А. А. КИМ, Н. В. НИКОНОРОВ, А. И. СИДОРОВ
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО
ОТКЛИКА СТЕКОЛ С НАНОКРИСТАЛЛАМИ
ХЛОРИДА МЕДИ И БРОМИДА МЕДИ
Анализ физических процессов нелинейно-оптического отклика в стеклах с нанокристаллами хлорида меди под воздействием лазерного импульсного излучения позволил провести теоретическое моделирование процессов: насыщающегося примесного поглощения, фотогенерацию носителей заряда, двухфотонному поглощению, поглощению на свободных носителях и дальнейшему изменению показателя преломления среды и формирования отрицательной динамической линзе, приводящей к самодефокусировке и наведенному оптическому поглощению.
Одним из современных направлений создания новых материалов является синтез стекол с заданными оптическими характеристиками, благодаря внедрению в объем или выращиванию в объеме наноразмерных полупроводниковых кристаллов. Системы, содержащие полупроводниковые нанокристаллы при импульсном лазерном воздействии обнаруживают эффекты нелинейно-оптического ограничения излучения и оптического просветления при определенных порогах энергии. Экспериментальные исследования образцов стекол с нанокристаллами CuCl или CuBr c термообработками при температурах от 400 до 520°С и в течение не менее 3 часов с инерционным охлаждением, обнаруживает ограничение, состоящего из двух частей. Низкопороговая часть ограничения, E≤10-8 Дж, вызвана поглощением на примесных уровнях в запрещенной зоне нанокристаллов CuCl или CuBr, которые существуют из-за дефектов, вакансий, либо междоузельных атомов в нанокристаллах CuCl или CuBr с энергией ионизации ΔE≥0.1 эВ.
Такие примесные центры при комнатной температуре являются ловушками для равновесных носителей заряда. Фотон с энергией hν>ΔEпр (ΔEпр – энергетический зазор междупримесным центром и дном зоны проводимости) ионизирует такую примесь. Такие процессы происходят также и при малых интенсивностях. Численный расчет с учетом модели эффективного показателя преломления показал, что изменение концентрации носителей заряда влияет на показатель преломления среды и вносит вклад в формирование градиента показателя преломления в области распространения лазерного пучка. Вследствие физического ограничения этот процесс достигает своего насыщения. В высокопороговой области, E≥10-4 Дж, начинают играть роль другие процессы. Двухфотонное межзонное поглощение вносит незначительный вклад, но только при самых высоких плотностях энергий, 5·10-3 Дж, для запрещенная зона CuCl – 3.5 эВ при энергии фотона 2.3 эВ, коэффициент двухфотонного поглощения CuCl=2.5 ГВ/см2. Тепловые процессы оказывают существенное влияние при высокой интенсивности падающей энергии излучения. Нагрев наночастиц происходит по оценочным расчетам на 10 К, что существенно влияет на показатель преломления CuCl и менее существенно на показатель преломления матрицы стекла. Эффективный показатель меняется, но большую роль играет именно градиент показателя преломления в сечении лазерного пучка в объеме образца, что формирует отрицательную динамическую тепловую линзу. Нагрев наночастиц увеличивает вероятность распада экситонов, которые существуют при температурах T=20°C, что приводит к увеличению свободных носителей заряда. Это ведет к возникновению поглощения на свободных носителях заряда, которые образуются в процессе распада экситонов. Атомы и ионы меди в наночастицах CuCl сенсибилизируют нанокристаллы CuCl таким образом, что они становятся чувствительными ко всему видимому спектру. Край фундаментального поглощения хлорида меди в объемном материале составляет 384 нм, который не содержит атомов меди или ионов меди, не чувствителен к видимому диапазону спектра, в объемном материале составляет 384 нм, край полосы поглощения матрицы заканчивается около 300 нм. Вследствие этого процесса происходит фотогенерация нестабильных центров окраски, что в свою очередь ведет к увеличению нелинейного поглощения. Увеличение плотности энергии уменьшает экситонное поглощение в зависимости от размера нанокристалла, что хорошо обсуждается в работе. Совокупность данных физических процессов в диапазоне плотностей энергии 10 и вызывает нелинейно-оптическое ограничение, часть процессов, является конкурирующими, что влияет на поведение кривой нелинейно-оптического ограничения. Теоретический прогноз поможет скорректировать нелинейно-оптические свойства новых похожих систем и учитывать особенности ограничения в подобных системах.
Список литературы
1. Ким А. А., Ширшнев П. С., Сидоров А. И., Никоноров Н. В., Цехомский -оптические эффекты в стеклах с нанокристаллами хлорида меди. Письма в ЖТФ. 2011. Т.37. Вып.8. С.22-28.
