НИЗКОПОРОГОВЫЙ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК ФОТОХРОМНЫХ СТЕКОЛ С НАНОКРИСТАЛЛАМИ ХЛОРИДА МЕДИ
ÓÄÊ 535.241.13: 621.373.826
ÍÈÇÊÎÏÎÐÎÃÎÂÛÉ ÍÅËÈÍÅÉÍÎ-ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÎÒÊËÈÊ ÔÎÒÎÕÐÎÌÍÛÕ ÑÒÅÊÎË Ñ ÍÀÍÎÊÐÈÑÒÀËËÀÌÈ ÕËÎÐÈÄÀ ÌÅÄÈ
2008 ã. 2008 ã.
Í. Â. Íèêîíîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. È. Ñèäîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Â. À. Öåõîìñêèé*, äîêòîð õèì. íàóê; Î. Ï. Âèíîãðàäîâà**
** Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** ÍÏÊ “Ãîñóäàðñòâåííûé îïòè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
Å-mail: aisidorov@newmail.ru
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ôîòîõðîìíûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêîë ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà äëÿ íàíî- è ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ. Ïîêàçàíî, ÷òî îïòè÷åñêèé îòêëèê âîçíèêàåò ïðè ïëîòíîñòè ýíåðãèè 0,1–1 íÄæ/ñì2. Èçó÷åíî âëèÿíèå ïðåäâàðèòåëüíîé òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè, ðàçìåðà è êîíöåíòðàöèè íàíîêðèñòàëëîâ íà õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêîãî îòêëèêà.
Êîäû OCIS: 160.0160.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 06.08.2008.
Ââåäåíèå
Êîìïîçèòíûå ìàòåðèàëû ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè ïðåäñòàâëÿþò áîëüøîé ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðè ñîçäàíèè áûñòðîäåéñòâóþùèõ ïîëíîñòüþ îïòè÷åñêèõ ïåðåêëþ÷àòåëåé äëÿ ñèñòåì òåëåêîììóíèêàöèé, îïòè÷åñêîé îáðàáîòêè èíôîðìàöèè è ìîäóëÿöèè îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê â òàêèõ ìàòåðèàëàõ ìîæåò áûòü âûçâàí íàñûùåíèåì ýêñèòîííîãî ïîãëîùåíèÿ [1, 2], íàñûùåíèåì ìåæçîííîãî ïîãëîùåíèÿ (ýôôåêò Áóðøòåéíà–Ìîññà) [3], ôîòîãåíåðàöèåé öåíòðîâ îêðàñêè [4], èçìåíåíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ [5] è äðóãèìè ýôôåêòàìè. Ýôôåêòû, ñâÿçàííûå ñ ïðîñâåòëåíèåì êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè è êâàíòîâûìè òî÷êàìè íà îñíîâå õàëüêîãåíèäîâ ìåòàëëîâ èññëåäîâàíû äîñòàòî÷íî ïîäðîáíî [1, 2, 6].  îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòàõ ñ íàíî÷àñòèöàìè ãàëîãåíèäîâ ìåòàëëîâ ïîä äåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ ìîæåò íàáëþäàòüñÿ êàê ýôôåêò ïðîñâåòëåíèÿ â óçêîì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå, âûçâàííûé íàñûùåíèåì ýêñèòîííîãî ïîãëîùåíèÿ, òàê è øèðîêîïîëîñíûå ýôôåêòû îïòè÷åñêîãî îãðàíè÷åíèÿ, âûçâàííûå ôîòîãåíåðàöèåé öåíòðîâ îêðàñêè èëè îáðàòèìûì ôîòîëèçîì [4, 7]. Ïîñëåäíèé ýôôåêò ÿâëÿåòñÿ “ìåäëåííûì” è èñïîëüçóåòñÿ â ôîòîõðîìíûõ ñòåêëàõ ñ íàíî÷àñòèöàìè ãàëîãåíèäîâ ñåðåáðà è ìåäè [7]. Îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå â ðåçóëüòàòå ôîòîãåíåðàöèè öåíòðîâ îêðàñêè íàáëþäàëîñü â ñóñïåíçèÿõ íàíî÷àñòèö ãàëîãåíèäîâ ñåðåáðà ïðè âîçäåéñòâèè ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ èçëó÷åíèÿ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [4]. Äëÿ ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ òâåðäûå êîìïîçèòíûå ñðåäû, îáëàäàþùèå âûñîêèì îïòè÷åñêèì
êà÷åñòâîì, ìàëûìè ïîòåðÿìè è òåõíîëîãè÷íîñòüþ. Ýòèì êðèòåðèÿì îòâå÷àþò ôîòîõðîìíûå ñòåêëà ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè [7].
Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿëîñü ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå íèçêîïîðîãîâîãî íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ôîòîõðîìíûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè ïðè âîçäåéñòâèè íàíî- è ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà è èçó÷åíèå âëèÿíèÿ ïðåäâàðèòåëüíîé òåðìîîáðàáîòêè íà íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè òàêèõ ñòåêîë.
Ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
 ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëîñü ñèëèêàòíîå ñòåêëî, èìåþùåå îñíîâíîé íà÷àëüíûé ñîñòàâ Na2O– B2O3–Al2O3–SiO2–NaCl–CuO. Ïîëèðîâàííûå îáðàçöû ñòåêëà ïîäâåðãàëèñü òåðìîîáðàáîòêå ïðè òåìïåðàòóðàõ 500, 540 è 580 °Ñ â òå÷åíèå 10 ÷.  ðåçóëüòàòå òåðìîîáðàáîòêè â ñòåêëå ôîðìèðîâàëèñü íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè [7], êîíöåíòðàöèÿ è ðàçìåð êîòîðûõ çàâèñÿò îò ðåæèìà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè. Íèæå òåìïåðàòóðû 500 °Ñ, ò. å. íèæå òåìïåðàòóðû ðàçìÿã÷åíèÿ, íå ïðîèñõîäèò âûäåëåíèå íàíîêðèñòàëëîâ CuCl. Ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû è äëèòåëüíîñòè òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè íàáëþäàåòñÿ ðîñò íàíîêðèñòàëëîâ. Ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ ìîæåò áûòü îïðåäåëåí ïî ïîëîæåíèþ ìàêñèìóìà ýêñèòîííîé ïîëîñû èëè ïî òåìïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ íàíîêðèñòàëëîâ [7]. Ïî íàøèì îöåíêàì, â ðåçóëüòàòå îòæèãà ïðè òåìïåðàòóðå 580 °Ñ â òå÷åíèå 10 ÷ êîíöåíòðàöèÿ íàíî÷àñòèö õëîðèäà ìåäè ñîñòàâèëà 0,1%, à ñðåäíèé ðàçìåð íàíî÷àñòèö – 10–15 íì. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ äàííûìè, ïðè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
61
D 3
32 14
2
1
5
0 400 600 800 λ, íì
Ðèñ. 1. Ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ ôîòîõðîìíûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè. 1 – èñõîäíîå ñòåêëî, 2 – îòæèã ïðè t = 500 °Ñ, 3 – t = 540 °Ñ, 4 – t = 580 °Ñ, 5 – t = 580 °Ñ + îñâåùåíèå.
âåäåííûìè â [7]. Ïðè òåìïåðàòóðå îòæèãà 500 °Ñ ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ ñîñòàâëÿåò 1–3 íì, à èõ êîíöåíòðàöèÿ íå ïðåâûøàåò 0,01% [7].
Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ èñõîäíîãî ñòåêëà è îáðàçöîâ ñòåêëà, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó, à òàêæå ñïåêòð ïîãëîùåíèÿ ñòåêëà, îòîææåííîãî ïðè t = 580 °Ñ è ïîäâåðãíóòîãî îáëó÷åíèþ âèäèìûì ñâåòîì. Ïîëîñà ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 370–380 íì (êðèâûå 2–4) ñâÿçàíà ñ ìåæçîííûì è ýêñèòîííûì ïîãëîùåíèåì â íàíîêðèñòàëëàõ õëîðèäà ìåäè. Äëèííîâîëíîâûé ñäâèã ýòîé ïîëîñû ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè âûçâàí êâàíòîâî-ðàçìåðíûìè ýôôåêòàìè â ðåçóëüòàòå óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðîâ íàíîêðèñòàëëîâ. Ïîÿâëåíèå øèðîêîé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ íà ñïåêòðå îñâåùåííîãî îáðàçöà (êðèâàÿ 5) îáúÿñíÿåòñÿ ôîòîõðîìíûì ýôôåêòîì, ñâÿçàííûì ñ íàëè÷èåì â ñòåêëå íàíîêðèñòàëëîâ õëîðèäà ìåäè è èõ ôîòîëèçîì ïîä äåéñòâèåì ñâåòà. Ïîñëå âûäåðæêè îñâåùåííîãî îáðàçöà â òåìíîòå â òå÷åíèå 1 ÷ ïðîèñõîäèò ïîëíîå âîññòàíîâëåíèå èñõîäíîãî êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 400–800 íì.
Èçìåðåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà îáðàçöîâ ïðîâîäèëèñü â ïàðàëëåëüíîì ëàçåðíîì ïó÷êå äèàìåòðîì 4 ìì íà äëèíå âîëíû λ = 532 íì (äëèòåëüíîñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà τ = 5 íñ) è λ = 560 íì (τ = 35 ïñ). Ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà îáðàçåö, âàðüèðîâàëàñü â äèàïàçîíå îò 10–10 äî 10–3 Äæ äëÿ λ = 532 íì è â äèàïàçîíå îò 10–11 äî 10–2 Äæ äëÿ λ = 560 íì. Âîçäåéñòâèå èçëó÷åíèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé
ýíåðãèåé íå ïðèâîäèëî ê ïîÿâëåíèþ íåîáðàòèìûõ èçìåíåíèé îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îáðàçöîâ. Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Èññëåäîâàëèñü ñëåäóþùèå îáðàçöû:
¹ 1 – ñòåêëî, íå ïðîøåäøåå òåðìîîáðàáîòêó, òîëùèíà h = 4 ìì;
¹ 2 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 500 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 3 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 540 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 4 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 5 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì, ïðåäâàðèòåëüíîå îñâåùåíèå (1 ÷);
¹ 6 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), 8 ìì.
Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ¹ 1–4 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ Eâõ äëÿ λ = 532 íì è τ = 5 íñ.
Èñõîäíîå ñòåêëî (îáðàçåö ¹ 1) ïðîÿâëÿåò ñëàáî âûðàæåííóþ íåëèíåéíîñòü ïðè Åâõ > 10–6 Äæ. Îòæèã ïðè t = 500 °Ñ (îáðàçåö ¹ 2) ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íèçêîïîðîãîâîé íåëèíåéíîñòè ñ ïîðîãîì Åâõ ≈ 2×10–10 Äæ. Îïòè÷åñêèé îòêëèê â äàííîì ñëó÷àå íàáëþäàåòñÿ âî âñåì äèàïàçîíå ýíåðãèé ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû îòæèãà (îáðàçöû ¹ 3 è ¹ 4) ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ àìïëèòóäû íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà ïðè ýòîì ñìåùàåòñÿ â îáëàñòü ìåíüøèõ ýíåðãèé (Åâõ ≈ 10–10 Äæ),
Ò, îòí. åä. 1
1
0,5 2
3
4
0
10–10
10–8
10–6
10–4 Åâõ, Äæ
Ðèñ. 2. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêîë ñ
íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïðè λ = 532 íì è τ = 5 íñ. 1 – îáðàçåö ¹ 1, 2 – ¹ 2, 3 – ¹ 3, 4 – ¹ 4.
62 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
à ýíåðãåòè÷åñêèé äèàïàçîí ïðîÿâëåíèÿ îïòè÷åñêîé
íåëèíåéíîñòè ðåçêî ñîêðàùàåòñÿ. Ìàêñèìàëüíàÿ ìîäóëÿöèÿ êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ â ðåçóëüòàòå îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ñîñòàâëÿåò 6–7 ðàç.
Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ¹ 1–4 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ äëÿ λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî äëÿ ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê èñõîäíîãî ñòåêëà (êðèâàÿ 1) âîçíèêàåò óæå ïðè Åâõ ≈ 10–11 Äæ. Îäíàêî îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü ñëàáî âûðàæåíà è ïðîÿâëÿåòñÿ â øèðîêîì èíòåðâàëå ýíåðãèé. Ó îáðàçöîâ, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó, îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü âîçíèêàåò ïðè Åâõ ≈ 7×10–12 Äæ è ïðîÿâëÿåòñÿ â ðåçêîì óìåíüøåíèè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè Åâõ. Ïðè Åâõ > 10–9 Äæ êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ äàííûõ îáðàçöîâ ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ.
Íà ðèñ. 4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà
ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöà ¹ 5 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ äëÿ λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. Îòëè÷èå äàííîãî îáðàçöà îò îáðàçöà ¹ 4 çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî
â ðåçóëüòàòå ïðåäâàðèòåëüíîãî îñâåùåíèÿ ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷íûé è îáðàòèìûé ôîòîëèç íàíîêðèñòàëëîâ õëîðèäà ìåäè è â íèõ ôîðìèðóþòñÿ íåéòðàëü-
íûå àòîìû è êëàñòåðû ìåäè [7]. Îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü â äàííîì îáðàçöå ñëàáî îòëè÷àåòñÿ îò îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè “íåçàñâå÷åííîãî” îáðàçöà (ñð. ñ êðèâîé 3 íà ðèñ. 3). Ïðè Åâõ > 10–9 Äæ íàáëþäàåòñÿ ñëàáîå ïðîñâåòëåíèå îáðàçöà.
Óâåëè÷åíèå òîëùèíû îáðàçöà ïðèâîäèò ê óâåëè-
÷åíèþ äèàïàçîíà ýíåðãèé, â êîòîðîì ïðîÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê. Ýòî èëëþñòðèðóåò ðèñ. 5 íà êîòîðîì ïîêàçàíû ñðàâíèòåëüíûå õàðàê-
òåðèñòèêè íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà äëÿ îáðàçöîâ òîëùèíîé 4 è 8 ìì. Ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöà â 2 ðàçà ýíåðãåòè÷åñêèé èíòåðâàë îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè âîçðàñòàåò íà 6 ïîðÿäêîâ. Ïðè ýòîì íà çàâèñèìîñòè Ò(Åâõ) íàáëþäàåòñÿ ðÿä îñîáåííîñòåé.  ÷àñòíîñòè, â èíòåðâàëå ýíåðãèé îò 10–11 äî 10–10 Äæ íåëèíåéíûé ýôôåêò óìåíüøàåòñÿ, à ïðè Åâõ > 10–4 Äæ ïðîèñõîäèò íåáîëüøîå óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ.
Òàêèì îáðàçîì, â ôîòîõðîìíûõ ñòåêëàõ ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñîâ èçëó÷åíèÿ íàíî- è ïèêîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè âîçíèêàåò íèçêîïîðîãîâûé íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà óìåíüøàåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà. Õàðàêòåð íåëèíåéíî-îïòè-
Ò, %
60
40
20
0
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 4. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêëà ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè, ïîäâåðãíóòîãî ïðåäâàðèòåëüíîìó îñâåùåíèþ (îáðàçåö ¹ 5). λ = 560 íì è τ = 35 ïñ.
Ò, îòí. åä. 1
1
0,5 2 3
0 10–12
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 3. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêîë ñ
íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïðè λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. 1 – îáðàçåö ¹ 1, 2 – ¹ 3, 3 – ¹ 4.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
Ò, îòí. åä. 1
1
0,1 2
0,01
10–12
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 5. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê îáðàçöîâ
¹ 4 (h = 4 ìì) – 1 è ¹ 6 (h = 4 ìì) – 2. λ = 560 íì è τ = 35 ïñ.
63
÷åñêîãî îòêëèêà è ïîðîã åãî âîçíèêíîâåíèÿ çàâèñÿò îò ðåæèìà òåðìîîáðàáîòêè ñòåêëà è òîëùèíû îáðàçöà. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ïðîÿâëÿåòñÿ â îñíîâíîì, â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ, ïðè÷åì ýíåðãåòè÷åñêèé èíòåðâàë ñóùåñòâîâàíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè è ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà óìåíüøàþòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû îòæèãà ñòåêëà. Ñëàáî âûðàæåííàÿ íåëèíåéíîñòü íàáëþäàåòñÿ è â îáðàçöàõ ñòåêëà, íå ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó.
Ðàññìîòðèì âîçìîæíûå ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ íåëèíåéíîãî îòêëèêà. “Ìåäëåííûé” ôîòîõðîìèçì â ñòåêëàõ, ñîäåðæàùèõ íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè, íàáëþäàåòñÿ ïðè ðàçìåðå íàíîêðèñòàëëîâ, ïðåâûøàþùèõ 50 íì, è ñâÿçàí ñ èõ îáðàòèìûì ôîòîëèçîì [7]. Ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ è èõ êîíöåíòðàöèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ðåæèìîì òåðìîîáðàáîòêè è óâåëè÷èâàþòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû è âðåìåíè îòæèãà [7].  èññëåäîâàííîé ñåðèè îáðàçöîâ “ìåäëåííûé” ôîòîõðîìèçì íàáëþäàëñÿ òîëüêî äëÿ îáðàçöîâ, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó ïðè òåìïåðàòóðå 580 °Ñ. Îòñþäà ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî â îáðàçöàõ ¹ 2 è 3 íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè èìåþò ìåíüøèé ðàçìåð. Íà ýòî óêàçûâàåò è äëèííîâîëíîâûé ñäâèã ôóíäàìåíòàëüíîé è ýêñèòîííîé ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè (ðèñ. 1).
Îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü êðèñòàëëîâ è êðèñòàëëèòîâ õëîðèäà ìåäè â îñíîâíîì èññëåäîâàëàñü â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè áèýêñèòîííîãî ðåçîíàíñà [8, 9]. Ïðè âîçäåéñòâèè èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 385–390 íì â CuCl ìîæåò âîçíèêàòü íèçêîïîðîãîâûé îïòè÷åñêèé îòêëèê â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî ýòîò ýôôåêò ïðîÿâëÿåòñÿ ëèøü ïðè êðèîãåííûõ òåìïåðàòóðàõ.  íàøåì ñëó÷àå îòêëèê âîçíèêàåò ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå è ïðè áîëüøåé äëèíå âîëíû èçëó÷åíèÿ (λ = 530–560 íì). Ïîýòîìó äëÿ îáúÿñíåíèÿ íàáëþäàåìûõ ýôôåêòîâ ñëåäóåò ðàññìîòðåòü èíûå ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ îòêëèêà.
Øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû ìàêðîêðèñòàëëîâ CuCl ñîñòàâëÿåò 3,5 ý [7]. Ïðè ðàçìåðàõ êðèñòàëëîâ ìåíüøe 10 íì íà÷èíàþò ïðîÿâëÿòüñÿ êâàíòîâîðàçìåðíûå ýôôåêòû, ïðèâîäÿùèå ê óâåëè÷åíèþ øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû [10]. Ýíåðãèè êâàíòîâ èçëó÷åíèÿ â íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ñîñòàâëÿëè 2,35 ý (λ = 530 íì) è 2,2 ý (λ = 560 íì), ÷òî ìåíüøå øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû íàíîêðèñòàëëîâ CuCl. Âîçíèêíîâåíèå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ ïðåäïîëàãàåò ôîðìèðîâàíèå íåñòàáèëüíûõ öåíòðîâ îêðàñêè, ÷òî õàðàêòåðíî äëÿ íàíîêðèñòàëëîâ ãàëîãåíèäîâ ìåòàëëîâ [4]. Ôîðìèðîâàíèå öåíòðà îêðàñêè â âèäå íåéòðàëüíîãî àòîìà ìåäè ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì ïîãëî-
ùåíèÿ ôîòîíà ñ ãåíåðàöèåé ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà, êîòîðûé ìîæåò áûòü çàõâà÷åí èîíîì ìåäè. Ôîòîãåíåðàöèÿ ýëåêòðîíîâ ïðè ìåæçîííîì ïîãëîùåíèè â òàêèõ íàíîêðèñòàëëàõ íåâîçìîæíà èç-çà áîëüøîé øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû íàíîêðèñòàëëîâ. Íèçêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà òàêæå èñêëþ÷àåò âåðîÿòíîñòü äâóõôîòîííîãî ïîãëîùåíèÿ.  íàøåì ñëó÷àå ôîòîãåíåðàöèÿ ýëåêòðîíîâ â íàíîêðèñòàëëàõ CuCl ìîæåò áûòü âûçâàíà ñëåäóþùèì ìåõàíèçìîì. Íàíîêðèñòàëëû CuCl ñîäåðæàò äåôåêòû è ïðèìåñè, ñîçäàþùèå ãëóáîêèå ïðèìåñíûå óðîâíè â çàïðåùåííîé çîíå. Ïîýòîìó ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ìîãóò âîçíèêàòü â ðåçóëüòàòå îäíîôîòîííîãî ïðèìåñíîãî ïîãëîùåíèÿ, à òàêæå â ðåçóëüòàòå êàñêàäíûõ ïåðåõîäîâ.
Òàêèì îáðàçîì, ïðè÷èíîé íèçêîïîðîãîâîãî íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ â îáðàçöàõ ¹ 2–6 ÿâëÿåòñÿ ôîòîãåíåðàöèÿ öåíòðîâ îêðàñêè. Ïðåäâàðèòåëüíî îñâåùåííûé îáðàçåö (¹ 5) óæå ñîäåðæèò öåíòðû îêðàñêè. Íàëè÷èå â íåì íèçêîïîðîãîâîãî îòêëèêà óêàçûâàåò íà òî, ÷òî öåíòðû îêðàñêè, ñôîðìèðîâàííûå èìïóëüñíûì è íåïðåðûâíûì èçëó÷åíèåì, èìåþò ðàçëè÷íóþ ïðèðîäó. Òàê, öåíòðû îêðàñêè, âîçíèêøèå ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿ, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íåéòðàëüíûå àòîìû ìåäè. Öåíòðû îêðàñêè, âîçíèêøèå ïîä äåéñòâèåì íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ, ÿâëÿþòñÿ ìíîãîàòîìíûìè êëàñòåðàìè Cu0n.
Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èñõîäíîå ñòåêëî (îáðàçåö ¹ 1) òàêæå ñîäåðæèò ìàëûå êëàñòåðû õëîðèäà ìåäè, ñîñòîÿùèå èç äåñÿòêîâ-ñîòåí ìîëåêóë. Òàêèå êëàñòåðû ìîãóò ôîðìèðîâàòüñÿ êàê ïðè âàðêå ñòåêëà, òàê è â ïðîöåññå îñòûâàíèÿ ðàñïëàâà.  òàêèõ êëàñòåðàõ òàêæå ìîãóò ïðîèñõîäèòü ïðîöåññû, àíàëîãè÷íûå îïèñàííûì âûøå è ñîïðîâîæäàþùèåñÿ îáðàçîâàíèåì öåíòðîâ îêðàñêè. Îäíàêî âðåìÿ æèçíè öåíòðà îêðàñêè óìåíüøàåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè ðàçìåðà êëàñòåðà [10]. Ïîýòîìó íåëèíåéíîîïòè÷åñêèé îòêëèê îáðàçöà ¹ 1 âîçíèêàåò ïðè îòíîñèòåëüíî âûñîêîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ. Ïîãëîùåíèå ñâåòà ìàëûìè êëàñòåðàìè ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ è äðóãèìè ïðîöåññàìè, ïðèâîäÿùèìè ê îãðàíè÷åíèþ èçëó÷åíèÿ.  ÷àñòíîñòè, ïðè âîçáóæäåíèè êëàñòåðà êâàíòîì (èëè íåñêîëüêèìè êâàíòàìè) ñâåòà ìîæåò ïðîèñõîäèòü åãî ôîòîôðàãìåíòàöèÿ [10]. Ïðè ôîòîãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà ìîæåò ïðîèñõîäèòü “êóëîíîâñêèé âçðûâ” ìàëîãî êëàñòåðà [10]. Ðåçóëüòàòîì ýòèõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåòñÿ âûäåëåíèå êëàñòåðîâ ìåäè Cu0n, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ïîãëîùåíèÿ.
Çíà÷èòåëüíîå óâåëè÷åíèå ýíåðãåòè÷åñêîãî äèàïàçîíà îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöà ñâÿçàíî ñ ïðîñòðàíñòâåííîé äèíàìèêîé íåëèíåéíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â òîëñòîé
64 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
ñðåäå.  äàííîì ñëó÷àå ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâàíèå ãðàäèåíòà êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà. Ïîýòîìó ñëîè ìàòåðèàëà, ðàñïîëîæåííûå ó çàäíåé ãðàíè îáðàçöà, “âêëþ÷àþòñÿ” â íåëèíåéíûé ïðîöåññ ïðè áîëåå âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòÿõ èçëó÷åíèÿ. Óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöà ¹ 6 ïðè Åâõ > 10–4 Äæ ìîæåò áûòü âûçâàíî ôîòîèíäóöèðîâàííûì èçìåíåíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû è ôîðìèðîâàíèåì òîëñòîé äèíàìè÷åñêîé ëèíçû [5, 11]. Äëÿ íàøèõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñëîâèé òàêîé ïðîöåññ ìîæåò áûòü ñâÿçàí ñ ÷àñòè÷íîé ñàìîôîêóñèðîâêîé èçëó÷åíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû íà îñè ëàçåðíîãî ïó÷êà.
Âûâîäû
Ïðåäñòàâëåííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ñòåêëà, ñîäåðæàùèå íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè, îáëàäàþò íèçêîïîðîãîâîé îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòüþ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 530–560 íì. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà íå ïðåâûøàåò 10–10 Äæ, à âðåìÿ âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà – ìåíåå 35 ïñ. Ïðè÷èíîé âîçíèêíîâåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÿâëÿåòñÿ ôîòîãåíåðàöèÿ íåñòàáèëüíûõ öåíòðîâ îêðàñêè. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïðè ðàçðàáîòêå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ óïðàâëåíèÿ îïòè÷åñêèìè ñèãíàëàìè â óñòðîéñòâàõ èíòåãðàëüíîé îïòèêè, à òàêæå äëÿ íèçêîïîðîãîâûõ îãðàíè÷èòåëåé èçëó÷åíèÿ.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Ã.Í. Åðìîëàåâîé è Â.Á. Øèëîâó çà ïîìîùü ïðè ïðîâåäåíèè ýêñïåðèìåíòîâ. Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ÐÔÔÈ (ãðàíò ¹ 08-02-00084-à).
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Finlayson N., Banyai W.C., Seaton C.T. Optical nonlinearities in CdSxSe1 – x-doped glass waveguides // JOSA. B. 1989. V. 6. ¹ 4. P. 675–684.
12. Ohtsuka S., Koyama T., Tsunetomo K. Nonlinear optical property of CdTe microcrystalites-doped glasses fabricated by laser evaporation method // Appl. Phys. Lett. 1992. V. 61. ¹ 25. P. 2953–2954.
13. Ìîññ Ò., Áàððåë Ã., Ýëëèñ Á. Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ îïòîýëåêòðîíèêà. Ì.: Ìèð, 1976. 431 ñ.
14. Îñòðîñàáëèíà À.À., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. I. Ñàìîäåôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 7. Ñ. 36–41.
15. Sahyun M.R.V., Hill S.E., Serponel N. Optical limiting characteristics and mechanism of silver bromide nanosols // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. ¹ 10. P. 8030–8037.
16. Malyarevich A.M., Denisov I.A., Savitsky V.G. Glass doped with PbS quantum dots for passive Q switching of 1,54 µm laser // Appl. Opt. 2000. V. 39. ¹ 24. Ð. 4345–4347.
17. Dotsenko A.V., Glebov L.B., Tsekhomsky V.A. Physics and Chemistry of Photochromic Glasses. CRC Press LLC, 1998. 190 p.
18. Roussignol P., Ricard D., Lukasik J., Flytzanis C. // JOSA B. 1987. V. 4. ¹ 5. Ñ. 735–746.
19. Kalyaniwalla N., Haus J.W., Inguva R., Birnboim M.H. Intrinsic optical bistability for coated spheroidal particles // Phys. Rev. A. 1990. V. 2. Ñ. 5613–5624.
10. Ïóë ×., Îóýíñ Ô. Íàíîòåõíîëîãèè. Ì.: Òåõíîñôåðà. 2004. 327 ñ.
11. Ñèäîðîâ À.È. Äèíàìèêà ôîòîèíäóöèðîâàííîé ëèíçû â ïðèìåñíîì ïîëóïðîâîäíèêå âáëèçè ïîðîãà îïòè÷åñêîãî îãðàíè÷åíèÿ // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 2003. Ò. 29. Â. 7. Ñ. 77–80.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
65
ÍÈÇÊÎÏÎÐÎÃÎÂÛÉ ÍÅËÈÍÅÉÍÎ-ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÎÒÊËÈÊ ÔÎÒÎÕÐÎÌÍÛÕ ÑÒÅÊÎË Ñ ÍÀÍÎÊÐÈÑÒÀËËÀÌÈ ÕËÎÐÈÄÀ ÌÅÄÈ
2008 ã. 2008 ã.
Í. Â. Íèêîíîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. È. Ñèäîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Â. À. Öåõîìñêèé*, äîêòîð õèì. íàóê; Î. Ï. Âèíîãðàäîâà**
** Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** ÍÏÊ “Ãîñóäàðñòâåííûé îïòè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
Å-mail: aisidorov@newmail.ru
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ôîòîõðîìíûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêîë ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà äëÿ íàíî- è ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ. Ïîêàçàíî, ÷òî îïòè÷åñêèé îòêëèê âîçíèêàåò ïðè ïëîòíîñòè ýíåðãèè 0,1–1 íÄæ/ñì2. Èçó÷åíî âëèÿíèå ïðåäâàðèòåëüíîé òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè, ðàçìåðà è êîíöåíòðàöèè íàíîêðèñòàëëîâ íà õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêîãî îòêëèêà.
Êîäû OCIS: 160.0160.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 06.08.2008.
Ââåäåíèå
Êîìïîçèòíûå ìàòåðèàëû ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè ïðåäñòàâëÿþò áîëüøîé ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðè ñîçäàíèè áûñòðîäåéñòâóþùèõ ïîëíîñòüþ îïòè÷åñêèõ ïåðåêëþ÷àòåëåé äëÿ ñèñòåì òåëåêîììóíèêàöèé, îïòè÷åñêîé îáðàáîòêè èíôîðìàöèè è ìîäóëÿöèè îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê â òàêèõ ìàòåðèàëàõ ìîæåò áûòü âûçâàí íàñûùåíèåì ýêñèòîííîãî ïîãëîùåíèÿ [1, 2], íàñûùåíèåì ìåæçîííîãî ïîãëîùåíèÿ (ýôôåêò Áóðøòåéíà–Ìîññà) [3], ôîòîãåíåðàöèåé öåíòðîâ îêðàñêè [4], èçìåíåíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ [5] è äðóãèìè ýôôåêòàìè. Ýôôåêòû, ñâÿçàííûå ñ ïðîñâåòëåíèåì êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè è êâàíòîâûìè òî÷êàìè íà îñíîâå õàëüêîãåíèäîâ ìåòàëëîâ èññëåäîâàíû äîñòàòî÷íî ïîäðîáíî [1, 2, 6].  îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòàõ ñ íàíî÷àñòèöàìè ãàëîãåíèäîâ ìåòàëëîâ ïîä äåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ ìîæåò íàáëþäàòüñÿ êàê ýôôåêò ïðîñâåòëåíèÿ â óçêîì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå, âûçâàííûé íàñûùåíèåì ýêñèòîííîãî ïîãëîùåíèÿ, òàê è øèðîêîïîëîñíûå ýôôåêòû îïòè÷åñêîãî îãðàíè÷åíèÿ, âûçâàííûå ôîòîãåíåðàöèåé öåíòðîâ îêðàñêè èëè îáðàòèìûì ôîòîëèçîì [4, 7]. Ïîñëåäíèé ýôôåêò ÿâëÿåòñÿ “ìåäëåííûì” è èñïîëüçóåòñÿ â ôîòîõðîìíûõ ñòåêëàõ ñ íàíî÷àñòèöàìè ãàëîãåíèäîâ ñåðåáðà è ìåäè [7]. Îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå â ðåçóëüòàòå ôîòîãåíåðàöèè öåíòðîâ îêðàñêè íàáëþäàëîñü â ñóñïåíçèÿõ íàíî÷àñòèö ãàëîãåíèäîâ ñåðåáðà ïðè âîçäåéñòâèè ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ èçëó÷åíèÿ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [4]. Äëÿ ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ òâåðäûå êîìïîçèòíûå ñðåäû, îáëàäàþùèå âûñîêèì îïòè÷åñêèì
êà÷åñòâîì, ìàëûìè ïîòåðÿìè è òåõíîëîãè÷íîñòüþ. Ýòèì êðèòåðèÿì îòâå÷àþò ôîòîõðîìíûå ñòåêëà ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè [7].
Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿëîñü ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå íèçêîïîðîãîâîãî íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ôîòîõðîìíûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè ïðè âîçäåéñòâèè íàíî- è ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà è èçó÷åíèå âëèÿíèÿ ïðåäâàðèòåëüíîé òåðìîîáðàáîòêè íà íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè òàêèõ ñòåêîë.
Ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
 ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëîñü ñèëèêàòíîå ñòåêëî, èìåþùåå îñíîâíîé íà÷àëüíûé ñîñòàâ Na2O– B2O3–Al2O3–SiO2–NaCl–CuO. Ïîëèðîâàííûå îáðàçöû ñòåêëà ïîäâåðãàëèñü òåðìîîáðàáîòêå ïðè òåìïåðàòóðàõ 500, 540 è 580 °Ñ â òå÷åíèå 10 ÷.  ðåçóëüòàòå òåðìîîáðàáîòêè â ñòåêëå ôîðìèðîâàëèñü íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè [7], êîíöåíòðàöèÿ è ðàçìåð êîòîðûõ çàâèñÿò îò ðåæèìà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè. Íèæå òåìïåðàòóðû 500 °Ñ, ò. å. íèæå òåìïåðàòóðû ðàçìÿã÷åíèÿ, íå ïðîèñõîäèò âûäåëåíèå íàíîêðèñòàëëîâ CuCl. Ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû è äëèòåëüíîñòè òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè íàáëþäàåòñÿ ðîñò íàíîêðèñòàëëîâ. Ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ ìîæåò áûòü îïðåäåëåí ïî ïîëîæåíèþ ìàêñèìóìà ýêñèòîííîé ïîëîñû èëè ïî òåìïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ íàíîêðèñòàëëîâ [7]. Ïî íàøèì îöåíêàì, â ðåçóëüòàòå îòæèãà ïðè òåìïåðàòóðå 580 °Ñ â òå÷åíèå 10 ÷ êîíöåíòðàöèÿ íàíî÷àñòèö õëîðèäà ìåäè ñîñòàâèëà 0,1%, à ñðåäíèé ðàçìåð íàíî÷àñòèö – 10–15 íì. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ äàííûìè, ïðè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
61
D 3
32 14
2
1
5
0 400 600 800 λ, íì
Ðèñ. 1. Ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ ôîòîõðîìíûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè õëîðèäà ìåäè. 1 – èñõîäíîå ñòåêëî, 2 – îòæèã ïðè t = 500 °Ñ, 3 – t = 540 °Ñ, 4 – t = 580 °Ñ, 5 – t = 580 °Ñ + îñâåùåíèå.
âåäåííûìè â [7]. Ïðè òåìïåðàòóðå îòæèãà 500 °Ñ ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ ñîñòàâëÿåò 1–3 íì, à èõ êîíöåíòðàöèÿ íå ïðåâûøàåò 0,01% [7].
Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ èñõîäíîãî ñòåêëà è îáðàçöîâ ñòåêëà, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó, à òàêæå ñïåêòð ïîãëîùåíèÿ ñòåêëà, îòîææåííîãî ïðè t = 580 °Ñ è ïîäâåðãíóòîãî îáëó÷åíèþ âèäèìûì ñâåòîì. Ïîëîñà ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 370–380 íì (êðèâûå 2–4) ñâÿçàíà ñ ìåæçîííûì è ýêñèòîííûì ïîãëîùåíèåì â íàíîêðèñòàëëàõ õëîðèäà ìåäè. Äëèííîâîëíîâûé ñäâèã ýòîé ïîëîñû ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè âûçâàí êâàíòîâî-ðàçìåðíûìè ýôôåêòàìè â ðåçóëüòàòå óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðîâ íàíîêðèñòàëëîâ. Ïîÿâëåíèå øèðîêîé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ íà ñïåêòðå îñâåùåííîãî îáðàçöà (êðèâàÿ 5) îáúÿñíÿåòñÿ ôîòîõðîìíûì ýôôåêòîì, ñâÿçàííûì ñ íàëè÷èåì â ñòåêëå íàíîêðèñòàëëîâ õëîðèäà ìåäè è èõ ôîòîëèçîì ïîä äåéñòâèåì ñâåòà. Ïîñëå âûäåðæêè îñâåùåííîãî îáðàçöà â òåìíîòå â òå÷åíèå 1 ÷ ïðîèñõîäèò ïîëíîå âîññòàíîâëåíèå èñõîäíîãî êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 400–800 íì.
Èçìåðåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà îáðàçöîâ ïðîâîäèëèñü â ïàðàëëåëüíîì ëàçåðíîì ïó÷êå äèàìåòðîì 4 ìì íà äëèíå âîëíû λ = 532 íì (äëèòåëüíîñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà τ = 5 íñ) è λ = 560 íì (τ = 35 ïñ). Ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà îáðàçåö, âàðüèðîâàëàñü â äèàïàçîíå îò 10–10 äî 10–3 Äæ äëÿ λ = 532 íì è â äèàïàçîíå îò 10–11 äî 10–2 Äæ äëÿ λ = 560 íì. Âîçäåéñòâèå èçëó÷åíèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé
ýíåðãèåé íå ïðèâîäèëî ê ïîÿâëåíèþ íåîáðàòèìûõ èçìåíåíèé îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îáðàçöîâ. Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Èññëåäîâàëèñü ñëåäóþùèå îáðàçöû:
¹ 1 – ñòåêëî, íå ïðîøåäøåå òåðìîîáðàáîòêó, òîëùèíà h = 4 ìì;
¹ 2 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 500 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 3 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 540 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 4 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì;
¹ 5 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), h = 4 ìì, ïðåäâàðèòåëüíîå îñâåùåíèå (1 ÷);
¹ 6 – ñòåêëî ñ òåðìîîáðàáîòêîé ïðè t = 580 °Ñ (10 ÷), 8 ìì.
Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ¹ 1–4 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ Eâõ äëÿ λ = 532 íì è τ = 5 íñ.
Èñõîäíîå ñòåêëî (îáðàçåö ¹ 1) ïðîÿâëÿåò ñëàáî âûðàæåííóþ íåëèíåéíîñòü ïðè Åâõ > 10–6 Äæ. Îòæèã ïðè t = 500 °Ñ (îáðàçåö ¹ 2) ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íèçêîïîðîãîâîé íåëèíåéíîñòè ñ ïîðîãîì Åâõ ≈ 2×10–10 Äæ. Îïòè÷åñêèé îòêëèê â äàííîì ñëó÷àå íàáëþäàåòñÿ âî âñåì äèàïàçîíå ýíåðãèé ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû îòæèãà (îáðàçöû ¹ 3 è ¹ 4) ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ àìïëèòóäû íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà ïðè ýòîì ñìåùàåòñÿ â îáëàñòü ìåíüøèõ ýíåðãèé (Åâõ ≈ 10–10 Äæ),
Ò, îòí. åä. 1
1
0,5 2
3
4
0
10–10
10–8
10–6
10–4 Åâõ, Äæ
Ðèñ. 2. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêîë ñ
íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïðè λ = 532 íì è τ = 5 íñ. 1 – îáðàçåö ¹ 1, 2 – ¹ 2, 3 – ¹ 3, 4 – ¹ 4.
62 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
à ýíåðãåòè÷åñêèé äèàïàçîí ïðîÿâëåíèÿ îïòè÷åñêîé
íåëèíåéíîñòè ðåçêî ñîêðàùàåòñÿ. Ìàêñèìàëüíàÿ ìîäóëÿöèÿ êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ â ðåçóëüòàòå îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ñîñòàâëÿåò 6–7 ðàç.
Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ¹ 1–4 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ äëÿ λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî äëÿ ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê èñõîäíîãî ñòåêëà (êðèâàÿ 1) âîçíèêàåò óæå ïðè Åâõ ≈ 10–11 Äæ. Îäíàêî îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü ñëàáî âûðàæåíà è ïðîÿâëÿåòñÿ â øèðîêîì èíòåðâàëå ýíåðãèé. Ó îáðàçöîâ, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó, îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü âîçíèêàåò ïðè Åâõ ≈ 7×10–12 Äæ è ïðîÿâëÿåòñÿ â ðåçêîì óìåíüøåíèè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè Åâõ. Ïðè Åâõ > 10–9 Äæ êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ äàííûõ îáðàçöîâ ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ.
Íà ðèñ. 4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà
ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöà ¹ 5 îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ äëÿ λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. Îòëè÷èå äàííîãî îáðàçöà îò îáðàçöà ¹ 4 çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî
â ðåçóëüòàòå ïðåäâàðèòåëüíîãî îñâåùåíèÿ ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷íûé è îáðàòèìûé ôîòîëèç íàíîêðèñòàëëîâ õëîðèäà ìåäè è â íèõ ôîðìèðóþòñÿ íåéòðàëü-
íûå àòîìû è êëàñòåðû ìåäè [7]. Îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü â äàííîì îáðàçöå ñëàáî îòëè÷àåòñÿ îò îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè “íåçàñâå÷åííîãî” îáðàçöà (ñð. ñ êðèâîé 3 íà ðèñ. 3). Ïðè Åâõ > 10–9 Äæ íàáëþäàåòñÿ ñëàáîå ïðîñâåòëåíèå îáðàçöà.
Óâåëè÷åíèå òîëùèíû îáðàçöà ïðèâîäèò ê óâåëè-
÷åíèþ äèàïàçîíà ýíåðãèé, â êîòîðîì ïðîÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê. Ýòî èëëþñòðèðóåò ðèñ. 5 íà êîòîðîì ïîêàçàíû ñðàâíèòåëüíûå õàðàê-
òåðèñòèêè íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà äëÿ îáðàçöîâ òîëùèíîé 4 è 8 ìì. Ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöà â 2 ðàçà ýíåðãåòè÷åñêèé èíòåðâàë îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè âîçðàñòàåò íà 6 ïîðÿäêîâ. Ïðè ýòîì íà çàâèñèìîñòè Ò(Åâõ) íàáëþäàåòñÿ ðÿä îñîáåííîñòåé.  ÷àñòíîñòè, â èíòåðâàëå ýíåðãèé îò 10–11 äî 10–10 Äæ íåëèíåéíûé ýôôåêò óìåíüøàåòñÿ, à ïðè Åâõ > 10–4 Äæ ïðîèñõîäèò íåáîëüøîå óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ.
Òàêèì îáðàçîì, â ôîòîõðîìíûõ ñòåêëàõ ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñîâ èçëó÷åíèÿ íàíî- è ïèêîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè âîçíèêàåò íèçêîïîðîãîâûé íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà óìåíüøàåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà. Õàðàêòåð íåëèíåéíî-îïòè-
Ò, %
60
40
20
0
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 4. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêëà ñ íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè, ïîäâåðãíóòîãî ïðåäâàðèòåëüíîìó îñâåùåíèþ (îáðàçåö ¹ 5). λ = 560 íì è τ = 35 ïñ.
Ò, îòí. åä. 1
1
0,5 2 3
0 10–12
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 3. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ñòåêîë ñ
íàíîêðèñòàëëàìè õëîðèäà ìåäè ïðè λ = 560 íì è τ = 35 ïñ. 1 – îáðàçåö ¹ 1, 2 – ¹ 3, 3 – ¹ 4.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
Ò, îòí. åä. 1
1
0,1 2
0,01
10–12
10–10
10–8
10–6
10–4
10–2
Åâõ, Äæ
Ðèñ. 5. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê îáðàçöîâ
¹ 4 (h = 4 ìì) – 1 è ¹ 6 (h = 4 ìì) – 2. λ = 560 íì è τ = 35 ïñ.
63
÷åñêîãî îòêëèêà è ïîðîã åãî âîçíèêíîâåíèÿ çàâèñÿò îò ðåæèìà òåðìîîáðàáîòêè ñòåêëà è òîëùèíû îáðàçöà. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ïðîÿâëÿåòñÿ â îñíîâíîì, â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ, ïðè÷åì ýíåðãåòè÷åñêèé èíòåðâàë ñóùåñòâîâàíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè è ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà óìåíüøàþòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû îòæèãà ñòåêëà. Ñëàáî âûðàæåííàÿ íåëèíåéíîñòü íàáëþäàåòñÿ è â îáðàçöàõ ñòåêëà, íå ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó.
Ðàññìîòðèì âîçìîæíûå ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ íåëèíåéíîãî îòêëèêà. “Ìåäëåííûé” ôîòîõðîìèçì â ñòåêëàõ, ñîäåðæàùèõ íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè, íàáëþäàåòñÿ ïðè ðàçìåðå íàíîêðèñòàëëîâ, ïðåâûøàþùèõ 50 íì, è ñâÿçàí ñ èõ îáðàòèìûì ôîòîëèçîì [7]. Ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ è èõ êîíöåíòðàöèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ðåæèìîì òåðìîîáðàáîòêè è óâåëè÷èâàþòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû è âðåìåíè îòæèãà [7].  èññëåäîâàííîé ñåðèè îáðàçöîâ “ìåäëåííûé” ôîòîõðîìèçì íàáëþäàëñÿ òîëüêî äëÿ îáðàçöîâ, ïðîøåäøèõ òåðìîîáðàáîòêó ïðè òåìïåðàòóðå 580 °Ñ. Îòñþäà ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî â îáðàçöàõ ¹ 2 è 3 íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè èìåþò ìåíüøèé ðàçìåð. Íà ýòî óêàçûâàåò è äëèííîâîëíîâûé ñäâèã ôóíäàìåíòàëüíîé è ýêñèòîííîé ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè (ðèñ. 1).
Îïòè÷åñêàÿ íåëèíåéíîñòü êðèñòàëëîâ è êðèñòàëëèòîâ õëîðèäà ìåäè â îñíîâíîì èññëåäîâàëàñü â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè áèýêñèòîííîãî ðåçîíàíñà [8, 9]. Ïðè âîçäåéñòâèè èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 385–390 íì â CuCl ìîæåò âîçíèêàòü íèçêîïîðîãîâûé îïòè÷åñêèé îòêëèê â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî ýòîò ýôôåêò ïðîÿâëÿåòñÿ ëèøü ïðè êðèîãåííûõ òåìïåðàòóðàõ.  íàøåì ñëó÷àå îòêëèê âîçíèêàåò ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå è ïðè áîëüøåé äëèíå âîëíû èçëó÷åíèÿ (λ = 530–560 íì). Ïîýòîìó äëÿ îáúÿñíåíèÿ íàáëþäàåìûõ ýôôåêòîâ ñëåäóåò ðàññìîòðåòü èíûå ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ îòêëèêà.
Øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû ìàêðîêðèñòàëëîâ CuCl ñîñòàâëÿåò 3,5 ý [7]. Ïðè ðàçìåðàõ êðèñòàëëîâ ìåíüøe 10 íì íà÷èíàþò ïðîÿâëÿòüñÿ êâàíòîâîðàçìåðíûå ýôôåêòû, ïðèâîäÿùèå ê óâåëè÷åíèþ øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû [10]. Ýíåðãèè êâàíòîâ èçëó÷åíèÿ â íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ñîñòàâëÿëè 2,35 ý (λ = 530 íì) è 2,2 ý (λ = 560 íì), ÷òî ìåíüøå øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû íàíîêðèñòàëëîâ CuCl. Âîçíèêíîâåíèå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ ïðåäïîëàãàåò ôîðìèðîâàíèå íåñòàáèëüíûõ öåíòðîâ îêðàñêè, ÷òî õàðàêòåðíî äëÿ íàíîêðèñòàëëîâ ãàëîãåíèäîâ ìåòàëëîâ [4]. Ôîðìèðîâàíèå öåíòðà îêðàñêè â âèäå íåéòðàëüíîãî àòîìà ìåäè ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì ïîãëî-
ùåíèÿ ôîòîíà ñ ãåíåðàöèåé ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà, êîòîðûé ìîæåò áûòü çàõâà÷åí èîíîì ìåäè. Ôîòîãåíåðàöèÿ ýëåêòðîíîâ ïðè ìåæçîííîì ïîãëîùåíèè â òàêèõ íàíîêðèñòàëëàõ íåâîçìîæíà èç-çà áîëüøîé øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû íàíîêðèñòàëëîâ. Íèçêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà òàêæå èñêëþ÷àåò âåðîÿòíîñòü äâóõôîòîííîãî ïîãëîùåíèÿ.  íàøåì ñëó÷àå ôîòîãåíåðàöèÿ ýëåêòðîíîâ â íàíîêðèñòàëëàõ CuCl ìîæåò áûòü âûçâàíà ñëåäóþùèì ìåõàíèçìîì. Íàíîêðèñòàëëû CuCl ñîäåðæàò äåôåêòû è ïðèìåñè, ñîçäàþùèå ãëóáîêèå ïðèìåñíûå óðîâíè â çàïðåùåííîé çîíå. Ïîýòîìó ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ìîãóò âîçíèêàòü â ðåçóëüòàòå îäíîôîòîííîãî ïðèìåñíîãî ïîãëîùåíèÿ, à òàêæå â ðåçóëüòàòå êàñêàäíûõ ïåðåõîäîâ.
Òàêèì îáðàçîì, ïðè÷èíîé íèçêîïîðîãîâîãî íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà â âèäå îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ â îáðàçöàõ ¹ 2–6 ÿâëÿåòñÿ ôîòîãåíåðàöèÿ öåíòðîâ îêðàñêè. Ïðåäâàðèòåëüíî îñâåùåííûé îáðàçåö (¹ 5) óæå ñîäåðæèò öåíòðû îêðàñêè. Íàëè÷èå â íåì íèçêîïîðîãîâîãî îòêëèêà óêàçûâàåò íà òî, ÷òî öåíòðû îêðàñêè, ñôîðìèðîâàííûå èìïóëüñíûì è íåïðåðûâíûì èçëó÷åíèåì, èìåþò ðàçëè÷íóþ ïðèðîäó. Òàê, öåíòðû îêðàñêè, âîçíèêøèå ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿ, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íåéòðàëüíûå àòîìû ìåäè. Öåíòðû îêðàñêè, âîçíèêøèå ïîä äåéñòâèåì íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ, ÿâëÿþòñÿ ìíîãîàòîìíûìè êëàñòåðàìè Cu0n.
Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èñõîäíîå ñòåêëî (îáðàçåö ¹ 1) òàêæå ñîäåðæèò ìàëûå êëàñòåðû õëîðèäà ìåäè, ñîñòîÿùèå èç äåñÿòêîâ-ñîòåí ìîëåêóë. Òàêèå êëàñòåðû ìîãóò ôîðìèðîâàòüñÿ êàê ïðè âàðêå ñòåêëà, òàê è â ïðîöåññå îñòûâàíèÿ ðàñïëàâà.  òàêèõ êëàñòåðàõ òàêæå ìîãóò ïðîèñõîäèòü ïðîöåññû, àíàëîãè÷íûå îïèñàííûì âûøå è ñîïðîâîæäàþùèåñÿ îáðàçîâàíèåì öåíòðîâ îêðàñêè. Îäíàêî âðåìÿ æèçíè öåíòðà îêðàñêè óìåíüøàåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè ðàçìåðà êëàñòåðà [10]. Ïîýòîìó íåëèíåéíîîïòè÷åñêèé îòêëèê îáðàçöà ¹ 1 âîçíèêàåò ïðè îòíîñèòåëüíî âûñîêîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ. Ïîãëîùåíèå ñâåòà ìàëûìè êëàñòåðàìè ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ è äðóãèìè ïðîöåññàìè, ïðèâîäÿùèìè ê îãðàíè÷åíèþ èçëó÷åíèÿ.  ÷àñòíîñòè, ïðè âîçáóæäåíèè êëàñòåðà êâàíòîì (èëè íåñêîëüêèìè êâàíòàìè) ñâåòà ìîæåò ïðîèñõîäèòü åãî ôîòîôðàãìåíòàöèÿ [10]. Ïðè ôîòîãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà ìîæåò ïðîèñõîäèòü “êóëîíîâñêèé âçðûâ” ìàëîãî êëàñòåðà [10]. Ðåçóëüòàòîì ýòèõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåòñÿ âûäåëåíèå êëàñòåðîâ ìåäè Cu0n, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ïîãëîùåíèÿ.
Çíà÷èòåëüíîå óâåëè÷åíèå ýíåðãåòè÷åñêîãî äèàïàçîíà îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöà ñâÿçàíî ñ ïðîñòðàíñòâåííîé äèíàìèêîé íåëèíåéíîãî ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â òîëñòîé
64 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
ñðåäå.  äàííîì ñëó÷àå ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâàíèå ãðàäèåíòà êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà. Ïîýòîìó ñëîè ìàòåðèàëà, ðàñïîëîæåííûå ó çàäíåé ãðàíè îáðàçöà, “âêëþ÷àþòñÿ” â íåëèíåéíûé ïðîöåññ ïðè áîëåå âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòÿõ èçëó÷åíèÿ. Óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöà ¹ 6 ïðè Åâõ > 10–4 Äæ ìîæåò áûòü âûçâàíî ôîòîèíäóöèðîâàííûì èçìåíåíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû è ôîðìèðîâàíèåì òîëñòîé äèíàìè÷åñêîé ëèíçû [5, 11]. Äëÿ íàøèõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñëîâèé òàêîé ïðîöåññ ìîæåò áûòü ñâÿçàí ñ ÷àñòè÷íîé ñàìîôîêóñèðîâêîé èçëó÷åíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû íà îñè ëàçåðíîãî ïó÷êà.
Âûâîäû
Ïðåäñòàâëåííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ñòåêëà, ñîäåðæàùèå íàíîêðèñòàëëû õëîðèäà ìåäè, îáëàäàþò íèçêîïîðîãîâîé îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòüþ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 530–560 íì. Ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà íå ïðåâûøàåò 10–10 Äæ, à âðåìÿ âîçíèêíîâåíèÿ îòêëèêà – ìåíåå 35 ïñ. Ïðè÷èíîé âîçíèêíîâåíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÿâëÿåòñÿ ôîòîãåíåðàöèÿ íåñòàáèëüíûõ öåíòðîâ îêðàñêè. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïðè ðàçðàáîòêå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ óïðàâëåíèÿ îïòè÷åñêèìè ñèãíàëàìè â óñòðîéñòâàõ èíòåãðàëüíîé îïòèêè, à òàêæå äëÿ íèçêîïîðîãîâûõ îãðàíè÷èòåëåé èçëó÷åíèÿ.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Ã.Í. Åðìîëàåâîé è Â.Á. Øèëîâó çà ïîìîùü ïðè ïðîâåäåíèè ýêñïåðèìåíòîâ. Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ÐÔÔÈ (ãðàíò ¹ 08-02-00084-à).
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Finlayson N., Banyai W.C., Seaton C.T. Optical nonlinearities in CdSxSe1 – x-doped glass waveguides // JOSA. B. 1989. V. 6. ¹ 4. P. 675–684.
12. Ohtsuka S., Koyama T., Tsunetomo K. Nonlinear optical property of CdTe microcrystalites-doped glasses fabricated by laser evaporation method // Appl. Phys. Lett. 1992. V. 61. ¹ 25. P. 2953–2954.
13. Ìîññ Ò., Áàððåë Ã., Ýëëèñ Á. Ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ îïòîýëåêòðîíèêà. Ì.: Ìèð, 1976. 431 ñ.
14. Îñòðîñàáëèíà À.À., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. I. Ñàìîäåôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 7. Ñ. 36–41.
15. Sahyun M.R.V., Hill S.E., Serponel N. Optical limiting characteristics and mechanism of silver bromide nanosols // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. ¹ 10. P. 8030–8037.
16. Malyarevich A.M., Denisov I.A., Savitsky V.G. Glass doped with PbS quantum dots for passive Q switching of 1,54 µm laser // Appl. Opt. 2000. V. 39. ¹ 24. Ð. 4345–4347.
17. Dotsenko A.V., Glebov L.B., Tsekhomsky V.A. Physics and Chemistry of Photochromic Glasses. CRC Press LLC, 1998. 190 p.
18. Roussignol P., Ricard D., Lukasik J., Flytzanis C. // JOSA B. 1987. V. 4. ¹ 5. Ñ. 735–746.
19. Kalyaniwalla N., Haus J.W., Inguva R., Birnboim M.H. Intrinsic optical bistability for coated spheroidal particles // Phys. Rev. A. 1990. V. 2. Ñ. 5613–5624.
10. Ïóë ×., Îóýíñ Ô. Íàíîòåõíîëîãèè. Ì.: Òåõíîñôåðà. 2004. 327 ñ.
11. Ñèäîðîâ À.È. Äèíàìèêà ôîòîèíäóöèðîâàííîé ëèíçû â ïðèìåñíîì ïîëóïðîâîäíèêå âáëèçè ïîðîãà îïòè÷åñêîãî îãðàíè÷åíèÿ // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 2003. Ò. 29. Â. 7. Ñ. 77–80.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 12, 2008
65