Главная / Библиотека / Тепловая оптическая нелинейность в фотонно-кристаллических волокнах, заполненных нематическими жидкими кристаллами, легированными наночастицами золота (начало)

Тепловая оптическая нелинейность в фотонно-кристаллических волокнах, заполненных нематическими жидкими кристаллами, легированными наночастицами золота (начало)

Теги жидкие кристаллы лучепреломление оптическая нелинейность NKT
Тепловая оптическая нелинейность в фотонно-кристаллических волокнах, заполненных нематическими жидкими кристаллами, легированными наночастицами золота (начало)

АННОТАЦИЯ

Данная статья представляет собой описание недавно выявленного класса нелинейных процессов, наблюдаемых в жидких кристаллах 5CB, легированных наночастицами золота.  Размер наночастиц золота определяли путем исследования разбавленного раствора наночастиц с помощью прямой просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновского рассеяния. Наночастицы золота покрывали тиолами, при этом соотношение мезогенных тиолов и n-алкилтиолов варьировалось от 1:2 до 1:1. Кроме того, изображение со скрещенными поляризаторами показывает, что молекулы ЖК равномерно ориентированы в ячейке. Исследование включало сравнение свойств как нелегированного, так и легированного жидкого кристалла 5CB (нематического ЖК) путем инфильтрации ЖК-ячейки и микроотверстий фотонно-кристаллического волокна по отдельности. В качестве «хозяина» было использовано фотонно-кристаллическое волокно LMA-10 от NKT Photonics.

ВВЕДЕНИЕ

Материалы, демонстрирующие нелинейную реакцию на падающий свет, представляют интерес в области фотоники и оптоэлектроники благодаря потенциалу их использования в разработке полностью оптических систем для переключения или модуляции света световым излучением. Анизотропная природа ЖК усиливает оптическую нелинейность нелинейных материалов и делает их наиболее подходящими для создания электрооптических устройств. Уже были продемонстрированы жидкокристаллические волноводы, способные к полностью оптической модуляции интенсивности излучения ближнего инфракрасного диапазона, и полностью оптические переключатели, изготовленные из микроструктурированных волокон, заполненных ЖК, и нематических ЖК, легированных красителем.

Для ЖК, легированных наночастицами золота, характерно специфическое поглощение света наночастицами. Поведение наночастиц идентично поведению локально диспергированных нанонагревателей, в которых показатели преломления ЖК изменяются из-за колебаний температуры среды, повышая нелинейно-оптический отклик материала. Например, известно, что наночастицы, диспергированные в смектические ЖК, образуют стабильные нанокомпозиты с сильной оптической нелинейностью и быстрым откликом. Суспензия наночастиц в ЖК может быть использована в различных целях, например, для инфильтрации воздушных отверстий фотонно-кристаллических волокон. Одной из наиболее важных особенностей фотонно-кристаллического волокна является высокая гибкость конструкции. Возможность управления параметрами геометрии и материала позволяет изготавливать фотонно-кристаллическое волокно с определенными оптическими параметрами в соответствии с конкретными целями применения. В зависимости от состава и геометрии направление света в фотонно-кристаллическом волокне может регулироваться одним из двух основных механизмов, а именно индексом преломления (аналогично полному внутреннему отражению в классических волокнах, когда эффективный показатель преломления оболочки ниже того же показателя для сердцевины) или фотонной запрещенной зоной (когда эффективный показатель преломления сердцевины ниже того же показателя для периодической оболочки). 

В данной статье представлены предварительные результаты исследования тепловой оптической нелинейности в фотонно-кристаллических волокнах, заполненных нематическими жидкими кристаллами, легированными наночастицами золота. В качестве «хозяина» было использовано фотонно-кристаллическое волокно LMA-10 от NKT Photonics, несколько миллиметров которого были инфильтрированы кристаллами 5CB, легированными наночастицами золота, синтезированными на факультете химии Варшавского университета. Кроме того, было исследовано расположение молекул ЖК, легированных наночастицами золота: как в ЖК-ячейке, так и в фотонно-кристаллических волокнах.

МАТЕРИАЛЫ

Размер ядра наночастицы золота (2 ± 0,2 нм) был  определен путем исследования разбавленного раствора наночастиц с помощью прямой просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновского рассеяния. На основании результатов ЯМР-спектроскопического и элементарного анализов был сделан вывод, что примерно 65% поверхности металла было покрыто тиолами, при этом соотношение мезогенных тиолов и n-алкилтиолов, варьировалось от 1:2 до 1:1, в зависимости от скорости реакции обмена (рисунок 1). Этот результат указывает на присоединение к одной наночастице золота от 25 до 40 мезогенных групп. От типа мезогенной молекулы в металлическом покрытии зависит самоорганизация кластеров золота.

Наночастицы золота были смешаны с ЖК 5CB. На основании численных расчетов, проведенных с помощью УФ-видимой спектроскопии (рисунок 2), можно сделать вывод, что наночастицы золота (Au) в концентрации приблизительно 0,3 мас.% были диспергированы в кристаллах 5CB. Затем плоская ячейка толщиной 50 мкм была заполнена подготовленным композитом. Наночастицы золота были равномерно расположены в ЖК-ячейке. Кроме того, изображение со скрещенными поляризаторами показывает, что молекулы ЖК равномерно ориентированы в ячейке.

рисунок 1

Рисунок 1. Молекулярные структуры тиолов и мезогенных тиолов

рисунок 2

Рисунок 2. Спектр поглощения суспензии наночастиц

В качестве «хозяина» для изготовления фотонно-кристаллического волокна, описанного в данной статье, было использовано фотонно-кристаллическое волокно LMA-10 от NKT Photonics. Поперечное сечение этого волокна показано на рисунке 3. Такая структура фотонно-кристаллического волокна предполагает твердую сердцевину, вокруг которой расположены воздушные отверстия в виде шести колец.

рисунок 3

Рисунок 3. Поперечное сечение фотонно-кристаллического волокна LMA-10 от NKT Photonics

1. ИЗМЕРЕНИЯ ДВОЙНОГО ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ

Наночастицы золота, диспергированные в ЖК, могут вызывать локальные искажения в поле директора ЖК, и, как следствие, показатель двойного лучепреломления материала ЖК может измениться. Измерительная установка (рисунок 4) состояла из широкополосного источника света, коллиматора, линейного поляризатора под углом 0° к оси x, ЖК-ячейки, установленной под углом 45° к оси поляризатора, анализатора под углом 0° к поляризатору и спектрометра в конце. Для измерения спектра пропускания, полученного в системе с перекрестными поляризаторами, был использован метод численного вычисления с помощью матрицы Джонса, основанный на анализе изменения начального состояния поляризации света, проходящего через ЖК-ячейку (вектора Джонса входного пучка):

Снимок2

где λ — длина волны; d — толщина образца; ∆n — двойное лучепреломление ЖК;

Снимок

рисунок 4

Рисунок 4. Измерительная установка со скрещенными поляризаторами

Теоретическая кривая (сплошная линия) на рисунке 5 обозначает пропускание ячейки ЖК 5CB, помещенной между скрещенными поляризаторами. Значения двойного лучепреломления, используемые при анализе, основаны на расширенной модели распределения Коши при T = 25,1 °C. Кроме того, результаты измерений ЖК 5CB и ЖК c диспергированными наночастицами золота представлены в виде пунктирных кривых соответственно. При сравнении спектров можно прийти к выводу, что показатели двойного лучепреломления образца не изменяются. Отсутствие изменений подразумевает, что состав лиганд в наночастицах золота в значительной степени связан с молекулами ЖК.

Результатом взаимосвязи состава лиганд с молекулами может стать более равномерное расположение молекул ЖК в нематической фазе. В этом случае устойчивость условий закрепления частиц в определенном положении, наблюдаемого на поверхности образца, может быть повышена за счет равномерного расположения наночастиц золота внутри образца ЖК. Этот эффект может быть подтвержден передачей излучения по одномодовому волокну LMA-10.

рисунок 5

Рисунок 5. Спектр пропускания скрещенных поляризаторов ЖК-ячейки, где сплошная кривая обозначает результаты численного расчета, пунктирная и точечная кривые обозначают данные измерений, полученные для ЖК 5CB и ЖК с диспергированными наночастицами золота, соответственно

В данной части статьи представлены предварительные результаты исследования тепловой оптической нелинейности в фотонно-кристаллических волокнах, заполненных нематическими жидкими кристаллами, легированными наночастицами золота. Были проведены измерения двойного лучепреломления, как для легированных, так и для нелегированных ЖК, результаты которых в основном совпали с численными вычислениями.

 

© NKT Photonics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования NKT Photonics на территории РФ

Online заявка

Теги жидкие кристаллы лучепреломление оптическая нелинейность NKT
Новые статьи
Рентгенофлуоресцентный анализ фрагмента стеклянного сосуда времен династии Сасанидов, найденного на острове Окиносима, Япония

В данной статье было определено происхождение осколка стеклянной чаши с рельефными украшениями с помощью портативного рентгенофлуоресцентного спектрометра

Диапазон диодных лазеров расширен до желто-оранжевого!

С помощью новых разработок в области полупроводниковых усилителей и технологий удвоения частоты диапазон перестраиваемых диодных лазеров был расширен до желто-оранжевого, а их мощность в данном диапазоне была увеличена до более чем 1000 МВт

Оптическая гистология неокрашенных тканей человека в режиме отражения (результаты)

В продолжении статьи была использована система фотоакустического дистанционного зондирования с импульсным возбуждающим пучком для создания фотоакустического давления внутри образца, приводящего к модуляции показателя преломления оптического поглотителя

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3