CC BY
8А „ SSSE5SSS 24-26 октября 2023 г.
^ А -ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
Оптические свойства разупорядоченной фотонной среды -монодисперсной суспензии коллоидных наночастиц a-SiO2
Би Дунсюэ1'2, Волкова В.В.2, Гавриловец Д.А.2, Котова А.Д.2, У Мэнюань1,2, Филатов В.В.2
1-Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва 2-Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва
Е-mail: vvfilatov@bmstu. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-115-117
Оптическая квантовая генерация в разупорядоченных средах с распределённой обратной связью («random lasing» [1, 2]) — метод лазерной генерации, основанный на многократном когерентном рассеянии фотонов на «случайных» центрах разупорядоченной активной среды. Многократное упругое рассеяние существенно увеличивает оптический путь фотонов в лазерной среде, позволяя увеличить кпд и уменьшить размеры излучателя. Настоящая работа посвящена исследованию оптических свойств монодисперсной суспензии коллоидных наночастиц диоксида кремния диаметром ~100 нм как потенциальной среды для random lasing.
Исследуемая оптическая суспензия синтезировалась по методу Штобера [3], при котором катализируемый гидролиз алкоксидов кремния в водно-спиртовой среде приводил к образованию монодисперсных (одинакового размера) наноглобул (шариков) диоксида кремния (a-SiO2). Заметим, что дальнейшая седиментация (осаждение) полученного коллоида в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку позволила бы получить глобулярный фотонный кристалл опалового типа — оптический метаматериал с запрещёнными фотонными зонами в видимом диапазоне [4], — однако для целей настоящего исследования седиментация не производилась. Монодисперсность полученной суспензии контролировалась по спектрам динамического рассеяния света.
Моделирование оптических свойств коллоида осуществлялось представлением разупорядоченной взвеси системой несвязанных (независимых) осцилляторов, где каждой SiO2-глобуле ставился в соответствие некоторый оптический (полярный) осциллятор [5]. При этом была получена следующая эффективная диэлектрическая функция среды:
к(ш) = — ^е(ш)/л. (2)
А ь й"„лодь™"чТны; новые материалы активные среды и наноструктуры
-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
£(й)) = 1 + И231 (_!_) = ! + = (!)
в которой по — концентрация глобул в штоберовской взвеси, до — эффективный связанный электрический заряд глобулы, то — масса коллоидной частицы, юо — резонансная оптическая частота глобулярного осциллятора, а смысл введённых обозначений Юр и ю; ясен из представленной формулы.
Явный вид диэлектрической функции е(ш) позволил рассчитать закон дисперсии электромагнитных волн в разупорядоченной коллоидной системе:
— с
Здесь k — модуль волнового вектора, ш — частота оптического излучения, с = 3*108 м/с — скорость света в вакууме, р = 1 вследствие немагнитности среды, а частотная зависимость диэлектрической проницаемости е = е(ш) определялась по формуле (1).
Анализ (2) выявил присутствие в поляритонном спектре коллоида запрещённой зоны (стоп-зоны) в области частот шб(шо, ш), где диэлектрическая функция (1) отрицательна и уравнение (2) не имеет действительных решений. Таким образом, разупорядоченная фотонная среда проявляет свойства фотонного кристалла, однако в отличие от последнего запрещенная фотонная зона в монодисперсном коллоиде только одна. На краях стоп-зоны (ш = шо и ш = ш) групповая скорость электромагнитных волн
^Г (3)
обращается в нуль, приводя к формированию поляритонных сингулярностей типа ван Хова с резонансной плотностью оптических состояний
д(ш) X V-1 = (V ^ 0) = от (4)
что открывает возможности лазерной генерации на линиях шо и ш
Как следует из (1), положение лазерных частот шо и ш; определяется параметрами штоберовского процесса (по и то), поэтому данная активная среда является настраиваемой. Кроме того, использование широкополосного оптического источника в системе накачки позволяет одновременно активировать шо и шприводя к появлению комбинационных линий ш± = (ш; ± шо)/2, что представляет
А „ SSSÏSÎSSS 24-26 октября 2023 г.
^ А -ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
несомненный интерес для работы в низкочастотной области (на частоте ю-, см. [6]).
Таким образом, монодисперсная суспензия коллоидных наночастиц диоксида кремния, получаемая по методу Штобера, представляется перспективным оптическим метаматериалом, который может найти применение в качестве активной среды лазера с распределённой разупорядоченной обратной связью. Помимо этого, эффект гиперусиления электромагнитного поля на частотах юо и ai (и особенно на ю±) перспективен для задач гиперкомбинационной спектроскопии, в которых «фотонная суспензия» может выступать в качестве активной подложки.
Работа выполнена при поддержке Китайского стипендиального совета (China Scholarship Council).
1. Lawandy N.M. et al. Nature. 1994. 368. 436-438.
2. Padiyakkuth N. et al. Mater. Adv. 2022. 3. 6687-6706.
3. Stober W., Fink A. and Bohn E. J. Colloid and Interface Science. 1968. 26. 62-69.
4. Масалов В.М., Сухинина Н.С., Емельченко Г.А. ФТТ. 2011. 53(6). 1072-1076.
5. Pichkurenko S.V. IOP Conf.Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. 859. 012003.
6. Би Дунсюэ и др. Резонанс Фано поляритонных сингулярностей ван Хова на краях стоп-зоны фотонного кристалла, Сб. научн. трудов IX Междунар. конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии» (ЛаПлаз-2023), М: НИЯУ МИФИ, 2023, С. 196.
