eng
Генерации когерентного вынужденного излучения в средах, содержащих металлоуглеродные наноматериалы, открывает новые возможности поиска лазерных источников. В статье приведены новые экспериментальные результаты исследований влияния углеродных нанотрубок, содержащих атомы церия, на возникновение когерентного вынужденного излучения. Результаты находятся в согласии с теоретическими условиями возникновения эффекта Дике.
Теги: carbon nano-tubes dicke effect stimulated coherent emission вынужденное излучение углеродные нанотрубки эффект дике
Впервые предположение о возможности генерации когерентного вынужденного излучения в средах, содержащих углеродные наноматериалы (УНМ), было высказано более 10 лет назад [1]. Значительно позже появилось описание эксперимента, в котором когерентное излучение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) было получено в средах, содержащих УНМ [2]. В предлагаемой работе приведены экспериментальные результаты генерации когерентного излучения с участием углеродных нанотрубок (УНТ), термически синтезируемых в углеродной гетерогенной плазме, легированной металлическими присадками. В такой плазме в результате синтеза при одновременном воздействии внешнего лазерного излучения внутри УНТ оказывались заключенными металлические наночастицы из атомов церия.
Хорошо известно [3, 4], что внешнее поле излучения вызывает в приповерхностном слое металла коллективные колебания электронной плотности заряда свободного электронного газа. Если частота колебаний падающего света совпадает с собственной частотой колебаний свободных электронов в приповерхностном слое металла, то наблюдается резкое увеличение интенсивности сигнала в спектре поглощения. Это явление называется поверхностным плазмонным резонансом (ППР). Комбинационное рассеяние света веществом, адсорбированным на поверхности металлических наночастиц, приводит к гигантскому комбинационному рассеянию (ГКР). В зарубежной литературе ГКР имеет другое название – SERS-явление (Surface Eпсhanсed Raman Scattering). Известно также, что при воздействии лазерного излучения на торцы УНТ на противоположных концах этих наноструктур возникают колеблющиеся диполи. Они излучают свет той же частоты, что и падающее излучение и способствуют появлению поверхностных плазменных поляритонов.
Изучаемая углеродная поверхность, содержащая синтезированные УНТ, расположенные торцами вверх относительно поверхности мишени, является шероховатой поверхностью (ШП). Поэтому в качестве модели поверхности мы приняли модель ШП и проанализировали ее [3, 4]. Ведь такая модель позволяет учесть изменение резонансных оптических явлений в ближнем оптическом поле за счет внешнего лазерного возбуждения. К ним относятся явления, связанные с возникновением потоков излучения при неупругих туннельных переходах электронов между основным и возбужденным состояниями в атомах металла, локализованных в стенках УНТ. При этом геометрию исследуемой поверхности в виде УНТ с металлическими наночастицами внутри можно представить как углерод, адсорбированный на металлических наночастицах. Что при внешнем лазерном воздействии, как нам известно [3,4], приводит к возникновению ГКР или SERS-явлению.
Возникающее при этом излучение от ШП точнее называть SERS-излучением. Оно проявляется как резонансное изменение интенсивности световых потоков от структур ШП в результате их облучения потоком широкополосного перестраиваемого лазерного света и возбуждения электронов проводимости металлических наночастиц, локализованных в стенках УНТ. В [3–6] приведены особенности, характеризующие процесс усиления потока излучения, исходящего от площадки диаметром 1–20 нм ШП, содержащей металлические наночастицы. Кроме того, эффект ГКР связан с изменением оптических свойств молекул адсорбированных на поверхности УНТ, влияющих на их электродинамическое происхождение и меняющих характеристики потоков излучения. Природа молекул, адсорбированных на поверхности УНТ, зависит от условий среды, в которой проводится эксперимент.
Если поверхность УНТ гладкая, то при падении на нее широкополосного потока излучения электроны приповерхностного слоя возбуждаются. Появляются поверхностные плазмоны (ПП) с частотами ώрр, энергия которых локализована на границе раздела металл-диэлектик, а значения энергии ПП могут образовывать сплошной спектр [4].
УНТ в виде изолированного сфероида – это нанообъект, легированный атомами металлических добавок. Он характеризуется плазменными частотами за счет локального возбуждения зарядов в УНТ падающими потоками лазерного излучения. В свою очередь дипольные осцилляции плотности заряда в металлических легирующих добавках, локализованных в стенках УНТ, могут взаимодействовать с оптическими полями.
Если частоты дипольных осцилляций перекрываются с континуумом дипольных состояний ПП подложки (мишени), возникают резонансы в районах локализации торцов УНТ. В этом случае поля в таких зонах могут усиливаться. Резонансы доминируют в области расположения торцов УНТ, имеющих форму вытянутого сфероида с диаметром, составляющим доли нанометров и длиной – до нескольких микрометров. Как известно, частота ε(ώ) и интенсивность излучения зависят от формы и размеров наночастиц [3–6]. С торцами УНТ в ближнем оптическом поле взаимодействует однородное в пространстве и меняющееся во времени электромагнитное поле падающего на них потока лазерного излучения. Динамическая поляризуемость УНТ может оказывать сильное влияние на усиление поля излучения. Для этого частоты падающего на УНТ лазерного излучения должны совпадать с частотами аксиальных колебаний зарядов в металлических примесях УНТ. Напомним, металлические примеси внутри УНТ появляются в результате термического синтеза в условиях, определенных экспериментом. На этих частотах возникает сильная поляризация зарядов (даже при слабых полях падающего на УНТ лазерного излучения). Поэтому поляризованный УНТ-сфероид может стать дополнительным источником электрического и светового полей.
Таким образом, в локальное поле вблизи торцов УНТ вклад дают два основных источника – внешнее поле падающего лазерного излучения и поле, созданное самой УНТ. В условиях резонанса величина локального поля у торцов может даже превосходить напряженность поля внешнего лазерного излучения, падающего на УНТ.
С ростом величины отношения размеров полуосей сфероида (вдоль и по диаметру УНТ) в ближнем поле увеличивается интенсивность потоков излучения. Это явление называют в литературе "громоотводным эффектом" [3–6]. Вместе с локализованными плазмонами (ЛП) оно усиливает потоки излучения около вершин УНТ. Величина усиления зависит от формы вершины сфероида, особенно это проявляется в области ближнего поля. Данные [3–6] показывают, что в зависимости от частоты плазменных колебаний зарядов сфероида величина усиления интенсивности излучения около торцов УНТ может достигать больших порядков – до 108–1012. Для получения лазерной генерации на УНТ могут (должны) учитываться два основных фактора: усиление, обусловленное резонансами ЛП – "частотный эффект" [3] и усиление локального поля на остриях УНТ – "громоотводный эффект" [4].
В связи с нахождением в стенках УНТ металлических наночастиц (атомов церия), характеризуемых ε(ώ), возможны различные оптические явления. Они вызваны падающим на УНТ потоком лазерного излучения, сопровождающимся возбуждением электронно-дырочных пар (ЭДП), которые, в свою очередь, вызывают осцилляции электрического поля в структуре УНТ. Наибольший вклад в возбуждение ЭДП вносит p-поляризованная компонента лазерного излучения, приводящая к возникновению токов и осцилляциям зарядов в наночастицах (на глубине ≤ 10 нм). Они ведут к люминесценции от приповерхностных областей УНТ.
Возбуждение ЭДП играет значительную роль в возникновении оптических явлений. Особым преимуществом обладают ЭДП в поверхностных микроструктурах ШП, которые способствуют возникновению ЛП. К ним относятся микровыступы вблизи поверхности, например торцы УНТ. ЭДП играют большую роль в возникновении фотоэмиссии, так как количество фотоэлектронов меняется пропорционально изменению интенсивности внешнего лазерного света. При этом внешнее поле вызывает возникновение ЭДП в металлических наночастицах и сопровождается их последующей излучательной рекомбинацией.
Другое явление, где ЭДП может играть важную роль – это процесс возбуждения люминесценции молекулами, адсорбированными на УНТ. Этот процесс вносит дополнительный вклад в увеличение общей интенсивности потоков излучения, когда мы рассматриваем получение лазерной генерации от УНТ.
Подводя итоги рассмотрения источников лазерной генерации на (от) УНТ, отметим, что ее возникновению способствуют два основных фактора – и фотоэмиссия, и люминесценция от адсорбированных на УНТ молекул с последующим аномальным усилением в ближнем поле за счет эффекта ГКР. Физические процессы при осуществлении этих явлений поясняются в [3,4].
Эксперимент состоял в том, что поверхность УНТ облучалась перестраиваемым широкополосным лазерным излучением, а возникшую от УНТ когерентную генерацию регистрировали. Схема регистрации представляла собой фотопленку, расположенную на выходе высокоразрешающего полихроматора. Для облучения рабочей зоны УНТ на поверхности углерода использовали излучение лазера на кристалле GSGG:Сr+3 ( λ ≈ 740–900 нм). Это перестраиваемый широкополосный лазер с однородно уширенным контуром усиления.
Повторимся, нам известно, что в гетерогенной плазме электрической дуги (ток ≤ 100 А) в результате термического синтеза образовывались УНТ, внутри стенок которых оказывались атомы церия [7]. Процесс коллективного (резонансного) возбуждения электронов проводимости в металлических наночастицах сопровождается возникновением потока когерентного излучения. Поэтому, интерпретируя полученные результаты, мы позволили себе предположить, что роль активной среды выполняли УНТ с внедренными атомами металла. Кроме того, наночастицы церия в стенках нанотрубок (с фиксированными расстояниями между ними) можно рассматривать как стенки высокодобротного микрорезонатора. А это условие дополнительно могло способствовать усилению процесса когерентного излучения с участием УНТ. Спектры излучения от поверхности, возникшего при ее облучении перестраиваемым широкополосным лазером, зафиксированы (рис.1). Условия возникновения этого излучения соответствовали тем, которые характеризуют условия лазерной накачки для появления вынужденной генерации. Результаты экспериментов изложены в [7].
В настоящее время исследования продолжаются. Их цель – расширить возможности получения когерентного излучения от УНТ и продолжить поиски новых лазерных источников на базе металлоуглеродных сред. При проведении исследований наблюдалось еще одно интересное явление – когерентное сверхизлучение (КСИ) Дике [8–10]. Для его возникновения и наблюдения необходимо выполнение ряда условий [11]. К наиболее важным из них относятся несколько: 1) атомная система и поле излучения должны взаимодействовать на одной частоте (резонансной); 2) ширина их спектральных линий должна быть предельно узкой; 3) угловая диаграмма направленности потока излучения в пространстве – минимальна; 4) возникающий поток когерентного излучения должен пройти через зону, занимаемую атомами (между лазерными зеркалами), хотя бы несколько раз (при этом время взаимодействия систем ограничено). Генерация излучения основана на взаимодействии двух систем ‒ атомной и полевой. Атомная аккумулирует энергию источника накачки и передает запасенную энергию в виде потока излучения полевой системе. Узость спектральной ширины линий для этих систем достигается за счет самой природы участвующих систем – объем, занимаемый атомами, ограничен их линейными размерами. Это эквивалентно использованию высокодобротного лазерного резонатора и дискриминации мод поля излучения.
В нашем эксперименте в качестве плазменных источников ниспользован дуговой разряд в углеродной гетерогенной плазме с температурой среды ( 5 – 12 ) · 103К или светоэрозионный лазерный факел, возникающий при облучении потоком интенсивного излучения ( λ = 1,06 мкм ) углеродных мишеней, легированных металлами. Температура плазмы в светоэрозионном факеле была выше, чем в дуговом разряде. Плазмообразования каждого из этих генераторов размещались в резонаторе перестраиваемого лазера, выполняющего функции внутрирезонаторного лазерного спектроанализатора (ВРЛС) [7]. Он фиксирует с высоким разрешением эмиссионные и адсорбционные спектры, а также динамику лазерных импульсов. Особенностью используемых плазмообразований стало их легирование добавками металла (церием и некоторыми другими). В продуктах эрозии плазмы происходил процесс термического синтеза углеродных наноматериалов, в том числе УНТ [7]. Лазерная генерация когерентного излучения от УНТ и эффект КСИ являются предельными случаями одного и того же процесса. Этот процесс возникает между атомной и полевой системами [11] в резонаторе ВРЛС.
Схема рабочей установки представлена на рис.2. После взаимодействия широкополосного падающего лазерного излучения с гетерогенной плазмой, содержащей УНТ, возникает излучение от ШП. Динамику его импульсов и спектры иллюстрирует рис.3, адсорбционные и эмиссионные спектры когерентной генерации – рис.1,4,5. Полученные данные характерны для наблюдения когерентной генерации от УНТ (рис.1) [7] и получения КСИ (рис.4, 5). Теоретическое пояснение изложено в [11]. Особенностью новой экспериментальной работы послужило то обстоятельство, что в резонаторе перестраиваемого лазера помещалась гетерогенная плазма с термически синтезируемыми в ней углеродными нанотрубками [7]. Эффект КСИ характеризовал процедуру образования УНТ (итог термического синтеза металлоуглеродной среды в гетерогенной плазме), проявляющейся в виде меняющейся динамики лазерного импульса. Кроме того, менялся вид эмиссионных и адсорбционных спектров КСИ, регистрируемых при взаимодействии перестраиваемого лазерного излучения с гетерогенной плазмой, содержащей УНТ.
Поток когерентного излучения, после взаимодействия с плазменной средой, имел узкую диаграмму направленности. Оценки первичных характеристик регистрируемого излучения КСИ показали значительную величину его интенсивности – более 1 МВт, длительность импульса генерации – менее одной микросекунды, а энергия в импульсе – до нескольких миллиджоулей. Динамические характеристики (форма импульсов), генерационные спектры когерентного излучения – все указывало на проявление нелинейного характера взаимодействия когерентного излучения с изучаемой средой.
Из [8–10] следует, что КСИ может возникнуть только в течение времени сохранения фазовой памяти, пока анализируемая среда находится в когерентном состоянии. Если же рассматривать гетерогенную плазма с УНТ как протяженную систему, размеры которой превышают длину волны падающего на нее излучения, то кооперативный эффект спонтанного излучения выражается слабее. Дальнейшие исследования нанообъектов, синтезируемых в гетерогенной плазме при ее облучении излучением перестраиваемого лазера, позволят определять новые спектральные области, в которых КСИ будет регистрироваться. Это поможет найти им применение в решении практических и научно-технических задач.
Наши первые исследования влияния УНТ (термически синтезируемых в гетерогенной плазме), на появление и наблюдение когерентного лазерного излучения и связанного с ним возникновением КСИ Дике показали интересные результаты. Согласно теории Дирака, для системы, состоящей из двух атомов (расстояние между которыми меньше длины волны падающего на них излучения), вероятность спонтанного излучения в два раза выше, чем для одного атома. Это означает, что скорость спонтанного распада такой системы становится в два раза быстрее. Возникновение КСИ – эффекта спонтанного излучения для атомной системы, описывается выражением: N(t) = N(0)et. Эффект усиливается с ростом числа атомов в используемой атомной среде. Для наблюдения КСИ необязательно, чтобы все атомы находились в возбужденном состоянии, но число атомов в возбужденном состоянии должно превышать число атомов, находящихся в основном состоянии [11]. Такое состояние атомной системы называют инвертированным.
При рассмотрении многоатомной системы, находящейся в объем с линейными размерами, меньше длины волны падающего на нее излучения, не учитывать взаимодействия между атомами нельзя. Процессы столкновений атомов друг с другом или некоторыми возникающими (или сопутствующими) неоднородностями приводят к дополнительному уширению спектров атомной системы. Величина, обратная величине ширины спектральной линии, определяет время фазовой памяти, напрямую характеризующей когерентность потока излучения. Кооперативный процесс спонтанного излучения атомной среды может происходить только в течение времени сохранения фазовой памяти, пока система находится в когерентном состоянии [11].
Если рассматривать заполненную атомами протяженную систему, размеры которой превышают длину волны падающего излучения, то кооперативный эффект спонтанного излучения будет выражаться слабее (или вообще не возникает). Для протяженной системы (цилиндрическая форма УНТ, заполненная атомами) поток когерентного излучение будет направлен вдоль наиболее протяженного направления изучаемого образца (система, заполненная атомами, – аналогична форме УНТ). Тогда в процессе сверхизлучения могут принимать участие фотоны, которые испускаются в пределах дифракционного телесного угла λ2 / D2, где D – поперечный размер системы с атомами. Поэтому еще одним фактором ослабления кооперативного эффекта будет служить отношение этого дифракционного угла к полному телесному углу. Для протяженной системы, занимаемой атомами, он может существовать (например, для УНТ) при выполнении условия [11]
где N0 – концентрация возбужденных атомов, L – длина системы с находящимися внутри нее атомами.
Таким образом, для протяженной системы, заполненной N´ атомами, сокращение времени спонтанного излучения будет происходить не в N (для цилиндрически ограниченной системы), а только в N´ раз скорее. Причем выделенный объем совпадает с длиной изучаемого образца, а его поперечный размер соизмерим с длиной волны падающего на него излучения. Если интенсивность обычного спонтанного излучения экспоненциально затухает с течением времени t, то КСИ представляет собой интенсивный импульс излучения когерентного света, который возникает с некоторой задержкой после приготовления возбужденного состояния атомной системы. Это было показано теоретически [8, 9] и подтверждено экспериментально [10, 12]. При этом начальная интенсивность излучения КСИ равна интенсивности обычного спонтанного потока излучения.
Длительность импульса КСИ имеет порядок времени t. Но, так как величина времени t обратно пропорциональна величине концентрации возбужденных атомов N0, а полная энергия излучения пропорциональна N, то пиковая интенсивность (то есть интенсивность в максимуме импульса) будет пропорциональна N02 – одна из особенностей явления КСИ.
При возникновении КСИ происходит синфазное сложение дипольных моментов излучающих атомов и возникает макроскопический дипольный момент, пропорциональный числу атомов. Так как полная интенсивность излучения пропорциональна квадрату дипольного момента, то она оказывается пропорциональна величине N02.
Особенности КСИ проявляются лишь для случая, если система, заполненная атомами, не слишком велика. То есть ее длина не должна превышать так называемую кооперативную длину. Кооперативная длина может быть оценена из равенства длительности регистрируемого импульса КСИ и времени распространения света вдоль используемой анализируемой системы. Другим ограничением сокращения длительности оптического импульса является период собственных колебаний – предельный случай приближения длительности импульса к периоду колебаний несущего излучения.
Термический синтез УНТ в гетерогенной плазме сопровождается образованием УНТ (своеобразный тест для их фиксации), а их взаимодействие с потоком перестраиваемого излучения приводит к возникновению потока когерентного лазерного излучения (из зоны ближнего поля) и возникновению эффекта КСИ, обусловленного участием УНТ.
В настоящей работе приведены экспериментальное данные получения вынужденного когерентного излучения с участием УНТ, синтезируемых в гетерогенной плазме, легированной добавками металла, (что уже ранее фиксировалось в [7, 13, 14]), а также регистрация явления КСИ. При этом зарегистрированы характерные особенности возникновения лазерной когерентной генерации – спектры и динамика импульсов излучения, а также нелинейный характер наблюдаемой интенсивности потоков когерентного излучения. Полученные данные расширяют представления о получении когерентного излучения с участием углеродных наноматериалов. В следующей статье будут приведены новые результаты исследования особенностей получения Бозе-конденсации на лазерных фотонах в гетерогенной плазме, легированной добавками атомов церия.
Литература
Колеров А.Н. – Квантовая электроника,2000, т.30, N3, c.268.
Колеров А.Н., Онищенко Д.В. – ПЖТФ, 2012,вып.38, №5, с.97.
Стефан А. Майер. Плазмоника. Теория и приложения. Москва-Ижевск, 2011.
Ченг Ч., Фуртак Т. Гигантское комбинационное рассеяние, 1984. – M.: Мир.
Kneipp et.al. – Phys. Rev. Lett., 1997, №78(9), p.1667.
Nie S. M., Emery S.R. – Scienсe, 275 (5303), p.1102.
Колеров А.Н. – Гетерогенная плазма. Применение гетерогенной плазмы для нанотехнологий. – LAP Lambert Academic Publishing (2012-10-18), с.152.
Трифонов Е.Д. – Соросовский журнал, 1996, №12, с.75.
Железняков В.В. и др. – УФН, 1989, т.159, вып.10, с.193.
Dicke R.H. – Phys. Rev., 1954, v.93, p.99.
Андреев А.В. – УФН, 1990, т.160, вып.12, с.1.
Тhomson J.K. et al. – Nature, 2012, v.484, 5 April, p.7.
Колеров А.Н. – Наноинженерия, 2012, №12, с.54.
Колеров А.Н. Лазерная генерация на углеродных нанотрубках. – Труды 18 Всерос. конф. "Оптика и спектроскопия конденсированных сред", 2012, Краснодар, с.53.
Possibilities of generating simulated emission with carbon nano-materials (CNM) were expressed in [1], while in [2], production of surface electromagnetic wave (CEW) in the presence of CNM was discussed. In this paper, we present experimental results of coherent emission production with carbon nano-tubes synthesized in carbon, heterogeneous plasma and doped with metal additives. We analyzed a model of rough surface (RS) analogous to CNT ends arrangement on the carbon surface near the carbon surface [3-4], which allows for changes in resonance optical phenomena in the near optical field, which are related to inelastic tunneling electron transition between metal atoms localized in CNT walls. Therewith, the effect known as the Surface Enhandet Raman Scattering (SERS) was taken into account. It will be appropriate to call the emission from the RS the SERS emission, which shows itself as a resonance change of the intensity of light flow from RF structures as a result of their exposure to wide-band, tunable laser light and excitation of conduction electrons in metal nano-particles localized in CNT walls. Characteristics of the process of radiation flows from the Ø~(1-20) nm area of metal nano-particles of the RS [3-6] are shown in [3-6]. Furthermore, SERS is associated with changes in optical properties of the molecules absorbed on the CNT surface, which are of the electrodynamic origin and which change radiation flow properties.
If the CNT’s surface is smooth, surface plasmons (SP) with ώрр frequencies whose energy is localized at the metal-dielectric interface respond to electron excitation, and their values may form continuous spectrum.
Isolated spheroid – CNT is a nano object doped with atoms of metal additives. It is characterized by plasma frequencies that occur due to local excitation of charges in CNT with incident laser light which causes dipole oscillations of charge density in metal dopants localized in CNT walls, which may interact with optical fields.
If the dipole oscillation frequencies overlap with the dipole state continuum of the SP of the target backing, then resonances in the CNT ends localization areas occur and fields may be strengthened. Resonances dominate in the area of CNT ends location which has the form of a prolate spheroid with a subnanometer diameter and length of up to several microns, affect frequency ε (ώ) [3-6]. With the CNT end in the near optical field interacts homogenous in space varying in time electric field of the incident laser light. Dynamic polarizability of the CNT may have a strong strengthening effect on the radiation field. To do it, the frequencies of the incident laser light falling on the CNT must coincide with the frequencies of the axial oscillation of charges in CNT metal dopants, which occur as a result of thermal synthesis. At these frequencies, strong polarization of charges occurs even if the incident laser light falling on the CNT is weak. That’s why the polarized spheroid (CNT) may serve as an additional source of the electric and light fields. There may be two main contributions into the local field near the CNT ends. One is due to the incident laser radiation, while the other is the field created by the CNT itself. Under the conditions of resonance, the size of the local field near the ends may be greater than the strength of the field of laser radiation falling on the CNT.
As the dimensional relationship between the spheroid’s half axles increases (lengthwise and equatorially) intensity of radiation flows increases in the near field. In literature, the phenomenon is called the "lightning rod effect" [3-6]. Together with localized plasmons (LP), it strengthens radiation flows near CNT tops (depending on the form of the spheroid vertex), especially in the near field area. The data presented in [3-6] shows that, near the CNT ends, the radiation intensity amplification factor may reach high orders (up to 108-1012), depending on the frequency of plasma vibrations of spheroid charges. To produce laser generation with CNT, the following two main factors must (may) be taken into account and used: Amplification due to LP resounances known as the "frequency effect" [3] and amplification of the local field at CNT ends known as the "lightning rod effect" [4].
As for metal nano particles (cerium atoms) synthesized in CNT walls (characterized by ε(ώ)), various optical phenomena may occur. They are cause by the incident laser radiation flow falling on the CNT and accompanied by the excitation of the electron-hole pairs (EHP) which produce electric field oscillations in the CNT structure. The p-polarized component of the laser emission is the greatest contributor to excitation of the electron-hole pairs (EHP). It produces currents and charge oscillations in nano particles (at a depth of ≤ 10 nm), which initiate luminescent light flows from the near surface areas of the CNT.
EHP excitation plays a significant role in optical phenomena in which RS surface microstructures which assist in LP production have special convenience. Such microstructures include near-surface microirregularities (for instance, CNT ends). EHP also play an important role in photoemission because the number of photoelectrons changes in proportion to changes in the intensity of the external laser light which causes occurrence of EHP in metal nano-particles and subsequent radiative recombination. Another phenomenon in which EHP may play an important role is the process of excitation of luminescence by the molecules adsorbed at the CNT. This process may additionally increase the overall intensity of radiation flows in the event of laser generation by (at) the CNT. Consequently, laser generation by (at) the CNT may occur as a result of two main factors: photoemission and luminescence by the molecules adsorbed at the CNT with subsequent anomalous amplification in the near field due to SERS. The physics of these phenomena are explained in [3–4].
The CNT were created in the heterogeneous plasma of the electric arc (with current ≤100A)/ Their walls were doped with nano particles (cerium atoms) and exposed to variable, wide-band, laser radiation. The coherent generation by (at) the CNT was photographed after a high-definition polychromator. To treat the CNT – carbon surface interaction zone, a GSGG:Сr+3 (λ~740–900nm) crystal laser was used. The date obtained suggests that the role of the active medium was played by CNTs synthesized in the heterogeneous plasma in the process of the CNT walls doping with metal atoms which were introduced into the CNT material in the course of CNT thermal synthesis in heterogeneous, carbon plasma. With their assistance, collective excitation (resonance) excitation of conduction electrons in metal nano particles was implemented with initiation of a coherent radiation flow. Besides, the cerium nano-particles with fixed distances between them could serve as walls of a (high-quality) resonator [11], thus facilitating coherent radiation involving CNTs. When they are treated with light of a wide-band, tunable laser with a homogenously enhanced amplification loop, coherent generation from CNTs was registered. Its registered spectra are shown in Figure 3. Radiation from CNTs conformed to the conditions which characterize forced generation flows which occur under conditions of laser pumping. At present, research is carried out to expand possibilities for production of coherent emission from CNTs, possibilities to create laser sources on the basis of metal-carbon medium are also investigated.
What is described above is experimental results of coherent emission production using carbon nano-tubes (CNT) [7, 13-14] synthesized in heterogeneous plasma. Another interesting phenomenon – Dicke coherent super-radiance (CSR) – was observed in the course of the research. [8–10].
To observe and register it, it was necessary to meet a number of conditions [9]. The most important of them include: 1. The atomic system and radiation field must interact at one and the same frequency, 2. Their spectral width must be ultimately narrow, 3. The corner diagram of the radiation flow direction in a space must be minimal, 4. The occurring coherent radiation flow must pass through a zone occupied by atoms (between laser mirrors) at least a number of times (i.e. the time of systems interaction is limited).
The narrowness of the spectral widths of these systems is achieved due to the use of a high-quality laser resonator and discrimination of the radiation field modes (limitation of the liner dimensions of the volume occupied by atoms). Radiance generation is based on the interaction of two systems: an atomic one, which accumulates the energy of the pumping source, and a field one, to which the atomic system transmits accumulated energy in the form of radiation flow.
Used as plasma sources were: electric arc in the heterogeneous carbon plasma with the medium temperature of (5–12)103 ˚K and light-erosion laser torch which is produced when carbon targets doped with metals are treated with intensive radiation (λ~1.06 microns). In the light-erosion laser torch, the plasma temperature was higher than that in the electric arc. Plasma formations from each of these generators were placed into a resonator of a tunable laser performing functions of an interactivity laser spectrum analyzer (ILSA) [7], which registered, with high definition, the emission and adsorption spectra, as well as laser pulse dynamics. One feature of the plasma formations used was their doping doping with metal additives (cerium and other metals), and it was in the products of plasma erosion where thermal synthesis of carbon nano materials (for instance, CNT) took place [7]. Laser generation of coherent radiation from CNT and the coherent super-radiation effect are limiting cases of one and the same process taking place between the atom and field systems in [11] in the laser resonator.
Figures 1-5 show the following: Running installation (Figure 1), registered interaction of the varying laser emission and heterogeneous plasma containing carbon nano-materials generated during thermal synthesis (Figure 2), and their effect on the processes tasking place in the course of broad-band laser treatment of heterogeneous plasma containing CNTs. Generation of coherent emission involving CNTs under laser excitation by tunable lasers (Figure 3) was registered [7, 13–14], as well as characteristic dynamics of laser pulses (Figure 2, 4) – adsorption and emission spectra of coherent generation (Figures 3-5). The data obtained characterizes coherent generation from CNTs (Figure 3) [7, 13-14] and coherent superradiance (Figures 4-5), whose theoretical treatment is presented in [11]. One feature of the presented work is that heterogeneous plasma with carbon nano-tubes thermally-synthesized in it was placed in the resonator of the tunable laser [7].
Later, the amount of data may be expanded to serve as a basis for new research and search for practical applications. During this work, the coherent super-radiance effect characterized the CNT generation procedure (result of a thermal synthesis of metal-carbon medium [7] in heterogeneous plasma), which manifests itself in the form of changing laser pulse dynamics [7, 13,14] (upon interaction between varying laser radiation and heterogeneous plasma and nano-materials produced in it). Furthermore, the types of emission and adsorption spectra of the coherent super-radiance registered during interaction between varying laser radiation and heterogeneous plasma containing CNT were changing, too.
After interaction with the plasma medium, the coherent radiation flow had narrow directivity pattern, while the evaluated intensity was significant (greater than 1 MW), with the generation pulse duration shorter than one microsecond and pulse energy of up to several mj. These evaluations were attributed to initial characteristics of the registered coherent super-radiance in the event of presence of heterogeneous plasma with thermally-synthesized nano-materials in the laser resonator. The dynamic characteristics (pulse shape) and generation spectra of the coherent radiation pointed to the non-linear character of coherent radiation interaction with the medium of interest.
It follows from [9] that coherent super-radiance may occur only during the time of phase memory retention, when the medium analyzed is in the coherent state. But if we consider an extended system (such as heterogeneous plasma from CNTs), whose size exceeds the wavelength of the incident radiation falling on it, the cooperative effect of spontaneous radiation will be weaker. Further research into nano-objects synthesized in the heterogeneous plasma treated with radiation of a tunable laser, will make it possible to identify new spectral regions in which coherent super-radiance will be registered, and they may find practical use.
This report contains results of the initial research and observation of the effect of carbon nano-materials thermally-synthesized in heterogeneous plasma and placed into a laser resonator on the appearance of coherent radiation [7, 13–14] and coherent super-radiance due to involvement of CNTs thermally synthesized in heterogeneous plasma.
Using the Dirac theory, R. Dicke [10] showed that in a system consisting of two atoms (the distance between which is shorter than the wavelength of the radiation falling on them), the probability of spontaneous radiation is twice as high than that associated with one atom. This means that the time of spontaneous decay of such system is shorter by half, compared to the case that can be described by the following expression:
N(t) = N(0)e-t,
which characterizes the appearance of – spontaneous radiation effect for atomic system [11]. And the effect increases with an increase of the number of atoms in the atomic system. To observe coherent super-radiance, it is not necessary that all the atoms are in the excited state, but the number of atoms are in the excited state must exceed the number of atoms in the ground state. Such state of the atomic system is called an inverted one.
When considering a multi-atom system placed into a space with linear dimensions shorter than the wavelength of the radiation falling on it, interaction between the atoms must be taken into account (without regard for the process of atoms collision or other occurring (or associated) irregularities). It leads to additional broadening of the atomic systems’ spectra, whose inverse value (breadth of spectral line) determines the phase memory time, which directly characterizes coherence of radiation flow [11]. The cooperative process of spontaneous atomic medium radiation may take place only during the time of phase memory retention, when the system analyzed is in the coherent state [11].
But if we consider an extended system whose size exceeds the wavelength of the incident radiation falling on it, the cooperative effect of spontaneous radiation will be weaker (or will not occur at all). In an extended system (cylindrical-form CNT filled with atoms), the radiation flow will be directed along the greater elongation (system filled with atoms – CNT analog). In such systems, photons emitted within diffraction, solid angle λ2/D2 [9] (where λ is the wavelength of the falling radiation and D is the size of the lateral dimension atomic system) may take part in the process of super-radiance. Therefore, the relation between the diffraction angle and full, solid angle will be another factor behind the weakening of the cooperative effect. In a continuous, atom-filled system (such as, for instance, CNT), it may exist if condition [11] is fulfilled:
where N0 is concentration of the excited atoms and L is the length of the atoms-filled system.
Thus, in a continuous, atom-filled system, reduction of the spontaneous radiation time is not by a factor of N (for a cylindrical, restricted system) but only by a factor of N´, where N´ is the number of atoms in a separated volume coinciding with the specimen length, while its lateral dimension is commensurable with the wavelength of the radiation falling on it. While intensity of normal, spontaneous radiation exponentially attenuates with time t, the CSR is an intensive coherent light emission pulse (as it was shown theoretically in [8,9] and confirmed experimentally in [10,12]) which takes place with some lag after preparation of the excited state of the atomic system. And the initial intensity of CSR is equal to the intensity of normal, spontaneous radiation flow.
Duration of the CSR pulse is of an order of t. Since t is inversely proportional to the concentration of excited atoms N0, while full radiation energy is proportional to N, peak intensity (i.e. intensity at the maximum pulse point) will be proportional to N02, which is an important feature of the CSR phenomenon.
In the event of CSR, in-phase summation of radiating atoms’ dipole moments takes place, and a macroscopic dipole moment proportional to the number of atoms occurs. Since full radiation intensity is proportional to the square of the dipole moment, it is also proportional to the value of N02.
The SCR peculiarities show themselves only if an atoms-filled system is not too large: Its length must not exceed the so-called cooperative length which may be evaluated based on the equality of duration of the registered SCR pulse and time of light propagation along the atoms-filled system used (L/c).
Another restriction of the optical pulse duration time reduction is natural oscillations period – a limiting case of pulse duration time approach to the carrying radiation natural period.
Finally, we may dwell on the practical uses of the Dicke effect we registered during our work. Thermal synthesis of CNT in heterogeneous plasma is accompanied by: Creation of CNTs (sort of a test), CNT interaction with a flow of varying radiation causes a flow of coherent laser radiation (from the near field area) and occurrence of the SCR effect due to CNTs’ involvement.
In this work we present experimental data concerning occurrence of the SCR effect due to involvement of CNTs synthesized in heterogeneous plasma doped with metal additives (which was previously observed in [7,13–14]) and registration of the SCR effect. In the process of work, we registered specific features of the coherent laser generation, including spectra, radiation pulse dynamics and nonlinear character of intensity of coherent radiation flows that occurred with involvement of CNTs synthesized in heterogeneous plasma. The data obtained may help widen the views on the theoretical and experimental peculiarities of coherent radiation production with involvement of carbon nano-tubes. ▪
Хорошо известно [3, 4], что внешнее поле излучения вызывает в приповерхностном слое металла коллективные колебания электронной плотности заряда свободного электронного газа. Если частота колебаний падающего света совпадает с собственной частотой колебаний свободных электронов в приповерхностном слое металла, то наблюдается резкое увеличение интенсивности сигнала в спектре поглощения. Это явление называется поверхностным плазмонным резонансом (ППР). Комбинационное рассеяние света веществом, адсорбированным на поверхности металлических наночастиц, приводит к гигантскому комбинационному рассеянию (ГКР). В зарубежной литературе ГКР имеет другое название – SERS-явление (Surface Eпсhanсed Raman Scattering). Известно также, что при воздействии лазерного излучения на торцы УНТ на противоположных концах этих наноструктур возникают колеблющиеся диполи. Они излучают свет той же частоты, что и падающее излучение и способствуют появлению поверхностных плазменных поляритонов.
Изучаемая углеродная поверхность, содержащая синтезированные УНТ, расположенные торцами вверх относительно поверхности мишени, является шероховатой поверхностью (ШП). Поэтому в качестве модели поверхности мы приняли модель ШП и проанализировали ее [3, 4]. Ведь такая модель позволяет учесть изменение резонансных оптических явлений в ближнем оптическом поле за счет внешнего лазерного возбуждения. К ним относятся явления, связанные с возникновением потоков излучения при неупругих туннельных переходах электронов между основным и возбужденным состояниями в атомах металла, локализованных в стенках УНТ. При этом геометрию исследуемой поверхности в виде УНТ с металлическими наночастицами внутри можно представить как углерод, адсорбированный на металлических наночастицах. Что при внешнем лазерном воздействии, как нам известно [3,4], приводит к возникновению ГКР или SERS-явлению.
Возникающее при этом излучение от ШП точнее называть SERS-излучением. Оно проявляется как резонансное изменение интенсивности световых потоков от структур ШП в результате их облучения потоком широкополосного перестраиваемого лазерного света и возбуждения электронов проводимости металлических наночастиц, локализованных в стенках УНТ. В [3–6] приведены особенности, характеризующие процесс усиления потока излучения, исходящего от площадки диаметром 1–20 нм ШП, содержащей металлические наночастицы. Кроме того, эффект ГКР связан с изменением оптических свойств молекул адсорбированных на поверхности УНТ, влияющих на их электродинамическое происхождение и меняющих характеристики потоков излучения. Природа молекул, адсорбированных на поверхности УНТ, зависит от условий среды, в которой проводится эксперимент.
Если поверхность УНТ гладкая, то при падении на нее широкополосного потока излучения электроны приповерхностного слоя возбуждаются. Появляются поверхностные плазмоны (ПП) с частотами ώрр, энергия которых локализована на границе раздела металл-диэлектик, а значения энергии ПП могут образовывать сплошной спектр [4].
УНТ в виде изолированного сфероида – это нанообъект, легированный атомами металлических добавок. Он характеризуется плазменными частотами за счет локального возбуждения зарядов в УНТ падающими потоками лазерного излучения. В свою очередь дипольные осцилляции плотности заряда в металлических легирующих добавках, локализованных в стенках УНТ, могут взаимодействовать с оптическими полями.
Если частоты дипольных осцилляций перекрываются с континуумом дипольных состояний ПП подложки (мишени), возникают резонансы в районах локализации торцов УНТ. В этом случае поля в таких зонах могут усиливаться. Резонансы доминируют в области расположения торцов УНТ, имеющих форму вытянутого сфероида с диаметром, составляющим доли нанометров и длиной – до нескольких микрометров. Как известно, частота ε(ώ) и интенсивность излучения зависят от формы и размеров наночастиц [3–6]. С торцами УНТ в ближнем оптическом поле взаимодействует однородное в пространстве и меняющееся во времени электромагнитное поле падающего на них потока лазерного излучения. Динамическая поляризуемость УНТ может оказывать сильное влияние на усиление поля излучения. Для этого частоты падающего на УНТ лазерного излучения должны совпадать с частотами аксиальных колебаний зарядов в металлических примесях УНТ. Напомним, металлические примеси внутри УНТ появляются в результате термического синтеза в условиях, определенных экспериментом. На этих частотах возникает сильная поляризация зарядов (даже при слабых полях падающего на УНТ лазерного излучения). Поэтому поляризованный УНТ-сфероид может стать дополнительным источником электрического и светового полей.
Таким образом, в локальное поле вблизи торцов УНТ вклад дают два основных источника – внешнее поле падающего лазерного излучения и поле, созданное самой УНТ. В условиях резонанса величина локального поля у торцов может даже превосходить напряженность поля внешнего лазерного излучения, падающего на УНТ.
С ростом величины отношения размеров полуосей сфероида (вдоль и по диаметру УНТ) в ближнем поле увеличивается интенсивность потоков излучения. Это явление называют в литературе "громоотводным эффектом" [3–6]. Вместе с локализованными плазмонами (ЛП) оно усиливает потоки излучения около вершин УНТ. Величина усиления зависит от формы вершины сфероида, особенно это проявляется в области ближнего поля. Данные [3–6] показывают, что в зависимости от частоты плазменных колебаний зарядов сфероида величина усиления интенсивности излучения около торцов УНТ может достигать больших порядков – до 108–1012. Для получения лазерной генерации на УНТ могут (должны) учитываться два основных фактора: усиление, обусловленное резонансами ЛП – "частотный эффект" [3] и усиление локального поля на остриях УНТ – "громоотводный эффект" [4].
В связи с нахождением в стенках УНТ металлических наночастиц (атомов церия), характеризуемых ε(ώ), возможны различные оптические явления. Они вызваны падающим на УНТ потоком лазерного излучения, сопровождающимся возбуждением электронно-дырочных пар (ЭДП), которые, в свою очередь, вызывают осцилляции электрического поля в структуре УНТ. Наибольший вклад в возбуждение ЭДП вносит p-поляризованная компонента лазерного излучения, приводящая к возникновению токов и осцилляциям зарядов в наночастицах (на глубине ≤ 10 нм). Они ведут к люминесценции от приповерхностных областей УНТ.
Возбуждение ЭДП играет значительную роль в возникновении оптических явлений. Особым преимуществом обладают ЭДП в поверхностных микроструктурах ШП, которые способствуют возникновению ЛП. К ним относятся микровыступы вблизи поверхности, например торцы УНТ. ЭДП играют большую роль в возникновении фотоэмиссии, так как количество фотоэлектронов меняется пропорционально изменению интенсивности внешнего лазерного света. При этом внешнее поле вызывает возникновение ЭДП в металлических наночастицах и сопровождается их последующей излучательной рекомбинацией.
Другое явление, где ЭДП может играть важную роль – это процесс возбуждения люминесценции молекулами, адсорбированными на УНТ. Этот процесс вносит дополнительный вклад в увеличение общей интенсивности потоков излучения, когда мы рассматриваем получение лазерной генерации от УНТ.
Подводя итоги рассмотрения источников лазерной генерации на (от) УНТ, отметим, что ее возникновению способствуют два основных фактора – и фотоэмиссия, и люминесценция от адсорбированных на УНТ молекул с последующим аномальным усилением в ближнем поле за счет эффекта ГКР. Физические процессы при осуществлении этих явлений поясняются в [3,4].
Эксперимент состоял в том, что поверхность УНТ облучалась перестраиваемым широкополосным лазерным излучением, а возникшую от УНТ когерентную генерацию регистрировали. Схема регистрации представляла собой фотопленку, расположенную на выходе высокоразрешающего полихроматора. Для облучения рабочей зоны УНТ на поверхности углерода использовали излучение лазера на кристалле GSGG:Сr+3 ( λ ≈ 740–900 нм). Это перестраиваемый широкополосный лазер с однородно уширенным контуром усиления.
Повторимся, нам известно, что в гетерогенной плазме электрической дуги (ток ≤ 100 А) в результате термического синтеза образовывались УНТ, внутри стенок которых оказывались атомы церия [7]. Процесс коллективного (резонансного) возбуждения электронов проводимости в металлических наночастицах сопровождается возникновением потока когерентного излучения. Поэтому, интерпретируя полученные результаты, мы позволили себе предположить, что роль активной среды выполняли УНТ с внедренными атомами металла. Кроме того, наночастицы церия в стенках нанотрубок (с фиксированными расстояниями между ними) можно рассматривать как стенки высокодобротного микрорезонатора. А это условие дополнительно могло способствовать усилению процесса когерентного излучения с участием УНТ. Спектры излучения от поверхности, возникшего при ее облучении перестраиваемым широкополосным лазером, зафиксированы (рис.1). Условия возникновения этого излучения соответствовали тем, которые характеризуют условия лазерной накачки для появления вынужденной генерации. Результаты экспериментов изложены в [7].
В настоящее время исследования продолжаются. Их цель – расширить возможности получения когерентного излучения от УНТ и продолжить поиски новых лазерных источников на базе металлоуглеродных сред. При проведении исследований наблюдалось еще одно интересное явление – когерентное сверхизлучение (КСИ) Дике [8–10]. Для его возникновения и наблюдения необходимо выполнение ряда условий [11]. К наиболее важным из них относятся несколько: 1) атомная система и поле излучения должны взаимодействовать на одной частоте (резонансной); 2) ширина их спектральных линий должна быть предельно узкой; 3) угловая диаграмма направленности потока излучения в пространстве – минимальна; 4) возникающий поток когерентного излучения должен пройти через зону, занимаемую атомами (между лазерными зеркалами), хотя бы несколько раз (при этом время взаимодействия систем ограничено). Генерация излучения основана на взаимодействии двух систем ‒ атомной и полевой. Атомная аккумулирует энергию источника накачки и передает запасенную энергию в виде потока излучения полевой системе. Узость спектральной ширины линий для этих систем достигается за счет самой природы участвующих систем – объем, занимаемый атомами, ограничен их линейными размерами. Это эквивалентно использованию высокодобротного лазерного резонатора и дискриминации мод поля излучения.
В нашем эксперименте в качестве плазменных источников ниспользован дуговой разряд в углеродной гетерогенной плазме с температурой среды ( 5 – 12 ) · 103К или светоэрозионный лазерный факел, возникающий при облучении потоком интенсивного излучения ( λ = 1,06 мкм ) углеродных мишеней, легированных металлами. Температура плазмы в светоэрозионном факеле была выше, чем в дуговом разряде. Плазмообразования каждого из этих генераторов размещались в резонаторе перестраиваемого лазера, выполняющего функции внутрирезонаторного лазерного спектроанализатора (ВРЛС) [7]. Он фиксирует с высоким разрешением эмиссионные и адсорбционные спектры, а также динамику лазерных импульсов. Особенностью используемых плазмообразований стало их легирование добавками металла (церием и некоторыми другими). В продуктах эрозии плазмы происходил процесс термического синтеза углеродных наноматериалов, в том числе УНТ [7]. Лазерная генерация когерентного излучения от УНТ и эффект КСИ являются предельными случаями одного и того же процесса. Этот процесс возникает между атомной и полевой системами [11] в резонаторе ВРЛС.
Схема рабочей установки представлена на рис.2. После взаимодействия широкополосного падающего лазерного излучения с гетерогенной плазмой, содержащей УНТ, возникает излучение от ШП. Динамику его импульсов и спектры иллюстрирует рис.3, адсорбционные и эмиссионные спектры когерентной генерации – рис.1,4,5. Полученные данные характерны для наблюдения когерентной генерации от УНТ (рис.1) [7] и получения КСИ (рис.4, 5). Теоретическое пояснение изложено в [11]. Особенностью новой экспериментальной работы послужило то обстоятельство, что в резонаторе перестраиваемого лазера помещалась гетерогенная плазма с термически синтезируемыми в ней углеродными нанотрубками [7]. Эффект КСИ характеризовал процедуру образования УНТ (итог термического синтеза металлоуглеродной среды в гетерогенной плазме), проявляющейся в виде меняющейся динамики лазерного импульса. Кроме того, менялся вид эмиссионных и адсорбционных спектров КСИ, регистрируемых при взаимодействии перестраиваемого лазерного излучения с гетерогенной плазмой, содержащей УНТ.
Поток когерентного излучения, после взаимодействия с плазменной средой, имел узкую диаграмму направленности. Оценки первичных характеристик регистрируемого излучения КСИ показали значительную величину его интенсивности – более 1 МВт, длительность импульса генерации – менее одной микросекунды, а энергия в импульсе – до нескольких миллиджоулей. Динамические характеристики (форма импульсов), генерационные спектры когерентного излучения – все указывало на проявление нелинейного характера взаимодействия когерентного излучения с изучаемой средой.
Из [8–10] следует, что КСИ может возникнуть только в течение времени сохранения фазовой памяти, пока анализируемая среда находится в когерентном состоянии. Если же рассматривать гетерогенную плазма с УНТ как протяженную систему, размеры которой превышают длину волны падающего на нее излучения, то кооперативный эффект спонтанного излучения выражается слабее. Дальнейшие исследования нанообъектов, синтезируемых в гетерогенной плазме при ее облучении излучением перестраиваемого лазера, позволят определять новые спектральные области, в которых КСИ будет регистрироваться. Это поможет найти им применение в решении практических и научно-технических задач.
Наши первые исследования влияния УНТ (термически синтезируемых в гетерогенной плазме), на появление и наблюдение когерентного лазерного излучения и связанного с ним возникновением КСИ Дике показали интересные результаты. Согласно теории Дирака, для системы, состоящей из двух атомов (расстояние между которыми меньше длины волны падающего на них излучения), вероятность спонтанного излучения в два раза выше, чем для одного атома. Это означает, что скорость спонтанного распада такой системы становится в два раза быстрее. Возникновение КСИ – эффекта спонтанного излучения для атомной системы, описывается выражением: N(t) = N(0)et. Эффект усиливается с ростом числа атомов в используемой атомной среде. Для наблюдения КСИ необязательно, чтобы все атомы находились в возбужденном состоянии, но число атомов в возбужденном состоянии должно превышать число атомов, находящихся в основном состоянии [11]. Такое состояние атомной системы называют инвертированным.
При рассмотрении многоатомной системы, находящейся в объем с линейными размерами, меньше длины волны падающего на нее излучения, не учитывать взаимодействия между атомами нельзя. Процессы столкновений атомов друг с другом или некоторыми возникающими (или сопутствующими) неоднородностями приводят к дополнительному уширению спектров атомной системы. Величина, обратная величине ширины спектральной линии, определяет время фазовой памяти, напрямую характеризующей когерентность потока излучения. Кооперативный процесс спонтанного излучения атомной среды может происходить только в течение времени сохранения фазовой памяти, пока система находится в когерентном состоянии [11].
Если рассматривать заполненную атомами протяженную систему, размеры которой превышают длину волны падающего излучения, то кооперативный эффект спонтанного излучения будет выражаться слабее (или вообще не возникает). Для протяженной системы (цилиндрическая форма УНТ, заполненная атомами) поток когерентного излучение будет направлен вдоль наиболее протяженного направления изучаемого образца (система, заполненная атомами, – аналогична форме УНТ). Тогда в процессе сверхизлучения могут принимать участие фотоны, которые испускаются в пределах дифракционного телесного угла λ2 / D2, где D – поперечный размер системы с атомами. Поэтому еще одним фактором ослабления кооперативного эффекта будет служить отношение этого дифракционного угла к полному телесному углу. Для протяженной системы, занимаемой атомами, он может существовать (например, для УНТ) при выполнении условия [11]
где N0 – концентрация возбужденных атомов, L – длина системы с находящимися внутри нее атомами.
Таким образом, для протяженной системы, заполненной N´ атомами, сокращение времени спонтанного излучения будет происходить не в N (для цилиндрически ограниченной системы), а только в N´ раз скорее. Причем выделенный объем совпадает с длиной изучаемого образца, а его поперечный размер соизмерим с длиной волны падающего на него излучения. Если интенсивность обычного спонтанного излучения экспоненциально затухает с течением времени t, то КСИ представляет собой интенсивный импульс излучения когерентного света, который возникает с некоторой задержкой после приготовления возбужденного состояния атомной системы. Это было показано теоретически [8, 9] и подтверждено экспериментально [10, 12]. При этом начальная интенсивность излучения КСИ равна интенсивности обычного спонтанного потока излучения.
Длительность импульса КСИ имеет порядок времени t. Но, так как величина времени t обратно пропорциональна величине концентрации возбужденных атомов N0, а полная энергия излучения пропорциональна N, то пиковая интенсивность (то есть интенсивность в максимуме импульса) будет пропорциональна N02 – одна из особенностей явления КСИ.
При возникновении КСИ происходит синфазное сложение дипольных моментов излучающих атомов и возникает макроскопический дипольный момент, пропорциональный числу атомов. Так как полная интенсивность излучения пропорциональна квадрату дипольного момента, то она оказывается пропорциональна величине N02.
Особенности КСИ проявляются лишь для случая, если система, заполненная атомами, не слишком велика. То есть ее длина не должна превышать так называемую кооперативную длину. Кооперативная длина может быть оценена из равенства длительности регистрируемого импульса КСИ и времени распространения света вдоль используемой анализируемой системы. Другим ограничением сокращения длительности оптического импульса является период собственных колебаний – предельный случай приближения длительности импульса к периоду колебаний несущего излучения.
Термический синтез УНТ в гетерогенной плазме сопровождается образованием УНТ (своеобразный тест для их фиксации), а их взаимодействие с потоком перестраиваемого излучения приводит к возникновению потока когерентного лазерного излучения (из зоны ближнего поля) и возникновению эффекта КСИ, обусловленного участием УНТ.
В настоящей работе приведены экспериментальное данные получения вынужденного когерентного излучения с участием УНТ, синтезируемых в гетерогенной плазме, легированной добавками металла, (что уже ранее фиксировалось в [7, 13, 14]), а также регистрация явления КСИ. При этом зарегистрированы характерные особенности возникновения лазерной когерентной генерации – спектры и динамика импульсов излучения, а также нелинейный характер наблюдаемой интенсивности потоков когерентного излучения. Полученные данные расширяют представления о получении когерентного излучения с участием углеродных наноматериалов. В следующей статье будут приведены новые результаты исследования особенностей получения Бозе-конденсации на лазерных фотонах в гетерогенной плазме, легированной добавками атомов церия.
Литература
Колеров А.Н. – Квантовая электроника,2000, т.30, N3, c.268.
Колеров А.Н., Онищенко Д.В. – ПЖТФ, 2012,вып.38, №5, с.97.
Стефан А. Майер. Плазмоника. Теория и приложения. Москва-Ижевск, 2011.
Ченг Ч., Фуртак Т. Гигантское комбинационное рассеяние, 1984. – M.: Мир.
Kneipp et.al. – Phys. Rev. Lett., 1997, №78(9), p.1667.
Nie S. M., Emery S.R. – Scienсe, 275 (5303), p.1102.
Колеров А.Н. – Гетерогенная плазма. Применение гетерогенной плазмы для нанотехнологий. – LAP Lambert Academic Publishing (2012-10-18), с.152.
Трифонов Е.Д. – Соросовский журнал, 1996, №12, с.75.
Железняков В.В. и др. – УФН, 1989, т.159, вып.10, с.193.
Dicke R.H. – Phys. Rev., 1954, v.93, p.99.
Андреев А.В. – УФН, 1990, т.160, вып.12, с.1.
Тhomson J.K. et al. – Nature, 2012, v.484, 5 April, p.7.
Колеров А.Н. – Наноинженерия, 2012, №12, с.54.
Колеров А.Н. Лазерная генерация на углеродных нанотрубках. – Труды 18 Всерос. конф. "Оптика и спектроскопия конденсированных сред", 2012, Краснодар, с.53.
Possibilities of generating simulated emission with carbon nano-materials (CNM) were expressed in [1], while in [2], production of surface electromagnetic wave (CEW) in the presence of CNM was discussed. In this paper, we present experimental results of coherent emission production with carbon nano-tubes synthesized in carbon, heterogeneous plasma and doped with metal additives. We analyzed a model of rough surface (RS) analogous to CNT ends arrangement on the carbon surface near the carbon surface [3-4], which allows for changes in resonance optical phenomena in the near optical field, which are related to inelastic tunneling electron transition between metal atoms localized in CNT walls. Therewith, the effect known as the Surface Enhandet Raman Scattering (SERS) was taken into account. It will be appropriate to call the emission from the RS the SERS emission, which shows itself as a resonance change of the intensity of light flow from RF structures as a result of their exposure to wide-band, tunable laser light and excitation of conduction electrons in metal nano-particles localized in CNT walls. Characteristics of the process of radiation flows from the Ø~(1-20) nm area of metal nano-particles of the RS [3-6] are shown in [3-6]. Furthermore, SERS is associated with changes in optical properties of the molecules absorbed on the CNT surface, which are of the electrodynamic origin and which change radiation flow properties.
If the CNT’s surface is smooth, surface plasmons (SP) with ώрр frequencies whose energy is localized at the metal-dielectric interface respond to electron excitation, and their values may form continuous spectrum.
Isolated spheroid – CNT is a nano object doped with atoms of metal additives. It is characterized by plasma frequencies that occur due to local excitation of charges in CNT with incident laser light which causes dipole oscillations of charge density in metal dopants localized in CNT walls, which may interact with optical fields.
If the dipole oscillation frequencies overlap with the dipole state continuum of the SP of the target backing, then resonances in the CNT ends localization areas occur and fields may be strengthened. Resonances dominate in the area of CNT ends location which has the form of a prolate spheroid with a subnanometer diameter and length of up to several microns, affect frequency ε (ώ) [3-6]. With the CNT end in the near optical field interacts homogenous in space varying in time electric field of the incident laser light. Dynamic polarizability of the CNT may have a strong strengthening effect on the radiation field. To do it, the frequencies of the incident laser light falling on the CNT must coincide with the frequencies of the axial oscillation of charges in CNT metal dopants, which occur as a result of thermal synthesis. At these frequencies, strong polarization of charges occurs even if the incident laser light falling on the CNT is weak. That’s why the polarized spheroid (CNT) may serve as an additional source of the electric and light fields. There may be two main contributions into the local field near the CNT ends. One is due to the incident laser radiation, while the other is the field created by the CNT itself. Under the conditions of resonance, the size of the local field near the ends may be greater than the strength of the field of laser radiation falling on the CNT.
As the dimensional relationship between the spheroid’s half axles increases (lengthwise and equatorially) intensity of radiation flows increases in the near field. In literature, the phenomenon is called the "lightning rod effect" [3-6]. Together with localized plasmons (LP), it strengthens radiation flows near CNT tops (depending on the form of the spheroid vertex), especially in the near field area. The data presented in [3-6] shows that, near the CNT ends, the radiation intensity amplification factor may reach high orders (up to 108-1012), depending on the frequency of plasma vibrations of spheroid charges. To produce laser generation with CNT, the following two main factors must (may) be taken into account and used: Amplification due to LP resounances known as the "frequency effect" [3] and amplification of the local field at CNT ends known as the "lightning rod effect" [4].
As for metal nano particles (cerium atoms) synthesized in CNT walls (characterized by ε(ώ)), various optical phenomena may occur. They are cause by the incident laser radiation flow falling on the CNT and accompanied by the excitation of the electron-hole pairs (EHP) which produce electric field oscillations in the CNT structure. The p-polarized component of the laser emission is the greatest contributor to excitation of the electron-hole pairs (EHP). It produces currents and charge oscillations in nano particles (at a depth of ≤ 10 nm), which initiate luminescent light flows from the near surface areas of the CNT.
EHP excitation plays a significant role in optical phenomena in which RS surface microstructures which assist in LP production have special convenience. Such microstructures include near-surface microirregularities (for instance, CNT ends). EHP also play an important role in photoemission because the number of photoelectrons changes in proportion to changes in the intensity of the external laser light which causes occurrence of EHP in metal nano-particles and subsequent radiative recombination. Another phenomenon in which EHP may play an important role is the process of excitation of luminescence by the molecules adsorbed at the CNT. This process may additionally increase the overall intensity of radiation flows in the event of laser generation by (at) the CNT. Consequently, laser generation by (at) the CNT may occur as a result of two main factors: photoemission and luminescence by the molecules adsorbed at the CNT with subsequent anomalous amplification in the near field due to SERS. The physics of these phenomena are explained in [3–4].
The CNT were created in the heterogeneous plasma of the electric arc (with current ≤100A)/ Their walls were doped with nano particles (cerium atoms) and exposed to variable, wide-band, laser radiation. The coherent generation by (at) the CNT was photographed after a high-definition polychromator. To treat the CNT – carbon surface interaction zone, a GSGG:Сr+3 (λ~740–900nm) crystal laser was used. The date obtained suggests that the role of the active medium was played by CNTs synthesized in the heterogeneous plasma in the process of the CNT walls doping with metal atoms which were introduced into the CNT material in the course of CNT thermal synthesis in heterogeneous, carbon plasma. With their assistance, collective excitation (resonance) excitation of conduction electrons in metal nano particles was implemented with initiation of a coherent radiation flow. Besides, the cerium nano-particles with fixed distances between them could serve as walls of a (high-quality) resonator [11], thus facilitating coherent radiation involving CNTs. When they are treated with light of a wide-band, tunable laser with a homogenously enhanced amplification loop, coherent generation from CNTs was registered. Its registered spectra are shown in Figure 3. Radiation from CNTs conformed to the conditions which characterize forced generation flows which occur under conditions of laser pumping. At present, research is carried out to expand possibilities for production of coherent emission from CNTs, possibilities to create laser sources on the basis of metal-carbon medium are also investigated.
What is described above is experimental results of coherent emission production using carbon nano-tubes (CNT) [7, 13-14] synthesized in heterogeneous plasma. Another interesting phenomenon – Dicke coherent super-radiance (CSR) – was observed in the course of the research. [8–10].
To observe and register it, it was necessary to meet a number of conditions [9]. The most important of them include: 1. The atomic system and radiation field must interact at one and the same frequency, 2. Their spectral width must be ultimately narrow, 3. The corner diagram of the radiation flow direction in a space must be minimal, 4. The occurring coherent radiation flow must pass through a zone occupied by atoms (between laser mirrors) at least a number of times (i.e. the time of systems interaction is limited).
The narrowness of the spectral widths of these systems is achieved due to the use of a high-quality laser resonator and discrimination of the radiation field modes (limitation of the liner dimensions of the volume occupied by atoms). Radiance generation is based on the interaction of two systems: an atomic one, which accumulates the energy of the pumping source, and a field one, to which the atomic system transmits accumulated energy in the form of radiation flow.
Used as plasma sources were: electric arc in the heterogeneous carbon plasma with the medium temperature of (5–12)103 ˚K and light-erosion laser torch which is produced when carbon targets doped with metals are treated with intensive radiation (λ~1.06 microns). In the light-erosion laser torch, the plasma temperature was higher than that in the electric arc. Plasma formations from each of these generators were placed into a resonator of a tunable laser performing functions of an interactivity laser spectrum analyzer (ILSA) [7], which registered, with high definition, the emission and adsorption spectra, as well as laser pulse dynamics. One feature of the plasma formations used was their doping doping with metal additives (cerium and other metals), and it was in the products of plasma erosion where thermal synthesis of carbon nano materials (for instance, CNT) took place [7]. Laser generation of coherent radiation from CNT and the coherent super-radiation effect are limiting cases of one and the same process taking place between the atom and field systems in [11] in the laser resonator.
Figures 1-5 show the following: Running installation (Figure 1), registered interaction of the varying laser emission and heterogeneous plasma containing carbon nano-materials generated during thermal synthesis (Figure 2), and their effect on the processes tasking place in the course of broad-band laser treatment of heterogeneous plasma containing CNTs. Generation of coherent emission involving CNTs under laser excitation by tunable lasers (Figure 3) was registered [7, 13–14], as well as characteristic dynamics of laser pulses (Figure 2, 4) – adsorption and emission spectra of coherent generation (Figures 3-5). The data obtained characterizes coherent generation from CNTs (Figure 3) [7, 13-14] and coherent superradiance (Figures 4-5), whose theoretical treatment is presented in [11]. One feature of the presented work is that heterogeneous plasma with carbon nano-tubes thermally-synthesized in it was placed in the resonator of the tunable laser [7].
Later, the amount of data may be expanded to serve as a basis for new research and search for practical applications. During this work, the coherent super-radiance effect characterized the CNT generation procedure (result of a thermal synthesis of metal-carbon medium [7] in heterogeneous plasma), which manifests itself in the form of changing laser pulse dynamics [7, 13,14] (upon interaction between varying laser radiation and heterogeneous plasma and nano-materials produced in it). Furthermore, the types of emission and adsorption spectra of the coherent super-radiance registered during interaction between varying laser radiation and heterogeneous plasma containing CNT were changing, too.
After interaction with the plasma medium, the coherent radiation flow had narrow directivity pattern, while the evaluated intensity was significant (greater than 1 MW), with the generation pulse duration shorter than one microsecond and pulse energy of up to several mj. These evaluations were attributed to initial characteristics of the registered coherent super-radiance in the event of presence of heterogeneous plasma with thermally-synthesized nano-materials in the laser resonator. The dynamic characteristics (pulse shape) and generation spectra of the coherent radiation pointed to the non-linear character of coherent radiation interaction with the medium of interest.
It follows from [9] that coherent super-radiance may occur only during the time of phase memory retention, when the medium analyzed is in the coherent state. But if we consider an extended system (such as heterogeneous plasma from CNTs), whose size exceeds the wavelength of the incident radiation falling on it, the cooperative effect of spontaneous radiation will be weaker. Further research into nano-objects synthesized in the heterogeneous plasma treated with radiation of a tunable laser, will make it possible to identify new spectral regions in which coherent super-radiance will be registered, and they may find practical use.
This report contains results of the initial research and observation of the effect of carbon nano-materials thermally-synthesized in heterogeneous plasma and placed into a laser resonator on the appearance of coherent radiation [7, 13–14] and coherent super-radiance due to involvement of CNTs thermally synthesized in heterogeneous plasma.
Using the Dirac theory, R. Dicke [10] showed that in a system consisting of two atoms (the distance between which is shorter than the wavelength of the radiation falling on them), the probability of spontaneous radiation is twice as high than that associated with one atom. This means that the time of spontaneous decay of such system is shorter by half, compared to the case that can be described by the following expression:
N(t) = N(0)e-t,
which characterizes the appearance of – spontaneous radiation effect for atomic system [11]. And the effect increases with an increase of the number of atoms in the atomic system. To observe coherent super-radiance, it is not necessary that all the atoms are in the excited state, but the number of atoms are in the excited state must exceed the number of atoms in the ground state. Such state of the atomic system is called an inverted one.
When considering a multi-atom system placed into a space with linear dimensions shorter than the wavelength of the radiation falling on it, interaction between the atoms must be taken into account (without regard for the process of atoms collision or other occurring (or associated) irregularities). It leads to additional broadening of the atomic systems’ spectra, whose inverse value (breadth of spectral line) determines the phase memory time, which directly characterizes coherence of radiation flow [11]. The cooperative process of spontaneous atomic medium radiation may take place only during the time of phase memory retention, when the system analyzed is in the coherent state [11].
But if we consider an extended system whose size exceeds the wavelength of the incident radiation falling on it, the cooperative effect of spontaneous radiation will be weaker (or will not occur at all). In an extended system (cylindrical-form CNT filled with atoms), the radiation flow will be directed along the greater elongation (system filled with atoms – CNT analog). In such systems, photons emitted within diffraction, solid angle λ2/D2 [9] (where λ is the wavelength of the falling radiation and D is the size of the lateral dimension atomic system) may take part in the process of super-radiance. Therefore, the relation between the diffraction angle and full, solid angle will be another factor behind the weakening of the cooperative effect. In a continuous, atom-filled system (such as, for instance, CNT), it may exist if condition [11] is fulfilled:
where N0 is concentration of the excited atoms and L is the length of the atoms-filled system.
Thus, in a continuous, atom-filled system, reduction of the spontaneous radiation time is not by a factor of N (for a cylindrical, restricted system) but only by a factor of N´, where N´ is the number of atoms in a separated volume coinciding with the specimen length, while its lateral dimension is commensurable with the wavelength of the radiation falling on it. While intensity of normal, spontaneous radiation exponentially attenuates with time t, the CSR is an intensive coherent light emission pulse (as it was shown theoretically in [8,9] and confirmed experimentally in [10,12]) which takes place with some lag after preparation of the excited state of the atomic system. And the initial intensity of CSR is equal to the intensity of normal, spontaneous radiation flow.
Duration of the CSR pulse is of an order of t. Since t is inversely proportional to the concentration of excited atoms N0, while full radiation energy is proportional to N, peak intensity (i.e. intensity at the maximum pulse point) will be proportional to N02, which is an important feature of the CSR phenomenon.
In the event of CSR, in-phase summation of radiating atoms’ dipole moments takes place, and a macroscopic dipole moment proportional to the number of atoms occurs. Since full radiation intensity is proportional to the square of the dipole moment, it is also proportional to the value of N02.
The SCR peculiarities show themselves only if an atoms-filled system is not too large: Its length must not exceed the so-called cooperative length which may be evaluated based on the equality of duration of the registered SCR pulse and time of light propagation along the atoms-filled system used (L/c).
Another restriction of the optical pulse duration time reduction is natural oscillations period – a limiting case of pulse duration time approach to the carrying radiation natural period.
Finally, we may dwell on the practical uses of the Dicke effect we registered during our work. Thermal synthesis of CNT in heterogeneous plasma is accompanied by: Creation of CNTs (sort of a test), CNT interaction with a flow of varying radiation causes a flow of coherent laser radiation (from the near field area) and occurrence of the SCR effect due to CNTs’ involvement.
In this work we present experimental data concerning occurrence of the SCR effect due to involvement of CNTs synthesized in heterogeneous plasma doped with metal additives (which was previously observed in [7,13–14]) and registration of the SCR effect. In the process of work, we registered specific features of the coherent laser generation, including spectra, radiation pulse dynamics and nonlinear character of intensity of coherent radiation flows that occurred with involvement of CNTs synthesized in heterogeneous plasma. The data obtained may help widen the views on the theoretical and experimental peculiarities of coherent radiation production with involvement of carbon nano-tubes. ▪
Отзывы читателей
