Светолинзовая диагностика нанодисперсных сред

СВЕТОЛИНЗОВАЯ ДИАГНОСТИКА НАНОДИСПЕРСНЫХ СРЕД

1, 1

1ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск,

E-mail:*****@***khv. ru

Предложен метод светолинзовой диагностики нанодисперсных жидкофазных сред. Показано, что для больших интенсивностях излучения, когда изменение концентрации больше или сравнимо с  начальной, самовоздействие излучения происходит в нелинейном режиме.

Известен целый ряд нелинейно-оптических методов диагностики нанодисперсных сред, основанных на различных механизмах светоиндуцированного массопереноса [1-5]. В наногетерогенной среде с различными показателями преломления компонентов на микрочастицы в электромагнитном поле действуют электрострикционные силы, которые могут быть причиной возникновения концентрационных потоков [2-4]. Концентрационная оптическая нелинейность исследовалась экспериментально и теоретически в различных средах – газах, суспензиях, микроэмульсиях [4-6]. При малых интенсивностях излучения отклик среды соответствует кубичной нелинейности, поскольку изменение концентрации частиц (и, соответственно, эффективного показателя преломления среды) пропорционально интенсивности излучения. Данный тип нелинейности использовался для записи динамических голограмм [7-8]. исследовалась самофокусировка излучения [9-10].

Целью данной работы является анализ самовоздействия светового пучка в прозрачной дисперсной среде при больших интенсивностях  излучения, когда, в отличие от работы [9], изменение концентрации не обязательно мало.

Мы рассматриваем жидкофазную среду с наночастицами (дисперсная фаза), находящуюся под воздействием лазерного излучения с гауссовым профилем интенсивности [5].

Пусть распределение интенсивности падающего излучения в плоскости слоя среды имеет гауссов вид:

  ,  (1)

где интенсивность световой волны в центре пучка, радиус гауссова пучка.

Балансное уравнение, описывающее динамику концентрации наночастиц в жидкофазной среде с учётом диффузионного и электрострикционного потоков (- электрострикционный поток), можно записать в виде [9]:

         .  (2)

Здесь приняты следующие обозначения: - объемная концентрация дисперсных частиц, - коэффициент диффузии, , , - подвижность микрочастицы, – размер частицы, - вязкость жидкости, - поляризуемость частиц, - постоянная Больцмана, - эффективный показатель преломления среды, - скорость света в вакууме.

В стационарном режиме уравнение (2) упрощаетcя:

  .  (3)

Общее  решение  уравнения (3)  ищем в виде

  ,                                (4)

где, нормировочная константа. Введем безразмерный параметр интенсивности излучения  . 

Для немалых изменений концентрации частиц (при большой интенсивности излучения) имеем >>1. Константу находим из условия нормировки (сохранения числа частиц)

  ,  (5)

где  - радиус цилиндрической кюветы.

Принимая , в результате численного расчета имеем: при б1=0.5 (B1=0.989); при б2=1 (B2=0.974); при б3=2 (B3=0.931). Используя (4-5), получаем зависимость концентрации от приведенного расстояния от оси кюветы (Рис.1).

Рис.1. Зависимость концентрации Сn(с) от приведённого радиуса для разных значений интенсивности излучения (б1,б2,б3 – соответственно).

Данный результат показывает, что концентрация экспоненциально зависит от интенсивности (в отличие от обычной кубичной нелинейности) [8].

Для оптической силы концентрационной линзы имеем  из (4-5) выражение [8]:

    ,         (6)

где  Для частиц с радиусом, много меньшим длины волны излучения λ, показатель преломления среды пропорционален концентрации частиц [3]:

        ,  (7)

где ; - показатели преломления вещества дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно, - объемная доля дисперсной среды.

Поскольку фокус линзы растет экспоненциально, то справедливо назвать ее «суперлинзой».

Рис.2. Зависимость оптической силы нелинейной линзы от нормированной интенсивности излучения.

Максимальная интенсивность, для  которой выполняется (3), соответствует , где  - объем одной частицы (т. е. объемная доля частиц),

  ,  (8) 

где - начальная объемная доля частиц, - интенсивность насыщения, при которой изменение концентрации становится сравнимым с начальной ее величиной. Поскольку обычно, то максимальная интенсивность может быть намного больше интенсивности насыщения, что представляет особенный интерес для импульсных режимов взаимодействия излучения с дисперсными средами [12].

Полученные результаты актуальны для нелинейной оптики дисперсных жидкофазных сред [9-11], а также для оптической диагностики таких сред (например, для термооптической спектроскопии [12-14]).

Л И Т Е Р А Т У Р А

, , Хе светоиндуцированной псевдо-призмы в наножидкости // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2015. – №7. – С. 329-332. Smith P. W., Ashkin A., Tomlinson W. J.  Four - wave mixing in an artificial Kerr medium // Opt. Lett. -1981. V.6. - N.6. - P. 284-286. , ,   Динамические голограммы в микрогетерогенных жидкофазных средах // Оптический журнал.- 2004. - № 9. - С. 236. Gordon R., Blakely J. T., Sinton D. Particle-optical self-trapping //  Physical Review A.- 2007.- 75(5).-P.055801-055804. , , Термодиффузионный механизм самомодуляции излучения в среде с поглощающими наночастицами // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2009. —Т.52, №12-3. — С.114-116. , , Хе В. К.  Стационарный термолинзовый отклик наножидкости // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – №6. – С. 227-230. , , Динамические голограммы в наносуспензии // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. -2014. – №6. - С. 122-125. , , Нанодисперсные среды для динамической голографии // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 11-3. –  С. 153-156. , ,   Электрострикционный механизм самовоздействия излучения в жидкости с наночастицами  // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия «Физика». – 2009. – Т. 4. – № 2. – С. 58-60. , , Нелинейная линза в дисперсной среде// Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. – С. 1779. URL: www. science-education. ru/121-19194. Дифракция световых пучков в нелинейных средах // Соросовский образовательный журнал. – 1996. - №5. - С. 85-92. , , Хе В. К.  Оптическая диагностика полимерных наночастиц // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11-6. – С. 1085-1088. , , Хе В. К.  Термолинзовая спектроскопия двухкомпонентных жидкофазных сред // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2011. – № 4. – С. 39-44. Иванов  В. И., , Хе светоиндуцированной тепловой линзы в жидкофазной двухкомпонентной среде // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки.-2011.-Т.4.-№ 000.- С.44-46.