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(2005¸ 1 Z 4 21{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2005¸ 3 Z 4 9{ 9 þ j7 á x : r ~ Ã Î6 £ §)
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PACS numbers: 42.65.P
Keywords: ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô, & ³ à ÌÓ o, F g © î ß & ñ , q + þ A f ¨ à º> à º
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(nonlinearity)õ C ¨ 8 ½ ¨ ¸_ ½ + ËÜ ¼ Ð { 9 # Q H F g © î
ß & ñ (optical bistability) É r F g 7 H o r Ð [2], F g` O Û ¼ & ñ + þ A
r Ð, F g7 £ x; ¤ l , F g Û ¼0 Au [3], 1 p x \ 6 x| ¨ c à º e Ü ¼ 9 F g :
x , F g( É Ó' 1 p x_ l : r è Ð" f ª ô Ç 6 £ x6 x$ í ` ¦
. s Qô Ç F g © î ß & ñ É r 1969¸ Sz¨ oke 1 p x \ _ K q + þ
A f ¨ Ã º\ ¦ í < Ê H s : r& h ³ ð & ³s % 6 £ § Ü ¼ Ð ] jî ß ) a Ê
ê [4], Felber, McCall 1 p x \ _ K µ 1 Ï ÷ &% 3 Ü ¼ 9, 1976¸ H.M. Gibbs \ _ K ì rí ß + þ A F g © î ß & ñ s ' a8 £ ¤ ÷ &% 3 [5].
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Ê ê ² D G ? /\ " f ¸ F g © î ß & ñ & ³ © \ @ /ô Ç ½ ¨ '
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&# Q M ® o ¦, ZnS, ZnSe, AlGaAs, Ó o& ñ 1 p x_ B | 9 \ " f Ð
¦ ) a e [6–9].
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g © î ß & ñ É r Bonifacio ü < Lugiato\ _ K · ú 9 & Ü ¼ 9 [10], s â Ä º B | 9 ? /Â Ò\ " f F g © î ß & ñ \ 9 כ ¹ô Ç C ¨ 8 õ
&
ñ (feedback process)` ¦ í < Ê ¦ e # Q" f ü @Â Ò_ C ¨ 8 ©
∗
E-mail: [email protected]
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H r Û ¼% 7 \ " f_ F g © î ß & ñ É r Hajto ü < Janossy 1 p x \ _ K
q & ñ | 9 ì ø Í ¸^ GeSe 2 ~ Ã Ì} \ " f % 6 £ § Ü ¼ Ð · ú 9& ¦ [11], Si, ZnS, InSb, CaHgTe, CdS, ZnSe, GaAs/GaAlAs 1
p
x \ " f ¸ Ð ¦ ) a e [12].
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C\ y > ì ø Í6 £ x H : £ ¤$ í ` ¦ q + þ A Ó ü t| 9 [ þ t
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r ª ô Ç 6 £ x6 x$ í s e # Q # Q ½ ¨l ' a \ " f ½ ¨÷ & ¦ e
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¸È ÓÚ Ô_ q + þ A F g < Æ& h : £ ¤$ í [ þ t s Ð ¦÷ & ¦ e . : r
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II. T Â ] Ø
1. ÿ ¤] k ù ° Ë Ña ê s mX N Ë T Â ] Ø [2,13]
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-261-
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º 7 £ x H % i í o f ¨ Ã º^ (reverse saturable absorber)\
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A = A(N ) (1) s
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N = ηAP in (2)
Ð ³ ð & ³ ) a . # l " f η H q Y V © Ã ºs . d (1)õ d (2)\
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f N` ¦ è P in _ < Êà º A\ ¦ ½ ¨½ + É Ã º e . { 9 ì ø Í
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T = (1 − A) (3)
Ð ³ ð & ³ ) a . È Òõ ) a F g_ [ jl H
P out = T P in (4) Ü
¼ Ð l Õ ü t ÷ & ¦ d (3)` ¦ d (4)\ @ /{ 9
P out = (1 − A)P in (5) Ü
¼ Ð Ø ¦§ 4 F g_ [ jl \ ¦ ³ ð & ³½ + É Ã º e . Fig. 1 H Õ ªa Ë >
K
~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð Õ ª 2 ; e _ _ A(N)\ @ /ô Ç È Òõ : £ ¤$ í Õ ªA á
Ôs . Fig. 1(a)\ " f f A ∼ D H d (2)\ " f { 9 0
> P in _ o\ É r È Òõ ¸ o\ ¦ ? / ¦, & h Ü ¼
Ð ³ ðr ) a / B G É r d (1)\ " f N_ o\ @ /ô Ç T = 1 − A(N)\ ¦ ? / ¦ e . Fig. 1(b) H { 9 § 4 F g_ [ jl \
É
r Ø ¦§ 4 F g_ [ jl o\ ¦ Ð# Å Ò H Õ ªA á Ôs . Fig. 1\
"
f P in s A → B → C → D Ð 7 £ x ½ + É M : Bü < C s \ " f
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º > h_ K \ ¦ t H כ ` ¦ · ú Ã º e ¦, s H / B I F g © î ß & ñ _
â > ¸| s ) a . r ´ ú K " f Bü < C s \ " f H ½ Ó
© ¿ º > h_ î ß & ñ ) a © I \ ¦ t H F g © î ß & ñ s z ` ¦
·
ú Ã º e .
Fig. 1. Graphical solution of optical bistability resulting from a hypothetical absorption increasing[A(N)] with in- creasing excitation; (a) The curve is T =(1 - A) against N from Eq. (1) and the straight lines are T against N for various P in from Eq. (2), (b) P out , the transmitted power, is plotted against P in the incident power.
Fig. 2. The schematic view of idealized absorptive optical bistability.
B
| 9 ? /\ " f_ ^ C ¨ 8 : £ ¤$ í É r 6 £ §` ¦ É r .
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(2)\ " f { 9 \ -t P in s 7 £ x Ns 7 £ x ô Ç .
r N_ 7 £ x H d (1)\ " f_ A\ ¦ 7 £ x r v ¦, s H d
(2)\ " f_ N` ¦ r 7 £ x r . s Qô Ç C ¨ 8 õ & ñ s f
¨ Ã º 7 £ x Ó ü t| 9 ? /\ " f_ ^ C ¨ 8 ` ¦ { 9 Ü ¼v ¦ F g © î ß
&
ñ & ³ © s > ÷ & H כ s .
Fig. 2 H f ¨ à º+ þ A F g © î ß & ñ \ " f_ { 9 F g õ Ø ¦§ 4 F g_
Fig. 3. Open aperture z-can experiment; (a) The propa- gation of beam, (b)Typ-ical result.
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© & h o ª © ` ¦ Ð# Å Ò H Õ ªa Ë >s . { 9 F g s 7 £ x
< Ê\ Ø ¦§ 4 F g ¸ 7 £ x Ø ¦§ 4 F g s f ¨ à º\ _ K
/ å L y y è ¦ r { 9 § 4 F g s y è < Ê\ Ø ¦§ 4 F
g_ [ jl r4 ¤ ÷ &# Q y è H כ ` ¦ ^ ¦ Ã º e .
2. ú n Þä Ä m} º x ¢ ½¬ ; c" e8 ý R Ò Å] k ù ÿ ¤ [16]
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© ô Ç { 9 \ -t \ " f H % i í o f ¨ Ã º\ ¦ · p . s Q ô
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ñ _ ^ C ¨ 8 ¸| s ) a .
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º$ í s e Ü ¼ y n C_ [ jl \ f ¨ Ã ºÖ ¦ s ² ú t ¦, B
| 9
_ 0 Au \ F g Ø ¦ l _ Ø ¦§ 4 É r > ÷ &Ù ¼ Ð s
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¦ s 6 x # Fig. 3(a)_ \ P 2 ; ½ ¨ â (open aperture) z-scan
~
½ ÓZ O Ü ¼ Ð q + þ A f ¨ à º> à º\ ¦ ½ ¨½ + É Ã º e . Fig. 3(b)_ Õ
ªA á Ô\ " f e _ _ 0 Au z\ @ /ô Ç È Òõ Ö ¦ É r d (6)Ü ¼ Ð
· p .
T (z) ≈ log[1 + q 0 (z)]
q 0 (z) (6)
#
l " f q 0 (z) É r d (7)õ ° ú .
q 0 (z) = β ef f I 0 L ef f
1 + ( z z
0
) 2 (7)
Table 1. Nonlinear absorption coefficient β ef f in the MWNT suspensions at 532 nm [17].
Water Chloroform Nonlinear absorption
coefficientβ
ef f5.20 × 10
−10mW
−18.00 × 10
−9mW
−1#
l " f β ef f H B | 9 \ " f_ q + þ A f ¨ Ã º> Ã º\ ¦ ? / 9 I 0 H í& h \ " f Y Us $ c _ [ jl s ¦ L ef f = [1 − exp( −α 0 L)]/α 0 H r « Ñ_ ´ òÖ ¦& h ¿ ºa s 9 z 0 = πω 2 0 λ H Y
Us $ c _ r] X U ´s s . # l " f L É r r « Ñ_ ¿ ºa s
¦ α 0 = −( L 1 ) log T H r « Ñ_ + þ A f ¨ Ã º> Ã ºs 9 ω H c )
o , λ H Y Us $ c _ © s .
s
Qô Ç z-scan ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô_ q + þ A f ¨ à º
\
¦ 8 £ ¤& ñ y n C_ [ jl \ q + þ A f ¨ Ã º & H
כ
` ¦ · ú Ã º e . 7 £ ¤, f ¨ Ã º 7 £ x \ _ ô Ç f ¨ Ã º+ þ A F g © î ß
&
ñ _ ^ C ¨ 8 ¸| % i í o f ¨ Ã º\ ¦ ç ß ] X & h Ü ¼ Ð [ O " î ½ + É Ã
º e . Table 1 É r © s 532 nm Nd:YAG Y Us $ \
"
f_ q + þ A f ¨ Ã º> Ã º\ ¦ · p [17].
III. ÷ m Ç ] M ö
1. S z » < gX c l z
´+ « >\ 6 x ) a × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô\ ¦ 6 x B \ ì rí ß r v
l 0 AK í6 £ § ì r Wl (sonicator)\ ¦ 6 x # 2r ç ß 1 l x î
ß ì r W # & ³ à ÌÓ o` ¦ ] j % i . × æ# 4 ò ø Í è ¸È Ó Ú
Ô H © 6 x ] j¾ ¡ § Ü ¼ Ð Ò q t$ í ~ ½ ÓZ O É r CVD, í H ¸ H 95 % s 9
¸È ÓÚ Ô_ U ´s H 10 ∼ 50 µm, t 2 £ § É r 15 ∼ 30 s ¦,
6 x ) a 6 x B Ð H 7 £ x À Óà ºü < 9 þ t Ð Ð í2 £ § s . 6 x B Ð 7 £ x À
ÓÃ º\ ¦ 6 x½ + É M : H ì rí ß ` ¦ 6 x s > l 0 AK > Ö ¸
$ í
] j(Tribton ×100)\ ¦ F G è| ¾ Ó ' # ì r W % i ¦ 9 þ t
Ð Ð í2 £ §` ¦ 6 x B Ð 6 x½ + É M : H > Ö ¸$ í ] j\ ¦ ' t
· ú § ¦ ] j % i . í6 £ § ì r Wl Ð ì r Wô Ç & ³ Ã ÌÓ o` ¦ µm é ß 0 A_ 2 £ §7 á x s \ : x õ r & ¢ - a y ì r o ÷ &t · ú § É r bundle` ¦ 9Å Ò ¦ 12r ç ß 1 l xî ß Õ ª@ / Ð ¿ º# Q 6 xÓ o` ¦ î ß
&
ñ o r & Å Ò% 3 . s & ³ Ã ÌÓ o[ þ t` ¦ y y ; ¤ 10 mm y + þ A quartz cell \ Å Ò{ 9 # ] j % i ¦, r « Ñ_ 0 l x ¸\ ¦ ² ú o
" f F g © î ß & ñ z ´+ « >` ¦ Ã º' % i .
r
« Ñ_ 0 l x ¸(È Òõ Ö ¦) H UV-Visible spectro photome- ter\ ¦ 6 x # 8 £ ¤& ñ % i .
2. ÷ m Ç] M ö X ê sV
× æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô_ F g © î ß & ñ ` ¦ ' a8 £ ¤ l 0 AK
Fig. 4 ü < ° ú É r z ´+ « > © u \ ¦ ½ ¨$ í % i .
Fig. 4. Experiment setup for detecting the optical bista- bility in MWNT suspensions.
$ BS(beam splitter)\ " f ì ø Í ô Ç F g_ ô ÇA á ¤ Â Òì r s z
´o B H F g Ø ¦ l PD 1 \ _ K 8 £ ¤& ñ ÷ &# Q { 9 F g` ¦ Ø ¦ 9, r « Ñ\ ¦ t è ß Ø ¦§ 4 F g É r PD 2 \ " f Ø ¦ ) a . F g " é ¶ Ü ¼ Ð
H © s 532 nm DPSS Nd:YVO 4 Y Us $ (Shanghai Dream Lasers Technology, SDL-532-100T)\ ¦ 6 xÙ þ ¡ ¦ chopper(Stanford Research Systems, SR540)\ ¦ 6 x
#
{ 9 F g_ [ jl ü < + þ A` ¦ ¸r ( . r « Ñ\ F g` ¦ | 9 F
g r v l 0 AK í& h o 50 mm ^ ¦2 ¤E $ Ý ¼\ ¦ 6 xÙ þ ¡
¦ Ø ¦ ) a F g_ [ jl H ¸z ´ ÐÛ ¼ ïá Ô(Tektronix, TDS- 724A) ü < ( É Ó' \ ¦ 6 x # 8 £ ¤& ñ % i .
IV. ÷ m Ç] M ö + s ÇÊ Ý õ m Í º8 ý
: r z ´+ « >\ " f 6 x ) a × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô r « Ñ\ " f F
g © î ß & ñ _ 9 Ã º ¸| ü @Â Ò C ¨ 8 > \ O s , 7 £ ¤ / B N l \ O s
f ¨ à º+ þ A F g © î ß & ñ ` ¦ ' a8 £ ¤½ + É Ã º e % 3 . s H r « Ñ? / Ò
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" f / B N l \ " fü < ° ú É r C ¨ 8 ¸| ` ¦ t ¦ e l M :ë H s
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C ¨ 8 ¸| É r r « Ñ_ í& h Â Ò H \ " f_ F gf ¨ à º f ¨ à º 7
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x Ó ü t| 9 \ " f_ f ¨ Ã º ` ¦ 7 £ x r v ¦ f ¨ Ã º _ 7 £ x H
r F gf ¨ Ã º\ ¦ 7 £ x r v H { 9 º _ ì ø Í4 ¤ õ & ñ Ü ¼ Ð [ O " î ½ + É Ã
º e . s Qô Ç f ¨ Ã º 7 £ x Ó ü t| 9 É r F g_ [ jl 7 £ x < Ê\
Y Us $ \ " f_ f ¨ Ã ºÖ ¦ s & h & h 7 £ x > ) a . F g _ [ jl \ É r f ¨ Ã º 7 £ x H \ P ´ òõ ¢ ¸ H -& ñ / B N e ¦
Ý ¼ 1 p x Ü ¼ Ð # Ó ü t| 9 _ / B N" î ¢ ¸ H f ¨ Ã º s Y U s
$ © A á ¤ Ü ¼ Ð s 1 l x # è ß õ s . s Qô Ç f ¨ Ã
º 7 £ x H Ó ü t| 9 É r ü @Â Ò C ¨ 8 > \ O s f ¨ Ã ºÖ ¦_
^ C ¨ 8 Ü ¼ Ð ¸ F g © î ß & ñ ` ¦ è q à º e [2]. Fig.
5(a) H 6 x B Ð 7 £ x À Óà º\ ¦ 6 x ¦ + þ AÈ Òõ Ö ¦ s 30 %, chopping Å Ò Ã º 250 Hz{ 9 M :_ × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô _ { 9 F g õ È Òõ F g_ [ jl _ r ç ß o\ ¦ · p . Fig.
5(a) \ " f x» ¡ ¤ É r r ç ß , y» ¡ ¤ É r F g_ [ jl s . Fig. 5(b) H { 9
F g õ È Òõ F g [ jl \ ¦ y y x» ¡ ¤, y» ¡ ¤ Ü ¼ Ð Z ~ ¤` ¦ M :_
¸z ´ ÐÛ ¼ ïá Ô © _ o ` ¦ Ø ¦§ 4 ô Ç כ s .
Fig. 5 \ " f ^ ¦ à º e 1 p w s { 9 F g_ 7 £ x \ Ø ¦§ 4 F
g s 7 £ x f ¨ à º\ _ K Ø ¦§ 4 F g s / å L y y è
¦ r { 9 § 4 F g s y è½ + É M : Ø ¦§ 4 F g É r r4 ¤ ÷ &# Q y è
H כ ` ¦ ^ ¦ Ã º e . s H s : r \ " f_ f ¨ Ã º+ þ A F g © î ß & ñ
\
" f ^ ¦ à º e H { 9 F g õ Ø ¦§ 4 F g_ + þ Aõ { 9 u ô Ç .
Fig. 6 É r 6 x B Ð 9 þ t Ð Ð í2 £ §` ¦ 6 x ¦ + þ AÈ Òõ Ö ¦ s
65 % × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô_ chopping Å Ò Ã º\
É r { 9 F g õ Ø ¦§ 4 F g_ [ jl _ r ç ß os . Fig. 6\ " f
¸z ´ ÐÛ ¼ ïÄ ºá Ô o _ x» ¡ ¤ É r r ç ß , y» ¡ ¤ É r F g_ [ jl s
. Fig. 6\ " f chopping Å Ò Ã º 7 £ x ½ + ÉÃ º2 ¤ È Òõ Ö ¦ s high \ " f low Ð 7 H switching down power H 7 £ x
¦, switching up power H y è H כ ` ¦ ^ ¦ Ã º e % 3 .
s
Qô Ç switching down powerü < switching up power_ 7
£
xy \ _ K ^ & h Ü ¼ Ð switching slope_ ¢ - aë ß K f ` ¦
^
¦ Ã º e ¦, s H r « Ñ_ 6 £ x² ú 5 Å q ¸ chopping Å Ò Ã º_ 7
£
x \ 0 p y # Qt > ÷ & H õ s .
° ú
É r chopping Å Ò Ã º\ " f 6 x B 9 þ t Ð Ð í2 £ §{ 9 M : 7 £ x À
ÓÃ º\ q K È Òõ Ö ¦ s high\ " f low Ð 1 M :_ [ jl , 7
£ ¤ switching on, off r _ È Òõ Ö ¦_ [ jl s 8 H כ Ü
¼ Ð ' a8 £ ¤ ÷ &% 3 . s H r « Ñ_ 6 £ x² ú : £ ¤$ í s 7 £ x À ÓÃ º\ ¦ 6 x B
Ð 6 xÙ þ ¡` ¦ M :\ q K 9 þ t Ð Ð í2 £ § s 8 a % ~ H כ ` ¦ _ p ô Ç . Õ ª s Ä » H 6 x B Ð 9 þ t Ð Ð í2 £ §` ¦ 6 xÙ þ ¡` ¦ M :
Fig. 5. Osillogram of optical bistability in MWNT sus-
pended in water. Chopping frequency is 250 Hz; (a)
Temporal changes of input power(upper trace) and out-
put power(lower trace). (b) The characteristic waveform
of input-output resulting from (a).
Fig. 6. Optical bistability depends on chopping fre- quency in MWNT suspended in chloroform.
_ q + þ A f ¨ Ã º 7 £ x À ÓÃ º\ ¦ 6 xÙ þ ¡` ¦ M : Ð 8 ´ ú §s { 9
#
Qz ¤l M :ë H s . × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô & ³ à ÌÓ o\ " f_ q
+ þ A f ¨ Ã º H Õ ª 6 x B _ \ P & h : £ ¤$ í , 7 £ ¤ = å X H& h , & h ¸, ³ ð
© § 4 1 p x \ l ô Ç (Table 2). 6 x B _ = å X H& h s ± ú ¦ & h
¸ü < ³ ð © § 4 s ` ¦ à º2 ¤ q + þ A f ¨ à º 8 ´ ú §s { 9 # Q è
ß [18]. Õ ª QÙ ¼ Ð 7 £ x À ÓÃ º\ q K \ P & h : £ ¤$ í s ± ú É r 9 þ t
Ð Ð í2 £ § \ " f_ q + þ A f ¨ Ã º 8 y © . s Qô Ç 9 þ t Ð
Ð í2 £ §_ : £ ¤$ í É r r « Ñ\ " f Ð ´ òÖ ¦& h \ P 6 x s { 9
Table 2. Thermodynamic properties of the solvents used in this experiment [18,19].
Boiling Viscosity Surface Solvent
point(K) (Pa ·s) tension(Nm
−1) Water 373.2 10
−373 × 10
−3Chloroform 334.3 10
−427 × 10
−3#
Q > ÷ &# Q f ¨ Ã º+ þ A F g © î ß & ñ _ C ¨ 8 > Ð 6 x H F g f
¨ Ã º 8 y © > { 9 # Qè ß [19].
V. + s Ç Â ] Ø
× æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô & ³ à ÌÓ o\ " f_ f ¨ à º+ þ A F g © î ß & ñ
`
¦ ' a8 £ ¤ % i . { 9 F g_ [ jl 7 £ x < Ê\ B | 9 _ q
+ þ A f ¨ à º 7 £ x H × æ# 4 ò ø Í è ¸È ÓÚ Ô_ f ¨ à º+ þ A F
g © î ß & ñ _ B & m 7 £ § É r { 9 § 4 F g_ F gf ¨ Ã º B | 9 _ f ¨ Ã º
_ 7 £ x \ ¦ l r v ¦ f ¨ Ã º _ 7 £ x H r F gf ¨ Ã º
\
¦ 7 £ x r v H { 9 º _ ì ø Í4 ¤ õ & ñ s feedback systemÜ ¼ Ð
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Optical Bistability in Multiwalled Carbon Nanotube Suspensions
Jungho Mun and Sok Won Kim ∗
Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749 (Received 21 January 2005, in final form 9 March 2005)
Optical bistability is a the phenomenon in which two stable values of the output light intensity exist for one given value of the input intensity. The purpose of the study of optical bistability was the development of optical logic devices and of the applications for optoelectronic devices.
In this study, the optical bistability in multiwalled carbon nanotube (MWNT) suspensions was investigated. Two suspensions of carbon nanotubes were prepared by sonicating MWNT bundles and dispersing them in either distilled water or chloroform. The light source was a diode-pumped solid-state Nd : YVO
4laser with a wavelength of 532 nm, and it was modulated using a light chopper. Through this study we found that the suspension of MWNTs in chloroform had greater optical bistability than the suspension of MWNTs in distilled water, which could be explained by heat exchange between the carbon nanotube and the solvents.
PACS numbers: 42.65.P
Keywords: Carbon nanotube, Suspension, Optical bistability, Nonlinear absorption coefficient
∗
![Fig. 1. Graphical solution of optical bistability resulting from a hypothetical absorption increasing[A(N)] with in-creasing excitation; (a) The curve is T =(1 - A) against N from Eq](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5436061.233160/2.892.527.764.156.631/graphical-solution-bistability-resulting-hypothetical-absorption-increasing-excitation.webp)
