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. Молекулярные структуры тиолов и мезогенных тиолов

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. 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):

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

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. 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