CC BY
48
© Б.В. Аникеев, И.В. Касьянов, В.Н. Храмов, 2007-2008
НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
УДК 621.378.826; 548.736.1 : 546.26-126
ЛАЗЕРНЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Б.В. Аникеев, И.В. Касьянов, В.Н. Храмов
Среди методов получения фуллеренов типа С60 и С70 особое положение занимают лазерные методы [1]. При этом наши ожидания связаны с повышением эффекта их генерации с повышением пиковой мощности излучения при их получении, а также большей энергией УКИ. Это и является целью данной статьи. В процессе ее выполнения был освоен метод сверхрегенеративного усиления (СРГУ) задающих лазерных импульсов от КРМП генератора, который обеспечивает усиление до 104 раз. При этом максимальная энергия могла составлять величину до 30 Дж/см2, при их пиковой мощности до 1012 Вт/см2. Особенностью данной установки явилось то, что в качестве активной среды в виде усилителя использовалась общеизвестная установка Г0С-1001. А само усиление проводилось в активной среде, где инверсия населенностей создавалась с помощью насыщающегося поглотителя. Таким путем при облучении углеродной мишени и последующими измерениями на установке «КАРС-спектро-метр» ВолГУ в спектрах полученных соединений были обнаружены частицы фуллеренов С60 и следы присутствия фуллеренов С70.
Введение
Особенностью проведенного эксперимента является использование в качестве задающего лазера высокоэнергетического лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь [2], что позволяет для достижения высокой энергии импульса обходиться относительно невысоким значением коэффициента усиления, указанного выше. На рисунке 1 представлена схема установки.
На рисунке 2а показана форма задающих КРМП импульсов, полученная с помощью осциллографа 6Л0Р-04. Это собственно импульсы КРМП лазера, их длительность составляет порядка 1,2 нс. На рисунке 2б показана форма усиленных импульсов, причем обращает на себя внимание их некоторое уширение.
Для выяснения причин этого результата мы провели эксперимент для получения зависимости длительности импульсов от положения в районе выходного пучка диафрагмы диаметром 2 мм. Диафрагма должна была выделить из общего пучка ту часть излучения, которая соответствует поперечным модам генерации СРГУ.
Рис. 1. Лазерный сверхрегенератор на основе насыщающегося поглотителя. Здесь обозначено:
1 - генератор специального сигнала; 2 - блок формирования импульса питания блока для 1;
3 - блок высоковольтного питания; 4 - плотное зеркало резонатора задающего лазера;
5 - электрооптический затвор, выполненный по четвертьволновой схеме;
6 - квантроны задающего лазера; 7 - блок накачки задающего лазера;
8 - низкодобротное (коэффициент отражения 50 %) зеркало задающего лазера;
9 - блок задержки времени включения работы усилителя относительно задающего лазера;
10 - его микропроцессор; 11 - расщепитель для контроля энергии задающего лазера;
12 - блок накачки усилителя сверхрегенератора; 13 - плотное зеркало усилителя сверхрегенератора;
14 - пластина для ввода излучения задающего лазера в резонатор усилителя;
15 - кювета с насыщающимся поглотителем марки 255;
16 - диафрагма для регулировки апертуры пучка усилителя; 17 - квантрон усилителя сверхрегенератора; 18 - выходное зеркало сверхрегенератора (энергетический коэффициент отражения 20 %);
19 - вакуумная камера ВУП-4; 20 - измеритель энергии ИМО-2Н
Как видно из полученной зависимости относительного укорочения длительности УКИ от положения диафрагмы (рис. 3), эта часть излучения оказалась короче по длительности, чем интегральный импульс.
Рис. 2. Осциллограммы цуга УКИ задающего КРМП-лазера (а) и цуга усиленных импульсов для СРГУ (б)
в схеме с пассивным затвором
Поэтому необходимо еще учесть, что цуг генерации СРГУ несколько перемещается во времени, что было обнаружено отдельными экспериментами. Поэтому, если учесть совокупность указанных данных, причиной уширения импульсов СРГУ следует признать влияние возбуждающихся поперечных мод в усилителе. Аналогичное распределение (см. рис. 3) длительности выходного импульса СРГУ наблюдается и в ортогональном направлении. А это дополнительно свидетельствует, что укорочение импульсов связано с генерацией поперечных мод в СРГУ.
40 -л
35-
20-
15-
-15
-10
-5
0
5
10
15
Смещение диафрагмы, мм
Рис. 3. Зависимость относительного укорочения £, длительности выходного импульса из сверхрегенератора от перемещения диафрагмы 02 мм в вертикальном поперечном направлении выходной апертуры пучка £, = (тинт - ту) / тинт х 100 %, где тпнт- интегральная длительность УКИ, ту - длительность УКИ, распространяющихся в выделенном диафрагмой направлении
Особое значение для генерации поперечных мод в СРГУ имеет то, что апертура активного элемента задающего лазера имеет величину 5 мм, в то время как апертура активного элемента усилителя составляет 4,5 см. Оптическая длина усилителя составила 1 644 мм и имеет величину несколько меньше, чем у задающего лазера. Это создает неплохие условия для генерации широкого спектра поперечных мод, и они оказываются вовлеченными в процесс их синхронизации через процессы прочих внутри активной среды усилителя (кроссрелаксация и т. п.). Таким образом, мы имеем дело не только с возбуждением коротких УКИ в усилителе и дрейфом огибающей во времени (по-видимому, за счет температурного эффекта, что является истинной причиной уширения), но и предрасположенностью к этому эффекту усилителя (наличием широкого спектра поперечных мод, которые, как известно, имеют меньший частотный интервал, но много более богатый спектральный объем).
1. Эксперимент по генерации углеродных фуллеренов
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 4.
I
Рис. 4. Схема экспериментальной установки для получения фуллеренов:
1 - лазер в режиме СРГУ; 2 - вакуумная камера ВУП-4;
3 - фокусирующая линза (/ = 8 см); 4 - графитовая мишень
На данной установке (импульсы показаны на рис. 2б) излучение фокусировалось на графитовую мишень, которая распылялась. Распыленные частицы осаждались на подложку из покровного стекла (предварительно промытую и очищенную). При этом давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 0,06 Торр. Важно заметить, что распыление вещества осуществлялось за несколько актов облучения (до 8) с целью определения возможного разрушения фуллере-нов приходящим новым потоком частиц.
Однако измерения разрушения фуллеренов не выявили, а наоборот, указали на возрастание в их составе фуллеренов С70. Затем напыленные слои смывались обычным спиртом (неочищенным) и после некоторой просушки растворы подвергались облучению на КАРС-спектрометре. В результате облучения получились спектральные зависимости, показанные на рисунке 5. На рисунке 5 а представлен спектр чистого углерода, а на рисунке 5б приведены спектры растворов. На рисунке 5б заштрихованные области соответствуют фуллеренам С60, а стрелкой показано присутствие фуллеренов С70.
а)
б)
Рис. 5. Колебательные спектры:
а) чистого углерода; б) облученных образцов
Помимо этого, для увеличения достоверности исследования была проведена зондовая микроскопия высушенных растворов фуллереновых пленок, причем использовался зондовый микроскоп NanoEducator.
а) б)
Рис. 6. Изображение участка поверхности образца:
а) после двукратного облучения; б) после восьмикратного облучения
На рисунке 6а показан профиль пленки после двукратного облучения, на рисунке 6б - после восьмикратного. При этом на рисунке 6б он имеет явно увеличенный размер, что, по-видимому, объясняется присутствием в пленке фуллеренов С70.
Заключение
Таким образом, эксперимент по получению фуллеренов следует считать успешно проведенным, поскольку различными методами было обнаружено присутствие фуллеренов С60 и С70.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность за содействие профессору И.В. Запороцковой, заведующей лабораторией судебной экспертизы В.В. Боевой, за полезные консультации профессору Н.Г. Лебедеву и за повседневную помощь студенту Н.В. Солосову.
Summary THE LASER METHOD OF FORMATION OF CARBON COMPOUNDS FOR NANOTECHNOLOGY
B. V. Anikeev, I. V Kasyanov, VN. KHramov
Among the methods for obtaining fullerenes type С60 and С70 special position occupied by laser techniques [1]. At the same time, our expectations relate to the effect of increasing their generation with increased peak power of radiation when they are receiving, as well as greater energy IPC. That is the purpose of this article. In the process of its implementation has been developed a method of strengthening injection seeding (SRGU) sets of laser pulses from KRMP generator that provides enhancement to 104 times. In doing so, the maximum energy can be up to 30 J/sm2, with their peak power up to 1012 W/sm2. This feature of this installation was that as the active medium as the amplifier is commonly used to set the state 1001. A very strong reinforcement took place in an environment where the inversion naselennostey was created with the help of the saturation absorber. In this way, under irradiation of a carbon target and the measurement of the installation «KARS-spectrometer» Volga in the spectra of the compounds were discovered particles of fullerenes C60 and C70 traces the presence of fullerenes.
Список литературы
1. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C. et al. C60: Buckminsterfullerene // Nature. 318. 162 (1985).
2. Anikeev B.V. On dynamic of active phasing of modes in a pulse laser with periodic modulation of losses // Pis’ma v JETF. 19 (1). 34-38 (1974) (in Russian).
