нелинейно-оптический композит

Формула изобретения

Нелинейно-оптический композит, включающий наночастицы, состоящие из полупроводникового ядра и металлической оболочки, отличающийся тем, что ядро наночастицы изготовлено из полупроводника с глубокими примесными уровнями в запрещенной зоне, причем энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями не превышает энергию фотонов рабочего спектрального диапазона композита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в системах обработки оптической информации и ограничителях излучения.

Известны нелинейно-оптические материалы - оптические композиты, состоящие из прозрачной диэлектрической среды и наночастиц металла (Ag, Au, Cu), размер которых много меньше длины волны излучения [1-3]. В таких материалах при воздействии излучения оптического диапазона возникают плазменные резонансы, проявляющиеся в формировании поверхностных электромагнитных волн (плазмонов) на частицах металла. В условиях плазмонного резонанса происходит увеличение амплитуды электромагнитного поля внутри наночастиц и в прилегающем слое диэлектрика. Кроме того, нелинейно-оптический отклик среды формируется не только за счет изменения поглощения, но и за счет изменения рассеяния. Порог возникновения нелинейно-оптического отклика для наносекундных импульсов излучения - 0.1-0.5 Дж/см ². Данные нелинейно-оптические материалы используются в качестве быстродействующих оптических переключателей, а также сред для обращения волнового фронта излучения [3]. Спектральная область применения таких материалов определяется спектральным положением плазмонного резонанса. Для наночастиц Ag и Au это спектральный интервал 0.39-0.6 мкм.

Известен нелинейно-оптический материал, содержащий наночастицы галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра [4]. Для наночастиц, имеющих такую структуру, плазмонный резонанс смещается в средний ИК-диапазон. Изменение диэлектрической проницаемости ядра наночастицы в результате опто-акустического эффекта приводит к спектральному сдвигу плазмонного резонанса и модуляции прошедшего излучения. Для данного материала порог возникновения нелинейно-оптического отклика для микросекундных импульсов излучения - 10 мкДж/см².

Известен нелинейно-оптический материал, содержащий наночастицы широкозонных полупроводников [5]. Приповерхностный слой таких наночастиц содержит большое количество дефектов, создающих глубокие примесные уровни в запрещенной зоне. При однофотонном поглощении излучения такими наночастицами происходит фотогенерация свободных электронов с примесных центров. Увеличение концентрации свободных электронов и их диффузия вглубь ядра наночастицы приводят к увеличению поглощения и рассеяния излучения. Для данного материала порог возникновения нелинейно-оптического отклика для наносекундных импульсов излучения - 100-500 пДж/см². Недостатком данного материала является высокая чувствительность поверхности наночастиц к примесям в окружающей их прозрачной матрице, в частности к следам воды. Это приводит к быстрой деградации нелинейно-оптических свойств материала.

Известен нелинейно-оптический композит [6, 7], выбранный в качестве прототипа, состоящий из диэлектрической среды и наночастиц с ядром из сульфида золота и оболочкой из металлического золота. Благодаря такой структуре наночастиц плазмонный резонанс сдвигается в ближнюю ИК-область спектра. Это позволяет использовать композит в качестве нелинейно-оптического переключателя в спектральной области 0.8-1.1 мкм. Оптический отклик в таком композите формируется за счет спектрального сдвига плазмонного резонанса при разогреве излучением электронов в металлической оболочке. Для данного материала порог возникновения нелинейно-оптического отклика для фемтосекундных импульсов излучения - 100-500 мкДж/см ². Недостатком прототипа является высокий энергетический порог возникновения нелинейно-оптического отклика.

Целью данного изобретения является уменьшение энергетического порога нелинейно-оптического отклика.

Поставленная цель достигается тем, что ядро наночастицы изготовлено из полупроводника с глубокими примесными уровнями в запрещенной зоне, причем энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями не превышает энергию фотонов рабочего спектрального диапазона композита.

При воздействии на такие наночастицы излучения с энергией фотонов, превышающей энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями, происходит примесное поглощение излучения. Увеличение интенсивности излучения приводит к насыщению примесного поглощения в ядре наночастицы и уменьшению величины этого поглощения. Уменьшение коэффициента поглощения ядра наночастицы приводит к увеличению амплитуды плазмонного резонанса и увеличению поглощения и рассеяния всей наночастицы [8]. Так как процесс примесного поглощения является однофотонным, то насыщение примесного поглощения определяется концентрацией примеси в ядре и процессами рекомбинации свободных носителей заряда и происходит при низкой интенсивности падающего излучения. Энергетический порог насыщения примесного поглощения снижается также из-за локального усиления поля электромагнитной волны в ядре наночастицы в условиях плазмонного резонанса.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что ядро наночастицы изготовлено из полупроводника с глубокими примесными уровнями в запрещенной зоне, а энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями не превышает энергию фотонов рабочего спектрального диапазона композита.

Примеры конкретной реализации изобретения.

Композитный материал содержит наночастицы ZnO размером 40-45 нм с оболочкой из серебра толщиной 7 нм. При указанных геометрических параметрах наночастиц их плазмонный резонанс совпадает с длиной волны 0.53 мкм (энергия фотона hv=2.3 эВ). После изготовления наночастиц производится их отжиг при температуре 350°С. При этом часть атомов серебра из оболочки диффундирует внутрь ядра наночастицы, образуя глубокие примесные уровни. Энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями равен 1.5-1.6 эВ и не превышает энергии фотона. Прозрачной матрицей является полиметилметакрилат (ПММА). Концентрация наночастиц в матрице равна 0.1-0.5%. На фиг.1 показана экспериментальная зависимость коэффициента пропускания образца композита толщиной 4 мм на длине волны 0.53 мкм при длительности лазерного импульса 10 нс. Из фиг.1 видно, что энергетический порог возникновения нелинейно-оптического отклика равен 0.2 мкДж/см ², что в 50 раз лучше по сравнению с прототипом.

Композитный материал содержит наночастицы HgO размером 70-75 нм с оболочкой из серебра толщиной 3 нм. При указанных геометрических параметрах наночастиц их плазмонный резонанс совпадает с длиной волны 1.06 мкм (энергия фотона hv=1.17 эВ). После изготовления наночастиц производится их отжиг при температуре 350°С. При этом часть атомов серебра из оболочки диффундирует внутрь ядра наночастицы, образуя глубокие примесные уровни. Энергетический зазор между дном зоны проводимости и примесными уровнями равен 0.8-1 эВ и не превышает энергии фотона. Прозрачной матрицей является полиметилметакрилат (ПММА). Концентрация наночастиц в матрице равна 0.1-0.5%. На фиг.2 показана экспериментальная зависимость коэффициента пропускания образца композита толщиной 4 мм на длине волны 1.06 мкм при длительности лазерного импульса 10 нс. Из фиг.2 видно, что энергетический порог возникновения нелинейно-оптического отклика равен 0.11 мкДж/см², что в 100 раз лучше по сравнению с прототипом. Особенность в диапазоне плотности энергии падающего излучения 0.1-1 мДж/см² связана с поглощением излучения в результате каскадных переходов.

Из приведенных примеров следует, что композитные материалы, содержащие наночастицы с полупроводниковым ядром, содержащим глубокие примесные уровни, и металлической оболочкой в спектральной области плазмонного резонанса и при выполнении условия превышения энергией фотона энергетического зазора между дном зоны проводимости и примесными уровнями обладают низкопороговой оптической нелинейностью с энергетическим порогом возникновения оптического отклика 0.11-0.2 мкДж/см ². Таким образом, изобретение позволяет уменьшить порог возникновения нелинейно-оптического отклика по сравнению с прототипом в 50-100 раз.

Изобретение может быть использовано в оптических переключателях телекоммуникационных систем и в ограничителях излучения, предназначенных для защиты чувствительных фотоприемных устройств и органов зрения от повреждения лазерным излучением.

Литература

1. F.Hashe, D.Ricard, C.Flitzanis. Optical nonlinearities of small metal particles: surface-mediated resonance and quantum size effects. J. Opt. Soc. Am. B, V.3, P.1647, 1986.

2. Y.Hamanaka, A.Nakamura, S.Omi et al. Ultrafast response of nonlinear refractive index of silver nanocrystals embedded in glass. Appl. Phys. Lett., V.75, N12, P.1712, 1999.

3. J. W.Haus, N.Kalianiwalla, R.Inguva et al. Nonlinear-optical properties of conductive spheroidal particle composites. J. Opt. Soc. Am. B, V.6, N4, P.797, 1989.

4. О.Б.Данилов, А.И.Сидоров. Инфракрасный нелинейно-оптический материал. Патент РФ № 2231817 от 17.01.2002.

5. О.Б.Данилов, А.И.Сидоров, О.П.Михеева. Нелинейно-оптическая среда. Патент РФ № 2267145 от 27.08.2003.

6. R.D.Averitt, S.L. Westcott, N.J.Halas. Ultrafast optical properties of gold nanoshells. J. Opt. Soc. Am. B, V.16, N10, P.1814, 1999.

7. R.D.Averitt, S.L.Westcott, N.J.Halas. Linear optical properties of gold nanoshells. J. Opt. Soc. Am. B, V.16, N10, P.1824, 1999.

8. А.И.Сидоров. Инверсия поглощения и рассеяния при плазменном резонансе в наночастицах с металлической оболочкой. // ЖТФ, Т.76, В.10, С.136, 2006.