Аннотация:
В статье представлена модель оптической нелинейности в диэлектрических нанокомпозитах в диапазоне длин волн от 200 до 800 нм и интенсивности до 1000 Вт / см2. Представлены результаты численного моделирования оптического отклика в нанокомпозите, состоящем из диэлектрических наночастиц Al2O3 малой объемной концентрации (порядка 0,3 %), внедренных в прозрачную диэлектрическую жидкую матрицу. Установлено, что при равной объемной концентрации величина нелинейного отклика единицы объема возрастает с уменьшением размера наночастиц. Показано влияние на спектр нелинейной добавки к показателю преломления различных параметров, таких как размер и анизотропия наночастиц. Отмечается, что для наночастиц Al2O3 размером 45 нм при объемной концентрации 0,3 % величина нелинейного оптического отклика достигает значений 1,5·10-4 см2 / Вт вблизи резонансной полосы поглощения.

Ключевые слова :
экситон, оптическая нелинейность; диэлектрические композиты; оптические спектры; наночастицы; показатель преломления; резонансная восприимчивость.

Цитирование:
Стороженко, Д.В. Экситонная оптическая нелинейность диэлектрических нанокомпозитов в слабых оптических полях / Д.В. Стороженко, В.П. Дзюба, Ю.Н. Кульчин, А.В. Амосов // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 6. – С. 855-862. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-6-855-862.

Литература:

1. Ганеев, Р.А. Нелинейно-оптические характеристики различных сред / Р.А. Ганеев, Т. Усманов // Квантовая электроника. – 2007. – Т. 37, № 7. – С. 605-622.
2. Кульчин, Ю.Н. Спектр пропускания света диэлектрическими наночастицами в объемных гетерокомпозитах / Ю.Н. Кульчин, В.П. Дзюба, А.В. Щербаков // Физика и техника полупроводников. – 2009. – Т. 43, № 3. – С. 349-356.
3. Dzuba, V. Effect of the shape of a nano-object on quantum-size states / V. Dzuba, Y. Kulchin, V. Milichko // Journal of nanoparticle research. – 2012. – Vol. 14(11). - 1208. – DOI 10.1007/s11051-012-1208-7
4. Divya, S. Tailoring optical properties of TiO2 in silica glass for limiting applications / S. Divya, I. Sebastian, V.P.N. Nampoori, P. Radhakrishnan, A. Mujeeb // Chinese Physics B. – 2014. – Vol. 23(3). – 034210. – DOI: 10.1088/1674-1056/23/3/034210.
5. Yan, X.-Y. Ultrafast nonlinear optical properties and optical Kerr effect of In-doped ZnO nanowires / X.-Y. Yan, K.-X. Zhang, C.-B. Yao, Q.-H. Li // Materials Letters. – 2016. – Vol. 176. - P. 49-51. – DOI:10.1016/j.matlet.2016.04.058.
6. Sivasubramanian, D. Low power optical limiting and thermal lensing in Mn doped ZnO nanoparticles / D. Sivasubramanian, R. Ponnusamy, V. Gandhiraj // Material Chemistry and Physics. – 2015. – Vol. 159. – P. 93-100. – DOI:10.1016/j.matchemphys.2015.03.056.
7. Koushki, E. Modeling absorption spectrum and saturation intensity of ZnO nano-colloid / E. Koushki, A. Farzaneh, M.H. Majles Ara // Optik. – 2013. – Vol. 125(1). – P. 220–223. – DOI:10.1016/j.ijleo.2013.06.007.
8. Kim, H. Very high third-order nonlinear optical activities of intrazeolite PbS quantum dots very high third-order nonlinear optical activities of intrazeolite PbS / H.S. Kim, M.H. Lee, N.C. Jeong, S.M. Lee, B.K. Rhee, K.B. Yoon // Journal of the American Chemical Society. – 2006. – Vol. 128(47). – P. 4-6. - DOI: 10.1021/ja0661966.
9. Dzuba, V. Nonlinear refractive index of dielectric nanocomposites in weak optical fields / V.P. Dzuba, A.E. Krasnok, Y.N. Kulchin // Technical Physics Letters. – 2010. – 36(11). - P. 973-977. - DOI: 10.1134/S1063785010110015.
10. Ganeev, R. Low- and high-order nonlinear optical properties of BaTiO3 and SrTiO3 nanoparticles / R.A. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, M. Ichihara, H. Kuroda // Journal of Optical Society of America B. – 2008. – Vol. 25(3). – P. 325-333. - DOI: 10.1364/JOSAB.25.000325.
11. Днепровский, В.С. Самодифракция ультракоротких импульсов лазера при резонансном возбуждении экситонов в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS / В.С. Днепровский, М.В. Козлова, А.М. Смирнов // Квантовая электроника. – 2013. – Т. 43, № 10. – С. 927-930.
12. Днепровский, В.С. Насыщение поглощения и процессы самовоздействия при резонансном возбуждении основного экситонного перехода в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS / В.С. Днепровский, Е.А. Жуков, М.В. Козлова, T. Wumaier, D.S. Hieu , М.В. Артемьев // Физика твердого тела. – 2010. – Т. 52, № 9. – P. 1809-1814.
13. Dzuba, V. Photonics of heterogeneous dielectric nanostructures / V. Dzuba, Y. Kulchin, V. Milichko. – Chapter 15. – In Book: Nanocomposites – New Trends and Developments / Ed. by F. Ebrahimi. – InTech, 2012. – ISBN: 978-953-51-0762-0. – DOI: 10.5772/50212.
14. Milichko, V. Photo-induced electric polarizability of Fe3O4 nanoparticles in weak optical fields / V.A. Milichko, A.I. Nechaev, V.A. Valtsifer, V.N. Strelnikov, Y.N. Kul­chin, V.P. Dzyuba // Nanoscale Research Letters. – 2013. – Vol. 8(1). – P. 317. - DOI: 10.1186/1556-276X-8-317.
15. Купчак, И.М. Экситонные состояния и фотолюминесценция кремниевых и германиевых нанокристаллов в матрице Al2O3 / И.М. Купчак, Ю.В. Крюченко, Д.В. Корбутяк, А.В. Саченко, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Е.В. Бегун // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т. 42, № 10. - С. 1213-1218.
16. He, J. Excitonic nonlinear absorption in CdS nanocrystals studied using Z-scan technique / J. He, W. Ji, G.H. Ma, S.H. Tang, H.I. Elim, W.X. Sun, Z.H. Zhang, W.S. Chin // Journal of Applied Physics. – 2004. – Vol. 95(11). – P. 6381-6386. - DOI: 10.1063/1.1711183.
17. Milichko, V. Unusual nonlinear optical properties of SiO2 nanocomposite in weak optical fields / V. Milichko, V. Dzuba, Y. Kulchin // Applied Physics A. – 2013. – Vol. 111(1). – P. 319-322. – DOI 10.1007/s00339-013-7609-3.
18. Миличко, В.А. Аномальная оптическая нелинейность диэлектрических нанодисперсий / В.А. Миличко, В.П. Дзюба, Ю.Н. Кульчин // Квантовая электроника. – 2013. – Т. 43, № 6. – С. 567-573. – DOI:10.1070/QE2013v043n06ABEH015171.
19. Kulchin, Y. Dielectric nano-systems with unique optical properties / Y.N. Kulchin, V.P. Dzyuba, V.A. Milichko // Advanced Materials Research. – 2013. – Vol. 677. – P. 36-41. – DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.677.36.
20. Дзюба, В.П. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозитами / В.П. Дзюба, А.Е. Краснок, Ю.Н. Кульчин, И.В. Дзюба // Физика и техника полупроводников. – 2011. – Т. 45, № 3. – С. 295-301.
21. Дербов, В. Исследование излучения атома водорода под действием импульса титан-сапфирового лазера / В.Л. Дербов, В.В. Серов, Н.И Тепер // Компьютерная оптика. – 2010. – Т. 34, №. 2. – С. 156-161.
22. Алименков, И. Автомодуляция одномерных волн на основе нелинейного уравнения Шрёдингера с нелинейностью типа кубик-квинтик/ И. Алименков // Компьютерная оптика. – 2012. – Т. 36, №. 1. – С. 34-35.
23. Nguyen, D. Excitonic nonlinearities in single-wall carbon nanotubes / D.T. Nguyen, C. Voisin, P. Roussignol, C. Roquelet, J.S. Lauret, G. Cassabois // Physica Status Solidi (B). – 2012. – Vol. 249(5). – P. 907-913. – DOI:10.1002/pssb.201100064.
24. Агекян, В. Экситонные спектры и электропроводность эпитаксиальных слоев GaN, легированных кремнием / В.Ф. Агекян, Л.Е. Воробьев, Г.А. Мелентьев, Н. Nyk и др. // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55, № 2. – С. 260-264.
25. Шен, И. Принципы нелинейной оптики: пер. с англ. / И. Шеен, под ред. С.А. Ахманова. – М.: Наука, 1989. – 560 с. – ISBN 5-02-014043-0.
26. Dzyuba, V. The theory of heterogeneous dielectric nanostructures with non-typical low-threshold nonlinearity / V.P. Dzyuba, Y.N. Kulchin, A.V. Amosov // Pacific Science Review A: Natural Science and Engineering. – 2015. – Vol. 17(2). – P. 41-47. – DOI: 10.1016/j.psra.2015.12.005.
27. Kuznetsova, Y. All-optical excitonic transistor / Y.Y. Kuznetsova, M. Remeika, A.A. High, A.T. Hammack, L.V. Butov, M. Hanson, A.C. Gossard // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35(10). – P. 1587-1589. – DOI: 10.1364/OL.35.001587.
28. Hwang, J. A single-molecule optical transistor / J. Hwang, M. Pototschnig, R. Lettow, G. Zumofen, A. Renn, S. Götzinger, V. Sandoghdar // 2009 IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proceedings. – 2009. – 286. – DOI: 10.1109/LEOS.2009.5343277.
29. Andreakou, P. Optically controlled excitonic transistor / P. Andreakou, S.V. Poltavtsev, J.R. Leonard, E.V. Calman, M. Remeika, Y.Y. Kuznetsova, L.V. Butov, J. Wilkes, M. Hanson, A.C. Gossard // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 104(9). – 091101. – DOI: 10.1063/1.4866855.
30. Jain, K. Optical transistor / K. Jain // Applied Physics Letters. – 1976. – Vol. 28(12). – P. 719. – DOI: 10.1063/1.88627.

---

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20