Физика/7. Оптика

 

Харенков В.А., Искандаров А.Ю., Зиновьев М.М., Трифонова А.В., Ал.А.Землянов

Сибирский физико-технический институт, Россия

Томский государственный университет, Россия

Подбор оптимальных концентраций наночастиц серебра для получения максимально усиливающей среды на основе флуоресцеина

 

Нанотехнология это одна из самых успешно развивающихся областей современной науки и техники. Постоянное развитие нанотехнологий приводит к появлению большого количества новых композитных материалов, содержащих частицы наноразмеров, которые находят свое применение во многих отраслях человеческой деятельности, от сельского хозяйства до медицины и военной промышленности. Все больше и больше ученых уделяют внимание исследованию таких материалов и их свойств. Дело в том, что вещества в наноразмерном состоянии приобретают свойства, не присущие макроматериалам.

Особого внимания заслуживают оптические свойства наночастиц, так как внедрение наночастиц в оптические среды ведет к существенному усилению в них эффективности оптических процессов, таких как люминесценция, комбинационное рассеяние света и др. Это дало импульс к развитию новых направлений науки, таких как нанофотоника и нанооптика.

Физическая причина влияния наночастиц на оптические процессы заключается в наличие вблизи их поверхности областей повышенной плотности мощности оптических полей. Усиление локального электромагнитного поля связано с присутствием плазмонных наночастиц в среде, которое сопровождается формированием полосы плазмонного поглощения [1]. Однако особенности его проявления определяются размерами, формой наночастиц, их организацией (наноструктурой), а также зависят от оптических, геометрических свойств среды, в которую включены наночастицы [2-4].

Внедрение наночастиц осуществляется, в том числе и в активные лазерные среды на основе органических красителей. Характеристики таких лазеров будут напрямую зависеть от типа лазерного красителя и его концентрации, размеров активной среды, концентрации наночастиц, их размеров и формы. Для формирования вынужденного излучения необходимый объем активной среды должен содержать достаточное количество активных центров для формирования лавинообразного увеличения числа фотонов (т.е. для формирования генерации). Изменением одного или нескольких параметров активной среды можно подобрать оптимальное соотношение между ними, достигая наибольшего КПД излучающих систем [3].

В связи с вышесказанным, в данной работе были исследованы спектрально-энергетические характеристики растворов лазерного красителя флуоресцеина с различным содержанием в нем агломерированных наночастиц серебра. В качестве исследуемых наночастиц были использованы агломерированные наночастицы серебра. На рис.1. представлена микрофотография (а) и  спектр поглощения (б) используемых наночастиц серебра.

а)                                                      б)

Рис. 1. Микрофотография агломерированных наночастиц серебра (а); Спектры поглощения (б): 1 – одиночные наночастицы Ag; 2 – агломерированные наночастицы Ag.

Эксперименты проводились на установке схема, которой приведена на рис.2. Сфокусированное лазерное излучение Nd: YAG-лазер Lotis TII LS-2132 UTF (на длине волны третьей гармоники λ=355 нм, длительность импульса 6 нс, частота повторения импульсов 1 Гц, диаметр лазерного пучка 2 мм) направлялось кювету толщиной 1 см, с этанольным раствором красителя флуоресцеина с концентрацией 10-2 моль/л и наночастицами серебра. Свечение переднего слоя раствора регистрировалась с помощью коллиматора, соединенного оптоволокном диаметром 400 мкм со спектрометром Maya 2000 PRO (175-1100 нм). Коллиматор располагался под небольшим углом к горизонту для того, чтобы фиксировать излучение, идущее в обратном направлении под углом, близким к 180°. 

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – лазер (λ=355 нм), 2 – фильтр СЗС-25 и УФС-5  (для снижения фонового излучения с λ=1064 нм и λ=532 нм), 3 – фокусирующая линза, 4 – кювета, 5 – входное окно приемной системы, 6 – фильтр ЖС-10 (для снижения фонового излучения λ=355 нм), 7 – оптоволокно, 8 – спектрометр, 9 – ПК.

Анализ спектральных и энергетических характеристик свечения растворов показал, что использование растворов с концентрацией наночастиц серебра в объемной доле 0,6% приводит к наибольшему увеличению интенсивности свечения и уменьшению пороговой энергии накачки. Это продемонстрировано на рис. 3, на котором показана зависимость интенсивности свечения растворов с различной концентрацией наночастиц  от энергии излучения накачки.

На рис.4. представлены полученные спектры свечения рабочих растворов при одинаковой энергии излучения накачки 43,3 мДж.

Из данного рисунка видно, что спектр свечения раствора с концентрацией 0,6% сужается в отличие от спектров свечения других растворов. Кривая 1 имеет вид, наиболее приближенный к виду типичного спектра генерации. Это говорит о том, что при данной концентрации агломерированных наночастиц серебра в растворе флуоресцеина для кюветы толщиной 1 см при одной и той же энергии излучения накачки, выход в режим генерации осуществляется при меньших ее значениях. Для раствора чистого флуоресцеина режим суперфлуоресценции не реализовывался во всем диапазоне энергий накачки, что видно из формы спектра (рис.4, кривая 4), который представляет собой типичный спектр спонтанного излучения.

 

 

Рис. 3. Зависимость интенсивности свечения растворов с различной концентрацией от энергии излучения накачки. Кривая 1 – раствор флуоресцеина с концентрацией агломерированных наночастиц серебра 0,6%; кривая 2 – концентрация наночастиц 10%; кривая 3 – концентрация наночастиц 2%; кривая 4 – чистый раствор флуоресцеина.

Рис. 4. Спектры излучения рабочих растворов флуоресцеина при различных концентрациях наночастиц серебра. Кривая 1 – раствор флуоресцеина с концентрацией агломерированных наночастиц серебра 0,6%; кривая 2 – концентрация наночастиц 10%; кривая 3 – концентрация наночастиц 2%; кривая 4 – чистый раствор флуоресцеина.

Исходя из всего этого, можем сказать, что существует оптимальное соотношение между концентрацией наночастиц, их рассеивающими свойствами, а также усиливающими и реабсорбционными свойствами самого красителя.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (задание №2014/223, код проекта: 1347)

Список литературы

1.          Олейников В.А., Первов Н.В., Мчедлишвили Б.В.// Критические технологии. Мембраны, 2004. – № 4 (24). – P. 17-28

2.          Wiersma D.S. // Nature phys. – 2008. – V. 4. – P. 359- 367

3.          Noginov M.A. Solid-State Random Lasers / Springer, USA. – 2005 – 235 p.

4.          Serpenguzel A., Poon A.W. // Advannced Series in App. Phys. – 2011. – V. 6. – P. 477