Взаимодействие лазерных импульсов нано- и фемтосекундной длительности с микро- и нанодисперсными средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Земляное Алексей Анатольевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАНО- И ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ С МИКРО- И НАНОДИСПЕРСНЫМИ СРЕДАМИ

Специальности: 01.04.05 - оптика по физико-математическим наукам 01.04.21 - лазерная физика по физико-математическим наукам

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

14 НОЯ 2013

005538291

Томск 2013

005538291

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования и в Сибирском физико-техническом институте в лаборатории распространения оптических волн

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Донченко Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты: Гаврилюк Анатолий Петрович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительного моделирования СО РАН (г.Красноярск), отдел вычислительной физики, старший научный сотрудник

Прокопьев Владимир Егорович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники СО РАН (г.Томск), лаборатория газовых лазеров, старший научный сотрудник

Солдатов Анатолий Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Национальный исследовательский Томский государственный университет, факультет инновационных технологий (г.Томск), декан

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт электрофизики УрОРАН» (г.Екатеринбург)

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (Главный корпус, ауд. 119).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан « 30 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задача совершенствования оптических методов дистанционной диагностики веществ и материалов всегда была актуальной. В настоящее время эти методы развиваются в направлении дальнейшего повышения чувствительности, быстродействия и большей информативности, опираясь на последние достижения нанофотоники и фемтосекундной оптики.

В настоящее время известны спектроскопические методы диагностики, связанные с эффектами поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния и флуоресценции, реализуемые на базе наночастиц или наноструктурированных поверхностей, резонаторно улучшенные спектроскопические методы, использующие сферические диэлектрические микрорезонаторы, методы флуоресцентного лидарного зондирования, основанные на использовании фемтосекундных лазерных импульсов. Особый интерес представляют методы диагностики, связанные с нелинейно-оптическими эффектами в малых объемах вещества.

Прогресс в данной области напрямую связан с появлением новых экспериментальных результатов, реально отражающих особенности протекания нелинейно-оптических процессов с нано- и микродисперсными средами.

Современное состояние исследований. Первые работы, в которых были экспериментально исследованы основные характеристики вынужденной флуоресценции (ВФ) и вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в сферических частицах микронных размеров относятся к середине 80-х годов XX века [1,2]. За достаточно короткий период данной проблеме было посвящено множество научных исследований (обзор этих работ можно найти в [3]).

Результатом исследований стало установленное значительное повышение эффективности нелинейных оптических процессов в микрокаплях в сравнении со сплошной средой. Физической причиной этого являются сложная пространственная конфигурация внутреннего оптического поля, проявляющаяся в возникновении в объеме частицы зон с повышенной интенсивностью оптического поля, так называемых «горячих точек». Наибольшее локальное увеличение интенсивности в «горячих точках» происходит при выполнении резонансных условий - «входного резонанса», проявляющегося при совпадении частоты падающей волны с одной из резонансных частот частицы как сферического резонатора и «выходного резонанса», когда резонансные условия выполняются для частот, входящих в спектр вторичного излучения, возникающего в частице. Кроме того, в частице как резонаторе может устанавливаться положительная обратная связь на высокодобротных модах

шепчущей галереи (МШГ), которая поддерживает развитие таких вынужденных процессов как ВКР или лазерная генерация, если в частице содержатся лазерно-активные молекулы. Существенный вклад в развитие процессов нелинейного волнового взаимодействия вносит фокусировка воздействующего излучения передней поверхностью частиц, что приводит к повышению интенсивности внутреннего поля, и, как следствие, происходит понижение порогов нелинейных эффектов.

В [4] получено усиление излучения ВКР за счет вынужденного испускания молекул красителя в частице. Это позволило по-новому посмотреть на задачу повышения чувствительности методов диагностики на основе КР. Экспериментально эти условия достигались при использовании левитирующих одиночных частиц, постепенно испаряющихся и приобретающих резонансные свойства, или путем постепенного изменения длины волны лазерного излучения, падающего на частицу.

К моменту начала работы над диссертацией данных об исследованиях возможности усиления ВКР за счет вынужденного излучения лазерно-активных молекул для большого массива частиц полидисперсного аэрозоля не было, что стимулировало работы автора в этом направлении, поскольку можно сделать предположение, что в облаке аэрозольных частиц с большим разбросом размеров существуют частицы, для которых будут выполнятся условия «входных» и «выходных» резонансов.

В 1973 году было обнаружено, что для молекул, адсорбированных на шероховатых металлических поверхностях, доля фотонов комбинационного рассеяния увеличивается в 106 - 107 раз [5]. Это явление известно как гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). В 1980 г. Glass A.M. с соавторами сообщили об усилении флуоресценции молекул красителей нильский синий и родамин Б, нанесенных на пластинку, покрытую наноразмерными островками серебра [6]. В настоящее время спектроскопические методы исследования, связанные с применением поверхностно-усиленных эффектов комбинационного рассеяния (КР) и флуоресценции, находят широкое применение в биологии, медицине, ближнепольной микроскопии и в ряде других приложениях, касающихся диагностики микропримесей [7] и продолжают неуклонно развиваться. В этих методах причиной усиления эффектов КР и флуоресценции является возбуждение локализованных плазмонных резонансов в коллоидных металлических наночастицах или наноразмерных островках подложки. Теоретически изолированный одиночный сфероид из серебра или золота может обеспечить усиление на порядки величин [8].

Для достижения таких высоких значений усиления необходимо выполнение резонансных условий, а именно, частота возбужденных плазмонных резонансов наночастиц должна совпадать с частотой падающей (возбуждающей) волны или с частотой вторичной волны. В [9] теоретически показано, что увеличение отношения интенсивности локального поля вблизи поверхности агломератов наночастиц серебра к интенсивности падающего поля на длине волны плазмонного резонанса наночастиц может достигать величин 104 -105. В работе Armstrong R.L. с соавторами [10] краситель с кластерными частицами золота помещался в цилиндрический микрорезонатор, который представляет собой кварцевую трубку диаметром 700 мкм (0,7мм). Авторы [10] сообщают об усилении внутреннего оптического поля, вызванного совместным действием высокодобротных МШГ и кластерных образований в 1012 раз в случае реализации плазмонного резонанса, что привело к резкому уменьшению интенсивности порога лазерной генерации красителя на модах МШГ.

Очевидно, что необходимое для реализации значительного усиления локального оптического поля условие плазмонного резонанса создает определенные трудности в широком использовании методов поверхностного усиления на основе эффектов плазмонных резонансов, хотя бы потому, что в видимой области спектра выраженными плазменными резонансами обладают наночастицы золота (узкий спектр плазмонного резонанса имеет максимум приблизительно на длине волны "Кии,-,,, ~ 530 нм), серебра (~ 420 нм), меди (~ 560 нм). В настоящее время ведутся работы в направлении сдвига частот плазмонных резонансов наночастиц путем изменения размера и формы наночастиц — использование наночастиц в виде эллипсоидов, цилиндров, звездочек и т.д., создание композитных наночастиц из диэлектрического ядра и металлической оболочки [7].

К моменту начала работ над диссертацией сообщений об исследованиях, касающихся уменьшения порогов вынужденного излучения в средах с агломератами наночастиц при нерезонансном возбуждении (в отсутствии плазмонного резонанса) не существовало. В то же время, из теоретических работ [11,12] следовало, что вблизи поверхности таких наноструктур существуют пространственные области ("горячие точки"), в которых напряженность падающего электрического поля увеличивается приблизительно в 102 раз и в случае нерезонансного возбуждения. Это обстоятельство открывает перспективы использования агломератов наночастиц для расширения спектральных возможностей реализации эффекта понижения порогов вынужденного излучения в таких системах и, следовательно, расширения спектральных

возможностей применения метода поверхностно-активного усиления. Кроме того, несомненный интерес представляет собой задача исследования возможностей понижения порогов вынужденного излучения в сферических микрорезонаторах с внедренными наноструктурами в случае нерезонансного возбуждения лазерными импульсами.

Высокая пиковая мощность фемтосекундного излучения при низкой энергии импульса позволяет индуцировать в объеме частицы, содержащей молекулы флуорофора, специфичные нелинейные эффекты, не связанные с тепловыми эффектами. К таким процессам можно отнести возникающую в веществе частиц при фемтосекундном облучении многофотонную лазерно-индуцированную флуоресценцию.

Как показали G.Mejean с соавторами [13], использование в лидарных измерениях двухфотонно возбужденной фемтосекундными импульсами флуоресценции биоаэрозолей гораздо эффективнее по сравнению с однофотонным возбуждением, кроме того, при этом существенно повышается дальность зондирования. Исследования углового распределения эмиссии лазерно-индуцированной флуоресценции в аэрозольных частицах с флуорофорами, проведенные в [14,15], показали, что при возбуждении таких частиц фемтосекундными импульсами реализуется сильная локализация излучения флуоресценции в направлении назад. Обнаруженный эффект кратного увеличения сигнала флуоресценции существенно повышает возможности метода флуоресцентного лазерного зондирования. При изучении вопросов флуоресценции молекул в сферических частицах при облучении фемтосекундными импульсами высокой интенсивности (101О-1014 Вт/см2) важное значение имеет проблема оптического пробоя, как в самих частицах, так и непосредственно вблизи них. В [16] теоретически показано, что отличие фемтосекундного режима оптического пробоя в аэрозольной среде от пробоя под действием нано- и пикосекундных импульсов заключается в более высоких пороговых интенсивностях (в 102 раз). В [23] экспериментально установлен порог пробоя для частиц воды диаметром ЮОмкм при облучении импульсами длительностью 60 фс на длине волны X = 805 нм. Он составил величину порядка 10" Вт/см2. Представляет несомненный интерес исследование оптического пробоя в аэрозольных частицах, содержащих флуорофоры, в условиях многофотонного поглощения фемтосекундных лазерных импульсов.

Исходя из сказанного, задача исследования многофотонно возбужденной флуоресценции от аэрозольных и капельных образований при облучении высокоинтенсивными лазерными импульсами фемтосекундной длительности также является актуальной.

Цель и задачи исследований

Целью работы является установление закономерностей развития нелинейных оптических процессов и процессов вынужденного излучения в условиях существования локальных оптических полей в дисперсных средах при воздействии лазерного излучения нано- и фемтосекундной длительности.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование вынужденного излучения и нелинейно-оптических эффектов при однофотонном и двухфотонном поглощении излучения наносекундной длительности в аэрозоле и каплях с красителем.

2. Экспериментальное исследование особенностей взаимодействия лазерных импульсов фемтосекундной длительности с растворами красителей в жидкокапельной форме при многофотонном поглощении.

3. Экспериментальное исследование вынужденного излучения молекул красителя в жидкокапельном аэрозоле, каплях и тонких слоях с наноструктурами при одно- и двухфотонном возбуждении нано- и фемтосекундными импульсами.

Методы исследования

Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, включающий в себя измерения параметров лазерного излучения и результатов воздействия лазерного излучения на объекты исследования.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В облаке жидкокапельного аэрозоля с красителем происходит усиление излучения комбинационного рассеяния света в веществе аэрозольных частиц за счет вынужденного испускания молекул красителя в сферической частице-резонаторе. Наличие в облаке полидисперсного аэрозоля сферических частиц, для которых выполняются условия входного или выходного резонансов, понижает пороги вынужденного излучения.

2. Лазерная генерация в зоне шепчущей галереи миллиметровых капель растворов красителя и вынужденная флуоресценция в ее объеме при двухфотонном возбуждении фемтосекундными импульсами происходит при пороговых значениях

энергии, приблизительно на два порядка меньших, чем при двухфотонном возбуждении наносекундными импульсами той же энергии.

3. При воздействии лазерных импульсов фемтосекундной длительности на капли воды, этанола, дибутилфталата, содержащие двухфотонно поглощающие флуоресцирующие молекулы, порог оптического пробоя в каплях возрастает с увеличением концентрации молекул флуорофора.

4. Поглощение лазерного излучения фемтосекундной длительности в аэрозоле воды и этилового спирта приблизительно на два порядка больше, чем наносекундных импульсов, что связано с формированием в них очагов пробоя за счет многофотонной ионизации вещества частиц при фемтосекундном воздействии.

5. В основе механизма значительного (на порядок величины) уменьшения энергетических порогов суперфлуоресценции в растворах красителя с агрегатами металлических наночастиц (алюминия, серебра, цинка), происходящей в режиме однократного рассеяния и вне спектральной области плазменного поглощения наночастиц, лежит эффект возникновения вблизи поверхности агрегатов наночастиц локальных оптических полей повышенной интенсивности.

6. В миллиметровых каплях растворов красителя с наночастицами серебра развитие лазерной генерации на модах шепчущей галереи при двухфотонном возбуждении происходит при пороговых энергиях на порядок меньших, чем в каплях с чистым красителем. Физический механизм понижения порога лазерной генерации связан с реализацией режима "random laser" в высокодобротном сферическом резонаторе.

Достоверность научных положений, выносимых на защиту

Достоверность всех защищаемых научных положений обусловлена применением общепринятых методик измерения спектрально-энергетических и пространственных характеристик оптического излучения с погрешностью не более 10%, а также контролем постоянства условий эксперимента и повторяемостью результатов для серий экспериментов, выполненных при одинаковых условиях.

Достоверность первого научного положения обусловлена

Качественным совпадением результатов измерения спектрально-энергетических характеристик вторичного излучения в облаке полидисперсного аэрозоля с красителем с результатами экспериментов по усилению ВКР в одиночной частице с красителем при выполнении условия выходного резонанса [4].

Достоверность второго научного положения обусловлена

Расхождением результатов измерений энергетических порогов суперфлуоресценции в капле с красителем при двухфотонном возбуждении фемтосекундными импульсами с теоретическими оценками порогов суперфлуоресценции не более 10 %.

Достоверность третьего и четвертого научных положений обусловлена

1. Применением методик совместной регистрации оптических и акустических сигналов, позволяющих определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов и изменения поглощающих свойств среды при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов [17] с погрешностью не более 10 %.

2. Качественным согласием полученных экспериментальных результатов с результатами теоретических работ, в которых установлено доминирующее влияние многофотонной ионизации на процесс плазмообразования в микронных слабопоглощающих частицах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов [18].

Достоверность пятого научного положения обусловлена

Качественным согласием с результатами теоретических расчетов напряженности локальных оптических полей вблизи поверхности наночастиц для нерезонансного случая [11] и с результатами численного моделирования напряженности локального поля в случае близкорасположенных наночастиц [21].

Достоверность шестого научного положения обусловлена

Качественным совпадением результатов измерений спектрально-энергетических характеристик свечения капель растворов красителя и наночастицами с результатами экспериментов для растворов красителей с наночастицами в кюветах и пленках, а также с основными положениями современной теории "random laser" в безрезонаторных нанодисперсных активных средах [19,20].

Научная новизна положений, выносимых на защиту

Научная новизна первого положения

Обнаружено наличие входных и выходных резонансов для облака полидисперсного аэрозоля.

Научная новизна второго положения

1. Экспериментально получена и исследована суперфлуоресценция и лазерная генерация в миллиметровых каплях с красителем

родамин 6Ж при двухфотонном поглощении лазерных импульсов наносекундной (тис «10 не, Лнс «1,06 мкм) и фемтосекундной длительностей (r^s80 фс, Хф,. и 0,8 мкм).

2. Установлена зависимость между величиной пороговой энергии двухфотонновозбужденной суперфлуоресценции в миллиметровых каплях родамина 6Ж и длительностью импульса накачки.

Научная новизна третьего положения

Экспериментально обнаружено уменьшение (на порядок) величины акустического сигнала от капли этанола с красителем Р6Ж с концентрацией 10 моль/л по сравнению с чистым этанолом при воздействии излучения фемтосекундной длительности.

Научная новизна четвертого положения

1. Экспериментально обнаружено увеличение поглощения энергии фемтосекундных импульсов в жидкокапельном аэрозоле по сравнению с поглощением наносекундных импульсов.

2. Установлена зависимость акустического давления, регистрируемого от капли этанольного раствора родамина 6Ж, от энергии импульса при облучении лазерными импульсами фемтосекундной длительности.

Научная новизна пятого положения

Обнаружено уменьшение величины энергетического порога суперфлуоресценции в нанодисперсной активной среде при отсутствии режимов "random laser" и плазмонных резонансов.

Научная новизна шестого положения

Обнаружена возможность реализации режима "random laser" в каплях с красителем родамин 6Ж и наночастицами серебра при двухфотонном возбуждении лазерными импульсами наносекундной длительности (тис к 10 не, Янс я 1,06 мкм).

Научная ценность положений, выносимых на защиту

Научная ценность первого и четвертого положений

Результаты исследования взаимодействия мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с жидкокапельным аэрозолем позволяют увеличивать точность описания особенностей нелинейно-оптических эффектов в атмосфере и интерпретации данных флуоресцентного лидарного зондирования, в том числе зондирования, использующего многофотонно-возбужденную флуоресценцию.

Научная ценность второго положения

Найденная функциональная связь между величиной пороговой энергией суперфлуоресценции в каплях с красителем при двухфотонном поглощении и длительностью импульса лазерной накачки дает ориентиры проектировщикам лазерных систем в составе лидаров флуоресцентного зондирования.

Научная ценность третьего положения

Дано физическое объяснение изменению величины порога оптического пробоя в каплях с флуорофором в зависимости от концентрации молекул флуорофора.

Научная ценность пятого положения

Предложен физический механизм понижения энергетического порога суперфлуоресценции в тонких слоях красителя с агломерированными наночастицами.

Научная ценность шестого положения

Предложен физический механизм понижения энергетического порога лазерной генерации в каплях красителя с наночастицами при двухфотонном поглощении лазерных импульсов наносекундной длительности.

Практическая значимость защищаемых научных положений и других результатов работы

Согласно результатам, связанным с первым защищаемым положением, использование облака полидисперсного аэрозоля с молекулами красителя позволяет повышать чувствительность метода регистрации вынужденного комбинационного рассеяния исследуемого вещества благодаря усилению ВКР за счет вынужденного испускания молекул красителя. Чувствительность метода пропорциональна плотности частиц и объему облака.

Установленная частичная тождественность физических процессов, происходящих в подвешенных миллиметровых каплях и в жидких аэрозольных частицах дает возможность использовать подвешенные капли для моделирования процессов нелинейно-оптических процессов в аэрозоле с органическими молекулами, что значительно упрощает проведение экспериментальных исследований.

Практическая значимость пятого защищаемого положения

Результаты проведенных исследований, касающихся низкопороговой лазерной генерации в нанодисперсных средах, позволяют применять метод поверхностно-активного усиления вторичного излучения от диагностируемых молекул вне спектральной области плазмонного поглощения металлических наночастиц, в

отличие от известных методов, основанных на использовании плазмонных резонансов.

Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении Государственных заданий Министерства образования и науки РФ, регистрационный № 01200613282, 01200903811, 2.4219.2011, работа поддерживалась грантами РФФИ 02-05-65180, ФЦП ГК № 02.518.11.7156, № П367, № 16.740.11.0145, № 16.518.11.7048, № 14.518.11.7053, соглашение 14.В37.21.0074.

Апробация диссертации

Основные результаты работы докладывались на 3-м Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОА СО АР АН, 1996; 4-м Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОАСО РАН, 1997; II International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers, Tomsk,1998; XI International Vavilov Conference on nonlinear optics. Novosibirsk 1998, на XXYI-th General Assembly of URSI, Toronto, Canada, 1999; III International Conference of Atomic and Molecular Pulsed Lasers, Tomsk, Russia, 1999; International Conference "Laser 99", Quebec, Canada, 1999; 5-м Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОА СО РАН, 1999; 9 Межд. симп. "Оптика атмосферы и океана"2002; 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Technologies, Tomsk, Russia, 2000; YIII Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, 2000; Межд. симп. «Контроль и реабилитация окружающей среды» Томск,2002; IX Joint international Symposium "Atmospheric and Ocean Optics", July 25, 2002, Tomsk, 9 международной научно-практической конференции» Современные техника и технологии", 2003,Томск; YI International conference "Atomic and Molecular Pulses Lasers", September 2003, Tomsk, Russia; X Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" Symposium Procttding, Tomsk, IOA SB RAS, 2003; XI Joint International Symposium "Atmosphere and Ocean Optics Atmospheric Physics» June 23-26, 2004. Tomsk; 7-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Technologies, Tomsk, Russia, 2004; XII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics". Symposium Proceedings. Tomsk, IOA SB RAS, 2005; I Всероссийской конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, Россия, 2005; IX Intern. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers": 10-14 September 2007, Tomsk; 9-м Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям. - 2008; IX Intern. Conf. "Atomic and molecular pulsed lasers", September 14-18, 2009, Tomsk, Russia; IX

Российская конференция по физике полупроводников, «Полупроводники 2009», Новосибирск-Томск, 28 сентября-3 октября 2009 г.; XVI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2009; 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», 2010, Томск; Х1П Международной конференции-семинаре по микро/нанотехнологиям и электронным приборам, Россия, Эрлагол, 4-6 июля 2012, 4-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», 1-7 октября 2012 г., Томск

Публикации

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 78 печатных работах, в том числе 3 монографиях, 23 статьях из Перечня ВАК, 2 учебных пособиях и 2 авторских свидетельствах на изобретение. Большинство научных работ имеет приоритетный характер.

Личный вклад автора

Диссертационная работа явилась результатом исследований автора, выполненных им в ТГУ и СФТИ ТГУ. Участие автора заключалось в постановке задач, разработке методик и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов. Результаты экспериментальных исследований получены совместно с д.ф.-м.н. Кабановым A.M., к.ф.-м.н. Кибиткиным П.П., аспирантом Харенковым В.А., инженером Красиловым М.Н. Результаты, приведенные в пятой главе, получены совместно с к.ф.-м.н. Булыгигным А.Д.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержащего 222 наименования. Общий объем диссертации 281 страница, включая 124 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер, освещающий три основные направления исследований. Первое направление связано со специфическими особенностями протекания нелинейных оптических эффектов в сферических частицах в сравнении со сплошной средой. Описываются механизмы формирования зон повышенной интенсивности внутреннего оптического поля в диэлектрических

сферических частицах, являющиеся важной предпосылкой понижения порогов нелинейных эффектов. На основании обзора проведенных к моменту написания диссертации работ приводится качественное описание процессов вынужденного рассеяния и лазерной генерации в сферических частицах. Отмечается, что во всех экспериментах по исследованию развивающегося в микронных частицах вынужденного излучения - вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и лазерной генерации - наблюдаются аномально низкие величины энергетических порогов их возникновения по сравнению со сплошной средой. Это открывает широкие перспективы для создания на базе сферических частиц низкопороговых лазерных микроизлучателей, усилителей и преобразователей частоты оптического излучения.

Во второй части главы 1 приведен обзор экспериментальных работ, посвященных вопросам взаимодействия лазерного излучения фемтосекундной длительности с аэрозолем. Основное внимание уделено результатам работ, демонстрирующих специфические проявления нелинейных процессов в аэрозольных частицах с молекулами флуорофора, проявляющихся при воздействии на них излучения фемтосекундной длительности: многофотонно возбужденной флуоресценции, сильной анизотропии лазерно-индуцируемой флуоресценции в направлении обратного рассеяния. Особое внимание уделено работам, в которых рассматриваются физические причины возникновения широкополосного излучения в аэрозольных частицах при воздействии фемтосекундных импульсов. Дан обзор работ, посвященных проблеме оптического пробоя, как в самих частицах, так и вблизи них, поскольку эта проблема имеет важное значение при изучении вопросов флуоресценции молекул в сферических частицах при облучении фемтосекундными импульсами высокой интенсивности (Ю10 -1014 Вт/см2).

Обзор литературы по вопросам флуоресценции и генерации в растворах красителей с наноструктурами представлен в заключительной части главы. Здесь дается краткое описание существующих в настоящее время физических моделей эффектов наблюдаемого гигантского усиления оптических откликов систем с наночастицами. Приводятся различные подходы к объяснению механизма эффекта локального усиления поля вблизи наночастицы или наноразмерных островков шероховатой поверхности. Рассматриваются механизмы усиления локального поля вблизи поверхности с большой кривизной, механизм локализованных поверхностных плазмонов. Основное внимание уделяется проблеме флуоресценции растворов органических молекул в присутствии наночастиц, в частности, эффектам

14

суперфлуоресценции и лазерной генерации в растворах красителей с наноструктурами. Описываются результаты основных экспериментальных работ, в которых наблюдалось существенное уменьшение энергетических порогов возникновения вынужденного излучения в активных средах с наночастицами различной природы. Приводятся принятые в настоящее время объяснения физических механизмов понижения порогов вынужденного излучения в активных средах с наночастицами, на которых строится их классификация. По типу используемых в них наночастиц активные среды условно можно разделить на два класса: активные среды с наночастицами, обладающими в используемом спектральном диапазоне выраженными плазмонно-резонансными свойствами и активные среды с наночастицами, не проявляющих указанных свойств (плазмонные резонансы этих наночастиц не совпадают с частотой излучения накачки и флуоресценции лазерно-активных молекул), зато обладающих сильными рассеивающими свойствами. Для первого типа наночастиц уменьшение порогов объясняется значительным, до нескольких порядков, увеличением локальных оптических полей накачки вблизи поверхности наночастиц (и, соответственно, увеличением числа возбужденных активных молекул) в случае реализации плазмонного резонанса. Для второго типа наночастиц причиной уменьшения порогов принято считать увеличение времени взаимодействия фотонов вторичного излучения с молекулами активного вещества за счет многократного светорассеяния на наночастицах. Такой режим наиболее эффективно реализуется при диффузном рассеянии.

Дан обзор теоретических работ, в которых приводятся результаты расчетов напряженностей локальных оптических полей вблизи поверхности групп близкорасположенных наночастиц (на расстоянии ~ 1 нм), из которых следует, что вблизи поверхности таких наноструктур существуют пространственные области ("горячие точки"), в которых плотность мощности падающего поля увеличивается приблизительно в 102 раз, причем такое усиление не связано с плазмонно-резонансными свойствами наночастиц. Можно предположить, что практическое использование теоретически предсказанных эффектов значительного локального усиления оптических полей позволит эффективно применять метод поверхностно-активного усиления и при нерезонансном возбуждении, что существенно расширит спектральный диапазон его применения.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям спектрально-энергетических, временных и пространственных характеристик свечения облака

жидких аэрозольных частиц с красителем при однофотонном возбуждении лазерными импульсами наносекундной длительности.

Исследования с аэрозолем проводились в очень широком диапазоне мощностей импульсного лазерного излучения (длина волны 0,53 мкм, длительность импульса 10 не, максимальная энергия в импульсе 10 мДж), в том числе и при малых накачках. Спектры свечения аэрозоля с красителем регистрировались спектрографом Spectrastar SI50 и в случае особо слабых сигналов использовался спектрометр ДФС-452 и ФЭУ-79. Аэрозольное облако получалось распылением водных и этанольных растворов красителей Родамин 6Ж (Р6Ж), Родамин С, 6-аминофеналенон, феналемин 512, СИЗ-ОФ. Размеры аэрозольных частиц находились в пределах l-s-ЗО мкм. Было установлено, что спектр свечения возбужденного аэрозоля при ингенсивностях накачки ниже некоторого порога соответствует спектру спонтанной флуоресценции

дисперсии измеренных спектров корректно интерпретировать наблюдаемую двугорбую спектральную картину было невозможно, в связи с чем автору пришлось прибегнуть к статистическому анализу получаемых результатов. Проведенная оценка дисперсии (Б2) величины измеренных сигналов свечения аэрозоля на фиксированной длине волны в области второго спектрального пика при различных плотностях мощности накачки, нормированная на квадрат среднего арифметического величины регистрируемого сигнала (I2), показана на рисунке 2. Согласно критерию Фишера наблюдаемая разница величин оценок дисперсии в диапазонах плотностей мощности накачки выше пороговой (область В) и ниже пороговой (область А) является значимой, что говорит о том, что при разных уровнях накачки в аэрозоле реализуются различные физические процессы. На основе физических представлений о генерации в одиночной частице [3] и анализа полученных автором экспериментальных данных

0-1—.—I—.—т—<—i—■—i—>—i—i—'—I—'—i—'

560 570 580 590 600 610 620 630 640 Длина волны,ни

Рисунок 1 — Спектр свечения аэрозольного облака

красителя (в кювете). При более интенсивных накачках спектр свечения представляет характерную двугорбую картину и при этом резко возрастает дисперсия величин регистрируемых сигналов свечения аэрозоля в области второго спектрального пика в длинноволновой части спектра (рисунок 1, график построен по средним значениям). Из-за большой величины

построена математическая модель для измеряемых сигналов свечения облака частиц различных размеров в режиме генерации [I*]1. С помощью этой модели показано, что переход флуоресценции в частицах в режим лазерной генерации сопровождается резким повышением величины дисперсии значений принимаемых сигналов от облака светящегося аэрозоля. Таким образом, значимое увеличение дисперсии величин регистрируемых сигналов

флуоресценции свидетельствует о переходе флуоресценции в вынужденный режим и, следовательно, является признаком лазерной генерации в частицах аэрозольного облака.

Присущая жидким сферическим частицам высокая эффективность преобразования основной волны в комбинационную существенно повышают чувствительность методов Раман-спекгроскопии, которые в данном случае являются по сути дела методами внутрирезонаторной спектроскопии аэрозолей. Чувствительность метода может быть повышена путем введения в частицу молекул лазерного красителя, вынужденное излучение которых обеспечивает более эффективный рост сигнала комбинационного рассеяния (КР) [4], однако практическое осуществление метода требует сложной специфической аппаратуры и соответствующей методики.

Кроме того, регистрация сигнала КР, даже усиленного на порядок в микронной капле с красителем, требует высокочувствительной приемной аппаратуры. Естественно предположить, что увеличить величину регистрирующего сигнала можно, облучая не одну каплю, а облако распыленного аэрозоля, при этом в облаке неоднородных по размерам частиц (полидисперсном аэрозоле) всегда найдутся такие, для которых выполняется условие резонанса для КР. В диссертации приведены результаты экспериментов по наблюдению ВКР этанола в системе флуоресцирующих аэрозольных частиц со случайным набором размеров, при этом выполнение условия «выходного резонанса» для ВКР реализовалось также случайным образом. Показано, что в системе полидисперсных микрокапель с этанольным раствором красителя

Рисунок 2 - Оценка дисперсии величины измеренных сигналов свечения аэрозоля при различных плотностях мощности накачки

'[IV

- символом отмечены ссылки из списка публикаций Землянова Ал.А.

Родамин С в результате взаимодействия возникающего в каплях излучения ВКР с возбужденными молекулами красителя возможно значительное (на порядок) усиление излучения ВКР [2*]. Таким образом, флуоресцирующий полидисперсный аэрозоль с красителем можно использовать для усиления слабых сигналов КР молекул исследуемого вещества.

Другим примером практического использования флуоресцирующего аэрозоля с красителем является использование его в качестве флуоресцентной метки при лидарном зондировании аэрозольных образований. В работе приведены результаты поиска соединений, которые могут служить флуоресцирующей меткой для идентификации в атмосферном аэрозоле гептила, исследованы их спектрально-флуоресцентные и генерационные свойства в присутствии гептила в растворах, а также в состоянии аэрозоля. Проведенное исследование показало, что ксантеновые красители оказались непригодными флуоресцентными метками для обнаружения гептила ввиду сильного межмолекулярного взаимодействия гептила с этими красителями, приводящего к потере излучательных свойств последних. Более перспективными в этом плане, по-видимому, будут флуорофоры, не содержащие в своём составе аминогруппы и хорошо излучающие в щелочной среде. В нашем случае таким соединением оказался НуРЬ. При оптимизации концентрации красителя, состава смеси с гептилом и условий возбуждения предлагаемый метод может быть перспективным для дистанционного обнаружения гептила в атмосфере методами флуоресцентного зондирования.

Третья глава посвящена описанию и анализу результатов исследований флуоресценции и генерации в миллиметровых каплях с красителем при одно- и двухфотонном поглощении лазерных импульсов наносекундной длительности. Одной из задач, решаемых в исследованиях, описанных в третьей главе, было установление подобия проявления нелинейно-оптических процессов, в том числе и многофотонных, в миллиметровых каплях и аэрозольных частицах с целью использовать впоследствии миллиметровые капли с исследуемыми растворами для моделирования тех или иных физических ситуаций, возникающих при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения, в том числе фемтосекундной длительности, с аэрозольными частицами с аналогичным внутренним заполнением. Замена объекта исследования - аэрозольной частицы микронных размеров' - на более крупную по размерам каплю оправдана тем, что оба эти объекта представляют собой сферические резонаторы с набором собственных

резонансных мод и наличием внутри них зон с повышенной плотностью мощностью оптического поля.

Использовались два способа крепления капель: капля с красителем из дибутилфталата (жидкости, не смешивающейся с водой и дающей разделяющую поверхность) помещалась на дно кюветы (способ, предложенный в [22]), при этом форма капли была максимально сферичной, и способ, при котором капля подвешивалась на капилляре, имея при этом форму сфероида [3*-7*] (рисунок 3).

Сравнение характеристик свечения различным образом зафиксированных капель показали, что способ фиксации капель практически не влияет на характер их свечения. Капли с растворами красителей Родамин 6Ж (Р6Ж), Родамин С, 6-аминофеналенон, феналемин 512, СРЗ-ОФ различной концентрации в воде, этаноле, дибутилфталате (ДБФ) возбуждались импульсным излучением лазера на гранате с неодимом (максимальная энергия излучения на длине волны X ~ 1,06 мкм - 40 50 мДж, X ~ 0,53 мкм - 10 мДж, длительность импульса - 10 не). Исследования спектров свечения капель при однофотонном возбуждении (X ~ 0,53 мкм) показали, что при превышении некоторого порога энергии накачки (различного для разной концентрации красителя) спектр приобретает двугорбую структуру (рисунок 4). Длительность импульса излучения длинноволнового спектрального пика не превышает длительности импульса накачки (рисунок 5), зависимость интенсивности свечения длинноволнового спектрального пика от энергии накачки имеет характерный для лазерной генерации пороговый характер (рисунок 6), с ростом энергии накачки происходит заметное сужение ширины второго спектрального пика (до ~ 10 нм) [7*].

Все отмеченные признаки характерны для лазерной генерации в растворах красителей. В используемом диапазоне энергий накачки длительность коротковолнового пика всегда превышает длительность накачки, что, с учетом времени релаксации красителей (6-10 не) свидетельствует о спонтанном характере флуоресценции. Нужно отметить, что с ростом интенсивности накачки наблюдается заметное смещение максимума первого спектрального пика (спонтанной флуоресценции) в коротковолновую сторону (при интенсивности накачки 310

Рисунок 3 - Фотографии светящихся капель с красителем

МВт/см2 коротковолновый сдвиг достигает величины 9 нм по сравнению со спонтанной флуоресценцией такого же раствора в кювете) [3*]. Дано объяснение обнаруженной спектральной особенности, состоящее в деформации спектра спонтанной флуоресценции молекул красителя из-за эффекта насыщения поглощения.

540 560 580 «00 «20 Длшакшшцш

Рисунок 4 —Типичный спектр свечения миллиметровой капли с Р6Ж

Юнс

Рисунок 5 -Типичные осцил-Л01рамммы: 1 — излучения лазера (Х=532 нм), 2 - свечения из приповерхностной области капли

0.1 0.2 0.3 0.4

Е(иДж)

Рисунок 6 - Энергетические характеристики свечения капли от энергии накачки: — первый пик, ••• — второй пик

С помощью световода диаметром жилы 100 мкм исследовались спектральные характеристики свечения различных зон капли - приповерхностной области (зоны шепчущей галереи) и центральной области капли. Показано, что излучение из зоны шепчущей галереи имеет узкий спектр (~ 10 нм), спектрально локализовано в длинноволновой области и имеет длительность импульса меньше длительности импульса накачки, т.е. в представляет собой лазерную генерацию на модах шепчущей галереи (МШГ). В работе экспериментально доказано, что длинноволновая локализация спектра генерации в каплях с красителем Р6Ж вызвана эффектом реарбсорбции молекулами красителя, поскольку спектры поглощения и флуоресценции Р6Ж имеют существенную область пересечения. Спектр излучения из центральной зоны капли совпадает со спектром спонтанной флуоресценции красителя.

Сравнивая результаты исследований спектрально-энергетических характеристик свечения миллиметровых капель и аэрозольных частиц с красителями, можно увидеть, что они качественно совпадают.

Для исследования двухфотонно возбужденной флуоресценции (ДФВФ) в каплях красителя Р6Ж в дибутилфталате и этаноле использовалось импульсное излучение лазера на гранате с неодимом (длина волны 1,06 мкм, длительность

импульса до 10 не, плотность мощности в сфокусированном пучке до 2 ГВт/см2) [4*5*]. При фокусировке излучения накачки в центр капли раствора Р6Ж в ДБФ (концентрация красителя ~ 10~3 моль/л) спектр свечения капли при интенсивностях излучения накачки выше 80 МВт/см2 аналогичен спектру свечения капли при однофотонном поглощении излучения накачки (Х=0,53 мкм) с выраженными коротковолновым и длинноволновым пиками. Длительность излучения, относящегося к длинноволновому спектральному пику, не превосходит длительности импульса накачки, в то время как длительность коротковолнового пика составляет приблизительно 20 не, что совпадает с измерениями длительности спонтанной ДФВФ

в кювете (рисунок 7).

а Ь с й

10 и 10 ш. «а Юге _

I_, |-1-1 Рисунок 7 - Типичные осциллограммы

"Ч у" ^__импульсов ДФВФ в каплях и кювете (а -

\ I \ у* импульс лазерной накачки, Ь - импульс ДФВФ

I \ ) при накачке меньше пороговой, с - импульс

\ Л ( ДФВФ при накачке больше пороговой, с1 -

V \У импульс спонтанной ДФВФ в кювете)

Из рисунка 8 видно, что для длинноволнового спектрального пика начиная с плотности мощности накачки 80 МВт/см2 характерная для спонтанной флуоресценции при двухфотонном возбуждении квадратичная зависимость интенсивности флуоресценции переходит в зависимость, близкую к линейной, что является признаком перехода спонтанной флуоресценции в режим генерации на МШГ. При этом энергетические пороги перехода квадратичной зависимости в линейную для раствора Р6Ж в этаноле при накачке сфокусированным пучком в край капли в два раза ниже, чем в центр, что объясняется локализацией высокодобротных мод капли-резонатора в её приповерхностной области.

Таким образом, генерация в каплях с красителем при двухфотонном поглощении проявляется аналогичным образом как и при однофотонном поглощении. Характерным признаком генерации в зоне шепчущей галереи миллиметровой капли с Р6Ж является локализация спектра свечения в длинноволновом крыле линии флуоресценции Р6Ж. Установленное подобие развития

УУ

/„ , МВт/см2 (Хн= 1064 нм) Рисунок 8 - Зависимость величины сигнала свечения 2-го, длинноволнового спектрального пика от плотности мощности накачки

и проявления вынужденной флуоресценции в аэрозольных частицах и каплях миллиметрового размера с красителем дает основание использовать капли как модельные объекты для детального изучения процессов вынужденного излучения и других нелинейных эффектов в микронных частицах, что значительно упрощает технику эксперимента.

В четвертой главе приводится описание и анализ результатов экспериментов по исследованию особенностей взаимодействия лазерных импульсов фемтосекундной длительности с каплями этанольного раствора Р6Ж. Источником фемтосекундных импульсов служила лазерная система на основе Т^Ба-лазера [23], генерирующая импульсы на длине волны X ~ 0,8 мкм, длительностью /„ = 80 фс и ги « 9 не при энергии в импульсе < 17 мДж. Ширина спектра излучения для нано- и фемтосекундных импульсов на полувысоте ~ 25 нм. Распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссову, ширина на уровне 0,135/та1 составляет 8 мм.

Рисунок 9 - Экспериментальная установка для исследования спектральных, энергетических и акустических характеристик капли с этанольным раствором Р6Ж при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами

Спектральные измерения производились с помощью монохроматора МДР-4 и ССД-камеры. Акустическая часть установки обеспечивала регистрацию звукового давления, начиная от 0,001 Па (рисунок 9). Показано, что для капель с концентрацией Р6Ж Ю-4 -т- 10"3 моль/л спектры свечения при возбуждении фемтосекундными импульсами с энергией в импульсе в диапазоне от 0,3 мДж до 16 мДж совпадают со спектрами спонтанной флуоресценции красителя, возбуждаемой наносекундными импульсами с допороговой энергией. Квадратичная зависимость энергии флуоресценции капель от величины энергии фемтосекундных импульсов накачки также говорит о спонтанном характере возбуждаемой в каплях флуоресценции. Спектральная картина свечения капель кардинально меняется при увеличении концентрации красителя до величины ~ КГ2 моль/л. В диапазоне энергий накачки 1,5 + 8 мДж спектр приобретает двугорбую структуру (признак реализации в каплях вынужденной флуоресценции), причем величина длинноволнового спектрального пика, локализованного в приповерхностной области капли, превалирует над

Е=0,3 мДж

величиной коротковолнового пика. Дальнейшее повышение накачки приводит к уменьшению длинноволнового пика вплоть до его полного устранения из спектра (рисунок 10) [10*].

Зависимости величин коротковолнового и длинноволнового спектральных пиков от энергии накачки приведены на рисунке 11. При энергиях накачки до 2 мДж зависимость величины обоих спектральных пиков от энергии накачки примерно одинаковая и близка к квадратичной, что говорит о преобладании в излучении капли спонтанной флуоресценции при двухфотонном поглощении. В диапазоне энергий накачки 2-8 мДж темп роста величины длинноволнового пика увеличивается, зависимость становится практически линейной, что с учетом пространственной локализации

длинноволнового излучения в приповерхностной области капли свидетельствует о развитии вынужденного излучения в зоне шепчущей галереи. В диапазоне от 8 - 9 мДж до 11 -12 мДж поведение величины коротковолнового пика от энергии накачки можно аппроксимировать степенной зависимостью с показателем степени равным 6. Такой сильный рост величины сигнала от светящейся капли в узком спектральном диапазоне в области максимума спектра спонтанной флуоресценции красителя свидетельствует о развитии процесса суперфлуоресценции в объеме капли.

Й7Я»

а"

^бооо

и .57 0.60 »¿а

Рисунок 10 - Спектры свечения капли Р6Ж с концентрацией 1(Г2 моль/л

при различных энергиях фемтосекундного импульса накачки

г

<2000 X

§1000

,2 !'*'

4 6 8 10 12 14 16 Энергия какачш, МДж

' V.

Эл«ргш иакачкн. от. ад.

Рисунок 11 - (а) - Зависимость величин первого (коротковолнового) и второго (длинноволнового) спектральных пиков от энергии накачки (кружочки - 1-й пик, крестики - 2-й пик); (б) - зависимость отнормированных на максимальные значения величин 1 -го и 2-го спектральных пиков от нормированной энергии накачки (кружочки - 1 -й пик, квадратики - 2-й пик, крестики -квадратичная зависимость)

Таким образом, в капле реализуются два процесса вынужденного излучения: суперфлуоресценция в коротковолновой области, локализованная в объеме капли, и вынужденное излучение в длинноволновой области, локализованное в приповерхностной области капли, при этом развитие вынужденного излучения в каплях родамина 6Ж возможно только при высоких концентрациях красителя (Ю-2 моль/л).

Для интерпретации результатов этих физических экспериментов совместно с Булыгиным А.Д. получены аналитические выражения [15*,22*], позволяющие провести оценку сечения или мощности флуоресценции микрочастиц при освещении их лазерными импульсами, объяснение эффекта суперфлуоресценции при учете коллективных явлений и нахождение порога этого эффекта в сферическом микрорезонаторе с учетом его морфологии при разной длительности лазерного импульса. Пороговое значение энергии падающего излучения будет определяться следующим выражением:

где Яг радиус лазерного пучка. Здесь <т(2)- сечение двухфотонного поглощения (ДФП). Для родамина 6Ж сечение ДФП составляет сг(2) = 1,4-КГ18см4-с,В^-величина, показывающая во сколько раз интенсивность в фокусе I, капли больше интенсивности падающего излучения /£. Полученные в [15*,22*] оценки хорошо согласуются с представленными в главах 3 и 4 данной диссертации результатами экспериментальных исследований флуоресценции в каплях при двухфотонном поглощении наносекундных и фемтосекундных импульсов.

Зависимости величины акустических сигналов от капель с чистым этанолом и этанольными растворами Р6Ж с концентрациями 10 3 моль/л и 10"2 моль/л приведены на рисунке 12. Видно, что при достижении энергии возбуждающих импульсов некоторых пороговых значений зависимость пикового акустического давления в принимаемом сигнале меняет вид с квадратичной на степенную с показателем, приблизительно равным 6. Аналогичный характер изменения зависимости акустического отклика от энергии сфокусированного фемтосекундного излучения в воздухе получен в [17] и связан с возникновением плазмы при оптическом пробое из-за многофонной ионизации воздуха. Обращает на себя внимание тот факт, что порог перехода от квадратичной зависимости в степенную с показателем 6 для капель

Энергия накачки, мДж

чистого этанола ниже, чем для капель с растворами красителя (7 мДж - для чистого этанола, 9 мДж и 12 мДж - для растворов с концентрациями 10 3 моль/л и 10"2 моль/л, соответственно).

Наблюдаемое увеличение порогов при увеличении концентрации двухфотонно

поглощающих молекул флуорофора в каплях можно объяснить тем, что вероятность двухфотонного поглощения лазерного излучения молекулами флуорофора много больше вероятности многофотонной ионизации молекул растворителя, которая является причиной возникновения плазмы в каплях [24]. Величина пороговой энергии (~ 12 мДж) оптического пробоя в каплях с концентрацией Р6Ж I (Г2 моль/л совпадает с величиной энергии фемтосекундных импульсов, начиная с которой прекращается вынужденная флуоресценция в объеме капли (рисунок 10) и происходит разрушение молекул красителя. Это объясняется следующим образом: при реализации в капле процесса вынужденной флуоресценции молекул красителя происходит быстрое опустошение уровня 81 молекул Р6Ж и последующее заполнение его за счет двухфотонного поглощения молекулами Р6Ж высокоинтенсивного фемтосекундного излучения.

Быстропротекающие процессы

вынужденного испускания и

двухфотонного поглощения молекулами красителя оказываются доминирующими в конкуренции с многофотонной ионизацией,

Энергия накачки, мДж

^ о.зо.

X 0)

С 0,25-

ш

со

4 0,20 • ф

о

о 0,15 ф

т

к 0,10 о

< 0,05 0,00

Энергия накачки, мДж Рисунок 12 - Зависимость величины акустического давления от энергии накачки (а — для капли чистого этанола, б - для капли с раствором Р6Ж с концентрацией 10"3 моль/л,

в - концентрация 10'2 моль/л) приводящей к возникновению оптического пробоя. Разрушение молекул флуорофора

прекращает конкуренцию в пользу развития многофотонной ионизации. Подобные явления наблюдались в каплях растворов Р6Ж в воде и дибутилфталате.

Пятая глава посвящена исследованию взаимодействия высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с водными каплями и аэрозолем.

Динамика развития оптического пробоя и последующего взрыва миллиметровых капель в поле излучения фемтосекундной длительности исследовалась при облучении капель воды цугом фемтосекундных импульсов [16*, 21*]. В качестве источника цуга фемтосекундных импульсов использовалась лазерная система, работающая в частотно-импульсном режиме с частотой повторения 1 кГц и излучающая импульсы на длине волны X ~ 800 нм, с шириной спектра ~ 35 нм, минимальной длительностью импульсов ~ 40 фс и энергией в импульсе ~ 1 мДж. Сфокусированное лазерное излучение направлялось на подвешенную каплю воды радиусом ~ 1 мм (диаметр пучка в зоне воздействия на каплю составлял ~ 1,3 мм). Спектральные измерения свечения капель проводились спектрометром Ш4000, обеспечивающим регистрацию спектра в диапазоне длин волн от 195 до 1150 нм. Кроме того, проводилась фото- и видеорегистрация капель при воздействии лазерных импульсов. При воздействии на каплю цуга фемтосекундных импульсов в определенный момент времени у теневой поверхности капли образуется светящийся очаг, расширяющийся с течением времени воздействия импульсов. На рисунке 13 приведены фотографии капли воды, показывающие динамику расширения светящейся области во временном промежутке воздействия цуга импульсов (1 с).

При этом через некоторое время из теневой полусферы возникают выбросы паро-капельной смеси (рисунок 13), которые имеют размер ~ 100-150 мкм.

Свечение внутри капли имеет

Рисунок 13 -Фотографии водной капли с а„~ 1мм, красноватый цвет, который

облученной цугом фемтосекундных лазерных соответствует излучению абсолютно импульсов, зафиксированные в последовательные

моменты времени. Излучение падает слева черного тела, нагретого до

температуры примерно 5000 К. В данном случае нет прямого нагрева жидкости

излучением, поскольку вода в ближнем ИК-диапазоне обладает пренебрежимо малым

поглощением (показатель поглощения на длине волны 800 нм не превышает ~ 10~7).

Жидкость внутри прозрачной капли может нагреться до таких температур только

благодаря термализации плазмы, возникшей в результате оптического пробоя в поле

лазерного пучка. В пользу этого предположения говорит также и то, что область свечения имеет гранулированную структуру, образованную мелкими паровыми пузырями 20-50 мкм в диаметре, свидетельствующими о протекании фазового перехода первого рода (кипении) в жидкости. Выбросы материала частицы из ее теневой поверхности указывают на взрывной характер этого кипения и реализацию высоких давлений в областях плазмообразования, которые по оценкам [26] могут достигать 20 кбар. Полученные результаты подтверждают развитый в теоретических работах [25, 26] физический сценарий взрывного вскипания жидкой частицы в поле высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения. Согласно работам [25,26] ультракороткое лазерное излучение вследствие своей экстремально высокой плотности мощности (~ 1011 Вт/см2) за время импульса способно создать плотную плазму в зонах внутренней фокусировки оптического поля микрочастицы. Фотоионизация в этом случае проходит преимущественно по механизму многофотонного поглощения излучения молекулами воды, что приводит к быстрому (за времена порядка сотни фемтосекунд) увеличению концентрации свободных зарядов в «горячих точках» капли. Формирующиеся плазменные области являются внутренними тепловыми источниками, инициирующими вскипание жидкости в результате термализации свободных электронов. Диссипация запасенной в плазменных областях энергии во внутреннюю энергию вещества частицы реализуется уже после прохождения лазерного импульса (характерные времена порядка нескольких десятков пикосекунд), сопровождается газодинамическим расширением перегретого двухфазного вещества и может привести к фрагментации или даже механическому разрушению капли как целого.

Экспериментальные исследования по распространению фемтосекундных лазерных импульсов в аэрозоле [9*] проводились на установке, приведенной на рисунке 9. Аэрозольный слой длиной ~ 1 см формировался при помощи ультразвукового пьезокерамического генератора квазимонодисперсного аэрозоля «Муссон-1М» со средним размером частиц 2,5 мкм и концентрацией, варьируемой в пределах 0- 107 см"3, что позволяло формировать оптическую толщу тумана т ~ 3. Для измерения потерь лазерного излучения в аэрозольном слое использовались два канала регистрации - оптический и акустический. С помощью оптического канала измерялось ослабление энергии излучения, прошедшего через слой. Пропускание аэрозольного слоя измерялось на двух длинах волн возбуждающего лазерного импульса (X и 0,8 мкм) и зондирующего непрерывного излучения Не-Ые лазера (X ~ 0,63 мкм). Соосное введение зондирующего излучения требовалось для измерения

концентрации частиц в аэрозольной среде для каждого пуска импульса Тгва-лазера. Измерения акустического отклика позволяли оценить энергетические потери в аэрозоле при ее поглощении веществом аэрозольных частиц. Измеренный акустическим методом порог пробоя, равный 7,4 мДж для используемого типа излучения, хорошо согласуется с теоретически рассчитанным [16].

На рисунке 14 приведены зависимости пикового давления в акустическом сигнале от коэффициента пропускания аэрозольной среды на длине волны зондирующего излучения, связанной однозначной зависимостью с концентрацией частиц аэрозоля.

Рисунок 14 - Зависимость пикового акустического давления, генерируемого капельным аэрозолем, при воздействии лазерными импульсами, от пропускания аэрозольного слоя. Расстояние от микрофона до аэрозольной среды - 5 см

При переходе от фемтосекундного импульса к наносекундному, при уменьшении энергии в импульсе всего в 1,5 раза, наблюдается уменьшение амплитуды акустического отклика на два порядка. В случае воздействия на водный аэрозоль фемтосекундного излучения с интенсивностью на 5 порядков выше, чем у наносекундного излучения с такой же энергией в импульсе, в веществе аэрозольных частиц реализуется многофотонное поглощение, которое приводит в конечном итоге к нагреву вещества, что и приводит к увеличению акустического отклика для случая облучения аэрозоля фемтосекундными импульсами.

В шестой главе описываются экспериментальные исследования спектрально-энергетических характеристик флуоресценции растворов Р6Ж с наночастицами металлов и диэлектриков различной морфологии в кюветах и каплях. Целью исследований, описанных в первой части главы, являлось изучение характеристик вынужденной флуоресценции растворов красителя с агломерированными наночастицами различных металлов. Микрофотографии наночастиц приведены на рисунке 15.

Ш П1Л

Рисунок 15 - Микрофотографии одиночных наночастиц Ag и агломератов наночастиц Ag, Al, Zn При этом условия экспериментов, в которых исследовались характеристики вынужденной флуоресценции растворов родамина 6Ж с наночастицами в кюветах, выбирались таким образом, чтобы исключить реализацию "random laser" и проявление эффектов, связанных с плазмонными резонансами наночастиц. Для этого использовались тонкие кюветы (минимальная толщина кюветы составляла 140 мкм), что давало возможность создавать рассеивающие среды, в которых происходит только однократное рассеяние. Таким образом, в активной среде устраняется возможность реализации некогерентной обратной связи за счет многократного рассеяния, т.е. реализации "random laser". В экспериментах [24] использовались наночастицы металлов {Al, Ag, Ni, Zn), собственные резонансы которых лежат вне спектра флуоресценции красителя и не совпадают со спектром возбуждающего лазерного излучения (длина волны X, = 0,53 мкм, длительность импульса т = 10 не). На рисунке 16 приведены спектры поглощения используемых растворов одиночных и агломерированных наночастиц Ag.

350

400

450 500 550 600 350 400 450 500 550 600

Длина волны, нм Длина волны, нм

Рисунок 16 - Спектры поглощения одиночных (а) и агломерированных (б) наночастиц ^g Видно, что в полосу поглощения наночастиц не попадает ни излучение накачки (Я = 532 нм), ни излучение флуоресценции красителя Р6Ж. Спектры плазмонного поглощения AI, Ni, Zn вообще лежат в ультрафиолетовом диапазоне. Следовательно, в эксперименте эффекты плазмонного резонанса исключаются.

Наличие суперфлуоресценции в исследуемой среде определялось по спектрам свечения растворов, пороги суперфлуоресценции для рабочих растворов определялись из построенных зависимостей интенсивности свечения растворов от

энергии накачки. На рисунке 17 представлены спектры свечения чистого раствора Р6Ж (рисунок 17, кривая 1 - энергия накачки 1,9 мДж) и раствора Р6Ж, содержащего агломерированные наноструктуры серебра в объемной доле 2% при различных энергиях накачки (рисунок 17, кривые 2 и 3).

Рисунок 17 - Спектры свечения чистого Рисунок 18 - Зависимость интенсивности раствора Р6Ж (кривая 1, энергия накачки 1,9 излучения от энергии накачки для чистого мДж) и раствора с агломерированными раствора Р6Ж (о) и раствора Р6Ж с 2% объемной наночастицами А^ (кривая 2 - энергия накачки долей наночастиц: одиночных наночастиц Ag (Ь), 1,9 мДж, кривая 3- энергия накачки 5 мДж) агломератов № (с), Л1 (с1), Ag (е). Стрелками

отмечены пороги суперфлуоресценции

На рисунке 18 представлены полученные зависимости интенсивности излучения от энергии накачки для чистого раствора Р6Ж (рисунок 18, кривая а) и растворов, содержащих одиночные наночастицы серебра (рисунок 18, кривая Ь) и агломерированные наноструктуры серебра, алюминия и никеля в объемной доле 2 %. Пороги возникновения суперфлуоресценции в растворах с агломерированными наночастицами существенно меньше, чем пороги суперфлуоресценции в чистом растворе красителя - величина пороговой энергии для раствора Р6Ж с агломератами Ag и А1 составляет ~ 2,4 мДж, для чистого красителя Р6Ж такой же концентрации (10"3 моль/литр) ~ 63 мДж.

Кроме того, эффективность суперфлуоресценции в растворах Я6Ж с агломерированными наночастицами Ag и А1 значительно выше, чем эффективность суперфлуоресценции в растворах с одиночными наночастицами. Таким образом, учитывая, что в исследованных средах отсутствовали условия для формирования некогерентной обратной связи за счет многократного рассеяния и спектральные линии возбуждающего излучения и флуоресценции красителя не совпадали со спектром собственных резонансов наночастиц, наблюдаемое существенное увеличение эффективности суперфлуоресценции можно объяснить только действием локальных оптических полей повышенной плотности мощности, формируемых вблизи поверхности агломерированных наночастиц.

Использование агломерированных металлических наночастиц, обладающих сравнительно большой поверхностью, может привести к проявлению тепловых эффектов за счет их нагревания воздействующим лазерным излучением накачки, которые могут негативно воздействовать на излучательные способности активной среды. Исследование тепловых нелинейных эффектов проводилось в кювете толщиной 140 мкм. Уменьшение толщины исследуемого раствора было продиктовано стремлением приблизить условия проведения модельных экспериментов к решению практических задач, а именно, поиску физических подходов к созданию низкопороговых лазерных микроизлучателей, преобразователей частоты и микроусилителей оптического сигнала. Исследования тепловых процессов проводились акустическим методом, основанным на регистрации акустического импульса, формируемого в области взаимодействия лазерного излучения с веществом и возникающего вследствии скачка давления при изменении плотности среды из-за нагрева или взрывного вскипания. Графики зависимости акустического давления от энергии накачки для чистого раствора Р6Ж и раствора Р6Ж с агломерированными наночастицами приведены на рисунке 19.

Энергия накачки, мДж Энергия накачки, мДж

Рисунок 19 - График зависимости интенсивности свечения (1) и акустического давления

(2) от энергии накачки для чистого раствора родамина 6Ж (а). График зависимости интенсивности свечения (1) и акустического давления (2) от энергии накачки для раствора родамина 6Ж с агломератами наночастиц А^ (б)

Из рисунка 19 видно, что при определенных энергиях излучения накачки линейный рост зависимости акустического сигнала от энергии скачкообразно изменяется на его более интенсивный рост. Резкое возрастание величины акустического сигнала сопровождается появлением паровых пузырьков в зоне взаимодействия лазерного излучения накачки с раствором. Энергия накачки, при которой происходило образование пузырей, совпадает с энергией, при которой происходит резкое изменение темпа роста акустического сигнала. Это значение

энергии накачки можно связать с порогом быстрого локального вскипания раствора (порогом взрывного вскипания). Для чистого красителя это значение составляет 38,3 мДж, в то время как порог суперфлуоресценции составляет 58,6 мДж. То есть, процесс взрывного вскипания красителя начинается при меньших накачках, чем суперфлуоресценция (на 34,6% меньше). Для раствора с агломерированными частицами взрывное вскипание начинается при 22,3 мДж, а суперфлуоресценция при 2,4 мДж, т.е. существует достаточно большой диапазон энергии лазерной накачки, при котором в растворе Р6Ж с наночастицами реализуется суперфлуоресценция, но не происходит взрывного вскипания рабочего раствора, его деградации и разрушения.

Во второй части главы 6 приводятся описания исследований спектрально-энергетических характеристик свечения капель красителя родамин 6Ж в смеси с одиночными наночастицами серебра при двухфотонном возбуждении лазерными импульсами наносекундной (длина волны X ~ 1,06 мкм) и фемтосекундной длительности (X ~ 1,06 мкм). Концентрация серебра в коллоидном растворе составляла 10~'-10~*г/см3, концентрация красителя в каплях - 10"3 - ДО"2 моль/л). Наночастицы имели размеры 10-30 нм. Сфокусированное излучение лазерной накачки направлялось в край капли (зону шепчущей галереи). На рисунке 20 представлены спектры двухфотонно возбужденной флуоресценции раствора Р6Ж в этаноле со взвешенными частицами серебра в кювете толщиной 2 мм (рисунок 20, кривая 1) и в каплях без наночастиц (рисунок 20, кривая 2) и с наночастицами (рисунок 20, кривая 3) при наносекундном возбуждении. При накачке в край капли чистого этанола, начиная с плотности мощности накачки примерно 45-50 МВт/см2, в спектре вторичного излучения появляется второй спектральный пик. Введение в каплю наночастиц серебра приводит к появлению в спектре излучения второго пика уже при плотностях мощности накачки выше 3-5 МВт/см2.

Экспериментами, описанными в главе 2, показано, что появление второго длинноволнового пика в спектре свечения сферических частиц с красителями, у которых есть значительное перекрытие спектров поглощения и

32

Длина волны, нм Рисунок 20- Нормированные спектры свечения раствора Р6Ж в кювете (кривая 1), в капле без наночастиц Ля (кривая 2, интенсивность накачки Р ~ 45-50 МВт/см 2 ) и в капле с наночастицами Лg (кривая 3, Р ~ 3-5 МВт/см2)

флуоресценции, свидетельствует о реализации в зоне шепчущей галереи лазерной генерации.

Обращает на себя внимание, что максимум длинноволнового пика (спектра генерации на модах шепчущей галереи) в случае капли раствора Р6Ж с наночастицами сдвинут в длинноволновую сторону на 5 нм относительно максимума спектра генерации в капле с чистым красителем. Согласно результатам приведенных в главе 2 исследований влияния реабсорбции на смещение спектров флуоресценции и генерации в растворах родамина 6Ж, наблюдаемый сдвиг максимума спектра генерации объясняется эффектом реабсорбции в красителе за счет увеличения длины пробега фотонов флуоресценции из-за многократного рассеяния на наночастицах. Подобный длинноволновый сдвиг наблюдался в [27] при исследовании спонтанной флуоресценции в сильно рассеивающей среде на основе полимерной пленки с родамином 6Ж и внедренными наночастицами Si02. Заметим, что длина волны используемого излучения накачки (X ~ 1,06 мкм) и спектр свечения двухфотонно возбужденного красителя Р6Ж лежат вне области плазмонных резонансов наночастиц Ag. Тогда причиной наблюдаемого существенного (на порядок величины) понижения порога генерации в капле с раствором Р6Ж и наночастицами серебра является реализация в капле режима "random laser" за счет многократного рассеяния на наночастицах Ag.

Двухфотонное возбуждение капель с красителем Р6Ж и наночастицами Ag фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 0,82 мкм, длительностью импульса 80 фс, частотой повторения импульсов 90 МГц, энергией в импульсе 3-5 нДж осуществлялось с помощью лазера на сапфире с титаном. Зарегистрированные спектры свечения капли соответствовали спектрам спонтанной флуоресценции Р6Ж, зависимость интенсивности свечения от интенсивности накачки имела квадратичный характер во всем диапазоне интенсивностей возбуждающего излучения (вплоть до интенсивности 200 МВт/см2). Таким образом, при двухфотонном возбуждении капель с этанольным раствором родамина 6Ж с концентрацией 10"3-10"2 моль/литр и наночастицами серебра фемтосекундными лазерными импульсами длительности 80 фс на длине волны 0,82 мкм генерации в капле во всем диапазоне интенсивностей излучения накачки (вплоть до интенсивности 200 МВт/см2) не наблюдалось.

В Заключении сформулированы основные научные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

На основании анализа измеренных спектров свечения облака аэрозолей с красителем предложена математическая модель наблюдаемых сигналов свечения,

33

позволяющая выделить статистические признаки реализации в аэрозольных частицах лазерной генерации на модах шепчущей галереи и вынужденного комбинационного рассеяния.

Экспериментально установлено, что признаком реализации лазерной генерации на МШГ в каплях и сферических частицах с красителями, имеющими область перекрытия спектров поглощения и флуоресценции, является возникновение характерной двугорбой картины в спектре свечения.

Продемонстрирована возможность существенного (на порядок) усиления излучения КР в веществе аэрозольной частицы с лазерным красителем за счет вынужденного излучения молекул красителя при условии, что спектр КР находится в спектральной области генерации на модах шепчущей галереи.

Экспериментально определены величины энергетических порогов возникновения суперфлуоресценции и лазерной генерации в каплях с красителем при двухфотонном поглощении лазерных импульсов фемтосекундной и наносекундной длительности.

Проведена оценка пороговой энергии возникновения эффекта суперфлуоресценции в объёме сферического микрорезонатора, заполненного раствором красителя родамин 6Ж, для разной длительности возбуждающих лазерных импульсов.

Экспериментально определены энергетические пороги возникновения оптического пробоя за счет многофотонной ионизации в каплях этанола и дибутипфталата с красителем родамин 6Ж различной концентрации при возбуждении фемтосекундными импульсами.

Экспериментально показано, что при распространении лазерных импульсов фемто- и наносекундной длительности с одинаковыми энергиями в импульсах и длинами волн излучения поглощение частицами для случая фемтосекундных импульсов превышает поглощение излучения наносекундной длительности за счет развития в частицах многофотонной ионизации.

Экспериментальные исследования спектрально-энергетических характеристик свечения тонких слоев растворов красителя с агломерированными наночастицами серебра и алюминия со схожей морфологией показали, что пороги возникновения суперфлуоресценции в этих растворах одинаковы и существенно понижены (на порядок) по сравнению с чистым красителем.

Установлены энергетические пороги взрывного вскипания в тонких слоях (-100 мкм) раствора красителя с агломерированными металлическими наночастицами

при наносекундной лазерной накачке. Установлен диапазон энергий лазерной накачки, при котором в тонких слоях красителя с агломерированными металлическими наночастицами осуществляется режим суперфлуоресценции, но не происходит взрывного вскипания рабочего раствора, его деградации и разрушения.

Экспериментально показано влияние реализации режима "random laser" в каплях растворов красителя с наночастицами на существенное понижение порога лазерной генерации на модах шепчущей галереи при двухфотонном поглощении лазерного излучения наносекундной длительности с длиной волны вне спектральной области плазменного поглощения наночастиц.

Литература, цитируемая в автореферате

1. Tzeng Н.-М., Wall K.F., Long М.В., Chang R.K. Laser emission from individual droplets at wavelengths corresponding to morfology-dependent resonances // Opt. Lett. - 1984. - V.9, №11. - P.499-501

2. Snow J.B., Qian S.-X., Chang R.K. Stimulated Raman scattering from individual water and ethanol droplets at morphology-dependent resonances // Opt. Lett. - 1985. - V.10, № 1. -P. 37-39.

3. Дацюк В .В., Измайлов И.А. Оптика микрокапель // УФН. - 2001. - Т.171, №10. - С.1118-1129

4. Kwock A.S., Chang R.K. Suppression of lasing by stimulated Raman scattering in microdroplets // Opt. Lett. - 1993. - V.18, № 19. - P. 1597-1599

5. Fleishmann M., Hendra P.G., McQuillan A.J. Raman spectra from electrode surfaces // J. Chem. Soc. Chem., Commun. -1973. - V.8. -P.80-84

6. Glass A.M., Liao P.F., Bergman J.G., Olson D.II. Interaction of metal particles with adsorbed dye molecules: absorption and luminescence // Opt. Lett. - 1980. - P. 368-373

7. Климов B.B. Наноплазмоника // М.:Физматлит. - 2009. - 480 с.

8. Kneipp К., Kniepp H., Itzkan I. et al. Surface-enhanced Raman scattering and biophysics // J.Phys.:Condens.matter. - 2002. - V. 14. - P. R597-R624

9. Sarychev V.M., Shalaev V.M. Nonlinear optics of random metal-dielectric films // Physica Review В. - 1998. - V.57, № 20. - P. 13265-13287

10. Armstrong R.L., Kim W.T., Shalaev V.M., Safonov V.P. Fraktals in mikrocavities: giant coupled, multiplicative enhancement of optical responses. //Phys. Rev. Lett. - 1999. - V. 82. -№ 24. -P.481- 4814

11. Олейников В.А., Первое H.B., Мчедлишвили Б.В. Трековые мембраны в темплейтном синтезе ГКР-активных наноструктур // Критические технологии. Мембраны, 2004. -№4(24).-Р. 17-28

12. Sweatlock L.A., Maier S.A., Atwater Н.А. Highly confined electromagnetic fields in arrays of strongly coupled Ag nanoparticles // Phys. Rev. - 2005. - V. 62. - P. 10265-10287.

13. MejeanG., KasparianJ., YuJ., FreyS., Salmon E., WolfJ.-P. Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system // Appl. Phys. B. - 2004. - V. 78. - P. 535-537

14. Boutou V., Favre C„ Hill S.C., Pan Y.L., Chang R.K., Wolf J.-P. Backward enhanced emission from multiphoton processes in aerosols // Appl. Phys. 2002. - В 75. - P. 145-152

15. HillS.C., PanY., Holler S., Chang R.K. Enhanced backward-directed multiphoton-excited fluorescence from dielectric microcavities // Phys. Rev. Lett. - 2000. - V. 85, №. 1. - P. 54-57

16. Землянов A.A., Гейнц Ю.Э. Пороги оптического пробоя прозрачной микрочастицы в нано-, пико- и фемтосекундном диапазонах длительностей лазерных импульсов // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17, № 4. - С.306-311

17. Кабанов A.M. Оптика мощных лазерных импульсов в газо-аэрозольных средах: дис.докт. физ.-мат. наук / А.М. Кабанов. - Томск, 2010.-341 с.

18. Нелинейная фемтосекундная ошика атмосферы / Ю. Э. Гейнц [и др.] - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы, 2010. - 211 с.

19. Wiersma D.S., Lagendijk A. Light diffusion with gain and random lasers // Phys. Rev.E.

- 1996. - V.54. - P.4256-4265

20. Cao H. Lasing in random laser / Waves Random Media. Topical Review. - 2003. - V. 13

- R1-R39

21. Sweatlock L.A., Maier S.A., Atwater H. A. Highly confined electromagnetic fields in arrays of strongly coupled Ag nanoparticles // Phys. Rev. - 2005. - V. 62. - P. 10265-10287

22. Белоногов А.Ю., Старцев A.B., Стойлов Ю.Ю., Чо Сан Дзю Жидкие лазерные резонаторы и волноводы. I. Капли и кольца // Квант. Электрон. - 1997. - Т. 24, № 8.

- С.727-730

23. Бабин А.А., Киселев A.M., Сергеев A.M., Степанов А.Н., Тераваттный фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс. // Квантовая электроника. - Т.13, №7. - 2001.

- С.623-626

24. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / М:Наука. -1989. -280с.

25. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А. Фазовый взрыв водной капли фемтосекундным лазерным импульсом: Часть I. Динамика оптического пробоя // Оптика атмосферы и океана. -2009. - Т. 22, № 8. - С. 725-733

26. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Фазовый взрыв водной капли фемтосекундным лазерным импульсом: П. Термодинамические траектории жидкости // Оптика атмосф. и океана. - 2009. - Т. 22, № 9. - С. 844-848

27. Tikhonov Е., Yashchuk V., Prigodjuk О., Bezrodny V., Filatov Yu. Multiple scattering effect on luminescence of the dyed polymer matrix // Semicondyctor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2004. - V. 7, № 1. - P.77-81

Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1* Донченко В.А., Землянов А.А., Землянов Ал.А. Серых А.П. Статические признаки эффекта вынужденной флуоресценции системы полидисперсных микронных капель с лазерным красителем // Оптика атмосферы и океана. - 1997 - Т. 10, №3. - С. 294-300 2* Донченко В.А., Землянов А.А., Землянов Ал.А. Серых А.П. Усиление излучения ВКР в системе полидисперсных капель с лазерным красителем в условиях вынужденной флуоресценции // Оптика атмосферы и океана. - 1997. - Т. 10, №7. - С. 794-799 3* Донченко В.А., Землянов А.А., Землянов Ал.А. Копылова Т.Н., Кибиткин П.П. Спектры флуоресценции в жидких частицах с красителем при интенсивной лазерной накачке // Оптика атмосферы и океана. - 1998. - Т. 12, №1. - С. 36-38 4* Donchenko V.A., Zemlyanov А.А., Zemlvanov Al.A.. Kibitkin P.P. Spectral and temporal characteristics of fluorescence of drops comprising by the IR laser radiation // Infrared Physics and Technology. - 2000,- V.4l,№2.- P. 133-136 5* Данилов A.B., Донченко B.A., Землянов A.A., Землянов Ал.А. Двухфотонно возбужденная люминесценция в каплях органических красителей // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т.15, №3. - С.254 - 257 6* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Копылова Т.Н, Самсонова Л.Г. К вопросу о возможности дистанционного обнаружения гептила в атмосфере // Известия вузов. Физика. - 2002. - №3. - С.10 -14 7* Донченко В.А., Землянов Ал.А. Эффекты вынужденного излучения в аэрозолях и

каплях с красителем//Известия вузов.Физика. - 2003.- Т.46, №9. - С. 14-22 8* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Кузнецова С.И. Исследование энергетических и спектральных характеристик генерации красителя в жидко-капельной форме в присутствии наночастиц И Известия вузов. Физика. - 2003. - Т.46, №9. - С.78-80

9* Бочкарев H.H.,.Земляное А.А, Землянов Ал.А.. Кабанов A.M., Карташев Д.В., Кирсанов A.B., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Экспериментальные исследования взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем // Оптика атмосферы и океана. -2004. - Т.17, №12. - С.971-975 10* Бочкарев H.H., Донченко В.А., Землянов А.А, Землянов Ал.А.. Кабанов A.M., Карташев Д.В., Кибиткин П.П., Кирсанов A.B., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Флуоресценция красителя в жидкокапельной форме при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами // Известия вузов. Физика. - 2005. - Т.18, №4. - С.15-19 11* Бочкарев H.H., Землянов Ал.А.. Кабанов A.M., Кистенев Ю.В., Погодаев В.А., Пономарев Ю.Н., Романовский O.A., Степанов А.Н., Тихомиров Б.А. Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с биологическим веществом // Изд-во ТПУ, Томск.-2007.-121 с.

12* Агеев Б.Г., Бочкарев H.H., Землянов Ал.А.. Ю.В. Кистенев Ю.В., Матвиенко Г.Г., Никифорова О.Ю., Капилевич В.Л., Погодаев В.А., Пономарев Ю.Н., Тихомиров Б.А. Применение методов лазерной спектроскопии и нелинейного анализа для исследования медико-биологических объектов // Изд-во ТПУ, Томск. — 2007. — 215 с. 13* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Красилов М.Н., Панамарев Н.С. Угловое распределение энергии суперфлуоресценции в каплях при двухфотонном поглощении нано- и фемтосекундных лазерных импульсов // Известия вузов. Физика. - 2008. — № 1. -С. 3-5

14* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Панамарев Н.С., Юзефович A.B. О возможном механизме уменьшения порогов индуцированного излучения в лазерных красителях с наночастицами // Известия вузов.Физика. - 2008. - №9/3. - С. 169-171 15* Булыгин А.Д., Быкова Е.Е., Землянов A.A., Землянов Ал.А. Особенности флуоресценции органических молекул из капли под действием фемтосекундного лазерного импульса при двухфотонном поглощении // Известия вузов. Физика. - 2009.

- Т.52, № 8. - С.84-91

16* Апексимов Д.В., Букин O.A., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Землянов A.A., Землянов Ал.А.. Ильин A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б. Взаимодействие гигаватгных лазерных импульсов с жидкими средами. Часть 1. Взрывное вскипание крупных изолированных водных капель // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т.23, №7. - С.536-542 17* В.А.Донченко, Землянов Ал.А.. Панамарев Н.С., Харенков В.А. Трансформация оптических свойств канала маломощного лазерного пучка в средах с наночастицами // Известия вузов. Физика. -2010. -№ 9/3. - С. 175 -176 18* Гейнц Ю.Э., Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Панамарев Н.С. Временная динамика пространственной структуры интенсивности дальнего поля лазерного пучка, прошедшего тонкий слой наноколлоиднои среды // Оптика атмосферы и океана».

- 2011 - Т.24, №3 - С.190-198

19* Geints Y.E., Zemlvanov Al. A.. Panamarev N.S. Transient behavior of far-field diffraction patterns of a Gaussian laser beam due to the thermo-optical effect in metal nanocolloids // J. Opt.-2011,-V.13.-P.1-9 20* Донченко B.A., Землянов Ал.А.. Панамарев Н.С., Харенков В.А. Влияние рассеяния на развитие суперлюминесценции в композитах «раствор красителя-наночастицы» // Известия вузов. Физика. - 2011. -Т.54, №4. - С.88-94. 21* Апексимов Д.В., Букин O.A., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Землянов A.A., Землянов Ал.А.. Ильин A.A., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б., Хабибуллин P.P. Взаимодействие гигаватгных лазерных импульсов с водными каплями // Прикладная физика. - 2011. - № 6. - С 13-21. 22* Булыгин А.Д., Землянов A.A., Землянов Ал.А. Теоретическое описание спектра излучения из капли раствора родамина 6Ж в этаноле при фемтосекундном лазерном воздействии // Оптика атмосферы и океана». — 2011 — Т.24, №11 — С.954-959

23* Харенков В.А., Донченко В.А., Землянов Ад.А.. Панамарев Н.С. Инерционность светового лимитера на базе наночастиц // Изв. вузов Физика. - 2012. -№ 8/2. -С. 227-229.

24* Харенков В.А., Донченко В.А., Землянов Ал.А. Влияние агломерации наночастиц на эффективность лазерной генерации // Изв. Вузов Физика. - 2012. - № 8/2. - С. 244-246.

25* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Панамарев Н.С. Дисперсионные характеристики отражательной способности композитных пленок с наночастицами из Аg, Ni, AI, Си на металлической подложке // Изв. Вузов Физика. - 2012. - № 8/2. - С. 236-237.

26* Донченко В.А., Землянов Ал.А.. Кривошеев Н.С., Харенков В.А. Влияние локальных полей вблизи агломерированных наночастиц на эффективность суперлюминесценции в растворах органического красителя // Оптика атмосферы и океана». - 2012 - Т.25, №11 - С.999-1002.

Отпечатано в ООО «Компания «Милон», лиц. ПД № 12-0151 от 28.10.2013 г. Заказ № 341, тираж 100 экземпляров, г.Томск, пр.Фрунзе, 7. т.585 053

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

На правах рукописи

05201450587 Земляное Алексей Анатольевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАНО- И ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ С МИКРО- И НАНОДИСПЕРСНЫМИ СРЕДАМИ

01.04.05 - Оптика 01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант -

доктор физико-математических наук,

профессор В.А. Донченко

Томск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................6

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................36

1.1 Резонансы оптического поля в сферических частицах..............................38

1.2 Вынужденное рассеяние света в сферических частицах........................42

1.3 Пороги возникновения вынужденного рассеяния в частицах............44

1.3.1 Вынужденная флуоресценция......................................................................................46

1.4 Угловые характеристики поля вынужденного рассеяния

от прозрачных сферических частиц............................................................................47

1.5 Флуоресценция органических молекул в сферических частицах

и каплях при фемтосекундном возбуждении....................................................49

1.6 Формирование вынужденного излучения в нанодисперсных активных средах............................................................................................................................54

1.6.1 Лазеры на базе нанодисперсных активных сред................................54

1.6.1.1 Random laser в растворах и пленках красителей с

наночастицами..................................................................................................57

1.6.2 Механизмы формирования зон повышенной интенсивности оптических полей вблизи поверхности наноструктур........................................................................................................................61

1.6.2.1 Эффект молниеотвода {lightning-rod effect)............................62

1.6.2.2 Антенный эффект............................................................................................65

1.6.2.3 Поверхностные плазмонные резонансы в металлах... 65

1.6.3 Влияние размера и формы наночастиц на их спектральные

характеристики..................................................................................................................74

1.6.3.1 Отдельные металлические частицы................................................79

1.6.3.2 Агломераты металлических наночастиц....................................82

1.6.4 Фотопроцессы вблизи металлических наноструктур....................83

1.6.4.1 Усиление комбинационного рассеяния (эффект гигантского комбинационного рассеяния)..............................83

1.6.4.2 Флуоресценция вблизи наноструктур..........................................85

1.6.4.3 Эффекты суперфлуоресценции и генерации в растворах красителей с наноструктурами..............................91

Краткие выводы к главе 1................................................................................................................94

ГЛАВА II СВЕЧЕНИЕ АЭРОЗОЛЯ С КРАСИТЕЛЕМ ПРИ ОДНОФОТОННОМ ПОГЛОЩЕНИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ............... 96

2.1 Экспериментальные исследования флуоресценции в облаке аэрозоля с красителем....................................................... 96

2.2 Статистический анализ сигналов свечения возбужденного

по л и дисперсного аэрозоля с красителем................................ 103

2.3 Усиление излучения ВКР в полидисперсном аэрозоле с красителем..................................................................... 112

2.4 Обнаружение гептила в аэрозоле флуоресцентными

методами....................................................................... 117

2.4.1 Свойства гептила как мобильного экотоксиканта............. 118

2.4.2 Современные методы обнаружения гептила в

атомосфере.............................................................. 120

2.4.3 Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства красителей в присутствии НДМГ в растворах

и в состоянии аэрозоля............................................... 121

Краткие выводы к главе 2........................................................ 126

ГЛАВА III ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ В МИЛЛИМЕТРОВЫХ КАПЛЯХ С КРАСИТЕЛЕМ ПРИ ОДНОФОТОННОМ И ДВУХФОТОННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ............ 128

3.1 Экспериментальная установка............................................ 130

3.2 Особенности спектра спонтанной флуоресценции красителя в миллиметровых каплях...................................................... 133

3.3 Спектральные, энергетические и временные характеристики флуоресценции миллиметровых капель с красителем.............. 137

3.4 Угловые характеристики флуоресценции

в миллиметровых каплях................................................... 145

3.5 Флуоресценция капель с красителем

при двухфотонном поглощении лазерных

импульсов наносекундной длительности.............................. 149

3.6 Энергетические и временные характеристики свечения капли

с Р6Ж при двухфотонном возбуждении................................ 153

3.7 О возможном проявлении кооперативных эффектов излучения

в каплях с красителем при интенсивных накачках................... 158

Краткие выводы к главе 3....................................................... 163

ГЛАВА IV СВЕЧЕНИЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ КАПЕЛЬ С КРАСИТЕЛЕМ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ФЕМТОСЕКУ НДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ................................. 165

4.1 Экспериментальная установка и методика измерений............... 165

4.2 Спектральные и энергетические характеристики излучения

капли с красителем........................................................... 168

4.3 Угловое распределение энергии суперфлуоресценции в каплях при двухфотонном поглощении нано- и фемтосекундных лазерных импульсов.......................................................... 175

4.4 Результаты измерений акустических откликов от капли с красителем..................................................................... 178

4.5 Оценки величин сечения и интенсивности флуоресценции аэрозольных частиц с органическими молекулами при

облучении их фемтосекундными лазерными импульсами......... 182

4.5.1 Основные соотношения..............................................................................................182

4.5.2 Порог

суперфлуоресценции....................................................................................................................187

Краткие выводы к главе 4................................................................................................................192

ГЛАВА V ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ВОДНЫМИ КАПЛЯМИ И АЭРОЗОЛЕМ.......... 194

5.1 Физический сценарий фемтосекундного взрыва жидкой

частицы......................................................................... 194

5.2 Результаты экспериментов по взаимодействию лазерных фемтосекундных импульсов гигаваттной мощности с жидкокапельными средами................................................ 201

5.3 Взрыв и свечение водных капель при облучении лазерными импульсами фемтосекундной длительности........................... 203

5.4 Экспериментальная установка и методика проведения измерений по распространению фемтосекундного

лазерного импульса в аэрозоле............................................ 210

5.5 Результаты исследований по распространению фемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле.................... 212

Краткие выводы к главе 5........................................................ 215

ГЛАВА VI ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТВОРОВ Р6Ж С НАНОСТРУКТУРАМИ............................. 217

6.1 Микрофотографии используемых наноструктур............................................218

6.2 Спектры поглощения растворов наноструктур........................ 223

6.3 Экспериментальная установка........................................................................................228

6.4 Спектры генерации растворов родамин 6Ж концентрацией

л

10" моль/литр с примесями наноструктур............................. 229

6.5 Спектры свечения растворов родамин 6Ж концентрацией

10" моль/л с примесями наноструктур.................................. 233

6.6 Рассеяние в коллоидных растворах с наночастицами............... 238

6.7 Пороги суперфлуоресценции в растворах Р6Ж с агломерированными наночастицами А§................................ 239

6.8 Исследования тепловых процессов в тонких слоях

растворов красителя с наночастицами.................................. 244

6.9 Исследование спектральных и энергетических характеристик свечения капель с красителем, содержащим наноструктуры, при однофотонном и двухфотонном возбуждении наносекундными и фемтосекундными лазерными импульсами... 246

6.9.1 Флуоресценция растворов красителей в жидкокапельной

форме с наночастицами из ТЮ 2......................................................................246

6.9.2 Флуоресценция растворов красителей в жидкокапельной

форме с наночастицами из серебра..............................................................250

Краткие выводы к главе 6................................................................................................................254

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................256

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................260

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Задача совершенствования оптических методов дистанционной диагностики веществ и материалов всегда была актуальной. В настоящее время эти методы развиваются в направлении дальнейшего повышения чувствительности, быстродействия и большей информативности, опираясь на последние достижения нанофотоники и фемтосекундной оптики.

В настоящее время известны спектроскопические методы диагностики, связанные с эффектами поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния и флуоресценции, реализуемые на базе наночастиц или наноструктурированных поверхностей, резонаторно улучшенные спектроскопические методы, использующие сферические диэлектрические микрорезонаторы, методы флуоресцентного лидарного зондирования, основанные на использовании фемтосекундных лазерных импульсов. Особый интерес представляют методы диагностики, связанные с нелинейно-оптическими эффектами в малых объемах вещества.

Прогресс в данной области напрямую связан с появлением новых экспериментальных результатов, реально отражающих особенности протекания нелинейно-оптических процессов с нано- и микродисперсными средами.

Современное состояние исследований. Первые работы, в которых были экспериментально исследованы основные характеристики вынужденной флуоресценции (ВФ) и вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в сферических частицах микронных размеров относятся к середине 80-х годов XX века [1,2]. За достаточно короткий период данной проблеме было посвящено множество научных исследований (обзор этих работ можно найти в [3,4]).

Результатом исследований стало установленное значительное повышение эффективности нелинейных оптических процессов в

микрокаплях в сравнении со сплошной средой. Физической причиной этого являются сложная пространственная конфигурация внутреннего оптического поля, проявляющаяся в возникновении в объеме частицы зон с повышенной интенсивностью оптического поля, так называемых «горячих точек». Наибольшее локальное увеличение интенсивности в «горячих точках» происходит при выполнении резонансных условий - «входного резонанса», проявляющегося при совпадении частоты падающей волны с одной из резонансных частот частицы как сферического резонатора и «выходного резонанса», когда резонансные условия выполняются для частот, входящих в спектр вторичного излучения, возникающего в частице. Кроме того, в частице как резонаторе может устанавливаться положительная обратная связь на высокодобротных модах шепчущей галереи (МШГ), которая поддерживает развитие таких вынужденных процессов как ВКР или лазерная генерация, если в частице содержатся лазерно-активные молекулы. Существенный вклад в развитие процессов нелинейного волнового взаимодействия вносит фокусировка воздействующего излучения передней поверхностью частиц, что приводит к повышению интенсивности внутреннего поля, и, как следствие, происходит понижение порогов нелинейных эффектов.

В [5] получено усиление излучения ВКР за счет вынужденного испускания молекул красителя в частице. Это позволило по-новому посмотреть на задачу повышения чувствительности методов диагностики на основе КР. Экспериментально эти условия достигались при использовании левитирующих одиночных частиц, постепенно испаряющихся и приобретающих резонансные свойства, или путем постепенного изменения длины волны лазерного излучения, падающего на частицу.

К моменту начала работы над диссертацией данных об исследованиях возможности усиления ВКР за счет вынужденного излучения лазерно-активных молекул для большого массива частиц полидисперсного аэрозоля не было, что стимулировало работы автора в этом направлении, поскольку

можно сделать предположение, что в облаке аэрозольных частиц с большим разбросом размеров существуют частицы, для которых будут выполнятся условия «входных» и «выходных» резонансов.

В 1973 году было обнаружено, что для молекул, адсорбированных на шероховатых металлических поверхностях, доля фотонов комбинационного

6 7

рассеяния увеличивается в 10 - 10 раз [6]. Это явление известно как гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). В 1980 г. Glass A.M. с соавторами сообщили об усилении флуоресценции молекул красителей нильский синий и родамин Б, нанесенных на пластинку, покрытую наноразмерными островками серебра [7]. В настоящее время спектроскопические методы исследования, связанные с применением поверхностно-усиленных эффектов комбинационного рассеяния (КР) и флуоресценции, находят широкое применение в биологии, медицине, ближнепольной микроскопии и в ряде других приложениях, касающихся диагностики микропримесей [8] и продолжают неуклонно развиваться. В этих методах причиной усиления эффектов КР и флуоресценции является возбуждение локализованных плазмонных резонансов в коллоидных металлических наночастицах или наноразмерных островках подложки. Теоретически изолированный одиночный сфероид из серебра или золота может обеспечить усиление на порядки величин [9]. Для достижения таких высоких значений усиления необходимо выполнение резонансных условий, а именно, частота возбужденных плазмонных резонансов наночастиц должна совпадать с частотой падающей (возбуждающей) волны или с частотой вторичной волны. В [9] теоретически показано, что увеличение отношения интенсивности локального поля вблизи поверхности агломератов наночастиц серебра к интенсивности падающего поля на длине волны плазмонного резонанса наночастиц может достигать величин 104 -10э. В работе Armstrong R.L. с соавторами [10] краситель с кластерными частицами золота помещался в цилиндрический микрорезонатор, который представляет собой кварцевую трубку диаметром 700 мкм (0,7мм). Авторы [10]

сообщают об усилении внутреннего оптического поля, вызванного совместным действием высокодобротных МШГ и кластерных образований в 1012 раз в случае реализации плазмонного резонанса, что привело к резкому уменьшению интенсивности порога лазерной генерации красителя на модах МШГ.

Очевидно, что необходимое для реализации значительного усиления локального оптического поля условие плазмонного резонанса создает определенные трудности в широком использовании методов поверхностного усиления на основе эффектов плазмонных резонансов, хотя бы потому, что в видимой области спектра выраженными плазмонными резонансами обладают наночастицы золота (узкий спектр плазмонного резонанса имеет максимум приблизительно на длине волны ^азм ~ 530 нм), серебра (~ 420 нм), меди (~ 560 нм). В настоящее время ведутся работы в направлении сдвига частот плазмонных резонансов наночастиц путем изменения размера и формы наночастиц - использование наночастиц в виде эллипсоидов, цилиндров, звездочек и т.д., создание композитных наночастиц из диэлектрического ядра и металлической оболочки [8].

К моменту начала работ над диссертацией сообщений об исследованиях, касающихся уменьшения порогов вынужденного излучения в средах с агломератами наночастиц при нерезонансном возбуждении (в отсутствии плазмонного резонанса) не существовало. В то же время, из теоретических работ [11,12] следовало, что вблизи поверхности таких наноструктур существуют пространственные области ("горячие точки"), в которых напряженность падающего электрического поля увеличивается приблизительно в 10 раз и в случае нерезонансного возбуждения. Это обстоятельство открывает перспективы использования агломератов наночастиц для расширения спектральных возможностей реализации эффекта понижения порогов вынужденного излучения в таких системах и, следовательно, расширения спектральных возможностей применения метода поверхностно-активного усиления. Кроме того, несомненный интерес

представляет собой задача исследования возможностей понижения порогов вынужденного излучения в сферических микрорезонаторах с внедренными наноструктурами в случае нерезонансного возбуждения лазерными импульсами.

Высокая пиковая мощность фемтосекундного излучения при низкой энергии импульса позволяет индуцировать в объеме частицы, содержащей молекулы флуорофора, специфичные нелинейные эффекты, не связанные с тепловыми эффектами. К таким процессам можно отнести возникающую в веществе частиц при фемтосекундном облучении многофотонную лазерно-индуцированную флуоресценцию.

Как показали С.Ме]еап с соавторами [13], использование в лидарных измерениях двухфотонно возбужденной фемтосекундными импульсами флуоресценции биоаэрозолей гораздо эфф