Регистрация / Вход
Прислать материал

Генерационные характеристики тонкослойных излучателей с диэлектрическими и металлическими наночастицами

Сведения об участнике
ФИО
Зиновьев Михаил Михайлович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Генерационные характеристики тонкослойных излучателей с диэлектрическими и металлическими наночастицами
Резюме
В настоящее время в лазерной физике интенсивно развивается новое направление – random lasing («случайная лазерная генерация в нанодисперсных активных средах). Работа по повышению эффективности безрезонаторной генерации в таких композитах идет в направлении использования в качестве эффективных рассеивателей плазмонно-резонансных наночастиц. Альтернативный подход состоит в использовании в качестве рассеивателей не одиночных наночастиц, а агломератов из наночастиц, причем не обязательно плазмонно-резонансных, поскольку вблизи поверхности наночастиц сложной формы возникают локальные поля повышенной плотности мощности.
Ключевые слова
Безрезонаторный, плазмонно-резонансный, наночастицы, агломераты
Цели и задачи
Повышение эффективности генерации нанодисперсных активных сред (жидких органических красителей), за счет внедрения в такие среды агломерированных наночастиц. Снижение порогов генерации нанодисперсных сред.
Введение

В настоящее время активно развивается тенденция миниатюризации лазерных излучателей. В данном направлении перспективным является исследование таких активных сред, которые представляют собой композиты, состоящие из лазерно-активных молекул с внедренными наночастицами (НЧ) различных материалов. НЧ , в том числе плазмонно-резонансные, в активной среде приводят к существенному увеличению происходящих в ней оптических процессов. Наряду с этим, вблизи поверхности агломерированных НЧ существуют зоны, в которых интенсивности оптических полей могут превышать интенсивность падающего поля на порядки даже в отсутствии плазмонного резонанса. Использование агломерированных НЧ является перспективой для создания новых микроизлучателей.

 

Методы и материалы

Материалы: агломерированные наночастицы металлов, таких как золото, серебро, платина и алюминий, а так же диэлектриков - оксид алюминия, оксид титана. Органический лазерный краситель типа Родамин 6Ж (Rhodamine 6G).

Методы: добавление в жидкий органический краситель различных вышеуказанных частиц, помещение данного композита в ультразвуковую машину для равномерности разпределения наночастиц в активной среде, дальнейшее помещение композитного раствора в кювету толщиной 20 мкм. Проведение эксперимента с помощью специальной установки, обработка результатов.

Описание и обсуждение результатов

Полученные данные позволили установить, что для композитных растворов типа лазерный краситель+рассеивающие наночастицы существует оптимальный диапазон концентраций наночастиц, в котором пороги генерации снижаются на порядки (максимум до 3 порядков при использовании НЧ серебра и алюминия). Такие диапазоны были экспериментально установлены для всех исследованных тонкослойных растворов. Кроме этого, были получены спектральные характеристики, а именно: 1) зависимость ширины спектра (взятой по полувысоте) от концентрации наночастиц; 2) зависимость длины волны максимума спектра генерации от концентрации наночастиц. Полученные зависимости, во-первых, подтвердили тот факт, что в диапазоне концентрации с реализацией минимальных порогов генерации реализуется наиболее эффективная генерация. Во-вторых, динамика изменения длины волны максимума спектра генерации позволяет говорить о различных механизмах низкопороговой генерации в тонкослойных растворах в зависимости от концентрации рассеивателей. 

Исследование динамики изменения спектров поглощения коллоидных растворов наночастиц золота и платины показало, что данные наночастицы по прошествии времени агломерируются. Эксперимент, проведенный с использованием плазмонных (на длине волны накачки 532 нм) наночастиц золота и неплазмонных наночастиц платины, показал, что эффект плазмонного резонанса оказывает незначительное влияние на пороги генерации. Это утверждение основано на результатах нескольких экспериментов, проведенных с данными наночастицами. Максимальное отличие порогов генерации при использовании наночастиц золота и платины составляет до 2-х раз, в то время как общее понижение порогов генерации по сравнению с порогом генерации чистого красителя составляет около 2-х порядков, т.е. более чем в 100 раз. Поведение пороговых зависимостей, для всех используемых в эксперименте наночастиц металлов схоже между собой. Зависимости представляют собой «ковш» с диапазоном минимальных пороговых энергий генерации от 1-го до 2-х порядков. При отклонении от этого диапазона пороги генерации активной среды начинают возрастать.

Стоит отметить тот факт, что при использовании металлических наночастиц достигаются наилучшие спектральные характеристики активных композитных растворов (пороговая энергия генерации, сужение спектра генерации), однако металлические обладают серьезным недостатком по отношению к диэлектрическим наночастицам – они греются. Поэтому при работе с большими энергиями накачки целесообразнее использовать именно диэлектрические наночастицы.

Используемые источники
1. Маркушев В.М., Золин В.Ф., Брискина Ч.М. Порошковый лазер // ЖПС – 1986.

– Т.45. – C.847-850

2. Донченко В.А., Землянов Ал.А., Панамарев Н.С. и др. Оптические

характеристики нанодисперсных активных сред. Томск: Изд-во НТЛ, 2012.

128 с.

3. Drachev V. P., Kildishev A. V., Shalaev V.M. et.al. Loss-free and active optical

negative-index metamaterials // Nature letters. – August 5. 2010. – V.466. – P.735-

738

4. Xingjie Ni, Thoreson M.D., Shalaev V. M. et.al. Loss-compensated and active

hyperbolic metamaterials // Optics express. – 2011. – V.19, №25. – P. 25242-25254

5. Летохов В.С. Генерация света рассеивающей средой с отрицательным

резонансным поглощением // Письма в ЖЭТФ. – 1967. –Т.5. – С.262

6. Cao H. Lasing in random laser // Waves Random Media. Topical Review. – 2003. –

V.13. – R1-R39



Information about the project
Surname Name
Mikhail Zinovev
Project title
Lasing characteristics of thin-film emitters with dielectric and metal nanoparticles
Summary of the project
The findings revealed that for composite solutions such as laser dye + scattering nanoparticles there is an optimal range of concentrations of nanoparticles in which the lasing thresholds are reduced by orders of magnitude (up to 3 orders of magnitude by using the low silver and aluminum). These ranges were experimentally established for all studied thin-layer solutions. In addition, the spectral characteristics were obtained, namely: 1) the dependence of the spectral width (FWHM taken) on the concentration of the nanoparticles; 2) dependence of the spectrum peak lasing wavelength of the concentration of the nanoparticles. Obtained according to, firstly, have confirmed the fact that the concentration in the range of minimum to the implementation of thresholds implemented generating the most efficient generation. Secondly, changes in the generation spectrum peak wavelength allows to speak about the different mechanisms of low-threshold generation of thin-film solutions, depending on the concentration of scatterers.
Keywords
Cavityless, plasmon resonance, nanoparticles, agglomerates