Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

A NONLINEAR OPTICAL DIAGNOSTICS OF NANO-LIQUIDES

Kirjushina S.I. 1 Mjagotin A.V. 1
1 Far Eastern State Transport University
1638 KB
Nonlinear lens technique is widely used for the optical diagnostics of materials in the analytical chemistry. In the dispersed environment there is a specific mechanism of optical nonlinearity based on the redistribution of the dispersed particle concentration in the light gradient field. For small intensities of radiation potential energy of the particles in the light field is less than the heat and the change of the particles concentration is proportional to the intensity and low in the comparison with the initial. In this case the description of the nonlinear optical effects can be carried out in the frame of the normal cubic nonlinear response of medium. For higher intensities it is need to solve the equations of mass transfer in the light field. In this paper the theoretical analysis of the light-induced mass transfer in the dispersed liquid medium was carried out for large intensities of radiation in the Gaussian beam, when the concentration is greater than or comparable to the primary. It was showed that а radiation self-action occurs in significantly non-linear mode. The non-linear lens in this mode increases exponentially with the intensity of the light. The results are relevant in the study of the radiation self-action in dispersed liquid media, as well as optical diagnostics of such materials, including the optical spectroscopy.
radiation self-action
electrostriction
dispersion medium

В различных химико-технологических процессах широко используются оптические методы бесконтактного контроля. Особенно актуальны эти методы в химии полимеров для диагностики характеристик наноразмерных частиц. Нелинейно-оптическая диагностика наноматериалов основана на различных механизмах светоиндуцированной модуляции оптических констант среды. В наногетерогенной среде с различными показателями преломления компонентов на микрочастицы в электромагнитном поле действуют электрострикционные силы, которые могут быть причиной возникновения концентрационных потоков [1–4]. В зависимости от знака поляризуемости микрочастицы могут втягиваться (если показатель преломления вещества дисперсной фазы больше, чем дисперсионной среды) или выталкиваться (в обратном случае) из областей с большей напряженностью электрического поля электромагнитной волны.

Целью данной работы является теоретический анализ светолинзового отклика в прозрачной дисперсной среде при больших интенсивностях излучения, когда, в отличие от работы [5], изменение концентрации не обязательно мало.

Мы будем рассматривать жидкофазную среду с наночастицами (дисперсная фаза), находящуюся под воздействием лазерного излучения с гауссовым профилем интенсивности [5].

Для гауссова пучка распределение интенсивности падающего излучения в плоскости, перпендикулярной оптической оси z:

kir01.wmf, (1)

где kir02.wmf – радиус пучка на расстоянии z от перетяжки, r – расстояние от оси пучка, ? – длина волны излучения, r0 – радиус пучка в перетяжке, I0 – интенсивность излучения на оси в плоскости перетяжки пучка.

Балансное уравнение, описывающее динамику концентрации наночастиц в жидкофазной среде с учётом диффузионного и электрострикционного потоков (kir04.wmf – электрострикционный поток), можно записать в виде [5]:

kir05.wmf. (2)

Здесь приняты следующие обозначения: C(r, t) – объемная концентрация дисперсных частиц, D – коэффициент диффузии, ? = b, ?, kir06.wmf, kir07.wmf – подвижность микрочастицы, а – размер частицы, ? – вязкость жидкости, ? – поляризуемость частиц, kB – постоянная Больцмана, n – эффективный показатель преломления среды, kir08.wmf – скорость света в вакууме.

В стационарном режиме уравнение (2) упрощаетcя:

kir09.wmf. (3)

Общее решение уравнения (3) ищем в виде

kir10.wmf, (4)

где kir11.wmf, B – нормировочная константа. Данный результат показывает, что концентрация экспоненциально зависит от интенсивности (в отличие от обычной кубичной нелинейности) [1–6]. Введем безразмерный параметр интенсивности излучения kir12.wmf. Для немалых изменений концентрации частиц (при большой интенсивности излучения) имеем ?>>1. Константу B находим из условия нормировки (сохранения числа частиц)

kir14.wmf, (5)

где R – радиус цилиндрической кюветы.

Для оптической силы концентрационной линзы имеем из (4–5) выражение [2]:

kir15.wmf, (6)

где kir16.wmf

Для частиц с радиусом, много меньшим длины волны излучения l, показатель преломления среды пропорционален концентрации частиц [5]:

kir17.wmf, (7)

где ? = (n2 – n1)/n1); n1 и n2 – показатели преломления вещества дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно, Ф = (4/3)?a3C – объемная доля дисперсной среды.

Для расчета светолинзового сигнала используем выражение для линзовой прозрачности кюветы [1]:

kir18.wmf (8)

где Фnl(0) – нелинейный набег фаз в оптической ячейке на оси пучка.

Используя (6–8), можем получить для стационарного значения нелинейного набега фазы:

kir19.wmf. (9)

Полученное выражение позволяет определить концентрацию дисперсных наночастиц по светолинзовому отклику (8).

kiruh1.tif

Однолучевая схема нелинейно-оптического эксперимента

Заключение

Таким образом, в работе получено выражение для стационарного светолинзового отклика прозрачной дисперсной среды (наножидкости). Полученные результаты актуальны для разработки методов бесконтактного оптического контроля дисперсных сред в различных химико-технологических процессах [7–10].