in fullerenes and fulleroid molecules containing media. Proc. SPIE, 2004, Vol. 5479, pp. 204-210.

2.I.M. Belousova, V.P. Belousov, N.G. Mironova, T.D. Murav’eva, A.G. Scobelev, M.S. Yur’ev, D.A. Videnichev. Fast-acting nonlinear optical limiters and switchers, based on fullerenes and fullerene-like nanostructures.// Proc. SPIE, 2007, Vol. 6455.

3.I.M. Belousova, I.M. Kislyakov, E.Van Strayland (не опубликовано).