Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию возможности лазерной модификации углеродных наноматериалов (УНМ) применительно к оптическому приборостроению.
Актуальность работы
Углеродные наноматериалы, такие как: углеродные нанотрубки (УНТ), углерод с луковичной структурой (УЛС), наноалмазы детонационного синтеза (ДНА), находят широкое применение в современной науке и технике благодаря своим уникальным свойствам. В настоящее время динамично развивается область науки, связанная с исследованиями взаимодействия лазерного излучения с УНМ, которые направлены на решение различных фундаментальных и прикладных задач. Работы в этом направлении вызывают интерес с точки зрения разработки и создания пассивных лазерных затворов, быстродействующих фотоприёмников, датчиков угла, анализаторов поляризации и оптических ограничителей мощности (ООМ) лазерного излучения.
Наряду с изучением оптических свойств УНМ исследователи большое внимание уделяют изучению их магнитных свойств. Этот интерес обусловлен проблемой разработки методов получения органических веществ, обладающих магнитным гистерезисом. Между тем, специалистам хорошо известно, что углеродные материалы обладают относительно высоким абсолютным значением диамагнитной восприимчивости %, которое существенно изменяется при переходе от одного аллотропного состояния углерода к другому. Также известно, что магнитные свойства углеродных материалов, например, полимеризованных фуллеренов, могут изменяться при обработке давлением или же под действием света. В связи с этим представляется актуальным исследование влияния воздействия лазерного излучения на магнитные свойства УНМ для разработки магнитоуправляемых оптических затворов.
Дополнительным обстоятельством, определяющим интерес к исследованиям взаимодействия лазерного излучения с УНМ, является возможность использования лазерного излучения для разработки методов модификации поверхности УНМ за счёт фотостимулированных реакций. Так, например, в работе С. Siedshlag с соавторами (см. Tetrahedron, 55, 7805-7818, 1999 г.) наблюдали реакции фуллеренов с Н-донорными молекулами в присутствии фотосенсибилизаторов. Исследование этой возможности актуально в связи с перспективой разработки принципиально нового метода модификации УНМ для их применения в оптическом приборостроении.
Помимо всего вышеизложенного, исследование взаимодействия лазерного излучения с УНМ представляет интерес с точки зрения изыскания новых материалов для технологии изготовления дифракционных оптических элементов, применяемых в приборостроении. Актуальность таких исследований обусловлена необходимостью создания технологии, позволяющей осуществлять оптическую запись изображений, отличающейся от уже известной технологии термохимического микроструктурирования (см., например, В. П. Вейко и др. Квантовая электроника, 41, 631, 2011 г.) гораздо меньшей плотностью мощности лазерного излучения.
Целью работы является исследование возможности лазерной модификации УНМ (суспензии УЛС и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) в ДТУ-диметилформамиде (ДМФ), плёнки из ДНА) применительно к оптическому приборостроению.
Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:
-
Проведение экспериментов по обнаружению светоиндуцированного диамагнетизма в суспензиях УЛС в ДМФ.
-
Расчёт распределения пондеромоторных сил, действующих на диамагнитную частицу в неоднородном поле постоянного магнита.
-
Разработка светомагнитного оптического затвора на основе суспензии УЛС в ДМФ.
-
Экспериментальное исследование оптических эффектов, возникающих при лазерной модификации суспензии МУНТ в ДМФ, для разработки устройств защиты глаз человека и фотоприёмников от мощного лазерного излучения.
-
Экспериментальное исследование взаимодействия маломощного излучения He-Ne лазера с плёнками из ДНА.
-
Исследование возможности создания технологии лазерной записи дифракционных оптических элементов на полупрозрачных плёнках из ДНА.
Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:
-
Впервые экспериментально обнаружен эффект светоиндуцированного диамагнетизма в суспензиях УЛС в ДМФ. На основе этого и уже обнаруженного эффекта светоиндуцированного просветления разработан светомагнитный оптический затвор.
-
Впервые экспериментально обнаружен эффект светоиндуцированного просветления в суспензиях МУНТ в ДМФ. Определены механизмы, отвечающие за просветление суспензии в поле мощного лазерного воздействия.
-
Впервые экспериментально обнаружен эффект почернения полупрозрачной плёнки из ДНА под действием маломощного лазерного излучения. Показана возможность лазерной записи изображений на полупрозрачных плёнках из ДНА на основе обнаруженного эффекта.
Практическая значимость работы
Обнаруженные эффекты светоиндуцированного диамагнетизма суспензии УЛС в ДМФ и светоиндуцированного просветления суспензии МУНТ в ДМФ могут быть использованы для создания светомагнитного оптического затвора и оптических ограничителей мощности лазерного излучения. Кроме этого на основе этих эффектов возможна разработка нового метода функционализации МУНТ с помощью лазерного воздействия.
Эффект лазерного почернения на полупрозрачных плёнках из ДНА может быть использован для записи дифракционных оптических элементов маломощным лазерным излучением.
Методы исследования
Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись методы оптической и инфракрасной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), просвечивающей электронной
микроскопии (ПЭМ), оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и фотографирования. Для теоретического расчёта распределения пондеромоторных сил в неоднородном магнитном поле использовался программный продукт Maple. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Просветлённая в результате импульсного лазерного воздействия на длине волны 1064 нм фракция суспензии УЛС в ДМФ обладает ярко выраженными диамагнитными свойствами, которые можно обнаружить в неоднородном магнитном поле постоянного магнита.
-
Светомагнитный оптический затвор, разработанный на основе суспензии УЛС в ДМФ, может работать в режимах оптического ограничения мощности, «мультивибратора» и «ждущего мультивибратора».
-
В поле мощного лазерного излучения наносекундной длительности на длине волны 532 нм полупрозрачная суспензия МУНТ в ДМФ необратимо просветляется, при этом резко уменьшается коэффициент нелинейного рассеяния света суспензии, соответственно, увеличивается её коэффициент пропускания, и суспензия теряет свойства к оптическому ограничению мощности.
-
Просветление суспензии МУНТ в ДМФ в результате лазерного воздействия происходит в широком диапазоне длин волн оптического спектра от 225 до 900 нм, причём степень просветления зависит от длины волны.
-
Приложение неоднородного магнитного поля постоянного магнита к суспензии МУНТ, полученных на катализаторах Fe/Co методом химического парового осаждения, в ДМФ позволяет использовать её в качестве оптического ограничителя мощности лазерного излучения.
-
Воздействие излучения He-Ne лазера на длине волны 632,8 нм с плотностью мощности более 600 Вт/см на полупрозрачную плёнку из ДНА, приводит к её почернению. Обнаруженный эффект можно использовать для изготовления дифракционных оптических элементов.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы докладывались на Третьей международной конференции «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии» (Россия, Ижевск, 2011); IX Всероссийской школе-конференции молодых учёных «КоМУ-2011» (Россия, Ижевск, 2011); 14th International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nano-Design, Technology, Computer Simulations (Finland, Espoo); Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Россия, Санкт-Петербург, 2011); 3rd International Workshop Nanocarbon Photonics and Optoelectronics (Finland, Polvijarvi, 2012); Всероссийской молодёжной конференции «Наноматериалы и нанотехнологий: проблемы и перспективы» (Россия, Москва, 2012); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/International Conference on Laser, Applications, and Technologies (Россия, Москва, 2013); International Conference «Nanomaterials: Applications and Properties-2013» (Ukraine, the Crimea, Alushta, 2013); семинарах в Институте органической химии с центром по фитохимии и в Институте электроники Болгарской Академии Наук (Болгария, София, 2013).
Работа поддерживалась грантами «Участие в Международном научном мероприятии "14th International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nano-Design, Technology, Computer Simulations"» («Конкурс научных проектов молодых учёных для представления на научных мероприятиях, проводимых за рубежом», проект РФФИ 11-02-09508-моб_з, 2011 год); «Исследование эффекта светоиндуцированных просветления и диамагнетизма в суспензиях углеродных нанотрубок» («Конкурс научных проектов молодых учёных и аспирантов УрО РАН», проект 11-1-НП-248, 2011 год); «Исследование взаимодействия лазерного излучения с суспензиями углеродных нанотрубок в диметилформамиде» («Конкурс научных проектов, выполняемых молодыми учёными (Мой первый грант)», проект РФФИ 12-02-31724 мола, 2012 год); «Разработка углеродных наноматериалов с регулируемыми нелинейно-оптическими и оптоэлектрическими свойствами» (проект 12-С-1-1003 Президиум УрО РАН, 2012 год); «Оптические и нелинейно-оптические явления в наноалмазах детонационного синтеза» (проект РФФИ 13-02-96016 р_урал_а, 2013 год).
Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается применением современных точных приборов и инструментов, использованием апробированных и обоснованных методов, тщательностью проведённых измерений, воспроизводимостью результатов экспериментов. Анализ экспериментальных данных проведён с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Публикации
Материалы диссертационной работы полностью отражены в 15 научных работах, в том числе 7 статьях в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, и 8 тезисах докладов конференций.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка принятых в работе сокращений и списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 158 страницах, включающих 81 рисунок. Список цитированной литературы содержит 154 наименования.
Похожие диссертации на Лазерная модификация углеродных наноматериалов для устройств управления световыми потоками
