Нелинейно-оптическое взаимодействие лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами на основе наночастиц a-Al2O3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

484195'

Щербаков Александр Вячеславович

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГЕТЕРОГЕННЫМИ ЖИДКОФАЗНЫМИ СРЕДАМИ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ <х-А1203

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

/ <-.1*. ¿011

Владивосток 2011

4841951

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии Наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор физико-

математических наук, профессор Кульчин Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация:

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Защита диссертации состоится « 8 » апреля 2011 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 005.007.02 при Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии Наук по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ауд.510.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и на сайте ИАПУ ДВО РАН.

Автореферат разослан " 05 " 03 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

Букин Олег Алексеевич

кандидат физико-математических наук Максименко Виталий Александрович

доцент

Гамаюнов Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время существует множество задач, решение которых не обеспечивается современными вычислительными средствами, что вызывает необходимость применения качественно иных вычислительных компонентов и методов. Одним из перспективных направлений является оптическая обработка информации. Достоинства этого подхода связаны с возможностью быстрой параллельной обработки больших массивов информации. Для реализации этого подхода требуется использование оптических устройств, в которых один световой поток управляет другим световым потоком. При создании устройств данного типа применяются нелинейные материалы, обладающие зависимостью показателя преломления от интенсивности света. В качестве таких материалов применяют полупроводниковые, а также некоторые органические и фоторефрактивные кристаллы.

Для гомогенных сред величина нелинейной добавки к показателю преломления имеет очень малое значение, что ограничивает их практическое использование. Наиболее перспективным подходом, является применение гетерогенных материалов, для которых, в ряде случаев, характерны высокие значения нелинейной восприимчивости. Особо можно выделить гетерогенные материалы, в состав которых входят морфологические элементы с размером менее 100 им. Особый интерес представляют наночастицы в жидкостях, стеклах и в матрицах широкозонных диэлектриков. В настоящее время, разработано множество различных технологий изготовления наночастиц и материалов на их основе. Выбор метода получения нано-частиц определяется областью их применения и желательным набором свойств конечного продукта. Оптические свойства наночастиц существенно отличаются от оптических свойств объемных материалов, что связано с перестройкой энергетического спектра носителей заряда при уменьшении размеров частиц и проявляется в изменении откликов таких объектов на внешние оптические возмущения.

Существует несколько механизмов возникновения нелинейно-оптических явлений в средах содержащих наночастицы. Наиболее исследованными можно назвать механизмы одно- и двухфотонного поглощения, а также явления, связываемые с протеканием тепловых и акустических процессов. Особое внимание исследователей сосредоточено на исследовании нелинейно-оптических свойств сред, содержащих полупроводниковые и диэлектрические наночастицы , Специфические свойства таких наночастиц обусловлены тем, что их размер сравним как с размерами молекул, так и с боровским радиусом экситонов. Нелинейно-оптический отклик в средах на основе наночастиц полупроводников может быть вызван насыщением экситонного поглощения, насыщением межзонного поглощения, фотогенерацией центров окраски, светоиндуцированным рассеянием и другими эффектами.

Нелинейно-оптические свойства гетерогенных сред на основе диэлектрических наночастиц, объемные образцы которых имеют большую ширину запрещенной зоны Ев и, соответственно, меньшее поглощение в видимой области спектра

исследовались в меньшей степени. Это связано с тем, что большая величина Евда-

вала основания предполагать, что нелинейный отклик среды будет возникать в ультрафиолетовом диапазоне излучения. Тем не менее, исследования последних лет показали, что как жидкие, так и твёрдые гетерогенные среды на основе диэлектрических наночастиц могут обладать низкопороговым нелинейным оптическим откликом на внешнее излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

Одним из наиболее перспективных диэлектрических материалов для задач нелинейной оптики является оксид алюминия. Оксид алюминия широко используется в качестве базового материала оптических элементов в лазерах и оптических приборах. Это связано, в первую очередь с тем, что оксид алюминия относится к диэлектрикам, обладающими высоким значением диэлектрической проницаемости. Наиболее широкое распространение получил а-А120з (корунд). Технология получения наночастиц а-А1203 достаточно хорошо отработана и широко применяется, как в лабораторных, так и промышленных условиях. Особенный интерес представляют наночастицы а-А120з полученные методом детонационного синтеза. Это связано с тем, что такой технологический процесс позволяет получать наночастицы с малым разбросом линейных размеров, при среднем размере частиц не более 50 нм. Полученные этим методом частицы имеют форму, повторяющую геометрию элементарной ячейки исходного монокристалла. Такая особенность формообразования даёт ряд преимуществ, связанных с возможностью появления дополнительных уровней энергии в запрещенной зоне.

Несмотря на перспективность гетерогенных жидкофазных сред (ГЖС) на основе наночастиц а-А120з, в настоящее время отсутствуют работы, сочетающие в себе экспериментальное исследование и теоретическое описание спектра пропускания и нелинейно-оптических свойств ГЖС на основе невзаимодействующих диэлектрических наночастиц а-А120з. Кроме этого, на сегодняшний день остаются нерешёнными такие важные задачи, как выяснение механизмов возникновения нелинейно-оптических эффектов в таких низкоразмерных структурах, как наночастицы а-А1203, влияние размера и формы наночастиц, а также материала матрицы, в которую они помещены, на характер нелинейного отклика. Также вызывает практический интерес проблема, связанная с созданием конкретных устройств управления световыми потоками. Актуальность указанных задач определила выбор направления данного диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является исследование нелинейно-оптических свойств гетерогенных жидкофазных сред, на основе наночастиц а-А120з и диэлектрических жидких матриц, применительно к разработке принципов создания полностью оптических устройств управления интенсивностью непрерывного лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методы получения ГЖС, на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з.

2. Исследовать спектры пропускания взвесей невзаимодействующих наночастиц а-А^Оз.

3. Провести теоретический анализ процессов, определяющих нелинейно-оптические свойства нанофазных сред на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з.

4. Построить физическую модель для спектров пропускания массива диэлектрических наночастиц.

5. Исследовать процесс нелинейно-оптического взаимодействия, лазерного излучения видимого спектра с ГЖС состоящей из невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз и диэлектрических жидких матриц с различным значением температурного коэффициента показателя преломления.

6. Исследовать нелинейно-оптическое взаимодействие коллинеарных световых пучков с разными длинами волн, в ГЖС на основе наночастиц а-А1203, с различными значениями температурного коэффициента показателя преломления жидкофазной матрицы, применительно к созданию функциональных элементов оптоэлектроники.

Основные положения, выдвигаемые на защиту:

1. В спектре поглощения массива невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз размером ~ 40 нм экспериментально обнаружено появление широкой полосы поглощения с центральной длиной волны Я =337нм. Разработана теоретическая модель, объясняющая появление таких особенностей спектра поглощения наночастиц а- А1203 наличием внутри запрещенной энергетической зоны материала квантово-размерных и дополнительных экситонных состояний для носителей заряда.

2. Установлено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через гетерогенную жидкофазную среду (ГЖС) на основе невзаимодействующих наночастиц а- А120з и жидкофазной диэлектрической матрицы с низким значением температурного коэффициента показателя преломления, начиная со значений интенсивности 160 мВт/мм2, наблюдаются следующие нелинейно-оптические эффекты: самофокусировка (для излучения с длиной волны 633 нм) и

5

самодефокусировка (для излучения с длиной волны 532 нм). Показано, что возникновение таких нелинейно-оптических эффектов может быть объяснено возникновением отрицательной добавки к эффективному показателю преломления гетерогенной жидкофазной среды при генерации в наночастице неравновесных носителей заряда (Х=532 нм) и положительным изменением эффективного показателя преломления гетерогенной среды за счёт поляризации наночастиц при возбуждении экситонных состояний носителей заряда (X, =633 нм).

3. Установлено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А^Оз и жидкофазной диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления при интенсивностях излучения >50 мВт/мм2 наблюдаются следующие нелинейно-оптические явления:

- для излучения с длиной волны X = 633 нм происходит конкуренция процесса самофокусировки излучения, вследствие поляризации среды при возбуждении экситонных состояний носителей заряда, и процесса образования отрицательной градиентной линзы, вследствие разогрева материала жидкофазной матрицы;

- для излучения с длиной волны X = 532 нм наблюдается только однонаправленный процесс самодефокусировки излучения, обусловленный образованием отрицательной градиентной линзы за счет генерации неравновесных носителей заряда в материале наночастиц и разогрева материала матрицы.

4. Показано, что при коллинеарном нелинейно-оптическом взаимодействии световых пучков с разными длинами волн в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А1203 и жидкой диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления возможна реализация эффекта управления световыми потоками. Достигнутая величина коэффициента модуляции интенсивности световых пучков в их приосевой части составляет не менее 10 дБ.

Научная новизна

В диссертационной работе исследованы оптические и нелинейно-оптические свойства ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц А1203 и жидкой диэлектрической матрицы, а также показана возможность использования таких ГЖС в качестве материала для создания полностью оптических устройств управления интенсивностью лазерного излучения. При этом впервые получены следующие результаты:

- обнаружено размытие длинноволнового края полосы фундаментального поглощения и появление узкой полосы поглощения с центральной частотой

Я=337нм в спектре пропускания объёмного массива невзаимодействующих на-ночастиц а-А120з;

- разработана модель, объясняющая особенности спектра пропускания массива невзаимодействующих наночастиц широкозонных полупроводников и диэлектриков, хорошо согласующаяся с результатами эксперимента;

- экспериментально и теоретически показано, что знак нелинейной добавки показателя преломления для гетерогенных жидких сред на основе невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз при взаимодействия непрерывных пучков лазерного излучения видимого спектра, может принимать как положительное, так и отрицательное значение в зависимости от длины волны распространяющегося излучения;

- исследованы процессы коллинеарного нелинейно-оптического взаимодействия световых пучков с разными длинами волн, в ГЖС на основе наночастиц а-А120з и жидкой матрицы с высоким отрицательным значением температурного коэффициента показателя преломления;

- показана возможность создания полностью оптического устройства управления интенсивностью лазерного излучения на основе эффекта взаимодействия коллинеарных световых пучков с разными длинами волн.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что представленные в работе результаты открывают возможность создания устройств управления оптическим излучением, основанных на использовании низкопороговы.ч нелинейно-оптических процессов самофокусировки и самодефокусировки излучения.

На основании результатов полученных в ходе проведённых исследований, создан действующий макет полностью оптического устройства управления интенсивностью непрерывного лазерного излучения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались наследующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, Звенигород (Россия), 2007.

2. XIV Научная школа «Нелинейные волны-2008», Нижний Новгород (Россия),2008.

3. 16th International Symposium, Nanostructures: Physics and Technology Vladivostok, (Russia), 2008.

4. The 4th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium - PALS 2009. Tampere, (Finland), 2009.

5. 17th International Symposium, Nanostructures: Physics and Technology. Minsk, (Belarus), 2009.

6. XII межрегиональная конференция молодых учёных по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов - ПДММ 2009, Владивосток (Россия), 2009.

Публикация результатов работы. Основные результаты, полученные в диссертации. опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 - в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автором лично подготовлены и проведены эксперименты, выполнены обработка экспериментальных данных и интерпретация полученных результатов. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 100 страниц, работа включает 32 рисунка и список литературы из 148 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана общая характеристика научной проблемы, сформулирована цель и поставлены задачи, показана научная новизна, практическая ценность результатов работы.

В первой главе приведено краткое описание использованных экспериментальных методов: спектрофотометрии и атомной силовой микроскопии. Представлено описание установки для исследования нелинейно-оптического взаимодействия лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами. Рассмотрена методика получения гетерогенных жидкофазных сред на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з.

Рис.1. Фотографии изображения наночастиц а-Л120з, полученные с использованием атомного силового микроскопа.

Во второй главе рассматриваются особенности спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-А1т03 в диапазоне видимого и ближнего ИК и УФ спектра.

Экспериментально измеренный спектр пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-А120з приведен на рис.2 (штрихованная линия).

8

800

Рис.2 Экспериментальная (штрихованная линия,) и модельная (сплошная линия) зависимости пропускания Т массива наночастиц а-А12Оъ от длины волны излучения. Объёмная концентрация наночастиц в ГЖС: 0.3%.

В спектре присутствуют две неглубокие полосы поглощения - в спектральных диапазонах 220-225нм и 265-307нм, а также относительно глубокая полоса поглощения в диапазоне 308-400нм, с минимальными значениями величины пропускания соответственно равными т(л = 237)= 0.425, т(Х. = 287)= 0.445 и Т(Л = 337)= 0.178 .

Величина энергии фотона, соответствующая длине волны минимума пропускания А = 337нм, равна 3.7эВ, что существенно меньше ширины запрещенной зоны объемного кристалла. Энергии фотонов, соответствующих длинам волн других двух минимумов, равны соответственно 4,1 и 5,2эВ. Отличие этих величин от значений Ев объемного образца можно объяснить существенным изменением

электронной структуры кристаллов а-А1203 вызванными малыми размерами наночастиц и образованием внутри запрещенной зоны дополнительных разрешенных энергетических зон.

При построении модели рассматривался массив диэлектрических наночастиц одинаковой формы равномерно распределенных в объеме жидкой диэлектрической матрицы с объемной концентрацией N, при которой их взаимодействием между собой можно пренебречь. Выражение для спектра пропускания Т для плоского слоя такой ГЖС, в зависимости от частоты света со, характерного размера наночастицы й, их объемной концентрации, толщины Ь значительно боль-

0,8 0.7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Н

/

\ /

200

300

400

500 600 Длина волны (нм)

700

шей длимы волны света Ь » X, при нормальном падении на слой излучения имеет вид.

т! хт\ и-Я2)2 ехр(-аЬ)

Т(Ю'Э'К)- 1-К2ехР(-2аЬ) ' (1)

гле а = N[03(03,3)+ а5(ю,а)] + ат(со) - коэффициентэкстинкции, а5(со,а)

и сечения рассеяния и поглощения наночастицами, (Хт(сй) - коэффи-

циент ослабления излучения веществом матрицы, II- коэффициент отражения света от границы слоя. Сечения СТ5(со,а)и выражались через поляри-

зуемость А(ю, а) наночастицы.

Разработанная физическая модель спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц, основывалась на предположении, о существовании в зоне проводимости дискретных уровней обусловленных размерным квантованием. В этом приближении поляризуемость А(со,а) единицы объема наночастицы выражалась через матричные элементы электрических дипольных моментов переходов 0(Да) между квантовыми состояниями |1) и

Л(ш,а)=А

и (со2 -со2) + со2Г2 1 и(ш2-ш?)г+а>2^

(2)

где суммирование производится по всем возбуждаемым излучением дипольным переходам и носителям заряда, Ю]- частота перехода, Г|- ширина возбужденного ¡-го уровня, й - постоянная Планка. Соотношение (2) позволяет найти выражения для сечений поглощения и рассеяния света наночастицей. Предполагая, что ширина возбужденного ] -го уровня слабо зависит от ] и, учитывая, что по порядку

величины частоты СО и близки, в работе была получена оценка отношений сечений рассеяния и поглощения. Показано, что для наночастиц, размерами (10-1-100) нм в области частот 1013 10,бГц при Г = 109 Гц, величина отношения

а*(®>а) ,«-7 „

сечений не превышает —т-г <10 . В силу малости этого отношения, при по-

стДсо.а)

строении модели сечение рассеяния не учитывалось. Сечение поглощения записывалось в виде:

, ч [Р.Да^ш^ 2

ст.М=-1^-^-—со (3)

сй (со -СО- / +со Г"

где, Оу(а)= — Л(ег,е2(г-у(, где г - радиус-вектора заряда, у- вектор направления поляризации электромагнитной волны, вызвавшей этот переход, а множитель Л(е|,е2) учитывает влияние формы и диэлектрических проницаемостей наноча-стицы и окружающей ее среды на величину Оу(а).

В рамках разрабатываемой модели наночастица представлялась трехмерной потенциальной ямой с бесконечно высокими стенками. Энергия свободных носителей заряда, находящихся в квантово-размерных состояниях обусловленных пространственным ограничением области квантования, в такой потенциальной яме при размерах наночастицы а < ас будет определяться их кинетической энергией, а через граничные условия на поверхности потенциальной ямы явно зависеть от размеров и формы наночастицы. Исходя из этого, для со^ было принято следующее выражение:

2

©!= — = ■-= (4)

Й 2т,лла2 а2 ( '

1е(И)

где ф? - корни решения уравнения Шредингера для свободных электронов (дырок) в потенциальной яме на границе этой ямы, гпе(Ь)- эффективные массы электрона

или дырки, 9 - множитель определяемый формой наночастицы. В частности, для сферической наночастицы он равен единице.

Далее в главе были получены зависимости сга(со,а) от частоты света и размера наночастицы в окрестности и области линии поглощения переходах носителей заряда в квантово- размерные состояния &ча о), экситонные состояния (&> > и переходов в непрерывный спектр сг а > для которых о^ =со. Из полученных выражений для сечений поглощения, записывались модельные выражения для спектра пропускания света массивом наночастиц, в области частот вдали от со^:

Т(со,а)я ехр[-Ш^оТ2 + А,ха2ш"2 + А^асо)], присох^, (5)

Т(со,а)яехр[-Ыь(А5а8ш2+АзХа2сй2 + А^асо)], если со < со^ (6)

Для спектра пропускания Т(со,а) в окрестности резонансной частоты с>1:

Т(ш, а) я ехр

-иь!

( а с:Г, ах м.га2 с

V ? + , ■> +А аш

4 Доз + Г,2 4Дш + Г2

V 3 1

(7)

где А(й = (а-ш-г

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов производилось в диапазонах, соответствующих линии поглощения и областям вне нее. Линия поглощения соответствовала диапазону >.=308-400 нм, который по виду механизмов поглощения света можно разделить на две области с Х=337—400 нм и Я = 308-337 нм. В области с ;\.=337-40Снм преобладают механизмы возбуждения и разрушения экситопных состояний с переходом носителей заряда в зону проводимости. В области с Л = 308-337нм главными являются механизмы перехода носителей заряда с дополнительных разрешенных энергетических зон, расположенных внутри запрещенной зоны, в область зоны проводимости.

Для численного моделирования спектра пропускания выражения (5)-(6) записывались в следующем виде:

Экспериментально измеренные значения спектра пропускания, соответствующие двум значениям частоты излучения в каждом из диапазонов (А£308нм и Я > 400нм) или трем в диапазонах (Я = 337-400нм и X = 308-337нм), подставлялись в выражения (8)-(11), которые после этого рассматривались как системы уравнений относительно неизвестных А,В,Г. Таким образом, определялись конкретные сравниваемые с экспериментальными значениями модельные выражения спектра пропускания Тт (со, а) света. На рис.2 приведена модельная кривая соответствующая Тт (а, а) (сплошная линия). Как видно из рис.2 наблюдается достаточное хорошее соответствие экспериментальной и модельных кривых.

Третья глава посвящена исследованию нелинейно-оптических эффектов самовоздействия непрерывного лазерного излучения при распространении в гетерогенных средах на основе невзаимодействующих наночастиц распределенных в жидких матрицах с различным значением температурного коэффициента показателя преломления. Исследованы зависимости интенсивности приосевой части выходного излучения, от уровня мощности входного излучения, для длин волн 532 нм и 633 нм. Предложена модель формирования нелинейно-оптических свойств

Процесс самовоздействия излучения при распространении в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з (объемная концентрация 0,3%) и мат-

га>)\, X > 400 нм, ■Въсо ],/г = 337-400нм,

(8) (9)

)+васо ] ,А = 308-337нм (11)

(10)

ГЖС.

рицы с низким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления, исследовался в диапазоне интенсивностей от 1 мкВт/мм2 до 1400 мВт/мм2. В качестве матрицы с низким ТКПП использовалось вакуумное масло ВМ-4. На рис.3 приведены экспериментальные зависимости, нормированных на максимум интенсивностей приосевой части прошедшего через ГЖС излучения

интенсивности излучения на входе в кювету 11х, полученные для

следующих длин волн: X = 633 нм (зависимость 1) и X = 532 нм (зависимость 2). Для сравнения показана зависимость полученная для чистого вакуумного масла (зависимость 3), которая имеет одинаковый вид для обеих длин волн.

Как видно из рис. 3, зависимость 2 (X = 532 нм), при малой интенсивности входного излучения (до ~ 200 мВт/мм2) сохраняет линейный характер и совпадает с зависимостью 3. Дальнейшее увеличение входной интенсивности излучения приводит к уменьшению интенсивности в приосевой части прошедшего пучка, что связано с увеличением площади сечения прошедшего пучка. Такое поведение профиля пучка обусловливается уменьшением показателя преломления ГЖС при увеличении интенсивности излучения с длинной волны X = 532 нм, что приводит к самодефокусировке прошедшего через ГЖС излучения. Зависимость 1 (X = 633 нм), при малой интенсивности входного излучения также сохраняет линейный характер и совпадает с зависимостью 3.

1.0

0.5

0.1

о

л-

ъ-Л

J-^fírt-'"'

200 400

600 800 Ibx, мВт/мм2

1000 1200 1400

Рис.3. Зависимость интенсивности излучения прошедшего через взвесь а-А120з в масле ВМ-4, от интенсивности падающего излучения: ГЖС 1 - для Л = 633 нм, 2 -для Л = 532 нм, объёмная концентрация наночастиц 0,3 %. 3 - чистое вакуумное масло, для длин волн Л = 633 нм и Л = 532 нм.

Однако в отличие от предыдущего случая, при входной интенсивности свыше ~ 400 мВт/мм2, наблюдается увеличение интенсивности приосевой части излучения.

Процесс самовоздействия излучения при распространении в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з (объемная концентрация 0,3%) и матрицы с высоким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления исследовался в диапазоне изменения интенсивностей от 1 мкВт/мм2 до 1400 мВт/мм2. В качестве матрицы использовалось иммерсионное масло.

1

/Г"

- О 300 600 900 1200 1500

1вх, мВт/мм2

4.Зависимость интенсивности излучения прошедшего через взвесь а-А120з в иммерсионном масле, от интенсивности падающего излучения: 1 - чистое иммерсионное масло для длин волн Л = 532 нм и Л =633 нм; ГЖС: 2 - для Л = 532 им, 3 - для Л = 633 нм, объёмная концентрация наночастиц 0,3 %.

На рис.4 приведены экспериментальные нормированные зависимости выходной интенсивности в приосевой части пучка от величины входной

/ о

интенсивности, полученные для следующих длин волн: X = 633 нм (зависимость 3) и X = 532 нм (зависимость 2). Для сравнения показана зависимость полученная для чистого иммерсионного масла (зависимость 1), одинаковая для обеих длин волн. Данная зависимость имеет нелинейный характер, что обусловлено дефокусировкой за счёт тепловой нелинейности иммерсионного масла.

Из рис.4 видно, что для излучения с длиной волны X = 532 нм (зависимость 2) нелинейность возникает при входной интенсивности более 40 мВт/ мм2 и проявляется в самодефокусировке прошедшего через ГЖС пучка. Для излучения с длиной волны X = 633 нм, нелинейность возникает, при входной интенсивности более ~ 40 мВт/ мм2 и проявляется в самофокусировке излучения. Дальнейшее

1.0

г ь

0.5

0.1

{,3

Т.

г:'4..

1

V

л

увеличение интенсивности излучения приводит к уменьшению интенсивности приосевой части пучка. Как видно из рисунка данная зависимость имеет экстремумы. Поскольку величина поляризации среды и эффективность потерь световой мощности в ней зависят от количества наночастиц в ГЖС, то порог насыщения и количество наблюдаемых осцилляции должны зависеть от концентрации наночастиц. Для сравнения был выполнен эксперимент, в котором использовалась ГЖС на основе наночастиц а-АЬОз в иммерсионном масле, с объёмной концентрацией наночастиц 0,03%.

о 500 1000 1500 2000 2500 3000

1вх, мВт/мм'

5. Зависимость интенсивности излучения прошедшего через взвесь а-А1203 в иммерсионном масле, от интенсивности падающего излучения (Л = 633 им, объёмная концентрация наночастиц 0,03 %).

На рис.5 приведена экспериментально полученная зависимость нормированной величины интенсивности приосевой части выходного пучка ( 10Ц, /10 ), от величины интенсивности излучения на входе в кювету, для излучения с длиной волны X = 633 нм.

Как и в предыдущем случае, зависимость имеет вид спадающих осцилляции, однако порог возникновения осцилляций увеличился до 600 мВт/мм2. На фотографиях распределения интенсивности излучения после прохождения ГЖС с объёмной концентрацией наночастиц 0,03%, при различных значениях интенсивности входного излучения показанных на рис.6, видно, что наличие экстремумов обусловлено чередование максимумов и минимумов интенсивности в приосевой части выходного пучка, при увеличении мощности входного пучка.

В рассматриваемом случае нелинейный отклик сопровождался заметными релаксациями интенсивности в приосевой части излучения, прошедшего через ГЖС. Времена релаксации, в зависимости от интенсивности входного излучения составляли от 0,1 до 0,5 с.

1=1900 мВт\мм 2 1=2700 мВт\мм2 1=3120 мВт\мм 2

Рис. 6. Фотографии распределения оптической мощности лазерного пучка с длиной волны 633 нм, после взаимодействия с ГЖС на основе матрицы с высоким ТКПП, полученные для различных уровней интенсивности входного излучения

1=100 мВт\мм 2

1=700 мВт\мм2 1=1150 мВт\мм 2

В главе 3 показано, что наблюдаемая нелинейность оптических характеристик наночастиц может быть объяснена наличием внутри запрещенной зоны на глубине Еа -2,3 эВ от дна зоны проводимости дополнительной зоны шириной ~ (0,3 - 0,4) эВ, а также большого числа акцепторных уровней в энергетической полосе ~ 1 эВ от дна зоны проводимости. При взаимодействии входящих в ГЖС наночастиц а-А120з с излучением с длинами волн X = 532 нм и X = 633 нм, энергии квантов света оказывается недостаточно, чтобы перевести электроны из валентной зоны в зону проводимости (Е х=532 = 2,34 эВ; Е х=бзз = 1,97 эВ < Ев = 3,7 эВ). Таким образом, взаимодействие наночастиц а-АЬОз с излучением видимого спектра, возможно только за счёт наличия зоны донорного типа образованной поверхностными дефектами (ЕД В этом случае энергии квантов с длиной волны излучения X = 532 нм достаточно для перевода электронов из донорной зоны в зону проводимости (Е х=532 > Еа). Это приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда в зоне проводимости и к появлению отрицательной нелинейной добавки к показателю преломления. В отсутствии влияния температуры на показатель преломления матрицы, это приводит к формированию в ГЖС отрицательной градиентной линзы, и как следствие к уменьшению интенсивности в приосевой области пучка, вследствие расфокусировки. Этот факт объясняет ход зависимости 2 на рис.3. Энергии кванта света с длиной волны X = 633 нм оказывается недостаточно для перевода электронов в зону проводимости (Е х=взз < ЕД но достаточно для возбуждения в наночастице переходов носителей заряда на уровни энергии

16

расположенные вблизи дна зоны проводимости, и соответствующие возникновению экситонов. В результате происходит возбуждение дипольного перехода, который индуцирует дипольный момент, величина которого обратно пропорциональна размерам наночастицы. Таким образом, в поле световой волны происходит поляризация наночастиц, что вызывает изменение эффективного показателя преломления ГЖС. Как показано в ряде работ, в области частот меньших резонансной такая нелинейная добавка к показателю преломления положительна. Таким образом, с ростом интенсивности световой волны, в ГЖС формируется положительная градиентная линза, что приводит к самофокусировке пучка.

Для случая использования в качестве матрицы ГЖС иммерсионного масла с отличным от нуля температурным коэффициентом изменения показателя преломления в действие вводится дополнительный процесс формирования отрицательной температурной линзы. В отсутствии других процессов изменения пропускания среды этот процесс приводит к дефокусировке светового пучка. В связи с этим, при использовании излучения с длиной волны X = 532 им, в ГЖС происходит объединение двух, приводящих к дефокусировке луча процессов: образование отрицательных градиентных линз за счет генерации неравновесных носителей заряда и за счет разогрева среды. При распространении в ГЖС излучения с длиной волны X = 633 нм происходит конкуренция двух процессов: процесса образования волно-водного канала вследствие поляризации среды и процесса образования рефракционного канала из-за разогрева материала матрицы. При этом на начальной стадии роста интенсивности входного излучения будет наблюдаться увеличение интенсивности в приосевой части выходного пучка, вследствие его самофокусировки. Далее, в связи с насыщением «примесного» поглощения, процесс создания рефракционного канала начнет преобладать, что приведет к уменьшению интенсивности в приосевой области. Именно наличие процесса насыщения, приводящего к прекращению процесса самофокусировки света в среде при дальнейшем росте интенсивности волны на входе в ГЖС, будет приводить формированию в среде многослойных волноводов, что обуславливает экспериментально наблюдаемое изменению интенсивности излучения, распространяющегося в приосевой области. Данное явление качественно объясняет ход зависимости 3 на рис.4.

В четвёртой главе изучались зависимости пропускания ГЖС от величины интенсивности входящего в кювету излучения с длинами волн 532 нм и 633 нм, в случае их коллинеарного взаимодействия. Исследованы процессы взаимного влияния лазерных пучков при их совместном распространении. Предложено объяснение наблюдаемых эффектов. Результаты исследования, были применены при разработке макета устройства управления непрерывным лазерным излучением.

Возникновение эффекта взаимного влияния коллинеарных лазерных пучков непрерывного излучения, было обнаружено при их совместном распространении

через ГЖС с высоким значением ТКПП матрицы. Исследовалась зависимость интенсивности прошедших через ГЖС лучей в приосевой области 1+(1_)от величин входных интенсивностей излучений с длинами волн 532 им и 633 нм в случае их коллинеарного взаимодействия. Концентрация наночастиц в ГЖС составляла -0,3 %. На рисунке 7 приведены экспериментальные зависимости выходной интенсивности приосевой части пучка излучения с я. = 532 нм, от входной интенсивности излучения с х = 532 нм. Семейство кривых получено для различных значений интенсивности коллинеарного с ним (управляющего) излучения с х.=633 нм. Как видно из рисунка, при увеличении интенсивности с X = 532 нм до значений 500 мВт\мм 2 наблюдается убывание выходной интенсивности, что связано с процессами дефокусировки излучения.

лу Л"

{............t

200 300

lex,мВт/мм1

7.Зависимость выходной мощности излучения с длиной волны Х=532 нм от входной мощности излучения с длиной волны 1=532 нм, при различных уровнях мощности излучения с 1=633 (1 - Р=0; 2 - Р=500 мВт; 3 - Р=1000 мВт; 4 -Р=1500 мВт)

1 -

3 0.75

3 0.5-

0.25-

,и

/'-'ч; Ч

i 1 \ 'Чь, /

"i,

о 500 1000 1500 2000

1вх,мВт/мм2

8. Зависимость выходной мощности излучения с длиной волны 1=632 нм от входной мощности излучения с длиной волны Х=633 нм, при различных уровнях .мощности излучения с Х=532 нм (1 - Р^ОмВт; 2 - Р=250мВт; 3 - Р=500 мВт)

На рисунке 8 приведены экспериментальные зависимости выходной интенсивности приосевой части пучка излучения с х = 633 нм нормированное на максимальное значение, от входной интенсивности излучения с х = 633 нм. Семейство построено при различных значениях интенсивности коллинеарного с ним (управляющего) излучения с А, =532 нм. Как видно из графика (рис. 8), при увеличении интенсивности излучения с 1=633 нм до значений 2000 мВт\мм 2 носит немонотонный характер и имеет вид спадающих по амплитуде осцилляций.

Механизм возникновения обнаруженных эффектов можно объяснить следующим образом. В случае взаимодействия коллинеарных световых лучей с разными длинами волн нелинейное изменение эффективного показателя преломления ГЖС An определяется интенсивностью излучений с длинами волн X = 633 нм и X = 532 нм. Так для входного луча с Х= 532 нм, управляемого лучом света с Х= 633 нм, величина An из-за уменьшения населенности подзоны разрешенных уровней вызванной поглощением зеленного излучения с Х= 532 нм совместно с разогревом среды становится отрицательной,

что приводит к спаду интенсивности прошедшего ГЖС зеленого света при меньших величинах интенсивности входного излучения. Это иллюстрируют кривые 2-4 на рис.7. Для входного луча с Х= 633 нм, управляемого лучом света с Х= 532 нм величина Ап в зависимости от интенсивности красного излучения может принимать как положительные, так и отрицательные значения, а взаимодействие с управляющем лучом с Х- 532 нм обостряет конкуренцию процессов самофокусировки и самодефокусировки излучения. Вследствие этого, максимум величины пропускания излучения с >.= бЗЗнм через ГЖС уменьшается с ростом интенсивности луча с Х= 532 нм (рис.8). Проведенные исследования показывают, что взаимное влияние лазерных пучков, коллинеарно распространяющихся в ГЖС с высоким значением ТКПП, сопровождается временными релаксациями, величина которых зависит от соотношения интенсивностей управляющего и управляемого излучений и составляет порядка 0,1 с.

В целях обоснования возможности применения исследованных выше нелинейно-оптических эффектов для разработки устройств оптоэлектроники, в ходе выполнения работы был создан опытный макет полностью оптического устройства управления интенсивностью световых потоков, использующего явление коллинеарного взаимодействия лазерных пучков при распространении в ГЖС. Характеристики макета определялись, как зависимость величины усиления излучения с длиной волны 532 нм (633 нм) различной интенсивности, от величины интенсивности излучения 633 нм (532нм) при коллинеарном взаимодействии световых пучков. На вход макета подавались коллинеарные пучки света с длиной волны 1=633 нм и Х=532 нм, при этом интенсивность излучения одной длины волны оставалась

постоянной, а излучение другой длины волны изменялось в пределах от 0 до 500 мВт\мм 2 .

Полученные характеристики приведены на рис. 9 Кривые 1, 2, 3 соответствуют излучению длиной волны 633 нм и интенсивностью 1_ равной соответственно: кривая 1 -250 мВт\мм 2 ; кривая 2 - 1000 мВт\мм2; кривая 3- 500 мВт\мм2. Кривые 4, 5 соответствуют излучению длиной волны 532 нм с постоянной 1_ равной соответственно: кривая 4 -250 мВт\мм2 ; кривая 5 - 500 мВт\мм2. На выходе макета измерялась интенсивность приосевой части прошедшего излучения 1+ светового луча с длиной волны Х.=633 нм для кривых 1, 2, 3 и 1=532 нм для кривых 4 и 5. Величина пропускания Т оценивалась по логарифмической шкале. Положительные значения Т соответствуют увеличению, а отрицательные - уменьшению излучения с длиной волны X при подаче на вход макета управляющего излучения длиной волны кРЕГ. Таким образом, величину Т можно рассматривать как коэффициент усиления интенсивности приосевой части проходящего через макет излучения. Как видно из рис. 9 при изменении интенсивности управляющего пучка с _ 532 нм для управляемого луча с Я, = 633нм наблюдается смена знака значения Т с ростом интенсивности управляющего излучения.

9. Коэффициент модуляции интенсивности входного излучения. I- Я=0,63 (Хрег =0,53; 1о.бз=250мВт\мм2 ); 2- Х=0,63 (Хрег =0,53; 1о,бз=1000 мВт\ммг); 3-1=0,63 (Хрег =0,53; [о,бз=500мВт\мм2 ); 4-1=0,53 (Хрег =0,63; 1(153=250мВт\мм2 ); 5- Х=0,53 (Хрег =0,63; 1о,53=500мВт\мм2 ).

Величина ослабления, как и величина увеличения пропускания, зависит от величины начальной интенсивности управляемого луча. Для излучения другой длины волны (Я = 532нм) - наблюдается только, зависящее от начального уровня интенсивности, ослабление управляемого луча (кривые 4, 5). Величина модуляции для используемых интенсивностей модулируемого и управляющего коллине-арных световых лучей может достигать -10 дБ.

Основные результаты диссертационной работы

1. Экспериментально обнаружено отличие спектра поглощения массива невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз размером ~ 40 нм от объёмного образца, заключающееся в размытии длинноволнового края полосы фундаментального поглощения и появлении узкой полосы поглощения с центральной частотой Л =337нм.

2. Проведен теоретический анализ и построена физическая модель механизмов определяющих вид спектров пропускания, поглощения и рассеяния гетерогенных сред, состоящих из наночастиц диэлектриков помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу, в ближнем ИК и УФ диапазонах.

3. Экспериментально обнаружено, что при распространении непрерывного лазерного излучения через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з размером ~40 нм помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу с низким значением температурного коэффициента показателя преломления, наблюдается низкопороговая нелинейность оптических характеристик ГЖС. Показано, что возникновение таких нелинейно-оптических эффектов может быть объяснено отрицательным изменением показателя преломления гетерогенной среды при генерации неравновесных носителей заряда (для к = 532 нм) и положительным изменением показателя преломления гетерогенной среды за счёт поляризации при возбуждении экситонных состояний носителей заряда (для X =633 нм).

4. Экспериментально обнаружено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А1203 и жидкофазной диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления при интенсивностях излучения >50 мВт\мм5 наблюдаются следующие нелинейно-оптические явления: для излучения с длиной волны X = 633 нм происходит конкуренция процесса самофокусировки излучения, приводящая к образованию волноводного канала вследствие поляризации среды при возбуждении экситонных состояний носителей заряда, и процесса образования отрицательной градиентной линзы вследствие разогрева материала жидкофазной матрицы.

5. Показано, что в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з размером 40нм помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления, возможно возникновение эффекта взаимодействия коллинеарных пучков непрерывного лазерного излучения с длинами волн 633 нм и 532 нм, за счёт возникновения нелинейной добавки к показателю преломления ГЖС.

6. Продемонстрирована возможность создания устройства управления непрерывным лазерным излучением использующего явление модуляции интенсивности проходящего через среду излучения одной частоты, при изменении интенсивности коллинеарного с-ним излучения другой частоты. Показано что величина амплитуды модуляции интенсивности проходящего излучения может изменяться в пределах от-17,5 дБ до+10 дБ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кульчин 10. Н., Щербаков А. В., Дзюба В. П., Вознесенский С. С., Микаэлян Г. Т. Нелинейно-оптические свойства жидких нанофазных композитов на основе широкозонных наночастиц А1203 // Квантовая электроника, 2008. Т. 38, вып.2. С. 158- 163. (Из Перечня ВАК)

2. Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков А.В Спектр пропускания света диэлектрическими наночастицами в объемных гетерокомпозитах// ФТП, 2009, том 43, выпуск 3, с. 349-354. (Из Перечня ВАК)

3. Ю.Н.Кульчин, А.В.Щербаков, В.П.Дзюба, С.С.Вознесенский. Взаимодействие коллинеарных световых пучков с разными длинами волн в гетерогенном жидко-фазном нанокомпозите // ПЖТФ, 2009, том 35, выпуск 14, с. 1-7. (Из Перечня ВАК)

4. Кульчин Ю. Н., Щербаков А. В., Дзюба В. П., Вознесенский С. С. Коллинеарное взаимодействие световых пучков с разными длинами волн в гетерогенном жидко-фазном нанокомпозите // Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур. Звенигород 27-29 ноября 2007г. /Сб. трудов. М.: 2008, С. 99-112.

5. A.V.Scherbakov, Y.N.Kulchin, V.P.Dzyuba, S.S.Voznesenskiy

Coliinear interaction between light beams in the nanocomposite with liquid -phase matrix.// Nanostructures: Physics and Technology/ Proc. of 16th International Symposium. Vladivostok, Russua, July 14-18, 2008 St. Petersburg: Ioffe Physico - Technical Institute 2008. Pp.102-103.

6. Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков A.B., Вознесенский C.C. Нелинейно-оптическое взаимодействие излучения с гетерогенными жидкофазными нанокомпозитами. // Труды XIV-школы "Нелинейные волны-2008'У/ Рос. акад. наук, Ин-т

приклад, физики; отв. ред. Гапонов-Грехов. Нижний- Новгород: ИПФ РАН, 2009. 400с.

7.Y.N.Ku!chin, V.P. Dzyuba, A.V.Scherbakov, S.S.Voznesenskiy Peculiarity of nonlinear optical effects in heterogeneous liquid-phase AI2O3 nanocomposit. // Nanostructures: Physics and Technology/ Proc. of 17th International Symposium. Minsk ,Belarus, June 22-26, 2009. St. Petersburg: Ioffe Physico - Technical Institute 2009. Pp.224-225.

8.Щербаков A.B., Кульчии Ю.Н., Безвербный А.В. Влияние наночастиц а - А1гОг на процесс перекачки оптической энергии в системе связанных планар-ных волноводов. // Труды 12-ой Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2006, с. 327-332.

9. Yu. N. Kulchin, V.P. Dzyuba, A. V. Shcherbakov Nonlinear optical effects in heterogeneous liquid-phase Al2Oy nanocomposites // /The 4th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium - PALS 2009 . Tampere, Finland, May 24-27, 2009. Technical Digest. 2009. Pp. 75-76.

10. ДзюбаВ.П., Кульчин Ю.Н., Щербаков A.B. Нелинейно-оптические эффекты взаимодействия лазерного излучения с диэлектрическим жидким нанокомпозитом.// Перспективные направления развития нанотехнологий в ДВО РАН, том 2: результаты отчётной конференции в рамках ЦКП ФНИ ДВО РАН на период 2008-2012 г.г. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов», Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2009, с.65-86.

^ к}

Щербаков Александр Вячеславович

Нелинейно-оптическое взаимодействие лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами на основе наночастиц а-А1203

Автореферат

Подписано к печати 03.03.2011 г. Усл. п. л. 1,2 Уч. изд. л. 1,0

Формат 60x84/16 Тираж 100 экз. Заказ 5

Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио , 5. Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Универсальная установка для исследования нелинейно-оптического взаимодействия лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами.

1.2. Приготовление гетерогенных жидкофазных сред на основе наночастиц а-АЬОз и их исследование методами атомной силовой микроскопии и спектрофотометрии.

2. СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРОПУСКАНИЕ МАССИВА НЕВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ НАНОЧАСТИЦ а-А

2.1. Экспериментальное исследование спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-А^Оз.

2.2. Физическая модель спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц.

2.3. Моделирование спектра пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-А12Оз.

3. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКО-ФАЗНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ а-А12Оэ.

3.1. Экспериментальное исследование нелинейно-оптического самовоздействия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазной среде на основе матрицы с низким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления.

3.2. Экспериментальное исследование нелинейно-оптического самовоздействия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазной среде на основе матрицы с высоким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления.

3.3. Модель нелинейно-оптических процессов самовоздействия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазной среде на основе наночастиц из а-А^Оз.

4. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЛИНЕАРНЫХ ПУЧКОВ НЕПРЕРЫВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С РАЗНЫМИ ДЛИНАМИ ВОЛН В ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКО-ФАЗНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ а-А1203.

4.1. Экспериментальное исследование взаимодействия коллинеарных лазерных пучков с длинами волн 633 нм и 532 нм в ГЖС с различными материалами жидкофазных матриц.

4.2. Релаксационные процессы для интенсивностей колинеарно взаимодействующих световых пучков.

4.3. Экспериментальное обоснование возможности создания элементов полностью оптических устройств управления излучением на основе ГЖС.

Современные тенденции увеличения быстродействия устройств обработки информации диктуют необходимость поиска альтернативных решений для увеличения их вычислительной мощности [1]. В настоящее время существует целый набор задач, решение которых не обеспечивается современными вычислительными средствами в необходимом временном масштабе. К подобным задачам относятся операции с массивами, изображениями, интегральные преобразования (типа преобразования Фурье), процедуры распознавания образов (типа нейроалгоритмов) и др. Выход из складывающейся ситуации заключается в разработке и использовании качественно иных вычислительных компонентов и методов. Так в области высокоскоростной обработки информации наблюдается смещение интереса в раздел символьных и параллельных вычислений [2]. Символьные вычисления позволяют использовать методы искусственного интеллекта, а параллелизм обеспечивает увеличение скорости обработки, необходимое для удовлетворения все возрастающих требований к высокопроизводительным вычислениям. В свою очередь оптические методы способны обеспечить высокий уровень параллелизма, высокую степень широкопо-лосности и высокое быстродействие логических элементов [2,3]. Кроме этого, применение оптических методов предоставляет возможность осуществления сравнительно многочисленных, сложных и широкополосных соединений, отличающихся отсутствием интерференционных эффектов [3]. В данном случае оптика имеет преимущество с точки зрения реализации более высокой степени трехмерной интеграции. Линзы обеспечивают большие значения коэффициентов разветвления по выходу и объединения по входу, которые трудно получить в электронике. Высокая степень параллелизма достигается за счет прохождения изображений через двумерные пространственные модуляторы света (ПМС). Достигнутый уровень характеристик оптических ПМС позволяет предполагать, что оптические перекрестные переключатели могут стать доступными по цене, быстродействию и размерам, существенно превосходя обычные полупроводниковые устройства. Использование оптики для связи с интегральными схемами со сверхвысокой степенью интеграции позволит преодолеть такие проблемы, как ограничение ширины полосы частот на разъемных соединениях [1] и сложность соединения мультипроцессоров [3].

Область применения оптических процессоров для обработки сигналов включает решение задач линейной алгебры, спектральный анализ радиосигналов, переконфигурируемые межсоединения, цифровые перемножители, нейронные сети и др. Оптические вычисления обладают значительными возможностями улучшения таких характеристик, как быстродействие, потребление энергии, размер, объем памяти, надежность, отказоустойчивость и т. д. по сравнению с существующими чисто электронными вычислительными системами. Оптические методы позволяют производить как аналоговую, так и цифровую обработку информации. [1-7]

К настоящему времени наиболее исследованы возможности аналоговой оптической обработки информации. Когерентные аналоговые оптические вычислительные процессоры широко используются для решения специальных классов задач, например: обработка радиолокационных сигналов в РЛС с синтезированием апертуры; спектральный и корреляционный анализ, распознавание образов [5]. Характерной чертой оптических аналоговых вычислительных процессоров является то, что все элементы информации на входе преобразуются в результирующий сигнал на выходе одновременно. Благодаря этому достигается их высокая производительность. Однако такие оптические процессоры, так же как и электронные аналоговые схемы, имеют ограниченную точность вычислений — порядка 1%.

Интерес к цифровой оптической обработке информации на начальном этапе был вызван необходимостью преодоления тех проблем, с которыми столкнулась аналоговая оптическая вычислительная техника: малая точность вычислений и отсутствие гибкости, присущей электронной технике [5]. В процессе развития этого направления был предложен ряд концепций построения оптоэлектронных вычислительных устройств и блоков, исследованы возможности создания соответствующей элементной базы, были разработаны перспективные оптические и оптоэлектронные логические элементы и функциональные узлы [2-4]. Можно отметить три отличительных особенности оптики, которые делают ее привлекательной для цифровых вычислений. Первое — это широкая полоса частот оптических источников излучения, которая может для полупроводниковых лазеров достигать гигагерц. Второе — это широкая полоса пространственных частот. Двумерная оптическая система может иметь крайне большое число элементов, разрешающих изображение, каждый из которых можно рассматривать как отдельный канал связи, а все они параллельно передают сигнал в одной и той же системе. В случае некогерентного освещения все разрешающие ячейки оптической системы являются взаимно независимыми. При освещении когерентным светом каналы являются связанными между собой, что приводит к исключительно высокой степени организации межэлементных соединений. Третьей, относящейся к оптическим соединениям, характеристикой является отсутствие интерференции при распространении сигналов. Два оптических сигнала могут распространяться друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Эти характеристики дают возможность обрабатывать данные при больших скоростях и с недостижимым для электронных устройств уровнем организации связи между различными элементами [6].

Важной областью применения оптики являются многоканальные устройства. Использование нескольких длин волн может обеспечить считывание для любого заданного участка памяти, при одновременном использовании большого числа каналов [2,3]. Привлекательным свойством применения нескольких длин волн в оптических вычислениях является то, что управление переключением осуществляет сам луч, несущий информацию, и не требуется предусматривать отдельный вход для управляющего луча. В последнем случае это существенно увеличивало бы сложность операций управления компьютером. Напротив, использование целого ряда длин волн делает в большей мере параллельными операции, используемые для маршрутизации сообщений, в которых начальные биты в общем потоке битов сообщения содержат информацию об адресе, используемую каждым переключателем, с которым сталкивается сообщение по мере прохождения по сети. Это позволит избежать необходимости использования сложных цепей выделения интересующей информации. Для демультиплексирования большого числа наложенных друг на друга отраженных сигналов с различными длинами волн используются различные элементы, например голографические решетки [5].

В целом оптические методы имеют превосходство при выполнении операций соединения и, по крайней мере, равные возможности с чисто электронными технологиями при выполнении операций принятия решений, что в значительной степени стимулирует научные исследования, нацеленные на развитие и совершенствование оптических средств обработки информации [2-5].

Развитие возможностей использования света для обработки больших информационных массивов напрямую связано с разработкой принципиально новых технологий создания оптических логических элементов (ОЛЭ) [6-9]. Основой таких элементов являются оптические устройства, в которых один световой поток управляет другим световым потоком [4,1021]. В таких устройствах интенсивный лазерный пучок, называемый несущим пучком, изначально отстроен по длине волны относительно максимума коэффициента пропускания, что определяет выключенное состояние. Когда же приложен переключающий пучок с низкой интенсивностью, устройство включается и несущий пучок проходит через устройство. Переключающий пучок в этом случае содержит вводимую в устройство информацию.

Для создания устройств данного типа требуется применение нелинейных материалов, обладающих зависимостью показателя преломления от интенсивности света [22-27]. В связи с тем, что ОЛЭ должны обеспечивать переключение при малых управляющих мощностях, основным требованием к применяемым нелинейным материалам является высокое значение нелинейной восприимчивости. В качестве таких материалов применяют полупроводниковые, а также некоторые органические и фоторефрак-тивные кристаллы [28-37].

Однако для гомогенных сред величина нелинейной добавки к показателю преломления имеет слишком малое значение [38-45], что ограничивает их практическое использование для создания ОЛЭ. Наиболее перспективным подходом к решению обозначенной проблемы, является применение гетерогенных сред, для которых в ряде случаев характерны высокие значения нелинейной восприимчивости [46,47]. Разнообразие таких материалов обуславливается широкими возможностями выбора химических и физических свойств, процентного содержания и числа отдельных составляющих компонентов [50-59].

Особо можно выделить гетерогенные материалы, для которых характерно наличие морфологических элементов с размером менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нульмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы [50-61]. Для задач оптики особый интерес представляют наночастицы в жидкостях, стеклах и в матрицах широкозонных диэлектриков [50,51]. Именно в такой системе, состоящей из внедренных в силикатные стекла наночастиц СиС1, при исследовании однофотонного поглощения, был впервые обнаружен эффект трехмерного размерного квантования энергетических уровней экситонов [50].

Технологии изготовления различных наночастиц и материалов на их основе подробно описаны в работах [62-73]. Процессы, в результате которых происходит формирование наночастиц - это кристаллизация, рекристаллизация, фазовые превращения, высокие механические нагрузки, интенсивная пластическая деформация, полная или частичная кристаллизация аморфных структур. Выбор метода получения наночастиц определяется областью их применения и желательным набором свойств конечного продукта. Характеристики получаемого продукта: гранулометрический состав и форма частиц, содержание примесей, величина удельной поверхности - могут меняться в зависимости от способа получения в весьма широких пределах. Так, в зависимости от условий получения, наночастицы могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру. [63]

Методы получения ультрадисперсных материалов разделяют на химические, физические, механические и биологические [65]. Химические методы синтеза включают различные реакции и процессы, в том числе процессы осаждения, термического разложения или пиролиза, газофазных химических реакций, восстановления, гидролиза, электроосаждения. [6365,71] Такими способами получают различные нанопорошки с размером частиц в пределах от 10 до ЮОнм [65]. К физическим методам относятся способы испарения (конденсации), или газофазный синтез получения на-нопорошков металлов, основанные на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе. Размер частиц при этом - десятки нанометров [64,65]. Широкое распространение получил способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проволок (проводников) [63-65,69]. Таким способом получают металлические и оксидные нанопорошки с размером частиц до 100 нм [63-65]. К механическим методам относятся различные способы измельчения материалов механическим путем в мельницах различного типа. Так, для оксидов вольфрама и молибдена получают частицы размером порядка 5 нм, для железа — порядка 20 нм [63-65].

При получении наночастиц любым методом проявляется еще одна их особенность — склонность к образованию объединений частиц, такие объединения называют агрегатами и агломератами [63-65,70]. В результате, при определении размеров наночастиц, необходимо различать размеры отдельных частиц (кристаллитов) и размеры объединений частиц.

Первые исследования наночастиц показали, что в них, по сравнению с объёмными материалами, изменяются такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др. Это связано с тем, что по мере уменьшения размера частиц, все большая доля составляющих их атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. В свою очередь, развитая поверхность оказывает влияние, на энергетический спектр электронной подсистемы и появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (экситонов, фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые вызывают изменения физических свойств на-ночастиц [77-89]. Таким образом, в случае наночастиц, можно говорить о нанокристаллическом состоянии твердого тела, отличном от их обычного кристаллического или аморфного состояния [62,63,67-70].

Оптические свойства наночастиц существенно отличаются от оптических свойств объемных материалов, что связано с перестройкой энергетического спектра носителей заряда в наночастицах и проявляется в изменении откликов таких объектов на внешние оптические возмущения. В частности, радикально модифицируются такие оптические отклики наночастиц, как одно- и многофотонное поглощение, квазиупругое, комбинационное и гиперкомбинационное рассеяние света, а также различные типы люминесценции [74-80]. Также изменяются положения спектральных линий поглощения, их ширина и относительная амплитуда. Существенно изменяются скорости дефазировки оптических переходов и скорости релаксации возбужденных состояний, которыми определяются нестационарные отклики наночастиц на импульсное оптическое возбуждение [84,88,91,93-95].

Создание объёмных композитных сред, состоящих из прозрачной матрицы и наночастиц, дает возможность расширить область их применения. К настоящему времени достаточно хорошо исследованы оптические свойства гетерогенных сред на основе различных наночастиц помещённых в искусственные опалы [50], полимерные матрицы [115,119], силикатные стекла [ 111,118] и других жидкие и твёрдые матрицы [50,51,86,101 ].

Механизмы возникновения нелинейно-оптических явлений в средах содержащих наночастицы из металлов, диэлектриков и полупроводников отличаются разнообразием. Наиболее исследованными можно назвать механизмы одно- и двухфотонного поглощения [99], а также явления, связываемые с протеканием тепловых и акустических процессов. [50]

Несмотря на то, что среды на основе наночастиц многих металлов обладают нелинейно-оптическими свойствами, их применение ограничено в связи с тем, что для них характерны высокие потери для проходящего излучения за счёт поглощения и отражения. Поэтому особое внимание исследователей сосредоточено на исследовании нелинейно-оптических свойств сред, содержащих полупроводниковые и диэлектрические наночастицы [50, 81-90]. Специфические свойства таких наночастиц обусловлены тем, что их размер сравним как с размерами молекул, так и с боровским радиусом экситонов. В частности, для наночастиц из полупроводников, боровский радиус экситона меняется в широких пределах — от 0,7 нм для СиС1 до 10 нм для ОаАБ. [50] Энергия электронного возбуждения для изолированной молекулы обычно заметно больше энергии межзонного перехода (ширины запрещенной зоны) в кристалле. Отсюда следует, что при уменьшении размера частицы, энергия электронного возбуждения плавно увеличивается. Таким образом, уменьшение размера наночастиц должно сопровождаться смещением полосы поглощения в высокочастотную область. Этот эффект проявляется в голубом смещении экситонной полосы поглощения полупроводниковых наночастиц при уменьшении их размеров [148]. В наиболее изученном полупроводнике ОаАэ голубое смещение полосы поглощения наблюдается для наночастиц с размером менее 10—12 нм.

Кроме сдвига полосы поглощения, для наночастиц ряда полупроводников и диэлектриков отмечалось появление широких полос поглощения в спектре прошедшего излучения, а также возникновение набора относительно узких полос в видимом и ближнем ИК-диапазоне. В работе [120] показано, что в спектрах поглощения наночастиц из таких материалов, как ТЮ2, CaF2, и BaF2 наблюдались широкие полосы поглощения в спектральном интервале 400— 1600 нм, 1000 — 1600 нм и 500—950 нм соответственно, а наночастицы BN имеют две полосы поглощения с максимумами на длинах волн 750 нм и 900 нм. Возникновение таких полос поглощения в видимой и ближней ИК-областях спектра авторы объясняют наличием в запрещённой зоне материала наночастиц глубоких энергетических уровней обусловленными поверхностными дефектами кристаллической структуры.

Нелинейно-оптический отклик в средах на основе наночастиц полупроводников и диэлектриков может быть вызван насыщением экситонного поглощения [77,81,140], насыщением межзонного поглощения [148], фотогенерации центров окраски [118], изменением показателя преломления [100,101] светоиндуцированным рассеянием [120] и другими эффектами [106,108,115].

К настоящему моменту достаточно подробно исследованы эффекты, связанные с просветлением композитных сред с содержанием полупроводниковых наночастиц на основе соединений металлов [114,118]. Например, исследования нелинейно-оптических свойств водных коллоидных растворов полупроводниковых наночастиц As2S и CdS, полученных методом лазерной абляции, представлены в работах [95,99]. Полученные значения нелинейной добавки к показателю преломления самих наночастиц, оказались на два порядка выше аналогичных величин для объёмных образцов.

В работах [110,116,119] показано, что в среде с наночастицами оксида ванадия наблюдается фазовые переходы полупроводник—металл, инициированные импульсным излучением видимого и ближнего ИК-диапазонов и приводящие, в зависимости от длины волны, к самофокусировке или самодефокусировке излучения. В данном случае фазовый переход индуцируется фотонами с энергией превышающей ширину запрещенной зоны У02 в полупроводниковой фазе [110]. В последнем случае нано-частицы У02 создавались в тонком приповерхностном слое стекла путем его легирования ионами ванадия и кислорода и последующего отжига. В [111] показано, в средах на основе наночастицы У02 помещённых в на-нопористые стекла также возникают фазовые переходы полупроводник— металл.

Наиболее высокие значения нелинейной добавки к показателю преломления, наблюдались для полупроводниковых наночастиц с шириной запрещённой зоны не более 3 еУ, но гетерогенные среды на их основе отличаются высоким коэффициентом поглощения оптического излучения видимого и ближнего ИК спектра. Последнее обстоятельство ограничивает практическое применение сред содержащих полупроводниковые наночастицы при создании устройств управления интенсивностью лазерного излучения и вызывает необходимость создания нелинейных материалов с меньшим поглощением.

Нелинейно-оптические свойства гетерогенных сред на основе диэлектрических наночастиц, объемные образцы которых имеют большую ширину запрещенной зоны Ее и, соответственно, меньшее поглощение в видимой области спектра исследовались в меньшей степени. Это связано, по-видимому, с тем, что большая величина Её давала основания предполагать, что нелинейный отклик среды будет возникать в ультрафиолетовом диапазоне излучения. Тем не менее, исследования последних лет показали, что как жидкие, так и твёрдые гетерогенные среды на основе диэлектрических наночастиц могут обладать низкопороговым нелинейным оптическим откликом на внешнее излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра [120]. Так для сред с наночастицами имеющими нелинейный участок на спектре пропускания в области видимого и ближнего ИК-излучения, наблюдалась низкопороговая нелинейность функции зависимости интенсивности выходного излучения от интенсивности входного излучения с длиной волны 532 нм, 633 нм и 1064 нм. К таким наночасти-цам можно отнести некоторые кристаллические наночастицы оксидов металлов, например наночастицы ТЮг, М§0, ВаО и фторидов металлов (М^г, СаБг, ВаРг), а также углекислого кальция (СаСОз) и гексагонального нитрида бора (В1М). [120] Ширина запрещенной зоны Eg всех указанных материалов превышает ЗеУ. Значения показателей преломления всех наночастиц превышали показатель преломления прозрачной среды, а пороги возникновения нелинейности варьировались от 0.1 до 0.5 нДж/см2. Например, исследование нелинейно-оптических свойств наночастиц ТЮ2 находящихся в диэлектрической прозрачной жидкой матрице показало, что порог нелинейно-оптического отклика для образца содержащего наночастицы ТЮ2, на длине волны излучения Я =532 нм и длительности импульса г = 10 не, не превышает 0,15 нДж/см , а для Л =1064 нм - 0,1 нДж/см2 [120]. Аналогичные эффекты наблюдаются в средах с наночастицами других материалов. Например, нелинейный отклик гетерогенной среды на основе наночастиц нитрида бора (ЕШ) помещённых в прозрачную диэлектрическую матрицу, на воздействие наносекундного импульса излучения видимого или ближнего ИК диапазона возникает при плотности энергии падающего излучения Е < 1 нДж/см" и проявляется в самодефокусировке излучения. [120]. Такие эффекты могут быть использованы при создании низкопороговых оптических переключателей с порогом срабатывания 50—500 пДж/см2 [111,118,120].

Таким образом, оптика наноструктур, инициировала целую волну нововведений в области создания нелинейно-оптических материалов и устройств управления световыми потоками на их основе. Нанофазные и наноструктурированные материалы открывают недоступные ранее возможности создания оптических логических элементов работающих при малой интенсивности оптического излучения. В последнее десятилетие в промышленно развитых странах сформировалось научно-техническое направление «Наночастицы, материалы, технологии и устройства», которое становится самым быстрорастущим по объему финансирования в мире [72]. В рамках этого направления особое внимание уделяется исследованию оптических свойств наночастиц и материалов на их основе. Наночастицы являются чрезвычайно перспективными объектами в смысле практических приложений. На их основе уже создано достаточно большое число различных оптоэлектронных устройств и приборов, примером которых могут служить лазерные устройства, в том числе с регулируемой длиной волны [51], фотоприёмники и оптические ограничители [50-52].

Одним из наиболее перспективных диэлектрических материалов для задач нелинейной оптики является оксид алюминия [66,141]. Оксид алюминия широко используется в качестве базового материала оптических элементов в лазерах и оптических приборах. Это связано, в первую очередь с тем, что оксид алюминия относится к диэлектрикам обладающим высоким значением диэлектрической проницаемости. Чистый оксид алюминия может находиться в нескольких кристаллических формах: а-А1203, у-АЬОз , 5-А1203 , 0-А12О3 , х-АЬ03 и др. Наиболее широкое распространение получил а-А1203 (корунд) [134]. Технология получения наночастиц а-А12Оз достаточно хорошо отработана и широко применяется, как в лабораторных, так и промышленных условиях [63,65]. Особенный интерес представляют наночастицы а-А1203 полученные методом детонационного синтеза. Это связано с тем, что такой технологический процесс позволяет получать наночастицы с малым разбросом линейных размеров, при среднем размере частиц не более 50 нм. [63] Полученные этим методом частицы имеют форму, повторяющую геометрию элементарной ячейки исходного монокристалла [63]. Такая особенность формообразования даёт ряд преимуществ, связанных с возможностью появления дополнительных уровней энергии в запрещенной зоне [81].

Несмотря на перспективность гетерогенных жидкофазных сред (ГЖС) на основе наночастиц а-А1203, в настоящее время отсутствуют работы, сочетающие в себе экспериментальное исследование и теоретическое описание спектра пропускания и нелинейно-оптических свойств ГЖС на основе невзаимодействующих диэлектрических наночастиц а-А1203.

Кроме этого, на сегодняшний день остаются нерешёнными такие важные задачи, как выяснение механизмов возникновения нелинейно-оптических эффектов в таких низкоразмерных структурах, как наночастицы а-А1203, влияние размера и формы наночастиц, а также материала матрицы, в которую они помещены, на характер нелинейного отклика. Также вызывает практический интерес проблема, связанная с созданием конкретных устройств управления световыми потоками. Актуальность указанных задач определила выбор направления данного диссертационного исследования.

Цель работы: исследование нелинейно-оптических свойств гетерогенных жидкофазных сред, на основе наночастиц а-А1203 и диэлектрических жидких матриц, применительно к разработке принципов создания полностью оптических устройств управления интенсивностью непрерывного лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать методы получения ГЖС, на основе невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз

2. Исследовать спектры пропускания взвесей невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз.

3. Провести теоретический анализ процессов, определяющих нелинейно-оптические свойства нанофазных сред на основе невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз.

4. Построить физическую модель для спектров пропускания массива диэлектрических наночастиц.

5. Исследовать процесс нелинейно-оптического взаимодействия, лазерного излучения видимого спектра с ГЖС состоящей из невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз и диэлектрических жидких матриц с различным значением температурного коэффициента показателя преломления.

6. Исследовать нелинейно-оптическое взаимодействие коллинеарных световых пучков с разными длинами волн, в ГЖС на основе наночастиц а-АЬОз, с различными значениями температурного коэффициента показателя преломления жидкофазной матрицы, применительно к созданию функциональных элементов оптоэлектроники.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. В спектре поглощения массива невзаимодействующих наночастиц а-А1203 размером ~ 40 нм экспериментально обнаружено появление широкой полосы поглощения с центральной длиной волны Л =337нм. Разработана теоретическая модель, объясняющая появление таких особенностей спектра поглощения наночастиц а- А1203 наличием внутри запрещенной энергетической зоны материала квантово-размерных и дополнительных экситонных состояний для носителей заряда.

2. Установлено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через гетерогенную жидкофазную среду (ГЖС) на основе невзаимодействующих наночастиц а- А12Оз и жидкофазной диэлектрической матрицы с низким значением температурного коэффициента показателя преломления, начиная со значений интенсивности 160 мВт/мм", наблюдаются следующие нелинейно-оптические эффекты: самофокусировка (для излучения с длиной волны 633 нм) и само дефокусировка (для излучения с длиной волны 532 нм).

Показано, что возникновение таких нелинейно-оптических эффектов может быть объяснено возникновением отрицательной добавки к эффективному показателю преломления гетерогенной жидкофазной среды при генерации в наночастице неравновесных носителей заряда (1=532 нм) и положительным изменением эффективного показателя преломления гетерогенной среды за счёт поляризации наночастиц при возбуждении экситонных состояний носителей заряда (X =633 нм).

3. Установлено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А12Оз и жидкофазной диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления при интенсивностях излугу чения >50 мВт/мм наблюдаются следующие нелинейно-оптические явления:

- для излучения с длиной волны X = 633 нм происходит конкуренция процесса самофокусировки излучения, вследствие поляризации среды при возбуждении экситонных состояний носителей заряда, и процесса образования отрицательной градиентной линзы, вследствие разогрева материала жидкофазной матрицы;

- для излучения с длиной волны X = 532 нм наблюдается только однонаправленный процесс самодефокусировки излучения, обусловленный образованием отрицательной градиентной линзы за счет генерации неравновесных носителей заряда в материале наночастиц и разогрева материала матрицы.

4. Показано, что при коллинеарном нелинейно-оптическом взаимодействии световых пучков с разными длинами волн в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А12Оз и жидкой диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления возможна реализация эффекта управления световыми потоками. Достигнутая величина коэффициента модуляции интенсивности световых пучков в их приосевой части составляет не менее 10 дБ.

Научная новизна

В диссертационной работе исследованы оптические и нелинейно-оптические свойства ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз и жидкой диэлектрической матрицы, а также показана возможность использования таких ГЖС в качестве материала для создания полностью оптических устройств управления интенсивностью лазерного излучения. При этом впервые получены следующие результаты:

- в ходе экспериментального исследования спектра пропускания объёмного массива невзаимодействующих наночастиц а-А1203 обнаружено появление широкой полосы поглощения с центральной частотой Л = 337нм.

- предложена модель, объясняющая особенности спектра пропускания массива невзаимодействующих наночастиц широкозонньтх полупроводников и диэлектриков, хорошо согласующаяся с результатами эксперимента.

- исследованы процессы взаимодействия непрерывных пучков лазерного излучения видимого спектра с гетерогенными жидкими средами на основе невзаимодействующих наночастиц а-А12Оз. Экспериментально и теоретически показано, что знак нелинейной добавки показателя преломления для таких сред, может принимать как положительное, так и отрицательное значение в зависимости от длины волны распространяющегося излучения.

- исследованы процессы коллинеарного нелинейно-оптического взаимодействия световых пучков с разными длинами волн, в ГЖС на основе наночастиц а-АЬОз и жидкой матрицы с высоким отрицательным значением температурного коэффициента показателя преломления.

- показана возможность создания полностью оптического устройства управления интенсивностью лазерного излучения на основе эффекта взаимодействия коллинеарных световых пучков с разными длинами волн.

Практическая значимость диссертации: заключается в том, что представленные в работе результаты открывают возможность создания устройств управления оптическим излучением, основанных на использовании низкопороговых нелинейно-оптических процессов самофокусировки и самодефокусировки излучения.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в печатных работах [121-130] и были представлены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, Звенигород (Россия), 2007.

2. XIV Научная школа «Нелинейные волны-2008», Нижний Новгород (Россия),2008.

3. 16th International Symposium, Nano structures: Physics and Technology Vladivostok, (Russia), 2008.

4. The 4th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium - PALS 2009. Tampere, (Finland), 2009.

5. 17th International Symposium, Nanostructures: Physics and Technology. Minsk, (Belarus), 2009.

6. XII межрегиональная конференция молодых учёных по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов — ПДММ 2009, Владивосток (Россия), 2009.

7. Отчётная конференция в рамках ЦКП ФНИ ДВО РАН на период 20082012 г.г. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов», Владивосток (Россия), 2009.

На основании результатов полученных в ходе проведённых исследований, создан действующий макет полностью оптического устройства управления интенсивностью непрерывного лазерного излучения.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 111 страниц, работа включает 32 рисунка и список литературы из 149 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, полученные в настоящей работе, сводятся к следующему:

1. Экспериментально обнаружено отличие спектра поглощения массива невзаимодействующих наночастиц а-А1203 размером ~ 40 нм от объёмного образца, заключающееся в появлении широкой полосы поглощения с центральной частотой Я=337нм.

2. Проведен теоретический анализ механизмов определяющих вид спектров пропускания, поглощения и рассеяния гетерогенных сред, состоящих из наночастиц диэлектриков помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу. На основании теоретического анализа разработана физическая модель спектров поглощения и рассеяния электромагнитного излучения видимого и ближнего ИК и УФ диапазонов диэлектрическими наночасти-цами, имеющая хорошее согласие с результатами эксперимента.

3. Экспериментально обнаружено, что при распространении непрерывного лазерного излучения через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з размером ~40 нм помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу с низким значением температурного коэффициента показателя преломления, наблюдается низкопороговая нелинейность оптических характеристик ГЖС. Показано, что возникновение таких нелинейно-оптических эффектов может быть объяснено отрицательным изменением показателя преломления гетерогенной среды при генерации неравновесных носителей заряда (для X = 532 нм) и положительным изменением показателя преломления гетерогенной среды за счёт поляризации при возбуждении экситонных состояний носителей заряда (для X =633 нм).

4. Экспериментально обнаружено, что при распространении непрерывного лазерного излучения, через ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А1203 и жидкофазной диэлектрической матрицы с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления при интен-сивностях излучения >50 мВт/ мм2 наблюдаются следующие нелинейно-оптические явления: для излучения с длиной волны X = 633 нм происходит конкуренция процесса самофокусировки излучения, приводящая к образованию волноводного канала вследствие поляризации среды при возбуждении экситонных состояний носителей заряда, и процесса образования отрицательной градиентной линзы вследствие разогрева материала жидкофазной матрицы.

5. Показано, что в ГЖС на основе невзаимодействующих наночастиц а-А120з размером ~40нм помещённых в жидкую диэлектрическую матрицу с высоким значением температурного коэффициента показателя преломления, возможно возникновение эффекта взаимодействия коллинеарных пучков непрерывного лазерного излучения с длинами волн 633 нм и 532 нм, за счёт возникновения нелинейной добавки к показателю преломления ГЖС.

6. Продемонстрирована возможность создания устройства управления непрерывным лазерным излучением использующего явление модуляции интенсивности проходящего через среду излучения одной частоты, при изменении интенсивности коллинеарного с ним излучения другой частоты. Показано что величина амплитуды модуляции интенсивности проходящего излучения может изменяться в пределах от - 17,5 дБ до +10 дБ.

В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю директору ПАПУ ДВО РАН чл.-корр. РАН Юрию Николаевичу Кульчину за руководство исследованиями, а также помощь в написании диссертационной работы, подготовке, проведении и интерпретации результатов экспериментов и д.ф.-м.н. ведущему научному сотруднику ИА-ПУ ДВО РАН Владимиру Пименовичу Дзюбе за помощь, оказанную при разработке математических моделей, а также научному сотруднику ИА-ПУ ДВО РАН Галкину Константину Николаевичу, за помощь, оказанную при проведении экспериментов.

1. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А., Компанец И.Н., Краснов А.Е., Кульчин Ю.Н., Одиноков С.Б., Ринкевичюс Б.С., Информационная оптика, М.: МЭИ 2000 - 612 с.

2. Оптические вычисления. / Под ред. Арратуна Р, М.:Мир. 1993 -441 с.

3. Оптическая обработка информации/ под ред. Д. Кейсесент, М.:Мир, 1980-320 с.

4. X. Гиббс, Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. Пер. с англ., М.: Мир, 1988 — 520 с.

5. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988, 259 с.

6. Сечкарев А. В. Фотонная оптика. М.: Высшая школа, 2000. 220 с.

7. Евтихиев Н.Н., Засовин Э.А., Мировицкий Д.И., Волоконная и интегральная оптика в информационных системах. М.: Изд. МИРЭА ,1987-340 с.

8. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. / Пер. с англ. М.: Мир. 1996. 323 с.

9. Боровский А. В., Галкин А. Л. Лазерная физика. М. ИздАТ. 1996. 496 с.

10. Smith S.D. Optical Instability, photonic logic, and optical computation. // Applied Optics. 1986. V.25. N10. P.1550-1564.

11. Tanida J., Jchioka Y. OPALS: optical parallel array logic system. // Applied Optics. 1986. V.25. N10. P.1565-1570.

12. Lohmann A.W. Polarization and optical logic. // Applied Optics. 1986. V.25. N10. P.1594-1597.

13. Никитенко К.Ю., Трофимов В.А. Оптическая бистабильность на основе нелинейного наклонного отражения световых пучков от экрана с отверстием на его оси. // Квант, электроника. 1999. Т. 26. N2. С. 147-150.

14. Розанов Н.Н. Оптическая бистабильность и гистерезис в распределенных нелинейных системах. М.: Наука. 1997. С.334.

15. Розанов Н.Н., Сутягин JI.H., Ходова Г.В. Двумерные и трехмерные схемы оптической бистабильности. // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1984. Т. 48. N 7. С. 1437-1440.

16. Розанов Н.Н., Ходова Г.В. Развитие локальных выбросов и формирование волн переключения в бистабильных системах. // Квантовая электроника. 1986. Т.13. N 12. С.368-377.

17. Розанов Н.Н. Гистерезисные явления в распределенных оптических системах. //ЖЭТФ. 1981. Т.80. N1. С.96-108.

18. Розанов Н.Н., Семенов В.Е. Гистерезисные изменения профиля пучка в нелинейном интерферометре Фабри-Перо. // Оптика и спектроскопия. 1980. Т.48. N1. С.108-114.

19. Синицын Г.В. и др. Оптически управляемые волны переключения в бистабильных тонкослойных интерферометрах. // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1988. Т.52. N2. С.369-373.

20. Apanasevich S.P., Lyakhovich A.V. Transverse Effects in Optical Bistability for Transportation of Light Information Signais. // Phys. Stat. Sol. B. 1988. V.150. N2. P.507-512.

21. Борщ A.A., Бродин M.C., Лукомский В.П., Поперечная оптическая бистабильность при самодефокусировке встречных пучков. // Квантовая электроника. 1987. Т.14. N4. С.736-742.

22. Hennenberg F., Rossman H. Resonatorless Optical Bistability Based on Increasing Nonlinear Absorption. // Phys. Stat. Sol. B. 1984. V.121. N3. P.685-693.

23. Gibbs H.M., Olbright G.R., Peyghambarian N. et. al. Kinks: Longitudinal excitation discontinuities in increasing-absorption optical bistability. // Phys. Rev. A. 1985. V.32, N1. P.692-694.

24. Rozanov N.N., Fedorov A.V., Kliodova G.V. Formation and dynamics of spatial structures in increasing-absorbtion bistable schemes. // JOSA. B. 1991. V.8. N7. P.1471-1476.

25. Koch S.W., Schmidt H.E., Haug H. Optical bistability due to induced absorption: Propagation dynamics of excitation profiles. // Appl. Phys. Lett. 1984. V.45. N9. P.932-934.

26. Lindberg M., Koch S.W., Hang H. Structures, formation, and motion of kinks in increasing-absorption optical bistability. // Physical Review A. 1986. V.33. N1. P.407-415.

27. Bondarenko O.S., Trofimov V.A. et. al. Spatial and temporal instabilities of light fields in optically bistable resonatorless elements. // BRAS. Physics/ Suppl. Physics of Vibrations. 1994. V.58. N1. P.37-48.

28. Бонч-Бруевич B.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука. 1990. 685с.

29. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектро-ника. / Пер. с англ. М.: Мир. 1976. 431с.

30. Гасников А.И., Карамзин Ю.Н., Трофимов В.А. Об абсорбционной оптической бистабильности в условиях светоиндуцирован-ного электрического поля полупроводника. // Письма в ЖТФ. 1992. T.18.N6. С.76-80.

31. Бондаренко О.С., Поляков C.B., Трофимов В.А. Температурные концентрационные волны при воздействии светового импульса на полупроводник в условиях его бистабильного отклика. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. N16. С.24-28.

32. Бондаренко О.С., Трофимов В.А. Автоосцилляции домена высокого поглощения в оптически бистабильной системе на основе полупроводников. // Письма в ЖТФ. 1996. Т.22. N19. С.6-9.

33. Рыбкин Б.С. Оптическая бистабильность в полупроводниках. // ИФТП. 1985. Т.19. Вып.1. С.3-27.

34. Днепровский B.C., Климов В.И., Названова Е.В. Переход Мот-та и оптическая бистабильность в CdS. // ЖЭТФ. 1990. Т.98. N9. С.1035-1044.

35. Dneprovskii V.S. et. al. Excitation at High Density in CdS and GaSe, and Optical Bistability. // Phys. Stat. Sol. B. 1988. V.146. N.l. P.341-350.

36. Балкарей Ю. И. и др. Автоколебания и автоволны при взаимодействии мод в активном бистабильном полупроводниковом резонаторе. // ЖТФ. 1988. Т.58. N8. С.1513-1518.

37. Карамзин Ю.Н., Поляков C.B., Трофимов В.А. Оптическая бистабильность на основе температурной зависимости времени релаксации фотогенерированных частиц. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. N.24. С.38-43.

38. Арешев И.П. и др. Поперечная безрезонаторная оптическая бистабильность в кристаллах. // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. N23. С.1431-1434.

39. Карамзин Ю.Н., Поляков С.В., Трофимов В.А. О нелинейных колебаниях интенсивности светового импульса, прошедшего слой полупроводника. //Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. N9. С.6-10.

40. Rozanov N.N., Fedorov A.V., Khodova G.V. Effects of Spatial Distributivity in Semiconductor Optical Bistable Systems. // Phys. Stat. Solid. B. 1988. V.150. N.2. P.545-555.

41. Lambsdorff et. al. Optical bistability in semiconductors induced by thermal effects // Z. Phys. B. Condenced Matter. 1986. V.64. P.409-416.

42. Nguyen H.G., Egorov V.D. Spatial Resolution of Dynamic Ther-mo-Optical Hysteresis in CdS. // Phys. Stat. Sol. B. 1988. V.150. N2. P.519-525.

43. Hennenberg F. Optical Bistability at the Absorption Edge of Semiconductors. // Phys. Stat. Sol. B. 1986. V.137. N2. P.371-432.

44. White I.H., Carrol J.E. Optical Bystability in twin-stripe lasers. // Proc. IEE. 1984. V.131. N5. P.309-321.

45. Trofimov V.A., Loginova M.M. Formation of switching waves in optical bistability scheme based on dependence of absorption coefficient of semiconductor on electric field. // Book of Abstract. LIBS'2000. Tier-renia, Italy. 2000. P.59.

46. Taghizsdeh M.R., Janossy I., Smith S.D. Cavityless Optical Bistability in bulk ZnSe due to increasing absorption and self-focusing. // Appl. Phys. Lett. 1985. V.46. N4. P.331-333.

47. Esipov S.E., Stadnic V.A. Optical bistability and Formation of localized and Moving High Absorption Domains in ZnSe and ZnCdS. // Phys. Stat. Sol. B. 1988. V.150. N2. P.501-505.

48. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. / Пер. с англ. М.: Наука. 1989. 558 с.

49. Сухоруков А. П. Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. / М.: Наука. 1988. 230 с.

50. Гапоненко СВ., Розанов Н.Н., Ивченко Е.Л., Фёдоров А.В., Бонч-Бруевич A.M., Вартанян Т.А., Пржибельский С.Г. Оптика наноструктур. Под ред. А.В.Фёдорова. СПб.: Недра, 2005 — 326 с.

51. Воробьев Л. Е., Ивченко Е. Л., Фирсов Д. А„ Шалыгин В. А. Оптические свойства наноструктур: Учеб. пособие / Под ред. Е Л.Ивченко и Л.Е. Воробьева СПб . Наука, 2001. — 188 с

52. Трофимов В.А., Терешин Е.Б.Трофимов В. А., Терешин Е. Б. Полностью оптический переключатель на основе одномерной слоистой структуры с дефокусирующей нелинейностью// Оптика и спектроскопия. 2005. Т. 99. С. 998.

53. Голубев В.Г., Курдюков Д.А., Певцов А.Б., и др. Гистерезис фотонной зоны в фотонном кристалле V02 при фазовом переходе полупроводник металл. // ФТП. 2002. Т. 36. N9. С. 1122-1127.

54. Katouf R., Komikado Т., Itoh М., et al. Ultra-fast optical switches using ID polymeric photonic crystals. // Photonics and Nanostructures -Fundamentals and Applications. 2005. V. 3. N2-3. P. 116-119.

55. Scalora M., Dawling F.P., Bowden C.M., Blomer M.J. Optical Limiting and Switching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials. // Phys. Rev. Letters. 1994. V. 73. N10. P. 1368-1371.

56. Yanik M. F., Fan S., Soljacic M., Joannopoulos J. D. High-contrast all-optical bistable switching in photonic crystal micro cavities. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. N14. P. 2739-2741.

57. Yanik M. F., Fan S., Soljacic M., Joannopoulos J. D. All-optical transistor action with bistable switching in photonic crystal cross-waveguide geometry. // Opt. Lett. 2003. V. 28. N24. P. 2506-2508.

58. Mazurenko D. A., Kerst R., Dijkhuis J. I., et al. Ultrafast Optical Switching in Three-Dimensional Photonic Crystals. // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. N21. P.213-225.

59. Markowicz P. P., Tiryaki H., Pudavar H., et al. Dramatic Enhancement of Third-Harmonic Generation in Three-Dimensional Photonic Crystals. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. N8. P.83-90.

60. Hache A., Bourgeois M. Ultrafast all-optical switching in a silicon-based photonic crystal. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. N25. P. 40894091.

61. Морохов И.Д., Трусов Л.И.,Лаповок B.H. Физические явления в ультрадисперсных средах. / М.: Энергоатомиздат, 1984 224 с.

62. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехноло-гии.М.: /Физматлит. 2005. 416 с.

63. Гусев А. И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. /Екатеринбург: УрО РАН, 1998 — 199 с.

64. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокласте-ров, наноструктур и наноматериалов. / М.: КомКнига, 2006. — 592 с.

65. Новые материалы. / Колл. авторов. Под ред. Карабасова Ю.С. -М: МИСИО 2002 - 736 с.

66. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. / М.: Техносфера. 2004, 327 с.

67. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. / М.: Наука, 1986 — 368 с.

68. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. /М. Логос, 2000. 272 с.

69. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях// УФН. 1998. т.168. №1. с.55-83.

70. А. P. Alivisatos, "Perspectives on the physical chemistry of semiconductor nanocrystals," // J. Phys. Chem. 1996, 100. 226-239

71. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз, направления исследования/ под ред. М.К. Роко и др.,М.: Мир, 2002, 292 с.

72. Емельянов В.И. Самоорганизация упорядоченных ансамблей наночастиц при лазерно-управляемом осаждении атомов. // Квантовая электроника, 2006, 36, №6, с.489-507.

73. S. A. Empedocles, D. J. Norris, and M. G. Bawendi, "Photoluminescence spectroscopy of single CdSe nanocrystalline quantum dots," Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3873-3876.

74. К. Jacobs, D. Zaziski, E. C. Scher, A. B. Herhold, and A. P. Alivistos. Activation volumes for solid-solid transformations in nanocrystals, Science 293. 1803-1806 (2001).

75. S. Awirothananon, S. Raymond, S. Studenikin, M. Vachon, Sin-gle-exciton energy shell structure in InAs/GaAs quantum dots. Phys. Rev. В., vol: 78, num: 23, 2008

76. Талалаев В.Г., Новиков Б.В.Соколов A.C. Резонансы в массиве квантовых точек InAs, управляемые внешним электрическим полем, Физ. и техн. полупровод., vol: 41, num: 2, 203-210, 2008

77. Бондарь Н.В.,Бродин М.С. Квантовые и поверхностные состояния носителей заряда в оптических спектрах нанокластеров в матрице с низкой диэлектрической постоянной. Физ. низ. температур, В. 34, №1, 68-78, 2008

78. Макаев Д.В., Дьячков П.Н. Зонная структура и оптические переходы в полупроводниковых двустенных углеродных нанотруб-ках. Письма в ЖЭТФ, в. 84, №5, 397-402, 2007.

79. Pokutnyi S.I., Exiton States in Semiconductor Quantum Dots: Theory // Physics of Low-Dimensional Structures, №2 2006, p. 5-13.

80. С.И.Покутний, Поглощение и рассеяние света на одночастич-ных состояниях носителей заряда в полупроводниковых квантовых точках , ФТП, 2006, том 40, выпуск 2, 223-230

81. С.И.Покутний, Макроскопические объемные локальные состояния носителей заряда в квазинульмерных структурах, ФТП, 1997, том 31, выпуск 12, стр. 1443-1448.

82. Л.В.Асрян, Р.А.Сурис, Фотовозбуждение носителей с уровней в квантовых точках в состояния континуума в процессе лазерной генерации, ФТП, 2001, том 35, выпуск 3, 357-361.

83. Белогорохов А.И., Белогорохов И.А., Миранда Р.П., Василевский М.И., Гаврилов С.А. Полярные оптические фононы в полупроводниковых нанокристаллах CdS Журнал экспериментальной и теоретической физики №1, Том 131, стр. 123-132 2007.

84. Купчак И.М., Крюченко Ю.В., Корбутяк Д.В. Экситонные состояния и фотолюминесценция кремниевых и германиевых нанок-ристаллов в матрице АЬОз.Физ. и техн. полупровод., 2008, в. 42, № 10, 1213-1218.

85. N. Chen, G. Y. Chen, D. S. Chuu, and T. Brandes Quantum-dot exciton dynamics with a surface plasmon: Band-edge quantum optics Phys. Rev. A, vol: 79, num: 3, 2009

86. Шарков А.И., Клоков А.Ю., Галкина Т.И., Цветков В.А.Неравновесные фононы в наноструктурах, содержащих квантовые ямы SiGe, при пикосекундном лазерном возбуждении, Физ. тверд, тела, 2008, в. 50, № 8, 1359-1361.

87. Белогорохов А.И., Белогорохов И.А., Миранда Р.П. Полярные оптические фононы в полупроводниковых нанокристаллах CdS Ж. эксперим. и теор. физ., 2008, в. 131, № 1, с. 123-132,

88. Маслов А.Ю., Прошина О.В., Русина А.Н. Роль поверхностных фононов в формировании спектра поляронных состояний в квантовых точках Физ. и техн. полупровод., 2008, в. 41, №7,с.844-849,

89. Овчинников С.Г., Гижевский Б.А., Сухоруков Ю.П. Особенности электронной структуры и оптических спектров наночастиц с сильными электронными корреляциями. Физ. тверд, тела,2008, в. 49, №6, с.1061-1065.

90. Мотт Н.Ф. Переходы металл-изолятор. М: Наука, 1979. 342 с.

91. Овчинников С.Г. Особенности электронной структуры и оптических спектров наночастиц моттовских диэлектриков Изв. РАН. Сер. физ., в. 72, № 2, 173-175, 2008,

92. Ефремов М.Д., Володин В.А., Марин Д.В. Вариация края поглощения света в пленках SiNx. с кластерами кремния Физ. и техн. полупровод., в. 42, № 2, 202-207, 2008,

93. S. A. Empedocles, D. J. Norris, and M. G. Bawendi, "Photoluminescence spectroscopy of single CdSe nanocrystalline quantum dots," Phys. Rev. Lett. 77, 3873-3876 (1996).

94. A. P. Alivisatos, "Perspectives on the physical chemistry of semiconductor nanocrystals," J. Phys. Chem. 100. 13226-13239(1996).

95. M. Bruchez, Jr., M. Moronne, P. Gin, S. Weiss and A. P. Alivistos, "Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels," Science 281,2013-2016(1998).

96. Ж.И.Алферов История и будущее полупроводниковых гетеро-структур ФТП, 1998, том 32, выпуск 1 стр 3-18

97. Днепровский B.C., Жуков Е.А., Кабанин Д.А., Нелинейное поглощение и преломление света в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении. Физика твердого тела. 2007. Т. 49. № 2. С. 352-356.

98. Танеев Р.А.,. Нелинейно-оптические характеристики различных сред// Квантовая электроника. 2007, 37, №7. с.605-622.

99. Ganeev R.A., Ryasnyansky A.I. Nonlinear optical characteristics of nanoparticles in suspensions and solid matrices. Appl.Phys. 2006, В 84, p.295-302.

100. Светличный В.А., Изаак Т.И., Копылова Т.Н., Майер Г.В. Ограничение мощности лазерного излучения неорганическими частицами. Оптика атмосферы и океана. 2006, 19, № 2, с.134-138.

101. Михеева О.П., Сидоров А.И. Поглощение и рассеяние инфракрасного излучения наночастицами диоксида ванадия с металлической оболочкой. Журнал технической физики, 2003, том 73. вып. 5. с.79-83

102. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход полупроводник-металл и его применение. JL: Наука, 1979. 183с.

103. Сухоруков Ю.Л. Гижевский БЛ., Мостовщикова Е.В., Ермаков. А.Е. Тугушев. С.Н. Козлов Е.А. Нанокристаллический СиО-материал для селективных поглотителей солнечной энергии. Письма в ЖТФ. 2006. том 32. вып. 3, с.81-89.

104. А.И. Сидоров. Двойной плазмонный резонанс в сферических наноструктурах металл—диэлектрик—металл. Журнал технической физики. 2006, том 76. вып. 4,с.86-90.

105. P.A. Танеев. А.И. Ряснянский,- Ш.Р. Камалов. М.К. Кодиров, Т. Усманов.Нелинейно-оптические параметры коллоидного серебра на различных этапах его агрегации. Журнал технической физики, 2002, том 72. вып. 7, с.95-99.

106. A.B. Хомченко. Нелинейность оптических свойств тонких пленок при низкой интенсивности света. Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 11, с.136-139.

107. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде. УФН, 1967, Т.93, в.1, с. 19-68.

108. О.Б. Данилов, В.А. Климов, О.П. Михеева, А.И. Сидоров, С.А. Тульский, Е.Б. Шадрин, И.Л. Ячнев. Оптическое ограничение излучения среднего ИК диапазона в пленках диоксида ванадия Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 1, с.79-85.

109. А.И. Сидоров, О.П. Виноградова, И.Е. Обыкновенная, ТА. Хрущева. Синтез и оптические свойства наночастиц диоксида ванадия в нанопористых стеклах Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 13, с.85-89

110. О.П. Михеева, А.И. Сидоров. Ограничение излучения С02-лазера в композитном материале с наночастицами серебра Письма в ЖТФ. 2001, том 27, вып. 18 , с.50-53.

111. А.И. Сидоров. О.П. Виноградова. В.Ю. Любимов. A.B. Наще-кин. Синтез и модификация микро- и наностержней из оксидов ванадия Письма в ЖТФ. 2008. том 34. вып. 3,с.90-94.

112. О.П. Михеева. А.И. Сидоров.Оптическое ограничение 10-микронного излучения наночастицами хлорида серебра Письма в ЖТФ. 2004. том 30. вып. 6, с.16-19

113. Остросаблина A.A. Сидоров А.И. Нелинейно-оптические свойства толстых композитных сред с наночастицами диоксида ванадия. I. Самофокусировка излучения среднего инфракрасного диапазона// Оптический журнал.2006.т.73.№2, с.17-20.

114. Остросаблина A.A. Сидоров А.И. Оптические свойства управляемых многослойных интерферометров с наночастицами диоксида ванадия// Оптический журнал. 2004.т.71.№7, с.3-8.

115. Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Цехомский В .А., Виноградова О.П. Низкопороговый нелинейно-оптический отклик фотохромных стёкол с нанокристаллами хлорида меди. Оптический журнал, т.75, №12, 2008, с.61-65.

116. Остросаблина A.A. Сидоров А.И. Нелинейно-оптические свойства толстых композитных сред с наночастицами диоксида ванадия. I. Самодефокусировка излучения видимого и ближнего ИК диапазонов// Оптический журнал.2005.т.72.№7, с.36-41.

117. О.П. Михеева. А.И. Сидоров. Оптическая нелинейность нано-частиц широкозонных полупроводников и изоляторов в видимой и ближней ИК-области спектра Журнал технической физики, 2004, том 74. вып. 6,с.77-82.

118. Кульчин Ю. Н., Щербаков А. В., Дзюба В. П., Вознесенский С. С., Микаэлян Г. Т. Нелинейно-оптические свойства жидких на-нофазных композитов на основе широкозонных наночастиц А12Оз // Квантовая электроника, 2008. Т. 38, вып.2. С. 158- 163.

119. Кульчин Ю.Н., Дзюба В.П., Щербаков А.В Спектр пропускания света диэлектрическими наночастицами в объемных гетеро-композитах// ФТП, 2009, том 43, выпуск 3, с. 349-354.

120. Ю.Н.Кульчин, А.В.Щербаков, В.П.Дзюба, С.С.Вознесенский. Взаимодействие коллинеарных световых пучков с разными длинами волн в гетерогенном жидкофазном нанокомпозите // ПЖТФ, 2009, том 35, выпуск 14, с. 1 7.

121. Афанасьев В.А., Оптические измерения. М.: Высшая школа -1981 -229 с.

122. Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы// Материалы, технологии, инструменты. 1997. т.2, №3, с. 78-79

123. Atomic Force Microscopy/ Eds, Cohen S.H., Lightbody M.L. -Dodrecht: Kluwer Academic/ Plenum Publishers, 2001. — 224 p.

124. Коленко E JI. Технология лабораторного эксперимента. Справочник. СПб.: Политехника, 1994. 715 с.

125. М. Wakaki, К. Kudo, Т. Shibuya. Physical Properties and Data of Optical Materials (London: CRC Press, 2007).

126. Борн M., Вольф Э., Основы оптики (пер. с английского М.: Наука, 1973, 720 с.)

127. Бломберген Н., Нелинейная оптика. М.: Мир - 1966 - 424 с.

128. Борен К, Хафмен Д Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М: Мир, 1986. 664 с.

129. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. / пер. с английского М.: Наука, 1978, 830 с.

130. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Наука, 1986, 544 с.

131. Днепровский, Е.А. Жуков, Е.А. Муляров, С.Г. Тиходеев. Линейное и нелинейное поглощение экситонов в полупроводниковых квантовых нитях, кристаллизованных в диэлектрической матрице // ЖЭТФ, 1998. Т. 114, вып.2, С. 700 -779.

132. Перевалов Т.В., Шапошников А.В., Гриценко В.А. и др. Электронная структура А1203: ab initio моделирование и сравнение с экспериментом. // Письма в ЖЭТФ, 2007. Т. 85, вып. 3. С. 197- 201.

133. В.М. Агранович, В.Л. Гинзбург. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теории экситонов (М.: Наука, 1979).

134. Wood D., Ashcroft N. Quantum size effects in the optical properties of small metallic particles//Phys.Rev.B 1982. V.25.№10. Р.6255-6274/

135. Genzel L, Martin Т., Rreibig U. Dielectric function and plasma re-sonaces of small metal particles// Ztschr.phys. B. 1975. bd.21.№4/ p.339-346.

136. Smithard M., Dupree R. The preparayion and optical properties of small silver particles in glass//Phys.Stat. Sol.1972. V.l l.№2 Р.153-156/.

137. Doremus R. Optical properties of gold particles/J.Chem. Phys.1964 V.40.№8 P.2389-2396.

138. Cini M. Classical and quantum aspects of size effects// J. Opt. Soc. Amer. 1981 V.71.№4. P.386-392.

139. Эфрос Ал.Л., Эфрос А.Л. Межзонное поглощение света в полупроводниковом шаре.// ФТП. в.16, №7. с.1209-1214.