Light amplification and lasing in nanostructured hybrid materials

Abstract

In this thesis, the laser action from new nanocomposite (mainly based on zinc oxide (ZnO)) and bifunctional (scattering and amplifying) materials and the determination of the photophysical mechanisms that are responsible for the observed laser emission, which was termed as random laser, are studied. The required optical feedback for the random laser action is obtained from microcavities that are randomly formed among the scatterers. The matrix (organic or inorganic) keeps the nanoparticles dispersed while in parallel it offers its mechanical properties (i.e. flexibility). For the optical characterization and the study of the random laser phenomenon the samples are optically pumped with pulsed laser sources of proper wavelength and temporal pulse width. The experimental measurements that took place regard the spectral recording of the emitted photoluminescence and the random laser emission as a function of various pumping conditions (excitation energy density, temporal pulse width, excitation wavelength, sample temperature, excitation surface area, etc), the measurement of the temporal decay of the emission, the recording of random laser modes and finding the optimal condition for their appearance, the real-time measurement of the coherence length of the random laser emission and the understanding of the random laser phenomenon, the study of the gain and feedback mechanisms and as a whole the study of the random laser action in the new nanohybrid ZnO materials that we have produced. Finally, there was an additional study on the optical characterization (absorption, fluorescence and quantum efficiency measurements) of surface functionalized carbogenic nanoparticles fabricated through thermal oxidation (i.e., a one-step process) of suitable molecular precursors (mainly ammonium citrate salts). Depending on the counterion of the citrate salt, organophilic or hydrophilic derivatives could be derived.

Το θέμα της παρούσας διατριβής αφορά στη μελέτη του φαινομένου δράσης laser από νέα νανοσύνθετα υλικά (κυρίως με βάση το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO)) τα οποία συνδυάζουν τις ιδιότητες της ισχυρής σκέδασης και της ενίσχυσης του φωτός και στον προσδιορισμό των φωτοφυσικών μηχανισμών που είναι υπεύθυνοι για την παρατηρούμενη εκπομπή ακτινοβολίας λέιζερ, η οποία περιγράφεται με τον όρο random laser. Η οπτική ανάδραση που απαιτείται για τη δράση random laser εξασφαλίζεται από την ύπαρξη τυχαίων μικροκοιλοτήτων που σχηματίζονται μεταξύ των σκεδαστών. Η μήτρα (οργανική ή ανόργανη) που συγκρατεί διεσπαρμένα τα σωματίδια, προσφέρει παράλληλα τις μηχανικές της ιδιότητες (π.χ. ελαστικότητα). Για τον οπτικό χαρακτηρισμό και τη μελέτη του φαινομένου random laser τα δείγματα αντλούνται οπτικά, με παλμικά λέιζερ κατάλληλου μήκους κύματος και χρονοδιάρκειας. Οι πειραματικές μετρήσεις αφορούν τη φασματική καταγραφή της εκπεμπόμενης φωτοφωταύγειας και της ακτινοβολίας random laser συναρτήσει διαφορετικών συνθηκών άντλησης (ροή ενέργειας διέγερσης, χρονοδιάρκεια παλμού, μήκος κύματος διέγερσης, θερμοκρασία δείγματος, επιφάνεια άντλησης, κ.τ.λ.), τη μέτρηση του χρόνου ζωής, την καταγραφή ρυθμών random laser και τις συνθήκες που εμφανίζονται, τη μέτρηση του μήκους συμφωνίας της εκπομπής random laser σε πραγματικό χρόνο και την εξαγωγή συμπερασμάτων γύρω από το φαινόμενο random laser, τη μελέτη των μηχανισμών ενίσχυσης (αναστροφής πληθυσμών) και οπτικής ανάδρασης και συνολικά τη μελέτη της δράσης random laser στα νέα νανοϋβριδικά συστήματα ZnO που χρησιμοποιούνται. Τέλος, διεκπεραιώθηκε μελέτη και οπτικός χαρακτηρισμός (μετρήσεις απορρόφησης, φθορισμού, κβαντικής απόδοσης) σε φθορίζοντα νανοσωματίδια άνθρακα όντας παρασκευασμένα μέσω ανθρακοποίησης κατάλληλων μοριακών προδρόμων (precursors) που αποτελούνται κυρίως από αμμωνιούχα κιτρικά άλατα. Αναλόγως με τη φύση της επιφανειακής τροποποίησης, σχηματίζονται νανοσωματίδια άνθρακα με υδρόφοβο ή υδρόφιλο μοριακό «περιτύλιγμα» το οποίο και ορίζει την ικανότητα διασποράς των νανοσωματιδίων σε οργανικούς ή ανόργανους (υδατικούς) διαλύτες, αντίστοιχα