CC BY
31
УДК 535.399+62-529
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ И НЕЛИНЕЙНОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА МЕТОДОМ Z-СКАНИРОВАНИЯ
КРИВЕНКОВ Р.Ю., МИХЕЕВ Г.М., ЗОНОВ Р.Г., МОГИЛЕВА Т.Н., СТЯПШИН В.М.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Впервые разработан и создан автоматизированный комплекс для исследования оптического ограничения мощности и нелинейного рассеяния света в материалах методом 7-сканирования, позволяющий в автоматическом режиме за один проход получать кривые зависимостей коэффициентов, характеризующих нелинейное поглощение, нелинейную рефракцию и нелинейное рассеяние света. Для управления комплексом разработано и создано оригинальное программное обеспечение, позволяющее проводить высокоточные исследования нелинейного взаимодействия лазерного излучения с веществом в различных режимах, гибко менять ход проведения эксперимента. Работоспособность комплекса продемонстрирована на примере исследования оптического ограничения мощности в суспензиях детонационных наноалмазов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автоматизированный комплекс, лазерное излучение, оптическое ограничение мощности, нано углеродные материалы.
ВВЕДЕНИЕ
В области исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом особое место занимает нелинейная оптика. Она открывает новые области применения лазеров в науке и технике. Одним из интересных нелинейно-оптических явлений является оптическое ограничение мощности (ООМ) [1, 2]. Механизмами, ответственными за ООМ, могут быть нелинейное поглощение, нелинейное рассеяние и нелинейная рефракция. В экспериментах ООМ наблюдают по уменьшению коэффициента пропускания среды по мере увеличения плотности мощности падающего излучения. В технике физического эксперимента исследования ООМ в различных средах представляют интерес с точки зрения изыскания новых материалов, обладающих высокой нелинейностью, для создания эффективных ограничителей мощности, защищающих различные фотоприемные устройства от разрушения мощными световыми потоками (см., например, [3]), а также для управления формой и длительностью лазерных импульсов [4].
Одним из методов исследования ООМ является, так называемая, техника z-сканирования [5], когда исследуемый образец, располагаемый на координатном столике, перемещается вдоль оси сфокусированного лазерного пучка с одновременной регистрацией падающей и проходящей через него лазерной мощности. Это позволяет определять зависимость коэффициента нелинейного пропускания T от плотности мощности Pm падающего излучения, изменение которой при z-сканировании происходит по известному закону [6].
В экспериментах по ООМ в суспензиях наноуглеродных материалов обычно используются лазеры, генерирующие импульсы наносекундной и пикосекундной длительности [7 - 11]. В этих случаях при z-сканировании осуществляется регистрация с помощью двух фотоприемников энергий лазерных импульсов Ein и Eout на входе и на выходе кюветы с исследуемой суспензией, такая геометрия эксперимента называется схемой «с открытой диафрагмой». Величины T и P¡n вычисляются по формулам T = Eout / E¡n и Pin = Ein / ts(z), где т - длительность лазерных импульсов, s(z) - сечение лазерного пучка, зависящее от координаты z (z = 0 в перетяжке пучка). Следует отметить, что T описывает суммарный вклад в ООМ нелинейного поглощения и нелинейного рассеяния, а для определения вклада нелинейной рефракции перед вторым фотоприемником, на
определенном расстоянии от перетяжки сфокусированного лазерного пучка размещается диафрагма [6]. Такая геометрия эксперимента называется схемой «с закрытой диафрагмой». В этом случае исследуется зависимость коэффициента нелинейного пропускания Td = Eout,d / Ein от координаты z, где Eout,d - энергия лазерных импульсов, прошедших через диафрагму. Между тем, введением дополнительного канала регистрации энергии лазерных импульсов можно осуществить измерения с открытой и закрытой диафрагмой за один проход сканирования, и, тем самым, уменьшить время проведения измерений в два раза [12, 13].
В суспензиях сажи, наноуглеродных трубок, углерода с луковичной структурой и наноалмазов существенное влияние на ООМ оказывает нелинейное рассеяние света, возникающее на рассеивающих центрах (паровых пузырьках, микроплазме), которые образуются при больших плотностях мощности лазерного излучения [11, 14 - 16]. Для выявления роли нелинейного рассеяния света на ООМ классическая схема z-сканирования может быть усовершенствована установкой дополнительного фотоприемника, регистрирующего энергию Escat лазерных импульсов, рассеянных под прямым углом к падающему пучку, непосредственно на координатном столе. Это позволяет определять взаимосвязь нелинейного поглощения и нелинейного рассеяния света в ходе сканирования исследуемого образца вдоль оси сфокусированного лазерного пучка [15, 16]. Однако описанные в работах [12, 15 - 17] оптические схемы эксперимента не обеспечивают возможности проведения за один ход сканирования всех трех видов измерений: z-сканирования с открытой диафрагмой, z-сканирования с закрытой диафрагмой и z-сканирования с регистрацией нелинейного рассеяния света в образце. Реализация данного решения, несомненно, предоставит уникальные возможности для исследователя в плане всестороннего коррелированного анализа наблюдаемых физических процессов за одно сканирование образца. Насколько нам известно, такие публикации на данный момент отсутствуют.
Для проведения большого количества экспериментов по исследованию нелинейно-оптических свойств материалов вышеописанным методом z-сканирования необходимо применять средства автоматизации измерений. Например, в работе [17] представлен автоматизированный комплекс для исследования нелинейно-оптических характеристик материалов методом z-сканирования. В этой работе для измерения зависимости коэффициента нелинейного пропускания T(z) использовался двухканальный измеритель энергии лазерных импульсов на основе фотодиодов, стробоскопических преобразователей напряжения В9-5 и микропроцессора, связанного с персональным компьютером по последовательному каналу связи, а также система перемещения исследуемого образца на основе шагового двигателя. Очевидно, что применение стробоскопических преобразователей напряжения В9-5 в качестве элементов многоканальной системы регистрации энергии лазерных импульсов приводит к громоздкости измерительного комплекса. Кроме этого, разработанное к описанному автоматизированному комплексу программное обеспечение не позволяет разбивать общий диапазон сканирования на несколько участков с различным шагом сканирования. Между тем, это очень важно для ускорения проведения эксперимента в целом при сохранении высокой точности измерений вблизи перетяжки лазерного пучка. Также для перепроверки полученных результатов возникает необходимость повторных измерений в любой координате z после окончания полной процедуры z-сканирования с сохранением экспериментальных данных в одном массиве и перестройкой графика экспериментальной зависимости в режиме реального времени.
Для выявления механизмов лазерно-индуцированного просветления суспензий наноуглеродных материалов [18, 19] возникает необходимость в одновременной регистрации нелинейного пропускания, нелинейной рефракции и нелинейного рассеяния света в любой точке области z-сканирования в зависимости от количества вспышек лазера. Реализация такого режима измерений нам не известна.
Целью данной работы является создание современного автоматизированного комплекса z-сканирования, позволяющего за один проход получать кривые зависимостей коэффициентов, характеризующих нелинейное поглощение, нелинейную рефракцию и нелинейное рассеяние света, от положения исследуемого образца относительно перетяжки сфокусированного лазерного пучка, работающего совместно с оригинальным программным обеспечением, позволяющим проводить широкий спектр исследований и обладающим возможностью гибко и оперативно менять ход проведения эксперимента.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА
Разработанная и созданная система включает в себя (см. рис. 1) источник лазерных импульсов наносекундной длительности на длине волны 10б4 нм I, генератор второй гармоники II, оптический измерительный блок III и блок автоматизации IV.
Источник лазерных импульсов состоит из блока питания l и резонатора 2 лазера. В качестве блока питания служит БПЛ 75/33У, а резонатор лазера выполнен по оптической схеме, описанной в работах [20, 21]. Активным элементом лазера служит кристалл YAG:Nd3+ размерами 0 б,3 х б5 мм. Модуляция добротности лазера осуществляется пассивным затвором на основе кристалла LiF:F2-. Лазер генерирует линейно поляризованное одночастотное излучение TEM00 моды на длине волны 10б4 нм. При длине резонатора 1 м длительность лазерных импульсов, измеренная с помощью быстродействующего фотоприемника SIR5-FC (ThorLabs) и широкополосного осциллографа Tektronix TDS7704B, составляет 1б,7 нс.
III
Рис. 1. Схема автоматизированного лазерного комплекса
Генератор второй гармоники II выполнен на кристалле KTP 8 размерами 4 х 4 х 10 мм. Он также включает инфракрасный фильтр 3 типа ИКС для подавления излучения лампы-вспышки лазера, поворотное зеркало 4, полуволновую пластину 7 для поворота плоскости поляризации лазерного излучения на 45° и фильтр СЗС-21 9 для выделения излучения на длине волны 532 нм. Длительность лазерных импульсов на данной длине волны составляет 12 нс, а параметр лазерного пучка M2 = 1,15. Измерение M2 осуществлялось по стандартной методике с помощью профилометра Throlabs Beam Profiler BC106-VIS.
Основными частями оптического измерительного блока III являются фокусирующая линза 17, координатный столик 25, подвижная платформа 24 с установленным на ней исследуемым образцом 23, в качестве которого в данном случае выступает прозрачная оптическая кювета с анализируемым веществом, делительные пластины 10, 26, диафрагма 29 и фотоприемники 12, 18, 28, 31. Делительная пластина 10 часть падающего излучения направляет на опорный фотоприемник 12, а делительная пластина 26 часть проходящего через исследуемый образец излучения направляет на фотоприемник 28. Основная часть проходящего излучения падает на диафрагму 29 и регистрируется фотоприемником 31.
Плоскопараллельная делительная пластина 26 выполнена из стеклянного диска толщиной 15 мм. На фотоприемник 28 попадает пучок, отраженный от передней поверхности пластины, а отражение от тыльной поверхности блокируется специальным поглощающим экраном 34, размещенным перед фильтром 27. Это позволяет избежать интерференции лучей, отражённых от её передней и задней поверхностей, приводящей к изменению коэффициента отражения пластины в ходе z-сканирования, что исключительно необходимо при применении одночастотного (высокомонохроматичного) лазерного излучения. Данное решение является принципиальным моментом, не описанным в известных публикациях.
Фотоприемник 18 расположен на подвижной платформе, которая перемещается вдоль оси z с помощью координатного столика. Он регистрирует энергию лазерных импульсов, рассеянных в исследуемом образце под углом 90° к оптической оси лазерного пучка. К торцевой части оптической кюветы приклеена щелевидная диафрагма 22 для предотвращения попадания на фотоприемник лазерного излучения, рассеянного на стенках кюветы. Вторая щелевидная диафрагма 21 служит для дополнительной пространственной селекции рассеянного излучения, которое затем собирается с помощью короткофокусного объектива 20 и направляется на фотоприемник.
Таким образом, в ходе сканирования исследуемого образца вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка фотоприемник 12 регистрирует энергию Em падающих лазерных импульсов, фотоприемник 28 - энергию Eout проходящих лазерных импульсов в геометрии «с открытой диафрагмой», фотоприемник 31 - энергию Eout,d проходящих лазерных импульсов в геометрии «с закрытой диафрагмой», а фотоприемник 18 - энергию Escat рассеянных лазерных импульсов.
Оптический измерительный блок III также содержит фотоприемник 6, предназначенный для контроля лазерных импульсов на длине волны 1064 нм, и другие дополнительные оптические элементы. К ним относятся полуволновая пластина 14 и поляризатор 15, используемые для плавного регулирования Ein, полуволновая пластина 16, служащая для изменения плоскости поляризации лазерного излучения, падающего на исследуемый образец, а также нейтральные ослабляющие фильтры 5, 11, 13, 19, 27 и 30 марки НС.
Следует добавить, что для проведения экспериментов с открытой диафрагмой необходимо иметь фотоприемники, обладающие большой площадью фоточувствительного элемента. В связи с этим, в данной работе в качестве фотоприемников использовались фотодиоды ФД-24 с диаметром фоточувствительного элемента 10 мм.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ БЛОКА АВТОМАТИЗАЦИИ
Блок автоматизации IV (рис. 1) создан на базе ПК и состоит из системного блока 32 и монитора 33. Он осуществляет согласованное управление работой всего автоматизированного комплекса: синхронизирует перемещения координатного столика с работой лазера, производит одновременную цифровую регистрацию энергий лазерных импульсов, поступающих на фотоприёмники, выполняет математическую обработку данных и отображает пользователю результаты измерений.
На рис. 2 показана функциональная схема блока автоматизации. Системный блок ПК помимо стандартных компонентов содержит блок коммутации 32-1, предназначенный для сопряжения лазера и фотоприемников с компьютером. В качестве устройства сопряжения компьютера с лазерной установкой выбрана плата E14-140M фирмы L-Card (далее "плата сопряжения"). Эта плата является быстродействующим устройством многоканального ввода-вывода аналоговой и цифровой информации на базе шины USB персонального компьютера. На плате установлен 14-разрядный АЦП с максимальной частотой преобразования 200 кГц и различными диапазонами измерения, которые достигаются посредством усиления входного сигнала в 1, 4, 16 и 64 раза. В зависимости от режима работы к АЦП может быть подключено 16 или 32 аналоговых канала посредством разъема DRB-37M. Плата также содержит совместимые с ТТЛ-логикой входные и выходные цифровые линии, подключаемые через разъём DRB-37F.
Рис. 2. Функциональная схема сопряжения лазера, фотоприемников и координатного столика с блоком автоматизации
Блок автоматизации работает следующим образом. По команде компьютера по ИББ-кабелю к в координатный столик поступает сигнал, задающий положение подвижной платформы (см. рис. 1) по координате 2. После остановки столика по выходной цифровой линии а платы сопряжения на вход формирователя импульсов (ФИ) поступает положительный сигнал, по которому ФИ вырабатывает положительный импульс запуска лазера длительностью 22 мкс. Выход ФИ подсоединен к входу блока питания лазера. В результате происходит разрядка накопительных конденсаторов блока питания и возникает лазерная генерация. Малая часть импульсного лазерного излучения проходит через глухое зеркало и попадает на размещенный непосредственно за ним лавинный фотодиод (ЛФД). Импульс ЛФД по каналу Ь0 запускает генератор синхроимпульсов (ГСИ), вырабатывающий
импульсы стробирования для работы схем хранения выборки (СХВ) многоканальной системы регистрации энергии лазерных импульсов 32-1-1. Одновременно сигналы с фотоприемников 6, 12, 18, 28 и 31 (см. рис. 1) по каналам Ъ1-Ъ5 поступают на входы интегрирующих усилителей (ИУ), выходы которых подсоединены к соответствующим входам СХВ. В результате напряжения, пропорциональные энергии лазерных импульсов, запоминаются СХВ и подаются на аналоговые входы платы сопряжения, далее оцифровываются и передаются в компьютер. ГСИ также вырабатывает положительный импульс, поступающий на плату сопряжения через синхровход аналогового разъема для запуска цифровой покадровой синхронизации ввода АЦП. Коэффициент усиления входного сигнала АЦП равен 4, при этом диапазон измерений составляет ± 2,5 В, что при разрядности АЦП равной 14 бит соответствует ± 8196 отн. ед. выходного цифрового сигнала. Электронные части ИУ, СВХ и ГСИ выполнены по схемам, представленным в [22], причем СХВ состоит из двух микросхем 1100СК2, а коэффициент усиления ИУ равен десяти.
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
Компьютерная программа управления автоматизированным комплексом была разработана в среде программирования MS Visual Studio 2010 Express. Для ее работы необходима операционная система Windows XP либо Windows 7. Программа по установленному сценарию управляет перемещением исследуемого образца относительно перетяжки сфокусированного лазерного пучка, генерацией лазера и позволяет регистрировать энергию лазерных импульсов по 5 независимым каналам. Зарегистрированные значения автоматически усредняются по заданному числу импульсов, производится вычисление коэффициентов нелинейного пропускания Td и T с закрытой и открытой диафрагмой соответственно, определяется нормированное значение S = Escat / Ein сигнала нелинейного рассеяния света, полученные данные сохраняются в формате таблиц csv. В ходе эксперимента графики зависимостей Td (z), T(z) и S(z) выводятся на экран монитора в режиме реального времени. Имеется возможность измерять фоновую составляющую регистрируемого фотоприемниками излучения и, по желанию пользователя, вычитать её из экспериментальных данных.
Графический интерфейс пользователя предоставляет возможность устанавливать следующие параметры и настройки:
1. Число каналов, по которым производится сбор данных.
2. Число лазерных импульсов, по которым производится усреднение показаний фотоприемников при фиксированном положении исследуемого образца.
3. Верхний и нижний пороги регистрации энергий лазерных импульсов для выбранного канала.
4. Предельно допустимый разброс показаний по одному из каналов от среднего значения.
5. Частоту повторения лазерных импульсов.
В программе предусмотрены вспомогательные режимы работы автоматизированного комплекса и режимы измерений. К вспомогательным относятся:
1. Подстройка. Лазер работает с установленной частотой повторения, а программа с помощью звуковой и цветовой индикации помогает пользователю добиться необходимых параметров показаний фотоприемников.
2. Определение фоновых сигналов. Регистрируется уровень шумов и фонового излучения.
3. Определение линейного коэффициента пропускания. Измеряются линейные коэффициенты пропускания с закрытой Td0 и открытой T0 диафрагмой при размещении образца на значительном расстоянии от перетяжки (где плотность мощности лазерного
излучения мала и не наблюдаются нелинейно-оптические эффекты). Данные коэффициенты используются для нормировки значений коэффициентов нелинейного пропускания.
К режимам измерений относятся:
1. Сканирование с прерыванием генерации лазера. Программа по заданному сценарию управляет передвижением (сканированием) исследуемого образца при помощи координатного столика (рис. 1). В точках его остановки осуществляется генерация заданного числа лазерных импульсов с установленной частотой повторения, регистрируются показания фотоприемников. Диапазон изменения г сканируется с заранее заданным шагом Дг, при этом данный диапазон может быть разбит на несколько участков, на каждом из которых осуществляется сканирование со своим заранее заданным шагом Дг (/ = 1, 2, 3). В процессе сканирования на экран монитора выводятся графики зависимостей Та (г), Т(г) и $(г), которые автоматически масштабируются по мере поступления новых данных. Кроме всего этого предусмотрена возможность перепроверки полученных результатов в любой координате г после окончания полной процедуры ¿-сканирования с сохранением экспериментальных данных в одном массиве и перестройкой графиков зависимостей Та (г), Т(г) и £(г) в режиме реального времени. Реализация этой функции позволяет проверять воспроизводимость полученных результатов и отсекать ложные «эффекты».
2. Сканирование без прерывания генерации лазера. Данный режим аналогичен предыдущему, за исключением того, что генерация лазерных импульсов осуществляется непрерывно с заранее заданной частотой. Это улучшает стабильность генерации и, в некоторых случаях, положительно сказывается на точности результатов эксперимента.
В программе осуществлена возможность высокоточного управления положением исследуемого образца относительно перетяжки сфокусированного лазерного пучка с последующим измерением сигналов, характеризующих нелинейное пропускание, нелинейную рефракцию и нелинейное рассеяние света в зависимости от количества вспышек лазера. Точность позиционирования определяется характеристиками координатного столика и в нашем случае составляет 2,5 мкм. Эта функция очень полезна для выявления механизмов лазерно-индуцированного просветления суспензий наноуглеродных материалов. Такой режим измерений реализован впервые.
Интерфейс пользователя позволяет приостанавливать и возобновлять измерения, калибровать показания фотоприемников относительно измерителя энергии лазерных импульсов и оценивать время проведения эксперимента по исполняемому сценарию. Кроме этого, имеется возможность сохранения и загрузки настроек программы для различных схем и сценариев проведения экспериментов.
МЕРЫ ПО УМЕНЬШЕНИЮ УРОВНЯ ПОМЕХ И ШУМОВ
Для исключения наводок, вызванных разрядом конденсаторов блока питания лазера, а также наводок силовой сети был разработан цифровой фильтр и задействовано два режима работы платы сопряжения. Первоначально плата находится в режиме «цифровой покадровой синхронизации ввода» для определения момента генерации лазерного импульса. Приход импульса от ГСИ на синхровход аналогового разъема платы сигнализирует о генерации лазерного импульса. Далее программа находится в режиме ожидания в течение времени = 5 мс (время, через которое исчезают наводки от блока питания лазера). Затем плата сопряжения переводится в режим «отсутствия синхронизации ввода», при котором автоматически с частотой 200 кГц в течение заданного промежутка времени = 40 мс (два полных периода на частоте силовой сети 50 Гц) происходит оцифровка выходных напряжений задействованных СХВ. Полученные данные усредняются как одно показание фотоприемника.
Такой гибридный режим работы платы сопряжения требует от программы выполнения точных временных интервалов и At2 для фиксации моментов начала и окончания процедуры сбора данных. Также требуется соблюдение точности временного
интервала ^ между импульсами запуска лазера для стабильности частоты генерации, от которой зависит стабильность энергии лазерных импульсов. С этой целью была проведена оптимизация программы, в результате которой удалось достигнуть установления временных интервалов с точностью ± 0,5 мс, что является достаточным для решения поставленных задач.
В ходе предварительных экспериментов были выявлены флуктуации энергии лазерных импульсов (до 15 %), вызванные конструктивными особенностями лазера. Для уменьшения влияния данных флуктуаций на результаты измерений могут быть использованы настройки верхнего и нижнего порогов регистрации лазерных импульсов по уровню энергии Ет, регистрируемой опорным фотоприемником 12. При выходе измеренного значения энергии за пределы установленного диапазона данное значение отбрасывается, а лазер генерирует дополнительный импульс взамен выбракованного.
АПРОБАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
Перед исследованием нелинейно-оптических свойств материалов методом 2-сканирования необходимо убедиться в линейности всех каналов измерения энергии лазерных импульсов. Данная проверка проводилась по той же оптической схеме, что представлена на рис. 1, в которой исследуемый образец был удален, а на месте фотоприемника 31 была размещена пироэлектрическая измерительная головка Б8111С калиброванного измерителя энергии лазерных импульсов РМ100Б (ТЬогЬаЬв). Энергия лазерных импульсов Ет плавно менялась с помощью полуволновой пластины 14. Как видно из рис. 3, а, зависимость показаний измерителя энергии от величины оцифрованного сигнала и1, поступающего с фотоприемника 28 по каналу Ь3 (см. рис. 1), является линейной. Аналогичные результаты были получены для каналов Ъ1, Ъ2, Ъ4, Ъ5 с соответствующими фотоприемниками, установленными на место фотоприемника 28. Кроме того, была проведена дополнительная проверка линейности измерительных каналов друг относительно друга. Например, на рис. 3, б продемонстрирована линейность показаний и1 и и2 фотоприемников 28 и 31 соответственно (см. рис. 1) друг относительно друга при плавном изменении энергии лазерных импульсов с помощью полуволновой пластины 14.
240 200 160 1" 120 80 40
0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000
их их
Рис. 3. Зависимости показаний и1 фотоприемника 28 относительно калиброванного измерителя энергии лазерных импульсов (а) и относительно показаний и2 фотоприемника 31 (б)
Апробация созданного комплекса проводилась на примере исследования ООМ и нелинейного рассеяния света в водной суспензии детонационных наноалмазов (ДНА) со средним размером частиц 110 нм. Концентрация наночастиц в суспензии составляла 0,03 вес. %. Особенности и основные характеристики исследуемых ДНА представлены в [23, 24]. Энергия одиночных лазерных импульсов на длине волны 532 нм равнялась 27 мкДж. Фокусное расстояние линзы 17 (см. рис. 1) составляло 192 мм. Диаметр перетяжки сфокусированного пучка, измеренный с помощью профилометра, находился на уровне 63 мкм, таким образом, длина Рэлея составляла 5,86 мм, а плотность мощности в перетяжке -72 МВт/см2.
Перед проведением ¿-сканирования проводилось измерение линейных коэффициентов пропускания образца (Т0 = 70,5 %, 7а0 = 76,3 %). Далее эти значения автоматически вводились в память компьютера и в дальнейшем использовались для нормировки коэффициентов нелинейного пропускания с открытой и закрытой диафрагмами в ходе ¿-сканирования.
На рис. 4 представлены зависимости нормированных коэффициентов нелинейного пропускания с закрытой (а) и открытой (б) диафрагмой и нормированного сигнала нелинейного рассеяния света (в) от положения исследуемого образца относительно перетяжки сфокусированного лазерного пучка. При этом зависимость Б(£) приведена к максимальному значению. Как видно из рис. 4, а и 4, б, зависимости Td (г) и Т(г) имеют глубокий провал в точке 2 = 0. Это говорит о том, что исследуемая суспензия обладает ярко выраженным свойством ООМ В то же время симметричность указанных зависимостей относительно точки г = 0 свидетельствует об отсутствии в водной суспензии ДНА нелинейной рефракции. Из рис. 4 также видно, что провальное уменьшение коэффициентов нелинейного пропускания вблизи точки г = 0 сопровождается нарастанием сигнала нелинейного рассеяния (рис. 4, в). Это говорит о том, что одним из механизмов ООМ в суспензиях ДНА является нелинейное рассеяние света. Все это находится в согласии с результатами работы [23].
со
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
-75
-75
-50
-50 -25 0 25 г, мм
50
_1_
V
_|_
-25 0 25 г, мм
50
д
-75 -50 -25 0 25 г, мм
50
а)
75
б)
75 в)
75
Рис. 4. Зависимости нормированного коэффициента нелинейного пропускания с закрытой (а) и открытой (б) диафрагмой и нормированного сигнала нелинейного рассеяния света (в) от координаты г кюветы с исследуемой суспензией ДНА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработан и создан автоматизированный лазерный комплекс для исследования оптического ограничения мощности в материалах методом z-сканирования. Созданный комплекс под управлением оригинального программного обеспечения в автоматическом режиме за один проход сканирования исследуемого образца относительно перетяжки сфокусированного пучка лазера позволяет получать зависимости коэффициентов нелинейного поглощения, нелинейной рефракции и сигнала нелинейного рассеяния света от положения исследуемого образца. Автоматизированный лазерный комплекс позволяет задавать разнообразные условия проведения эксперимента и обеспечивает получение результатов измерений с высокой точностью. Работоспособность автоматизированного комплекса продемонстрирована на примере исследования оптического ограничения мощности в суспензии детонационных наноалмазов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 13-02-96037 р_урал_а и № 13-02-96016р_урал_а) и Президиума УрО РАН (проект № 14-1-ИП-64).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tutt L.W., Boggess T.F. A review of optical limiting mechanisms and devices using organics, fullerenes, semiconductors and other materials // Prog. Quantum Electron. 1993. V. 17, № 4. P. 299-338.
2. Zhang L., Wang L. Recent research progress on optical limiting property of materials based on phthalocyanine, its derivatives, and carbon nanotubes // J. Mater. Sci. 2008. V. 43, № 17. P. 5692-5701.
3. Belousova I.M., Mironova N.G., Scobelev A.G., Yur'ev M.S. The investigation of nonlinear optical limiting by aqueous suspensions of carbon nanoparticles // Opt. Commun. 2004. V. 235, № 4-6. P. 445-452.
4. Михеев Г.М., Ванюков В.В., Могилева Т.Н., Окотруб А.В. Регулирование длительности наносекундных лазерных импульсов с помощью суспензии углеродных нанотрубок // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 6. С. 81-85.
5. Sheik-Bahae M., Said A.A., Wei T.-H., Hagan D.J., Stryland E.W. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE J. Quantum Electron. 1990. V. 26, № 4. P. 760-769.
6. Stryland E.W., Sheik-Bahae M. Z-scan measurements of optical nonlinearities // Charact. Tech. Tabul. Org. Nonlinear Mater. 1998. № 3. P. 655-692.
7. Vivien L., Riehl D., Lançon P., Hache F., Anglaret E. Pulse duration and wavelength effects on the optical limiting behavior of carbon nanotube suspensions // Optics Letters. 2001. V. 26, № 4. P. 223-225.
8. Wang J., Blau W.J. Solvent Effect on Optical Limiting Properties of Single-Walled Carbon Nanotube Dispersions // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112, № 7. P. 2298-2303.
9. Михеев Г.М., Булатов Д.Л., Могилева Т.Н., Окотруб А.В., Шляхова Е.В., Абросимов О.Г. Оптическое ограничение в наноразмерных продуктах лазерного пиролиза диэлектрической жидкости // Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33, № 6. С. 41-48.
10. Josset S., Muller O., Schmidlin L., Pichot V., Spitzer D. Nonlinear optical properties of detonation nanodiamond in the near infrared: Effects of concentration and size distribution // Diam. Relat. Mater. 2013. V. 32. P. 66-71.
11. Papagiannouli I., Bourlinos A.B., Bakandritsos A., Couris S. Nonlinear optical properties of colloidal carbon nanoparticles: nanodiamonds and carbon dots // RSC Adv. Royal Society of Chemistry. 2014. V. 4, № 76. P. 4015240160.
12. George M., Muneera C.I., Singh C.P., Bindra K.S., Oak S.M. Z-scan studies and optical limiting of nanosecond laser pulses in neutral red dye // Opt. Laser Technol. 2008. V. 40, № 2. P. 373-378.
13. Ferdinandus M.R., Reichert M., Ensley T.R., Hu H., Fishman D. A., Webster S., Hagan D.J., Stryland E.W. Dual-arm Z-scan technique to extract dilute solute nonlinearities from solution measurements // Optical Materials Express. 2012. V. 2, № 12. P. 1776-1790.
14. Mansour K., Soileau M.J., Van Stryland E.W. Nonlinear optical properties of carbon-black suspensions (ink) // J. Opt. Soc. Am. B. 1992. V. 9, № 7. P. 1100-1109.
15. Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Окотруб А.В., Булатов Д. Л., Ванюков В.В. Нелинейное рассеяние света в суспензии углеродных нанотрубок // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 1. С. 45-50.
16. Михеев Г.М., Пузырь А.П., Ванюков В.В., Пуртов К.В., Могилева Т.Н., Бондарь В.С. Нелинейное рассеяние света в гидрозоле наноалмазов // Письма в Журнал технической физики. 2010. Т. 36, № 8. С. 23-32.
17. Ганеев Р. А., Камалов Ш.Р., Кулагин И. А., Зиновьев А.В., Редкоречев В.И., Ряснянский А.И., Тугушев Р.И., Усманов Т. Автоматизированный комплекс для исследования нелинейно-оптических характеристик различных материалов методом z-сканирования // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 6. С. 87-93.
18. Михеев Г.М., Кузнецов В. Л., Булатов Д. Л., Могилева Т.Н., Мосеенков С.И., Ищенко А.В. Оптическое ограничение и просветление в суспензии углеродных наночастиц с луковичной структурой // Квантовая электроника. 2009. Т. 39, № 4. С. 342-346.
19. Михеев Г.М., Кузнецов В.Л., Михеев К.Г., Могилева Т.Н., Шуваева М.А., Мосеенков С.И. Лазерная модификация оптических свойств суспензии углеродных нанотрубок в диметилформамиде // Письма в Журнал технической физики. 2013. Т. 39, № 7. С. 43-50.
20. Михеев Г.М., Малеев Д.И., Могилева Т.Н. Эффективный одночастотный ИАГ:Ш3+ - лазер с пассивной модуляцией добротности и поляризационным выводом излучения // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 1. С. 45-47.
21. Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Попов А.Ю., Калюжный Д.Г. Автоматизированная лазерная система для диагностики водорода в газовых смесях // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 2. С. 101-107.
22. Малеев Д.И., Михеев Г.М., Могилева Т.Н. Многоканальная система регистрации энергии лазерных импульсов на базе персональной ЭВМ // Приборы и техника эксперимента. 1991. № 5. С. 80-83.
23. Vanyukov V.V., Mogileva T.N., Mikheev G.M., Puzir A.P., Bondar V.S., Svirko Y.P. Size effect on the optical limiting in suspensions of detonation nanodiamond clusters // Appl. Opt. 2013. V. 52, № 18. P. 4123-4130.
24. Михеев Г.М., Михеев К.Г., Могилева Т.Н., Пузырь А.П., Бондарь В.С. Лазерная запись изображений на пленках из наноалмазов детонационного синтеза // Квантовая Электроника. 2014. Т. 44, № 1. С. 1-3.
AUTOMATED COMPLEX FOR THE INVESTIGATION OF THE OPTICAL LIMITING AND NONLINEAR LIGHT SCATTERING BY THE Z-SCAN TECHNIQUE
Krivenkov R.Y., Mikheev G.M., Zonov R.G., Mogileva T.N., Styapshin V.M.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. An automated Z-scan technique hardware-software complex to study the optical power limiting and nonlinear light scattering in materials is designed and fabricated for the first time. In a single pass z-scan it allows us to produce the curves indexes characterizing nonlinear absorption, nonlinear refraction and nonlinear scattering automatically. The complex operates by the specially developed control software, which allows to carry out high precision studying of nonlinear interaction between the laser radiation and the sample in different regimes and flexibly to change the course of the experiment. The efficiency of the complex demonstrated by the study of the optical power limiting in suspensions of detonation nanodiamonds.
KEYWORDS: automated complex, laser radiation, optical power limiting, nanocarbon materials.
Кривенков Роман Юрьевич, младший научный сотрудник, аспирант ИМ УрО РАН, e-mail: roman@udman. ru
Михеев Геннадий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией лазерных методов исследований ИМ УрО РАН, тел. 8(3412)21-89-55, e-mail: mikheev@udman. ru
Зонов Руслан Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: znv@udman. ru
Могилева Татьяна Николаевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: mogileva@udman. ru
Стяпшин Василий Михайлович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: vms@udman.ru
