Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

СВЕТОИНДУЦИРОВАННАЯ ПСЕВДО-ПРИЗМА В НАНОЖИДКОСТИ

Иванова Г.Д. 1 Хе В.К. 1
1 1ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», Хабаровск, Россия (680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47)
Нелинейно-оптические методы широко используются для оптической диагностики материалов в аналитической химии. Метод термоиндуцированной псевдо-призмы применяется для исследования двухкомпонентных сред. При этом измеряется угол отклонения светового луча в слое среды с термоиндуцированным градиентом показателя преломления. В данной работе предлагается способ создания псевдо-призмы в нанодисперсной жидкофазной среде за счет светового давления опорного излучения. В жидкофазной среде с наночастицами существует специфический механизм оптической нелинейности, основанный на перераспределении концентрации частиц дисперсной среды в световом поле. В работе проведен теоретический анализ светоиндуцированного массопереноса в дисперсной жидкофазной среде в однородном световом поле. В результате аналитического решения задачи светоиндуцированного массопереноса получено выражение для угла отклонения сигнального луча в псевдо-призме. Полученные результаты актуальны при исследовании дисперсных жидкофазных сред, а также для оптической диагностики таких сред._______________________________________________________________________________________
метод псевдо-призмы
световое давление
наножидкости.
1. Иванов В.И., Иванова Г.Д., Хе В.К. Влияние термодиффузии на термолинзовый отклик в жидкофазной дисперсной среде// Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, межвуз. сб. науч. тр. / под общей редакцией В. М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2013. – Вып. 5. — С. 112-115.
2. Иванов В.И., Кузин А.А., Ливашвили А.И., Хе В.К. Динамика светоиндуцированной тепловой линзы в жидкофазной двухкомпонентной среде // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. —2011. —Т.4, №134. — С.44-46.
3. Иванов В.И., Кузин А.А., Окишев К.Н. Оптическая левитация наночастиц: монография. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. — 105 с.
4. Иванов В.И., Кузин А.А., Окишев К.Н. Термодиффузионный механизм самомодуляции излучения в среде с поглощающими наночастицами // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2009. —Т.52, №12-3. — С.114-116.
5. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Термодиффузионный механизм самовоздействия излучения в среде с наночастицами // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2009. — Т.52, №12-3. – С.117-119.
6. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Электрострикционный механизм самовоздействия излучения в жидкости с наночастицами// Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. — 2009. — Т. 4, № 2. — С. 58-60.
7. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Эффект Дюфура в дисперсной жидкофазной среде в поле гауссова пучка // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, межвуз. сб. науч. тр. / под общей редакцией В. М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2013. – Вып.5. — С. 116-119.
8. Иванов В.И., Ливашвили А.И., Окишев К.Н. Термодиффузионный механизм изменения оптического пропускания двухкомпонентной среды // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2008. – Том 51­, № 3. – С. 50-53.
9. Иванов В.И., Окишев К.Н., Карпец Ю.М., Ливашвили А.И.
Термодиффузионный механизм просветления двухкомпонентной среды лазерным излучением // Известия Томского политехнического университета. — 2007. —Т. 311. — № 2. — С. 39-42.
10. Buzzaccaro S. Kinetics of sedimentation in colloidal suspensions / S. Buzzaccaro, A. Tripodi, R. Rusconi, D. Vigolo, R. Piazza // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2008. – Vol. 20. - № 49. – P. 494219.

В аналитической химии широко используются нелинейно-оптические методы диагностики материалов, основанные на различных механизмах светоиндуцированной модуляции оптических констант среды [1-3]. В этих материалах существуют концентрационные механизмы оптической нелинейности, основанные на термодиффузионном [6-7] и электрострикционном [8-9] эффектах. Светоиндуцированное изменение концентрации полимерных наночастиц приводит к соответствующей модуляции оптических свойств среды. Это позволяет реализовывать различные модификации оптического бесконтактного контроля параметров наночастиц практически в реальном времени.

 Наиболее известные методы (тепловая линза, динамическая голография) успешно применяются для исследования жидких наносуспензий [3-9]. Гораздо реже используется метод псевдо-призмы, в котором в качестве измеряемого сигнала используют угол отклонения сигнального луча в слое среды с градиентом показателя преломления (метод псевдо-призмы) [10]. В частности, термоиндуцированная псевдо-призма в наносуспензии использовалась для исследования термодиффузии наночастиц [10].

В данной работе впервые предлагается использовать светоиндуцированную псевдо-призму для диагностики наногетерогенной жидкофазной среды. При этом для создания призмы в прозрачной наносуспензии используются силы светового давления.

Целью данной работы является теоретический анализ отклонения луча в светоиндуцированной псевдо-призме.

Рассмотрим жидкофазную среду с наночастицами (дисперсная фаза), находящуюся под воздействием опорного лазерного излучения с равномерным профилем интенсивности  (Рис.1). Под действием сил светового давления в кювете создается градиент концентрации частиц и, соответственно, показателя преломления. Сигнальный луч  распространяется перпендикулярно опорному и отклоняется в образованной псевдо-призме на угол θs.

 

Отклонение луча.png

Рис. 1. Оптическая схема псевдо-призмы.

 

Для расчета угла отклонения луча в псевдо-призме используем выражение [10]:

 

                                   ,                                                (1)

где -длина кюветы вдоль распространения сигнального луча,   - показатель преломления среды.

Для малой концентрации частиц с радиусом, много меньшим длины волны излучения l, показатель преломления среды пропорционален концентрации частиц [1]:

 

                                    ,                                                      (2)

где ;  - показатели преломления вещества дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно, - объемная концентрация дисперсных частиц,  - объемная доля дисперсной среды,   - объем одной наночастицы.

Отсюда   

.                                                  (3)

Сила светового давления, действующая на наночастицу со стороны мощного опорного луча равна[8]:

                                                ,                                                      (4)

где

                                 ,                                   (5)                                                                                                

;  - показатели преломления веществ дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно;  - радиус частицы,  - длина волны излучения, -  скорость света.

Балансное одномерное уравнение, описывающее динамику концентрации наночастиц в жидкофазной среде с учётом диффузии [8]:

 

.                                        (6)

Здесь приняты следующие обозначения: - объемная концентрация дисперсных частиц, ось  направлена вдоль опорного пучка - коэффициент диффузии. Скорость частицы , где   - коэффициент подвижности частиц,  - вязкость жидкости.

Соответствующие граничные условия:

 

, при           и ,                                  (7)

 

где   - высота кюветы вдоль распространения опорного луча.

Начальные условия:

, при  ,                                                   (8)

где  - начальная концентрация наночастиц.

Уравнения (6)-(8) являются третьей краевой задачей нестационарного массопереноса в сплошной среде,  решение которой имеет вид:

 

,                            (9)

где  – соответствующая функция Грина:

 

 ,                       (10)

где  введены обозначения:

 

,                                (11)

.                                             (12)

Здесь – корни уравнения .

Точное решение уравнения (3)-(5):

 

      (13)

 

Решение уравнения (10) в приближении малых изменений концентрации дает:

 

.   (14)

 

Из (14) получаем для градиента концентрации наночастиц:

 

,            (15)

 

Пусть зондирующий луч распространяется точно по середине кюветы. Тогда для угла  отклонения такого луча получаем:

 

.      (16)

где  введены времена релаксации пространственных решеток:

 

 .                                                   (17)

Введем безразмерный угол отклонения (нормированный на установившееся стационарное значение угла):

.                                                  (18)

Рассчитанная по формулам (16-18) зависимость угла от времени приведена на рис.2. Характерной особенностью полученной зависимости является «задержка» нелинейного отклика на малых временах.

Полученное в рамках данной модели выражение позволяет определять характеристики дисперсных наночастиц, что значительно расширяет возможности метода. Предложенная схема светоиндуцированной псевдо-призмы не требует наличия поглощения среды и поэтому свободна от обычно мешающего влияния тепловой конвекции [8-10].

Таким образом, в работе получено выражение для угла отклонения луча в светоиндуцированной псевдо-призме в прозрачной дисперсной среде (наножидкости). Полученные результаты актуальны для аналитической химии полимеров [1-5], а также для оптической диагностики дисперсных жидкофазных сред [6-10].

Рис. 2. Зависимость угла отклонения в псевдо-призме от времени

Рецензенты:

Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Физика и теоретическая механика» ФГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск;

Жуков Е.А., д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры "Электротехника и электроника"  ФГОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск.


Библиографическая ссылка

Иванова Г.Д., Хе В.К. СВЕТОИНДУЦИРОВАННАЯ ПСЕВДО-ПРИЗМА В НАНОЖИДКОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23639 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674