RU2267145C2 - Non-linear optical environment - Google Patents
Non-linear optical environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267145C2 RU2267145C2 RU2003126267/28A RU2003126267A RU2267145C2 RU 2267145 C2 RU2267145 C2 RU 2267145C2 RU 2003126267/28 A RU2003126267/28 A RU 2003126267/28A RU 2003126267 A RU2003126267 A RU 2003126267A RU 2267145 C2 RU2267145 C2 RU 2267145C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shell
- linear
- optical
- radiation
- nanoparticles
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике.The invention relates to optics and can be used in laser technology.
Известен нелинейно-оптический материал, выбранный в качестве аналога. Нелинейно-оптический материал включает в себя наночастицы, имеющие ядро из галогенидов серебра (AgCl и AgBr) с оболочкой из островковой пленки серебра [1]. Оптическая нелинейность проявляется в виде ограничения излучения. Механизмом нелинейности является электрострикционный эффект, усиленный плазменным резонансом. Порог ограничения лазерного излучения 15 мкДж/см2, на λ=10.6 мкм, при длительности лазерного импульса τ=1 мкс. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.Known non-linear optical material selected as an analogue. Nonlinear optical material includes nanoparticles having a core of silver halides (AgCl and AgBr) with a shell of an island silver film [1]. Optical nonlinearity manifests itself in the form of radiation limitation. The mechanism of nonlinearity is the electrostriction effect enhanced by plasma resonance. The laser radiation restriction threshold is 15 μJ / cm 2 , at λ = 10.6 μm, with a laser pulse duration of τ = 1 μs. The disadvantage of this material is the high energy threshold for the manifestation of a nonlinear optical response.
Известен также нелинейно-оптический материал, выбранный в качестве аналога. Нелинейно-оптический материал состоит из наночастиц, имеющих ядро из Au2S и оболочку из Au в прозрачной полимерной матрице [2, 3]. Нелинейный оптический отклик проявляется в виде просветления среды. Механизм нелинейности заключается в сдвиге полосы поглощения, связанной с плазменным резонансом при изменении диэлектрической проницаемости оболочки. Эффект возникает при плотности энергии излучения более 100 мкДж/см2, на λ=865 нм, при τ=50 фс. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.Also known non-linear optical material selected as an analogue. A nonlinear optical material consists of nanoparticles having an Au 2 S core and an Au shell in a transparent polymer matrix [2, 3]. Nonlinear optical response is manifested in the form of enlightenment of the medium. The nonlinearity mechanism consists in a shift of the absorption band associated with plasma resonance with a change in the dielectric constant of the shell. The effect occurs when the radiation energy density is more than 100 μJ / cm 2 , at λ = 865 nm, at τ = 50 fs. The disadvantage of this material is the high energy threshold for the manifestation of a nonlinear optical response.
Известен нелинейно-оптический материал [4], выбранный в качестве прототипа, представляющий собой суспензию полупроводниковых наночастиц в виде ядра из Ag2S с оболочкой из CdS. Порог проявления нелинейного оптического отклика в такой среде равен 0.5-0.7 Дж/см2, на λ=0.532 нм, при длительности лазерного импульса λ=7 нс. Механизмом нелинейности является поглощение на свободных носителях заряда. Нелинейность выражается в ограничении лазерного излучения при интенсивности, превышающей пороговую. Недостатком данного материала является высокий энергетический порог проявления нелинейного оптического отклика.Known nonlinear optical material [4], selected as a prototype, which is a suspension of semiconductor nanoparticles in the form of a core of Ag 2 S with a shell of CdS. The threshold for the manifestation of a nonlinear optical response in such a medium is 0.5-0.7 J / cm 2 , at λ = 0.532 nm, with a laser pulse duration of λ = 7 ns. The nonlinearity mechanism is absorption on free charge carriers. Nonlinearity is expressed in the limitation of laser radiation at an intensity exceeding the threshold. The disadvantage of this material is the high energy threshold for the manifestation of a nonlinear optical response.
Целью данного изобретения является уменьшение энергетического порога возникновения нелинейно-оптического отклика среды.The aim of this invention is to reduce the energy threshold for the occurrence of a nonlinear optical response of the medium.
Цель достигается тем, что ядро и оболочка наночастиц состоят из одного и того же материала с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию фотона более чем в 1.3 раза, причем ядро наночастицы не содержит поглощающих центров, а оболочка содержит поглощающие центры, создающие глубокие примесные уровни или примесную зону в запрещенной зоне.The goal is achieved in that the core and shell of the nanoparticles consist of the same material with a band gap exceeding the photon energy by more than 1.3 times, and the core of the nanoparticle does not contain absorbing centers, and the shell contains absorbing centers that create deep impurity levels or impurity zone in the forbidden zone.
При воздействии лазерным излучением на нелинейно-оптическую среду, содержащую неорганические кристаллические наночастицы, ядро которой не содержит, а оболочка содержит примесные центры, в оболочке, содержащей дефекты, начинается фотогенерация неравновесных электронов из примесной зоны, которая находится в запрещенной зоне, в зону проводимости. Изменение концентрации неравновесных носителей приводит к появлению нелинейной добавки к показателю преломления и поглощения оболочки наночастицы. При фотогенерации носителей в оболочке возникает градиент их концентрации между оболочкой и ядром, в результате чего начинается диффузия носителей вглубь ядра, и, следовательно, растет толщина слоя, содержащего нелинейную добавку к показателю преломления и поглощения. Изменяется диэлектрическая проницаемость наночастицы, что приводит к изменению ее сечения поглощения и рассеяния. Так как данный процесс является однофотонным, то нелинейный оптический отклик среды возникает при низких интенсивностях лазерного излучения.When laser radiation acts on a nonlinear optical medium containing inorganic crystalline nanoparticles, the core of which does not contain, and the shell contains impurity centers, the photogeneration of nonequilibrium electrons from the impurity band in the band gap to the conduction band begins in the shell containing defects. A change in the concentration of nonequilibrium carriers leads to the appearance of a nonlinear additive to the refractive index and absorption of the nanoparticle shell. When carriers are photogenerated in the shell, a concentration gradient arises between the shell and the nucleus, as a result of which carrier diffusion deep into the nucleus begins, and, consequently, the thickness of the layer containing a nonlinear additive to the refractive index and absorption increases. The dielectric constant of the nanoparticle changes, which leads to a change in its absorption and scattering cross sections. Since this process is single-photon, the nonlinear optical response of the medium arises at low laser radiation intensities.
Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что нелинейно-оптический материал включает в себя неорганические кристаллические наночастицы, имеющие ядро и оболочку из одного материала, причем ядро наночастицы не содержит поглощающих центров, а оболочка содержит поглощающие центры, создающие глубокие уровни или примесную зону в запрещенной зоне.This technical solution is new, and the combination of distinctive features does not follow from the known technical solutions. The essentiality of the distinguishing features is that the nonlinear optical material includes inorganic crystalline nanoparticles having a core and a shell of the same material, the core of the nanoparticle does not contain absorbing centers, and the shell contains absorbing centers that create deep levels or an impurity band in the band gap .
Конкретные примеры реализации изобретения.Specific embodiments of the invention.
Наночастицы TiO2 размером 100 нм, с оболочкой из того же материала, содержащей дефекты, помещенные в матрицу - вакуумное масло ВМ-4. Дефекты кристаллической структуры создают примесную зону в запрещенной зоне. На спектре пропускания наночастиц наблюдается широкая полоса поглощения, связанная с переходами электронов из примесной зоны в зону проводимости (Фиг.1). Толщина кюветы, содержащей наночастицы TiO3 в вакуумном масле ВМ-4, - 0.6 см. Измерение нелинейного отклика среды проводилось при помощи YAG:Nd лазера, для двух длин волн излучения 0.53 мкм и 1.06 мкм, длительность лазерного импульса 10 нс. На Фиг.2. показана зависимость плотности энергии излучения, прошедшего через среду, от плотности энергии падающего излучения. Из Фиг.2. (кривая 1) видно, что на длине волны λ=0.53 мкм при Qвх<0.15 нДж/см2 пропускание линейно. При 0.15 нДж/см2<Qвх<7.5 нДж/см2 возникает оптическая нелинейность, проявляющаяся в ограничении излучения. При Qвх>7.5 нДж/см2 процесс ограничения прекращается. Динамический диапазон ограничения равен 50. Аналогичный эффект наблюдается и на длине волны 1.06 мкм (кривая 2). Здесь ограничение возникает при Qвх>0.1 нДж/см2 и прекращается при Qвх>10 нДж/см2 (Фиг.2). Динамический диапазон ограничения равен 100. Таким образом, в среде с наночастицами TiO2, имеющими оболочку, содержащую глубокие примесные уровни для наносекудных лазерных импульсов видимого и ближнего ИК-диапазона, возникает оптическая нелинейность с энергетическим порогом 0.1-0.15 нДж/см2.TiO 2 nanoparticles with a size of 100 nm, with a shell of the same material containing defects placed in a matrix - VM-4 vacuum oil. Defects in the crystal structure create an impurity band in the band gap. On the transmission spectrum of the nanoparticles there is a wide absorption band associated with transitions of electrons from the impurity band to the conduction band (Figure 1). The thickness of the cell containing TiO 3 nanoparticles in VM-4 vacuum oil was 0.6 cm. The nonlinear response of the medium was measured using a YAG: Nd laser, for two radiation wavelengths of 0.53 μm and 1.06 μm, the laser pulse duration was 10 ns. Figure 2. The dependence of the energy density of radiation transmitted through the medium on the energy density of incident radiation is shown. From Figure 2. (curve 1) it can be seen that at a wavelength of λ = 0.53 μm with Q in <0.15 nJ / cm 2 the transmission is linear. When 0.15 nJ / cm 2 <Q Rin <7.5 nJ / cm 2 arises optical nonlinearity, which manifests itself in the emission constraint. When Q I > 7.5 nJ / cm 2 the process of limitation stops. The dynamic range of the limitation is 50. A similar effect is observed at a wavelength of 1.06 μm (curve 2). Here, the restriction occurs when Q I > 0.1 nJ / cm 2 and stops when Q I > 10 nJ / cm 2 (Figure 2). The dynamic range of the limitation is 100. Thus, in a medium with TiO 2 nanoparticles having a shell containing deep impurity levels for nanosecond laser pulses of the visible and near IR ranges, optical nonlinearity arises with an energy threshold of 0.1-0.15 nJ / cm 2 .
Наночастицы CaF2 размером 100 нм, с оболочкой из того же материала, содержащей дефекты, помещенные в матрицу - вакуумное масло ВМ-4. Дефекты кристаллической структуры в оболочке создают примесную зону в запрещенной зоне. На спектре пропускания наночастиц наблюдается широкая полоса поглощения, связанная с переходами электронов с примесной зоны в зону проводимости (Фиг.3). Толщина кюветы, содержащей наночастицы CaF2 в вакуумном масле ВМ-4, - 1 см. Измерение нелинейного отклика среды проводилось при помощи YAG:Nd лазера для двух длин волн излучения 0.53 мкм и 1.06 мкм, длительность лазерного импульса 10 нс. На Фиг.4. показана зависимость плотности энергии излучения, прошедшего через среду, от плотности энергии падающего излучения. Из Фиг.4. (кривая 1) видно, что на длине волны λ=0.53 мкм при Qвх<0.1 нДж/см2 пропускание линейно. При 0.1 нДж/см2<Qвх<10 нДж/см2 возникает оптическая нелинейность, проявляющаяся в ограничении излучения. При Qвх>10 нДж/см2 процесс ограничения прекращается. Динамический диапазон ограничения равен 100. Аналогичный эффект наблюдается и на длине волны 1.06 мкм (кривая 2). Здесь ограничение возникает при Qвх>0.5 нДж/см2 (Фиг.4). Динамический диапазон ограничения равен 30. Таким образом, в среде с наночастицами CaF2, имеющими оболочку, содержащую глубокие примесные уровни для наносекудных лазерных импульсов видимого и ближнего ИК-диапазона, возникает оптическая нелинейность с энергетическим порогом 0.1-0.5 нДж/см2.CaF 2 nanoparticles with a size of 100 nm, with a shell of the same material containing defects placed in a matrix - VM-4 vacuum oil. Defects in the crystal structure in the shell create an impurity band in the band gap. On the transmission spectrum of the nanoparticles there is a wide absorption band associated with transitions of electrons from the impurity band to the conduction band (Figure 3). The thickness of the cell containing CaF 2 nanoparticles in the VM-4 vacuum oil is 1 cm. The nonlinear response of the medium was measured using a YAG: Nd laser for two radiation wavelengths of 0.53 μm and 1.06 μm, and the laser pulse duration was 10 ns. Figure 4. The dependence of the energy density of radiation transmitted through the medium on the energy density of incident radiation is shown. From Figure 4. (curve 1) it can be seen that at a wavelength of λ = 0.53 μm with Q in <0.1 nJ / cm 2 the transmission is linear. When 0.1 nJ / cm 2 <Q Rin <10 nJ / cm 2 arises optical nonlinearity, which manifests itself in the emission constraint. When Q I > 10 nJ / cm 2 the process of limitation stops. The dynamic range of the limitation is 100. A similar effect is observed at a wavelength of 1.06 μm (curve 2). Here, the limitation occurs when Q I > 0.5 nJ / cm 2 (Figure 4). The dynamic range of the limitation is 30. Thus, in a medium with CaF 2 nanoparticles having a shell containing deep impurity levels for nanosecond laser pulses of the visible and near infrared, an optical nonlinearity arises with an energy threshold of 0.1-0.5 nJ / cm 2 .
Из приведенных примеров следует, что использование для ограничения излучения нелинейно-оптической среды, содержащей неорганические кристаллические наночастицы с дефектной оболочкой, позволяет уменьшить порог ограничения излучения в 108-109 раза по сравнению с порогом ограничения за счет поглощения на свободных носителях заряда, предложенного в прототипе.It follows from the examples given that the use of a nonlinear optical medium containing inorganic crystalline nanoparticles with a defective shell to limit radiation reduces the radiation restriction threshold by 10 8 -10 9 times compared to the limitation threshold due to absorption on free charge carriers proposed in prototype.
Изобретение может быть использовано для защиты фотоприемных устройств от ослепления лазерным излучением повышенной интенсивности и благодаря низкому порогу ограничения при создании нелинейно-оптических ограничителей излучения, предназначенных для защиты органов зрения от повреждения лазерным излучением, а также для создания низкопороговых оптических переключателей.The invention can be used to protect photodetector devices from being blinded by high-intensity laser radiation and due to the low threshold of limitation when creating nonlinear optical radiation limiters designed to protect organs of vision from damage by laser radiation, as well as to create low threshold optical switches.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Сидоров А.И. Оптические свойства композита с наночастицами серебра в диапазоне 8-12 мкм. Оптический журнал, т.70, №2, с.9-14, 2003 г.1. Sidorov A.I. Optical properties of a composite with silver nanoparticles in the range of 8-12 microns. Optical Journal, vol. 70, No. 2, pp. 9-14, 2003
2. Averitt R.D., Westcott S.L. et al. Ultrafast optical properties of gold nanoshells, J. Opt.Soc.Am. B, vol.16, №10, p.1814-1822, 1999.2. Averitt R. D., Westcott S. L. et al. Ultrafast optical properties of gold nanoshells, J. Opt.Soc.Am. B, vol. 16, No. 10, p. 1814-1822, 1999.
3. Oldenburg S.J.. Averitt R.D., Halas N.J. Патент 6344272 США, МКИ7 В 32 В 15/02, приоритет от 11.03.1998.3. Oldenburg SJ. Averitt RD, Halas NJ Patent 6344272 USA, MKI 7 V 32 V 15/02, priority from 11.03.1998.
4. Han M.Y., Huang С. H. et al. Large nonlinear absorption in coated Ag2S/CdS nanoparticles by inverse microemulsion, J. Phys. Chem. B, v.102, p. 1884-1886,1998.4. Han MY, Huang C. H. et al. Large nonlinear absorption in coated Ag 2 S / CdS nanoparticles by inverse microemulsion, J. Phys. Chem. B, v. 102, p. 1884-1886,1998.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003126267/28A RU2267145C2 (en) | 2003-08-27 | 2003-08-27 | Non-linear optical environment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003126267/28A RU2267145C2 (en) | 2003-08-27 | 2003-08-27 | Non-linear optical environment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003126267A RU2003126267A (en) | 2005-02-20 |
| RU2267145C2 true RU2267145C2 (en) | 2005-12-27 |
Family
ID=35218487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003126267/28A RU2267145C2 (en) | 2003-08-27 | 2003-08-27 | Non-linear optical environment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2267145C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2399940C2 (en) * | 2007-11-21 | 2010-09-20 | ЗАО "Лазерные и оптические системы" | Nonlinear optical composite |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5023139A (en) * | 1989-04-04 | 1991-06-11 | Research Corporation Technologies, Inc. | Nonlinear optical materials |
| RU2156490C1 (en) * | 1999-03-24 | 2000-09-20 | Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН | Method for production of nonlinear-optical material |
| RU2001126690A (en) * | 2001-10-01 | 2003-08-27 | Научно-исследовательский институт лазерной физики | Optical limiter |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2216837C2 (en) * | 2001-10-01 | 2003-11-20 | Научно-исследовательский институт лазерной физики | Optical limiter |
-
2003
- 2003-08-27 RU RU2003126267/28A patent/RU2267145C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5023139A (en) * | 1989-04-04 | 1991-06-11 | Research Corporation Technologies, Inc. | Nonlinear optical materials |
| RU2156490C1 (en) * | 1999-03-24 | 2000-09-20 | Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН | Method for production of nonlinear-optical material |
| RU2001126690A (en) * | 2001-10-01 | 2003-08-27 | Научно-исследовательский институт лазерной физики | Optical limiter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Han M.Y. et al. J. Phys. Chem. 1998, v.102, р.1884-1886. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2399940C2 (en) * | 2007-11-21 | 2010-09-20 | ЗАО "Лазерные и оптические системы" | Nonlinear optical composite |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003126267A (en) | 2005-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Spangler | Recent development in the design of organic materials for optical power limiting | |
| Efimov et al. | Color-center generation in silicate glasses exposed to infrared femtosecond pulses | |
| Tutt et al. | A review of optical limiting mechanisms and devices using organics, fullerenes, semiconductors and other materials | |
| US20070298242A1 (en) | Lenses having dispersed metal nanoparticles for optical filtering including sunglasses | |
| Mathew et al. | Effect of Au coating on optical properties of CdS nanoparticles and their optical limiting studies | |
| Venkatram et al. | Nonlinear optical absorption and switching properties of gold nanoparticle doped SiO2–TiO2 sol–gel films | |
| RU2267145C2 (en) | Non-linear optical environment | |
| Sergeev et al. | Precise laser-induced local modification of AZO: Ag films and their optical properties | |
| McBranch et al. | Optical limiting and excited-state absorption in fullerene solutions and doped glasses | |
| Erlacher et al. | All-optical digitizing of laser transmission through thin-film GaAs on glass | |
| FR2859820A1 (en) | Modification of characteristic of one zone in a multizone material uses thermal effect produced by laser beam | |
| Aithal et al. | Optical limiting studies in photorefractive pure and iron-doped Bi 12 SiO 20 crystals | |
| RU2399940C2 (en) | Nonlinear optical composite | |
| Li et al. | Broadband optical limiting in the suspensions of lead sulfide nanoparticles | |
| Belousova et al. | Nonlinear-optical laser-radiation limiters | |
| Kim et al. | Nonlinear optical effects in glasses containing copper chloride nanocrystals | |
| Gnatyuk et al. | Capabilities of Laser-Induced Marks as Information Carriers Created in Different Materials. | |
| Prasad et al. | Nanostructured materials and composites for optical power limiting | |
| Shirshnev et al. | Nonlinear optical limiter of pulsed laser radiation based on potassium–aluminum–borate glass with copper chloride nanocrystals | |
| RU2238577C2 (en) | Nonlinear optical element for limiting electromagnetic radiation flows | |
| Singh et al. | Optical limiting studies of Disperse Orange and Disperse Yellow in PMMA-MA matrix | |
| Nikonorov et al. | Low-threshold nonlinear-optical response of photochromic glasses with copper chloride nanocrystals | |
| RU2282880C2 (en) | Laser radiation nonlinear-optical limiter | |
| RU2231817C2 (en) | Infrared nonlinear optical materials | |
| RU2269802C1 (en) | Method for manufacturing infrared light filters |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20050117 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20050419 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180828 |