Нелинейные поляризационные эффекты в коллоидных агрегатах серебра

• Автор: Перминов, Сергей Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 88 с. : ил

§13 Самовращение эллипса в диапазоне нано- и пикосекундных импульсов .
§14 Поляризационное взаимодействие сильной и пробной волн. Обратный
эффект Фарадея и оптический Керр-эффект
§15 Учёт пространственного и временного усреднения
§16 Константы кубической восприимчивости наноагрегатов серебра. Обсуждение результатов экспериментов
Вычисление нелинейных коэффициентов из экспериментальных
данных
Влияние агрегации на величины нелинейной восприимчивости . 71 Поведение при высокой интенсивности и инерционные свойства .
§17 Движение коллоидных частиц в световом поле как механизм оптической нелинейности наноагрегатов металлов
Светоиндуцированная динамика коллоидных наночастид
Нелинейность оптической восприимчивости димера
Заключение
Литература

ке) использование разупорядоченных сред сулит значительно большие перспективы по сравнению с их высокосимметричными ’’собратьями” (современный обзор можно найти в книге [1]). Интерес исследователей к данным средам вызван возможностью получения усиленных оптических откликов, обусловленных большими флуктуациями локального поля в нанокомпозите. Гигантское усиление комбинационного рассеяния (например, от молекул вблизи шероховатой металлической поверхности) весьма актуально в задачах микроанализа.
К разупорядоченным средам, в частности, относятся, жидкие и газообразные дисперсные материалы (аэро- и гидрозоли, эмульсии и суспензии), керамометал-лические композиты, легированные полимеры. Данные материалы, в особенности золи, имеют тенденцию к кластеризации: наночасгицы (то есть фрагменты размером ~ 5 -т- 50 нм) дисперсной фазы композита объединяются (агрегируют), создавая сравнительно рыхлую, нередко ветвистую, структуру. Такие образования из наночастиц ниже будем называть агрегатами или кластерами. Кластеры можно считать переходной фазой между отдельной частицей и сплошной средой. В отличие от конденсированных сред, средняя плотность вещества в рыхлом агрегате уменьшается с ростом его размера; в то же время сравнительно высокая вероятность найти вблизи некоторой наночасгицы другую отличает агрегаты от разреженных сред (газов). Указанные особенности наноагрегатов являются проявлением симметрии особого рода, а именно, масштабного самоподобия, характерного для фракталов. Фрактальные структуры возникают в результате многих природных процессов объединения твёрдых частиц [2, 3]. Отличительной чертой фракталов является степенная зависимость числа частиц N внутри сферической области от её радиуса Д: N ос Д°. Параметр Д называется фрактальной размерностью, и если О < 3 (3 — размерность пространства, содержащего агрегат), фрактал называют нетривиальным. Реальные (физические) агрегаты обладают фрактальными свойствами лишь в определённом диапазоне размеров, много больших размера одной частицы, но малых по сравнению с размером всего кластера.
Хорошо известно, что выраженной способностью к агрегации обладают металлические наночастицы коллоидных растворов. Благодаря высокой подвижности и реакционной способности частицы в коллоидах образуют кластеры, насчитывающие от нескольких частиц до тысяч, в зависимости от ряда условий, в частности, химического состава раствора.
Далее речь пойдёт, главным образом, о наноразмерных частицах (НРЧ) металла (на примере серебра) и их агрегатах. Исследование фотопроцессов в нанокомпозитах

серебра актуальны с точки зрения понимания механизмов образования скрытого изображения в галогено-серебряных фотоэмульсиях [4]. В нашей работе акцент делается на изучении нелинейных оптических восприимчивостей агрегированных коллоидов серебра. Более развёрнуто постановка задачи будет сформулирована после обзора литературных данных (§§1-2), касающихся оптических свойств малых металлических частиц и агрегатов.
§1 Оптические свойства отдельных наночастиц и агрегатов
В этом параграфе мы будем предполагать поля достаточно слабыми и ограничимся, таким образом, рассмотрением линейных оптических свойств ансамблей наночастиц. Естественно начать со случая отдельной частицы, находящейся в электромагнитное поле.
Будем считать частицы малыми по сравнению с длиной волны, так что применимо дипольное приближение. Пусть «о(^) — поляризуемость (в общем случае, комплексная) отдельной частицы. Электрическое поле волны (монохроматической) Е(<) = Бе [Аехр (—ш4)] наводит на частице дипольный момент с1(£) = Ее [аоАехр (—гсц<:)]. Наведённый момент является источником вторичной волны, интерференция которой с падающей волной приводит к рассеянию исходного излучения. Сечение рассеяния задаётся квадратом модуля поляризуемости частицы [5]: о8 = (87г/3)&4|ао|2, где к = со/с — волновой вектор. Если имеет место диссипация энергии электромагнитной волны внутри частицы, то происходит также поглощение падающего излучения, сечение соответствующего процесса обозначим аа. Сумма сечений рассеяния и поглощения даёт сечение экстинкции ае = <7а + сга, которое связано с поляризуемостью частицы: ае = 4тткта0. Применимость дипольного приближения означает, что вклад рассеяния в экстинкцию гораздо меньше, чем поглощения, и, таким образом, с хорошей точностью можно записать аа = 47гМт а0.
Далее сосредоточимся на металлических наночастицах. Диэлектрическая проницаемость металла имеет вид [б]:
£т = £ь -ИГ)], (1.1)
где с;, = е'ь+г£/' отвечает вкладу межзонных переходов, а второе слагаемое описывает отклик свободных электронов в модели Друде. Г — скорость релаксации друдевских электронов, Ыр = 4тгпее2/т — квадрат частоты плазменных колебаний электронов проводимости для массивного металла, пе — концентрация электронов проводимо-

с их апертурой.' Результат интерференции в такой схеме задаётся распределением фазы в исходной волне, поэтому такие интерферометры называют также анализаторами волнового фронта.
В наших работах [44, 45] было предложено применение сдвигового интерферометра для регистрации изменения волнового фронта, вызванного нелинейной рефракцией в изупаемой среде. Разработаны две оригинальные схемы, отличающиеся способом получения сдвинутых интерферирующих световых пучков.
Дисперсионно-сдвиговый интерферометр
Предлагаемая схема (рис. 3.2) работает следующим образом. Пусть на первый нели-
Рисунок 3.2: Схема интерферометра дисперсионного сдвига. 2, 5 — нелинейные кристаллы-удвоители частоты; 3 — кварцевый клин с компенсатором, 4 — система из двух одинаковых призм, 6 — светофильтр, 7 — поляризатор, 8 — фотодиодная линейка. Пунктиром обведён собственно интерферометр, а цифрой 1 обозначена нелинейная среда, которая может быть помещена перед интерферометром.
нейный кристалл (НК) 2 падает излучение с частотой и>. Часть его преобразуется во вторую гармонику (ВГ), и далее излучение на основной и удвоенной частотах попадает на систему из двух одинаковых призм 4. Вследствие дисперсии призм один пучок смещается относительно другого на некоторую величину Да;, и далее они распространяются параллельно друг другу. Во втором удвоителе 5 излучение на основной частоте преобразуется во ВГ, и после фильтра 6, отсекающего основную гармонику, пучки ВГ попадают на фотоприёмник.
В нашей схеме нелинейные кристаллы ориентированы под углом 90° по отношению друг к другу, поэтому волны ВГ, рождённые в первом и втором кристаллах имеют взаимно-ортогональные поляризации. Такая конфигурация позволяет избежать нелинейной рефракции во втором удвоителе из-за каскадных процессов (обратного преобразования). Можно сказать, что волны ВГ во втором кристалле никак не взаи-