Оптическое управление эффективной диэлектрической функцией дисперсных систем на основе полупроводниковых наночастиц: фундаментальные особенности и возможности практического применения

Объектом исследования являются наноструктурированные дисперсные пассивные и активные случайно-неоднородные среды на основе полупроводниковых и диэлектрических наночастиц. Целью проекта является развитие подходов к управлению оптическими и электрическими характеристиками дисперсных систем в оптическом и низкочастотном диапазонах на основе полупроводниковых и диэлектрических наночастиц путем воздействия импульсно-модулированного и непрерывного лазерного излучения в частотных областях резонансного взаимодействия излучения с частицами или с матрицей, содержащей частицы. Разработана и экспериментально верифицирована методика исследования низкочастотной фотопроводимости в плотноупакованных слоях полупроводниковых наночастиц, характеризуемых большими значениями энергии Урбаха и доминирующей прыжковой проводимостью. Разработана и апробирована в лабораторных условиях технология синтеза фотопроводящих наноструктурированных слоев путем осаждения микро и наночастиц на встречно-штыревые структуры с различным межэлектродным расстоянием. Установлены фундаментальные особенности фотоотклика полупроводниковых микро и наноструктур при взаимодействии с периодическим импульсным лазерным излучением. Разработан и верифицирован в экспериментах модифицированный метод z-сканирования применительно к анализу диэлектрических и оптических свойств субмикронных и микронных частиц; предложена методика восстановления эффективной комплексной диэлектрической функции микрочастиц из данных z-сканирования c использованием аппроксимации зависимостей сечений экстинкции и дифференциального сечения рассеяния частицы для заданного угла детектирования по теории Ми. Систематизированы полученные данные о комплексной диэлектрической функции полупроводниковых наносистем на основе экспериментальных зависимостей интенсивности рассеяния и поглощения от плотности мощности зондирующего излучения с помощью модифицированного метода z-сканирования с одновременной регистрацией рэлеевского рассеяния под углом 90 градусов к плоскости распространения зондирующего излучения. Для реализации метода безопорной низкокогерентной рефлектометрии разработана экспериментальная платформа, отличительной особенностью которой является доставка излучения от конфокального блока к блоку регистрации через многомодовое оптоволокно. Это приводит к эффекту смешения мод, приводящей к уменьшению длины когерентности детектируемого излучения. Несмотря на общее снижение чувствительности системы при применении оптоволоконного патч-корда, подобная конфигурация может быть собрана из общедоступных компонентов и в совокупности с процедурами коррекции шумовых составляющих, она может быть использована для оптической диагностики случайно-неоднородных сред, на основе наночастиц насыщенных лазерными красителями. С применением метода безопорной низкокогерентной рефлектометрии проведены экспериментальные исследования статистических свойств пространственных флуктуаций спектров флуоресценции накачиваемых непрерывным лазерным излучением флуоресцирующих случайно-неоднородных наноструктур. Разработана методика оценки оптических транспортных свойств исследуемых систем по данным безопорной низкокогерентной интерферометрии в условиях малых значений отношения «сигнал-шум». Систематически исследованы фундаментальные особенности возникновения стохастической лазерной генерации в случайно-неоднородных средах на основе наночастиц допированных лазерными красителями с высоким квантовым выходом флуоресценции. Показано аномальное уширение зоны флуоресцентного отклика при увеличении интенсивности зондирующего излучения, непосредственно связанное с существенным влиянием отрицательного поглощения в подобных системах. Разработана кинетическая модель эволюции флуоресцентного излучения, учитывающая возникновение "горячих зон" - локализованных микрорезонаторов с низкой добротностью ассоциируемых с лазерными спеклами, возникающими из-за когерентности лазерного возбуждения. Модель описывает отношение индуцированной компоненты флуоресцентного излучения к спонтанной в зависимости от сечения радиационных потерь, отвечающего за выход фотонов в окружающее пространство. Рассмотрены верхние границы сечения радиационных потерь и особенности переноса флуоресцентных фотонов в ансамблях микрорезонаторов. Разработана методика характеризации фотоотклика новых типов туннельных фотодатчиков на основе молибденовых наноэмиттеров. С использованием разработанной методики получены экспериментальные данные о фотоотклике подобных датчиков при воздействии импульсного лазерного излучения в видимом и ИК оптическом диапазонах.