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

Существует несколько наиболее распространенных способов инфильтрации фотонно-кристаллического волокна требуемой жидкостью. Методы подготовки образцов зависят от физических параметров жидкости, а именно вязкости и сродства к материалу в виде волокна. В случае с жидкостями с низкой вязкостью и хорошим сродством к волокну для заполнения воздушных отверстий достаточно капиллярной силы. В случае с жидкостями с высокой вязкостью необходимо приложить дополнительное давление. Это можно сделать путем прикладывания внешнего давления на поверхность жидкости, которая вводится в воздушное отверстие волокна, или втягивания жидкости путем всасывания, прикладывая давление к другому концу волокна. В данном исследовании был использован простейший метод инфильтрации для получения фотонно-кристаллического волокна (начало статьи см. здесь).

2. ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ

Стандартная экспериментальная установка для исследования свойств распространения излучения в фотонно-кристаллическом волокне, легированном наночастицами золота, показана на рисунке 6. В качестве «хозяина» было использовано фотонно-кристаллическое волокно LMA-10 длиной ≈50 см, в котором только участок длиной ≈10 мм был заполнен «гостем» – ЖК, легированными наночастицами золота. Входной сигнал от широкополосного галогенного источника света Mikropack HL-2000 подавался в отверстие фотонно-кристаллического волокна. Анализ оптического выходного сигнала от фотонно-кристаллического волокна проводился с помощью волоконно-оптического спектрометра Ocean Optics USB4000, а температура фотонно-кристаллического волокна контролировалась устройством стабилизации температуры.

Жидкий кристалл 5CB характеризуется более высокими показателями преломления, чем показатели преломления кварцевого стекла, используемого для изготовления волокна LMA-10. В результате эффективный показатель преломления оболочки фотонно-кристаллического волокна выше, чем показатель преломления сердцевины волокна, поэтому в данном исследовании возможно только распространение излучения в фотонной запрещенной зоне. Это означает, что распространение излучения в сердцевине волокна возможно только при длине волны, соответствующей фотонным запрещенным зонам, образованным в оболочке.

Рисунок 6. Экспериментальная установка для исследования свойств распространения излучения в фотонно-кристаллическом волокне, легированном наночастицами золота

Рисунок 7. Фотонная запрещенная зона, наблюдаемая в фотонно-кристаллическом волокне LMA-10, заполненном чистым ЖК 5CB (сплошная линия) и наночастицами золота (Au), диспергированными в ЖК 5CB, в концентрации приблизительно 0,3 мас.% (пунктирная линия)

Результаты, представленные на рисунке 7, показывают механизм распространения света в фотонной запрещенной зоне, наблюдаемой в фотонно-кристаллическом волокне LMA-10, заполненном чистым ЖК 5CB (сплошная линия) и наночастицами золота (Au), диспергированными в кристаллах 5CB, в концентрации приблизительно 0,3 мас.% (пунктирная линия). Интересно, что фотонные запрещенные зоны не изменили своего положения, когда наночастицы золота были диспергированы в ЖК 5CB. Этот эффект подтверждает, что наночастицы золота не изменяют расположение молекул ЖК. Только амплитуда пиков значительно уменьшилась в результате поглощения суспензии наночастиц (рисунок 2 статьи).

3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Результаты регулирования температуры фотонных запрещенных зон в фотонно-кристаллическом волокне LMA-10, заполненном ЖК 5CB, показаны на рисунке 8. Анализируя тепловые характеристики этого фотонно-кристаллического волокна, можно качественно описать зависимость обычного показателя преломления n_o от температуры. Поскольку молекулы ЖК в фотонно-кристаллическом волокне ориентированы преимущественно вдоль оси волокна, положение фотонных запрещенных зон определяется значением n_o, и, следовательно, если значение n_o увеличивается по мере увеличения температуры, наблюдается красное смещение фотонных запрещенных зон.

Рисунок 8. Красное смещение фотонных запрещенных зон, наблюдаемое в волокне LMA-10, заполненном наночастицами золота, диспергированными в ЖК 5CB

Рисунок 9. Изменения в фотонных запрещенных зонах, наблюдаемые в волокне LMA-10, заполненном наночастицами золота, диспергированными в ЖК 5CB, под воздействием лазерного излучения на длине волны 543 нм

Если фотонно-кристаллическое волокно заполнено наночастицами золота, диспергированными в ЖК 5CB, фотонные запрещенные зоны становятся чувствительными к лазерному излучению с длиной волны 543 нм.

В данном эксперименте наночастицы, диспергированные в ЖК 5CB, за счет изменений температуры среды увеличивают нелинейно-оптический отклик и, как следствие, вносят изменения в фотонные запрещенные зоны (рисунок 9). Наночастицы золота в качестве дисперсных нанонагревателей, которые локально увеличивают показатели преломления ЖК за счет изменений температуры среды, могут вызывать красное смещение в наблюдаемой фотонной запрещенной зоне. В данном эксперименте только первые 4 мм фотонно-кристаллического волокна, освещенные лазерным излучением на длине волны 543 нм, вызывают красное смещение фотонных запрещенных зон. Согласно наблюдениям, оставшиеся 6 мм фотонно-кристаллического волокна не вызывали сдвига фотонных запрещенных зон, а только уменьшали интенсивность проходящего света.

Таким образом, была представлена новая комбинация наночастиц золота с мезогенными лигандами и ЖК, которая будет использоваться для инфильтрации фотонно-кристаллических волокон.

© NKT Photonics

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