Научные и прикладные результаты лаборатории 01Эффективная диагностика онкологии мочеполовой системы на основе метаболитов выдыхаемого воздухаМетаболомная диагностика в настоящее время считается наиболее перспективной для раннего определения заболевания. Метаболиты – сложные органические соединения, индицирующие протекание определенных биохимических реакций в организме. Статистически необычный уровень метаболитов может означать наличие заболевания. В отличие от инвазивного забора тканей органов для проведения лабораторных анализов, определить уровень лёгких метаболитов можно неинвазивно при исследовании выдыхаемого человеком воздуха. Совместно с группой ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана на базе Урологической клиники и поликлиники LMU Klinikum (Германия) в период 2021-2023 гг. проведено пилотное исследование в малых группах (до 100 человек) здоровых и заболевших людей [1-5]. Отбор добровольцев проводился в госпитале, где врачи определяли наличие онкологии и её стадию путём анализа биопсии ткани (так называемый золотой стандарт), получаемой инвазивным методом. Инфракрасные спектры поглощения образцов выдыхаемых газов анализировались с целью определения молекулярного состава, используя базы данных спектров веществ. Затем применялись различные статистические методы для выявления групп больных и здоровых пациентов по различиям в интенсивности поглощения в выявленных участках спектров, пропорциональной концентрации соответствующих метаболитов. Примеры статистических различий в спектрах поглощения для групп больных и здоровых людей приведены на рис. 1.
В результате было выявлено восемь специфических метаболитов, пять из которых являются продуктами жизнедеятельности бактерий мочеполовой системы. Впервые удалось получить точность выше 95% отделения группы больных раком простаты от контрольной (здоровой) группы, как и группы больных раком мочевого пузыря и почек от контрольной группы. Для сравнения существующий анализ на ПСА (простатический специфический антиген) тест имеет точность не выше 70%, что означает три неверных диагноза из десяти поставленных. Рис. 2 иллюстрирует степень разделения больных и здоровых пациентов методом главных значений по спектральным данным их выдоха. Полученный результат имеет высокую социальную значимость в связи с 4-м местом рака простаты по смертности в России. За последние 10 лет прирост заболеваемости составил почти 100%, а смертности - 30%, несмотря на развитие методов выявления и лечения.
Если в дальнейших исследованиях подтвердится, что злокачественная опухоль возникает из-за заражения мочеполовой системы бактериями, то после их идентификации можно будет предложить стратегию медикаментозного лечения против этих бактерий, по аналогии с успешно развитым методом профилактики рака желудка, когда этому предшествует заражение бактерией Helicobacter pylori (как правило, в случае гастрита). Предполагаемый успех идентификации бактерий мочеполовой системы даст шанс на предотвращение онкологии не только простаты, но и почек, и мочевого пузыря. Развиваемый метод диагностики относится к неинвазивным. Такие методы благоприятно сказываются на регулярности проведения мониторинга здоровья и в результате делают возможным более раннее выявление заболевания.
Публикации
2021Связь долго затухающей флюоресценции с возникновением долгоживущего поляризованного состояния атомов рубидияВ ячейках с парами рубидия изучены особенности возбуждения долго затухающей флюоресценции при различных геометрических конфигурациях пучков бихроматического лазерного излучения. Проведенные эксперименты показывают, что для возникновения долго затухающей флюоресценции обязательно прямое взаимодействие атомов как с пучком накачки, так и с зондирующим пучком, находящимися в резонансе с трехуровневой Λ схемой, образованной переходами с 52P1/2 на подуровни основного состояния 52S1/2 F=3 и 52S1/2 F=2. Показано, что для возникновения данной особенности флюоресценции не обязательно пространственное совмещение пучка накачки и пробного пучка, что подтверждает представление о связи долго затухающей флюоресценции с возникновением долгоживущего поляризованного состояния атомов рубидия, не разрушающегося при многократных (около 40 раз) столкновениях со стенками кюветы, покрытыми церезином. Основные наблюдаемые эффекты в различных геометрических конфигурациях представлены на рис. 1-3 [1, 2].
Было обнаружено, что в любом месте тонкой трубки отсутствует медленная флуоресценция. Этот факт позволяет определить число столкновений со стенками ячейки, при которых поляризованное состояние рубидия еще сохраняется. Число столкновений тем самым дает прямую информацию об антирелаксационных свойствах покрытия, нанесенного на стенки кюветы.
Публикации
Основные научные и прикладные результаты группы мощных ионных лазеров, достигнутые в период 2003–2018 гг.
Рис. 1. Ti3+: Al2O3-лазер (слева) с источником накачки МИЛ-05 (справа)
Прикладные разработкиМощный одномодовый диодно-накачиваемый твердотельный лазер (pdf) Мощный одномодовый диодно-накачиваемый Nd:YVO4лазер с воздушным охлаждением (pdf) 2020Вращательная перестройка периода интерференции в системе, состоящей из беззеркального двухлучевого интерферометра и неподвижного относительно него фотоприемникаВпервые предложена и проанализирована не юстируемая система двухлучевой интерферометр – фотоприемник, в которой положение симметричной интерференционной картины фиксируется на фотоприемнике, неподвижном относительно интерферометра. При этом интерферометр представлен единственным элементом — светоделительным кубиком. Система обладает предельными компактностью и виброустойчивостью по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения. Пространственная частота перестраивается в интервале 100–2500 мм–1 (λ = 540 нм) или 200–4000 мм–1 (240 нм). Система может найти применение в области исследования новых фоточувствительных материалов (голография, фоторезисты), для создания рельефных периодических структур (интерференционная литография), записи брэгговских решеток в оптических волокнах.
Публикации
2019Изучение механизмов адсорбции аммиака на поверхность кремнезема позволило существенно раширить диапазон чувствительности фотонно-кристаллического датчикаРанее в исследованиях, проводимых в Лаборатории физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН с фотонно-кристаллическими пленками, сложенными из упорядоченных наношариков кремнезема, обнаружилась высокая чувствительность оптических свойств пленок к присутствию паров воды и аммиака. Изменения оптических свойств оказались весьма избирательны к этим газам. Обнаруженный эффект был применен для разработки нового типа сенсора на пары аммиака. Полярные молекулы аммиака и воды обладают близкими свойствами при взаимодействии с поверхностью кремнезема. Поэтому для выяснения возможностей сенсора была поставлена задача изучить воздействия паров воды от аммиака по раздельности, что сделать совсем не просто. Аммиак способен растворяться в воде в крайне больших объемах, и наличие даже исчезающе малых количеств воды даже в адсорбированном состоянии на поверхности шариков уже способно влиять на механизм взаимодействия паров аммиака с сенсорной системой. Отклик кремнеземной пленки изучался двумя различными методами: в одном пленка как целое использовалась в качестве интерферометра Фабри-Перо, оптический путь в котором меняется при взаимодействии с газом, а в другом - благодаря упорядоченной наноструктуре пленки, как фотонный кристалл, в котором изменяется спектральное положение запрещенной зоны в отраженном свете. Образец пленки помещался в герметичную камеру, куда могли селективно напускаться газы в сухом азоте, и вместе с нею мог удерживаться при повышенной температуре вплоть до 120 С с целью полного освобождения наноструктурированной кремнеземной пленки от молекул воды. Внесение в камеру с предварительно обезвоженным образцом сухого аммиака при комнатной температуре приводило к смещению спектрального положения запрещенной зоны (рис., a) аналогично тому, как это происходит с парами воды. При этом продувание сухим азотом восстанавливало исходное положение зоны. Если же силанольные группы (Si-OH) на поверхности кремнезема деактивируются при термическом отжиге образца при 150 С, взаимодействия с сухим аммиаком не обнаруживается. Полученные данные показывают, что молекулы аммиака способны взаимодействовать с поверхностью и без молекул воды, образовывая слабые водородные связи, и легко разрывать их, покидая поверхность. При этом при концентрациях до 1000 ppm физическая адсорбция является основным механизмом отклика сенсора, который быстро насыщается с повышением концентрации, в то время как отклик на влажность в отстутствии аммиака остается линейным в диапазоне практически от 0 до 100%. Оказалось, что при слабом присутствии паров воды, благодаря линейному отклику на воду и конкуренции между процессами конденсации воды и аммиака, насыщение отклика на аммиак пропадает (рис., b). Отклик в диапазоне больших концентраций аммиака вплоть до величины порядка 105 ppm остается близким к линейному. Было показано, что высокая концентрация не приводит к деградации или отравлению сенсора. В результате диапазон чувствительности разрабатываемого оптического сенсора аммиака расширяется до десятков объемных процентов. Сохраняя возможность измерять весьма малые концентрации, разрабатываемый сенсор остается чувствительным к весьма большим концентрациям аммиака без деградации своих свойств. Принимая во внимание, что токсичный аммиачный газ используется в промышленности, полученные результаты представляют большой практический интерес.
Публикации
2018Покрытие стенок ячейки может сильно влиять на длительность свечения возбужденных атомов рубидияАномально долгая флуоресценция паров рубидияСотрудники Лаборатории физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН в совместной работе с Институтом лазерной физики СО РАН обнаружили новое интересное явление - аномально долгое время затухания флуоресценции атомов Rb в вакуумной ячейке с покрытием из церезина (см. рис. 1). Это время на шесть порядков больше, чем время затухания возбужденных атомов рубидия в нормальных условиях. Этот необычайно длительный распад может наблюдаться только в высококачественных ячейках с покрытием, обеспечивающим длительное сохранение возбужденного состояния атомов, при оптической накачке на атомных подуровнях основного состояния. Было обнаружено, что в этих условиях распад не является экспоненциальным.
Исследование численной модели на основе полной матрицы плотности показало, что наиболее вероятным механизмом наблюдаемого явления является процесс перераспределения заселённости по подуровням основного состояния атомов Rb. Однако, понимание природы затягивания распада ещё требует углубленного изучения. Обнаруженное явление очень интересно не только с академической точки зрения, но может быть использовано, например, для изучения качества различных анти-релаксационных покрытий в резонансных ячейках, что важно для создания атомных часов с рекордной стабильностью. Исследование опубликовано в качестве препринта в архиве Корнельского Университета [1]. Публикации
2017Спазеры как биологический зонд
Зонд представляет собой конструкцию размером всего 22 нм из золотой частички и оболочки из диоксида кремния (рис. 1), содержащей активные молекулы красителя, и способен генерировать вынужденное излучение (спазерный эффект) непосредственно внутри живых клеток (рис. 2). Авторами продемонстрирован режим генерации, связанный с образованием динамического пузырька пара вокруг зонда, который приводит к гигантскому увеличению интенсивности излучения и сужению его спектра. В результате спазеры излучают более, чем в 100 раз ярче, с шириной спектра в 30 раз более узкой, чем при том же уровне накачки квантовые точки, которые также могут использоваться как зонды. Продемонстрированный режим расширяет функциональность применения спазеров, позволяя реализовывать фототермическую и фотоакустическую визуализацию и терапию при меньшем уровне накачки.
Для демонстрации некоторых возможностей применения спазеров как биологических зондов поверхность диоксида кремния была ковалентно функционализирована фолиевой кислотой для молекулярного нацеливания на раковые клетки. Эксперименты с культурами раковых и нормальных клеток человека показали нетоксичность зондов, высокую селективность скопления функционализированных спазеров в раковых клетках и эффективное разрушение раковых клеток при возбуждении спазерной генерации. При этом для разрушения достаточно всего нескольких наносекундных лазерных импульсов возбуждения. Излучение от клеток, маркированных спазерами, регистрируется сквозь миллиметровый слой крови, а также сквозь ткани уха мышей, что невозможно при маркировке квантовыми точками. Дальнейшие разработки спазеров для биологических применений позволят перейти из видимого диапазона спектра излучения в инфракрасный (в область прозрачности биологических тканей), получить более узкие линии излучения и фотоакустические резонансы с накачкой для увеличения чувствительности детектирования зонда и его специфичности. Публикации
Spaser as a biological probeCancer tumors are known for their ability to proliferate or metastasize. This happens either through cancer cells spreading through lymphatic nodes or by the so called circulating tumor cells (CTC’s). In the difficult task of cancer diagnostics and therapeutics (the so-called theranostics), the easiest task may be removal or destruction of the primary tumor but fighting the cancer cells migrating through the lymphatic system at the CTC’s traveling through blood vessels is an altogether different and much more difficult problem. To diagnose and treat cancer, it is of primary importance to be able to see and differentiate them from normal tissues. For this purpose, one highlights the cancer cells by marking them with labels that usually are fluorescent objects: dye molecules or tiny semiconductor nanospheres called quantum dots. A requirement for such labels is that they emit bright light under optical illumination. This emission should be bright enough and have characteristic colors to be distinguishable from light scattering produced by the living tissues1. For use in vivo, these labels should be biocompatible and non-toxic for a human organism. Some of the labels can also be used for therapy, in particular, for photodynamic therapy2 or for thermal therapy3: killing the cancer cells due to photo-production of chemically active singlet oxygen or heat. Dye molecules or semiconductor colloidal quantum dots (SCQD’s) as fluorescent labels have common fundamental drawback: their emitting intensity is limited by the radiative decay rate of the fluorescing excite state (usually on the order of a nanosecond) and saturates (levels off) when the laser intensity increases to a moderate level on the order of a MW/cm2. This intensity can potentially be increased by increasing the concentration of the fluorescent label but the toxicity may become problematic in such a case, especially for the SCQD’s. Additionally, the absorption and emission lines of organic dyes are spectrally rather wide, which limits the achievable spectral selectivity. This disadvantage of wide spectra and low spectral selectivity is especially pronounced for the plasmonic nanoparticles used as theranostic agents3. A radically novel idea is pioneered in a recent article4 by Galanzha et al. where theranostic applications of a spaser (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation) are introduced and developed. The spaser as a phenomenon and device was proposed in 2003 by Bergman and Stockman5-6 and later developed and observed in a large number of works, in particular, see selected citations in ref. 4. Spaser is a plasmonic counterpart of laser where photons (quanta of electromagnetic field) are replaced by surface plasmons (quanta of electromechanical oscillations). The cavity (resonator) of a laser is replaced in the spaser by a metal nanoparticle (the spaser core), which supports surface plasmons whose fields are tightly nanolocalized in the vicinity of this core. Excitation of the spaser with an external laser pump causes generation of electron-hole pairs in the spaser shell and the stimulated near-field emission of coherent plasmons into the metal nanoparticle core (“resonator”) of the spaser – see Fig. 1 (a) and (b). Today the spasers are observed in a wide spectral range, from ultraviolet, across all visible, and into mid infrared; they are of many configuration and sizes. Now it looks like there will always be a spaser suitable for any particular nanoscopic job.
The fundamental advantage of the spaser over the conventional laser in micro- and nanoscopic application is that it is a near-field quantum generator, and its size can be much smaller than the wavelength – on the order of sizes of biological molecules and viruses. Its fundamental advantage also is that in contrast to common fluorescent labels its emission does not saturate: it is a stimulated emission and its intensity linearly depends on the pump power as long as the spaser is not physically damaged. Consequently, the brightness of the spaser and the energy released inside the targeted cell are orders of magnitude greater for the spaser than for conventional labels. The intensity and spectral brightness of the spaser radiating inside a living cell are of unprecedented total and, especially, spectral brightness – see Fig. 1 (c). A new intriguing property of transient vapor nanobubble around spaser that it can play the role of dynamic optical resonator with positive feedback amplifying spaser light and creating thus “giant” lasing that is important for cancer diagnosis at cellular levels in deep tissue. The spasers are chemically conjugated with folate to selectively target tumor cells internalized them as seen in Fig. 1 (d). The radiation of the spaser is so bright that even one spaser is well seen inside the cell [Fig. 1 (e)]. Multiple spasers produce unprecedented bright images within a cell [Fig. 1 (f)]. They are also excellent agents for photothermal and photoacoustic imaging because they also are equally efficient, unsaturable nano-generators of heat inside the cells – see [Fig. 1 (g)], which are greatly advantageous over conventional imaging and theranostics agents7-9. Moreover, ultrasharp photoacoustic resonances and red-blue resonance spitting8 can improve identification of targeted cancer cells in complex absorption background. The enormously large and unsaturable optical absorption by the spasers and the corresponding efficient generation of heat, nanobubbles8 and shock waves inside the cell allows one to effectively use them for theranostics – just a few laser pulses are sufficient to reliably kill tumor cells using photomechanical effects within the irradiated volume without damaging the healthy cells. Indeed, laser-induced nanobubbles around the heated spaser during fast expansion and collapse provide the high kinetic energy and localized pressure that can damage vital structures of triple negative breast cancer cells that are resistant to conventional therapy. One can envision that it will become possible to detect and eliminate single CTC’s as they pass through a blood vessels: a very intense and highly monochromatic (narrow-spectral-band) radiation of the spasers will allow one to continuously monitor the passage of the CTC’s through surface blood vessels. As soon as a CTC is detected via its spaser radiation, a high-power laser pulse is sent that kills these CTC’s, one tumor cell at a time. And this only the beginning of using the spaser phenomenon in biomedicine. References
2015-2016Парадокс разрывных траекторий фотонов, отслеживаемых методом «слабых измерений» в составном интерферометре Маха–ЦендераВ недавней статье А. Данана с сотрудниками (Phys. Rev. Lett. 111, 240402 (2013)) было экспериментально продемонстрировано интригующее поведение фотонов в интерферометре. Упрощенная схема экспериментальной установки, представляющей вложенный интерферометр Маха–Цендера (ИМЦ), приведена на рисунке. Разные зеркала внутри ИМЦ вибрируют с различными частотами. Поворот какого-либо зеркала приводит к вертикальному сдвигу светового пучка, отраженного от этого зеркала. Этот сдвиг измеряется квадратичным фотодетектором QCD. Когда частота вибрации определенного зеркала появляется в спектре мощности регистрируемого сигнала, авторы статьи заключают, что фотоны были возле этого зеркала.
Поразительный результат получается, когда внутренний ИМЦ настраивается на деструктивную интерференцию света, распространяющегося к зеркалу F. В этом случае спектр мощности содержит не только пики на частоте вибрации зеркала C, но и два дополнительных пика на частотах вибраций зеркал A и B; пики же на частотах вибраций зеркал E и F отсутствуют. Из этих результатов авторы заключают, что прошлое фотонов не представляется непрерывными траекториями, поскольку фотоны регистрируются внутри внутреннего ИМЦ и не регистрируются вне его. Эти необычные результаты вызвали оживленную дискуссию. Тем не менее, до сих пор не было проведено всестороннего и ясного анализа такого эксперимента в рамках теории классических электромагнитных волн. В частности, было не выяснено, является ли природа отсутствия пиков на частотах зеркал E и F одинаковой, или различной. Мы показываем, что, учитывая а) малость отклонения световых пучков из-за вибраций зеркал и б) аксиальную симметрию пучков, разность мощностей света, поглощаемых в верхней (y≥0) и нижней (y≤0) ячейках QCD, может быть представлена в следующем виде:
где I0 – интенсивность света на входе составного ИМЦ, f(x,y) – нормированная амплитуда распределения пучка света ( В случае деструктивной интерференции внутреннего ИМЦ (φA = φC = φB ± π), выражение в фигурных скобках для разности D принимает вид {...} = {δA - δB + δC}. Природа отсутствия пиков на частотах вибраций зеркал E и F различна. Отклонение зеркала E одинаково сдвигает пучки в верхнем и нижнем плечах внутреннего ИМЦ, не изменяя его деструктивной интерференции. Отклонение же зеркала A (или B) приводит к возмущению деструктивной интерференции внутреннего ИМЦ, пропорциональному δA (δB). Более того, возникающий из-за этого выходящий пучок из внутреннего ИМЦ является антисимметричным относительно оси y вследствие аксиальной симметрии исходного пучка света и малости отклонения зеркал. В свою очередь, изменение этого выходящего пучка из-за отклонения зеркала F является симметричным и, следовательно, не измеряемым при помощи QCD. Следует подчеркнуть, что измеряемый сигнал D полностью обусловлен интерференцией модулированной и немодулированной частей световых пучков в ИМЦ. Так, в случае деструктивной интерференции внутреннего ИМЦ (φA = φC = φB ± π), немодулированная часть имеется только у пучка света, распространяющегося вдоль нижнего плеча внешнего ИМЦ. Когда этот световой пучок, движущийся от зеркала C, перекрывается, все пики исчезают. Итак, мы просто объяснили парадоксальные результаты обсуждаемой статьи в рамках традиционной концепции классических электромагнитных волн. Таким образом, нет никакой необходимости во введении новой концепции разрывных траекторий. Публикации
Радиационные переходы, вынужденные собственным излучением плазмыНелинейные явления в спектроскопии обусловлены вынужденными радиационными переходами. Их масштабное исследование началось с появлением лазеров, обеспечивших необходимый уровень интенсивности световых полей, и сотрудники Лаборатории физики лазеров ИАиЭ СО РАН внесли достойный вклад в эту деятельность мирового научного сообщества. Однако в возбужденных средах всегда присутствует собственное спонтанное излучение, которое также может индуцировать вынужденные переходы. Здесь мировой приоритет в обнаружении и исследовании вынужденных переходов, инициированных собственным излучением, принадлежит сотрудникам Лаборатории физики лазеров (см. литературу в работах [1-4]). Последующие исследования тлеющего разряда в смеси изотопов неона привели к обнаружению вынужденных процессов, инициированных излучением одиночных атомов [5-9]. Результаты опытов указывали на когерентное излучение света парой осцилляторов, принадлежащих разным, пространственно разнесенным изотопическим атомам. Полученные результаты необычны как для спектроскопии газоразрядной плазмы, так и в целом для физики. В [7] было выяснено, что аномальные резонансы порождаются переходами, имеющими невырожденный уровень, в широкой спектральной области (от УФ- до ИК-переходов) и отвечают пересечению частот зеемановских π- и σ-компонент этих переходов при значениях магнитных полей, соотвествующих их изотопическим сдвигам. Это позволило выдвинуть гипотезу о связи механизма образования оптикомагнитных резонансов пересечения частот (ОМРПЧ) с эффектами близкодействия, с реактивными, квазистатическими электрическими полями (КСП) ближней зоны излучения. Ранее эта зона атомов была недоступна наблюдению, и этим определяется интерес к исследованию данных аномальных резонансов. В работе [8], где исследовались ОМРПЧ, регистрируемые на изолированных спектральных линиях, было подтверждено, что положение ОМРПЧ не зависит от длины волны регистрируемой линии, а ОМРПЧ проявляются в виде изменения населенности родительских переходов. В работе [9] были представлены 4 типа ОМРПЧ, различающихся по форме, и их происхождение объяснено в рамках единой концепции нестационарной интерференции реактивных полей ближних зон излучения атомов. В этой концепции различие типов резонансов связывается с разными способами синхронизации фаз полей. Резонансы в ней описываются тригонометрическими функциями sinс(x)s = sin(x)/х и sinс(x)q = [sin(x–π/2) + 1]/х, х=Ω/Г, где Г – параметр ширины резонанса, а Ω – расщепление частот полей в единицах параметра ширины (в опытах с магнитным полем это Эрстеды). Физически они описывают нестационарную интерференцию колебаний двух разных частот (биение амплитуд) при обрывном ограничении времени регистрации 1/Г (усреднении биений по времени) в зависимости от разности частот Ω, как функцию с протяженными крыльями затухающих сателлитов. Функция sinс(x)s отвечает разности фаз полей равной нулю, т. е. синфазной синхронизации, и резонансы этой формы (пик в центре) получили название синфазных ОМРПЧ. Таков один из зарегистрированных типов ОМРПЧ. Он, как и в эффекте Дике, объясняется межатомной корреляцией спонтанного распада пары близко расположенных атомов, но при наличии магнитного поля дополнительно присутствует прецессия атомных диполей, а при отстройке его от резонанса появляется разность частот переходов, затрудняющая корреляцию совместного распада. Функция sinс(x)q отвечает разности фаз полей равной π/2, присущей вынужденному излучению и квадратурной синхронизации, когда при интерференции складываются только квадраты амплитуд. Поэтому резонансы, отвечающие этой форме (дисперсиоподобный контур в центре) получили название квадратурных ОМРПЧ. Зарегистрированы три типа квадратурных ОМРПЧ. Один из них, порождаемый переходами с нижним вырожденным уровнем и выглядящий как разность двух квадратурных резонансов разных ширин, назван разностным. Другой, порождаемый переходами с инверсией населенности, получил название кооперативного квадратурного резонанса. Здесь вынужденное испускания примесного изотопа порождается не КСП одиночного атома, а суммарным протяженным по времени КСП кооперативного когерентного эффекта (сверхизлучения Дике), наблюдаемого в макроскопических объемах больших длины волны излучения. На рисунке представлен график такого опыта, демонстрирующего форму производной резонанса, порождаемого переходом 3s2-3p1 c длиной волны 4,22 мкм. Он получен в разряде гелия, напущенного в откачанную кювету после работы со смесью изотопов неона с целью обезгаживания (очистки от изотопов). При отжиге продолжалась регистрация излучения, в течение которой из нестабильной структуры сигнала (тонкие линии) по мере десорбции неона из катода в разряд, сформировались протяженные крылья сателлитов квадратурного ОМРПЧ (более жирная линия, аппроксимирующая экспериментальные точки, отвечающие совпадению записей прямого и обратного проходов диапазона сканирования магнитного поля). При этом в остальных опытах сателлиты у синкусов отсутствовали. Это объясняется стабильностью продолжительности времени регистрации интерференции, определяемой в данном случае только временем накопления энергии фотона hω/2π вынужденно излучающим атомом примесного изотопа. В других случаях время совместного существования КСП атомов пары изменяется от пары к паре и сателлиты усредняются.
В работе [10] ОМРПЧ были применены для решения непростой задачи измерения изотопического сдвига основного состояния неона. ОМРПЧ, индуцируемые резонансными переходами, позволили решить эту задачу без использования узкополосных перестраиваемых лазерных источников в XUV диапазоне спектра, которые задействовались для этой цели ранее, и уточнить сдвиг. Публикации
Нелинейные резонансы в спектроскопии пробного поляНелинейные явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с атомами. получили применение не только как метод спектроскопического исследования веществ, но и лежат в основе многочисленных практических применений. Теоретический анализ этих явлений в газовых средах развивался, начиная с 60-х лет прошлого века для невырожденных двухуровневых и трехуровневых Λ- и Λ- схем, а в последующем и для описания вырожденных переходов. В мировой тренд построения фундамента нелинейной спектроскопии сотрудники ИАИЭ СО РАН и лаборатории Физики лазеров внесли существенный вклад. Однако ряд специфических эффектов, обусловленных вынужденными переходами в поле сильной световой волны, был в свое время упущен. Прогресс в обнаружении таких эффектов в настоящее время, обусловлен применением методов математического моделирования, которые позволяют исследовать схемы переходов, труднодоступные экспериментальному исследованию, и при интенсивностях лазерного излучения не допускающих аналитическое представление результатов. Полученные в последние годы результаты расширяют наши представления о физических процессах, протекающих при взаимодействии лазерных волн с атомами. В первую очередь, отметим работу [1] о выяснении роли спонтанного испускания по рабочему переходу в спектроскопии пробного поля двухуровневых систем при наличии спонтанного распада уровней системы на третьи уровни. Здесь в дополнение к традиционному провалу в структуре нелинейного резонанса появляется упущенная ранее структура, меняющая знак от совпадающего с провалом, до инвертированного. Особенно выразительно это выглядит для случая движущихся атомов и встречных волн, изображенного на рис. 1, где нижний уровень принят долгоживущим. Здесь узкая структура вблизи центра резонанса отсутствует при условии равенства коэффициента Эйнштейна Amn разности констант релаксации уровней (Гm - Гn). Если же Amn больше этой разности, то структура представлена провалом, а если меньше, то инвертируется в пик.
Подобная зависимость структуры резонанса от степени открытости перехода, естественно, должна присутствовать и на переходах с вырождением уровней. Однако в этом случае появляется зависимость от поляризации лазерных волн и возможность порождения и переноса магнитной когерентности уровней. При этом круг явлений, приводящих к возникновению инвертированных резонансов, оказывается довольно широким, и не всегда причины их появления получали адекватное толкование, чаще интерпретация таких резонансов вызывала затруднения. В работе [2] рассмотрены случаи таких заблуждений (в частности, с 50-и летней историей) с обоснованием правильной интерпретации. Более детально рассмотрены работы последних лет, демонстрирующие зависимость от взаимной поляризации лазерных волн инверсии резонансов электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) и резонансов электромагнитно-индуцированной абсорбции (ЭИА) в методе магнитного сканирования. Наиболее ярко поляризационные особенности проявляются для замкнутых переходов, когда верхнее состояние распадается только на нижний уровень перехода. На рис. 2 представлена форма резонанса для ортогональных (кривая 1) и для параллельных (кривая 8) линейных поляризаций полей. В работе представлены зависимости амплитуд провала и пика от значений параметров насыщения сильного и пробного полей, параметра ветвления излучения с верхнего уровня, времен жизни уровней и расщепления уровней (например, магнитным полем). В присутствии расщепления уровней меньшем, чем 0.1Гmn, резонансы меняют форму (кривые 2-4 и кривые 7-5). При большом расщеплении наблюдаются отдельно резонансы пропускания, симметрично смещенные относительно центра (так называемые родительские резонансы), и пики поглощения в центре линии (перекрестные резонансы).
При исследовании резонансов ЭИА выяснено, что основным физическим процессом, определяющим поведение амплитуд резонансов, регистрируемых на опыте, является непосредственно магнитная когерентность подуровней, основного состояния, наводимая полями когерентных волн, а вовсе не спонтанный перенос магнитной когерентности возбужденного состояния в основное, как это следует из опубликованных на момент проведения исследования работ. Публикации
Возбуждение широполосного терагерцового излучения в полингованных нелинейно-оптических полимерахМетодом оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов получена генерация терагерцовых импульсов в образцах пленок на основе полиимидов с ковалентным присоединением молекул хромофора типа DR. Квадратичные нелинейно-оптические свойства пленкам придавали в процессе приготовления за счет ориентации молекул хромофора во внешнем электрическом поле с помощью накладных электродов предложенной конфигурации. В образце пленки толщиной менее 1 мкм при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов за счет оптического выпрямления возбуждаются короткие (несколько колебаний поля, Рис. а) терагерцовые импульсы с амплитудой в 200 раз большей на единицу толщины, чем в кристалле ZnTe толщиной 500 мкм. При этом ширина спектра получаемых импульсов ограничена только длительностью импульса накачки (Рис. б). Исследованная полимерная композиция перспективна для создания в когерентных спектрометрах источников импульсного широкополосного терагерцового излучения, а также как электрооптическая активная среда для создания чувствительных сверхскоростных модуляционных устройств.
Публикации
2014Фотоэкстракция молекулярных газов из полимерной органической пленкиВпервые изучено явление десорбции молекулярных газов с поверхности полимерной пленки в присутствии диффузии молекул газа из приповерхностного объема (фотоэкстракция). Исследовалась фотоэкстракция различных молекулярных газов из полимерной пленки полидиметилсилоксана (ПДМС). Измерено изменение плотности молекулярных газов в зависимости от длительности освещения, интенсивности и длины волны света и температуры покрытия. Установлена линейная зависимость скорости фотоэкстракции от интенсивности падающего света. Подобно фотоэффекту фотоэкстракция отсутствует в длинноволновой области спектра вплоть до 550 нм. После преодоления порога около 550 нм в коротковолновой области эффект резко возрастает (рисунок, а). Эффект фотоэкстракции отсутствует при температурах меньше температуры стеклования ПДМС (−125 °С), при которых, как известно, объемная диффузия молекулярных газов в пленке сильно подавлена (рисунок, б). При длительном облучении пленки количество фотоэкстрагированных молекул экспоненциально падает со временем. Это падение сопровождается длинным хвостом диффузионной формы. Представленные результаты позволяют утверждать, что эффект фотоэкстракции имеет нетепловую природу и демонстрирует важную роль, которую играет в процессе отделения молекул от поверхности под действием света объемная диффузия.
Публикации
2013Узкие темные резонансы в спонтанном излучении газовой смеси четных изотопов неонаЭкспериментально обнаружено новое явление – подавление спонтанного излучения в газовой смеси изотопов 20Ne и 22Ne. Эффект проявляется в виде узких оптикомагнитных резонансов (ОМР) изменения интенсивности свечения газа при сканировании продольного магнитного поля. Положение ОМР (±1400 Гс и ±900 Гс) отвечает резонансным условиям, когда изотопический сдвиг компенсируется с помощью эффекта Зеемана. Узость ширин ОМР свидетельствует о подавлении эффекта Доплера, т.е. атомы разных изотопов, дающих вклад в резонансы, покоятся друг относительно друга. В этих условиях имеет место коррелированное спонтанное испускание пары изотопов с уменьшенной вероятностью.
Изотопические ОМР наблюдаются при низком давлении газа p ≈ 0,2 мм.рт.ст. и в узком интервале изменения давления – Δp/p ~ 0,1. Для образования ОМР требуется присутствие обоих изотопов – 20Ne и 22Ne. Резонансы в области ±1400 Гс обусловлены уменьшением свечения газовой смеси. Полученные результаты не противоречат гипотезе об образовании перепутанных состояний пары атомов разных изотопов неона. Публикации
Фотодесорбция молекулярного азота с поверхности стеклаЭкспериментально исследована фотодесорбция молекулярного газа азота со стеклянных поверхностей при облучении их ксеноновой лампой. С помощью модельного эксперимента продемонстрировано, что максимальная импульсная плотность десорбированного азота достигается в ячейках цилиндрической формы минимальных радиусов и с источниками света, размещенными внутри ячеек. Полученные результаты могут позволить радикально увеличить чувствительность существующих сенсоров для детектирования малых газовых примесей в воздухе, а также для создания импульсных источников атомов или молекул, управляемых светом.
На рисунке показана зависимость плотности азота в тонкой цилиндрической ячейке от времени. Достигнуто относительное увеличение плотности во время вспышки света к начальной плотности γ = npeak/n0 = 300 раз. Публикации
Двухлучевые интерферометры, перестраиваемые вращениемПри использовании двухлучевых интерферометров, формирующих периодические интерференционные картины, в исследованиях новых фоточувствительных материалов (фотополимеров, жидких кристаллов, фоторефрактивных кристаллов, органических и неорганических пленок и др.), в создании запоминающих, кодирующих и декодирующих устройств, фотолитографии и в других областях науки и техники большое значение имеет возможность быстрой перестройки угла схождения интерферирующих пучков при минимуме юстировочных работ, стабильность и компактность интерферометра. Нами предложен способ перестройки угла схождения, производимой вращением интерферометра как целого относительно источника коллимированного светового пучка (далее исходный пучок), благодаря чему изменяется угол его падения на светоделительную поверхность. Проанализированы характеристики двух вариантов исполнения интерферометра, реализующих предложенный способ перестройки. Вариант монолитного двухлучевого интерферометра [1] предельно прост — в нем светоделительный кубик является единственным оптическим элементом. Исходный пучок падает на входную поверхность кубика под углом φ > 45°. Парциальные пучки, преломляясь на выходных поверхностях, сходятся под углом 2α =2φ – 90. В схеме отсутствуют юстируемые элементы, что обеспечивает высокую вибростойкость интерферометра. Во всем диапазоне перестройки угла схождения (0 < 2α < 80°) реализуется нулевая разность хода на осях парциальных пучков благодаря зеркальной симметрии интерферометра относительно светоделительной поверхности.
На рисунке показана возможность перестраивать угол схождения при фиксированном положении точки пересечения осей парциальных пучков (l = const). Такой режим работы интерферометра удобен для одновременной записи мультиплексных голограмм несколькими источниками света. Вариант интерферометра [2] с дополнительными зеркалами, установленными неподвижно относительно светоделительного кубика, обладает расширенным диапазоном перестройки угла схождения (0 < 2α < 180°) и возможностью использовать пучки большего диаметра. Публикации
Optical humidity sensor based on photonic crystal opal filmA new type of colorimetric sensor for humidity measurements has been proposed on the basis of photonic crystal (PhC) opal films. Sensor does not require electricity and represent a PhC plate saturated by salt solutions on different areas, which becomes transparent with increasing of humidity more than a defined value. The discovered effect is caused by vanishing of the band gap in transmission spectrum of the PhC film (Fig. 1). Upon reduction of humidity, the film regain its initial spectral properties in tens seconds. The revealed effect gives an opportunity to detect more than 50 levels of humidity, which is determined by selection of slats. The sensor has high temporal stability and allows registering a relative humidity change with precision of 2%.
Publications:
2012Когерентные изотопические эффекты в излучении газоразрядной плазмыОбнаружено новое спектроскопическое явление, возникающее в газоразрядной плазме смеси изотопов Ne20 и Ne22 в области магнитных полей компенсирующих изотопический сдвиг частот переходов. Эффект регистрируется в виде оптико-магнитных резонансов, центрированных на магнитных полях отвечающих точной компенсации сдвига, он возникает на определенных переходах и проявляется в изменении населенности уровней перехода. Вследствие последнего свойства эффект, обусловленный каким-либо из переходов, наблюдается в излучении со многих других уровней, как в интегральном излучении плазмы, так и на ряде спектрально выделенных переходов (рис. а). В последнее время он зарегистрирован и в поглощении лазерного излучения (рис. б). Здесь сдвинутые резонансы связаны с пересечением частот ИК-переходов. Форма резонансов нелоренцевая. В производной сигнала по магнитному полю, она может изменяться от куполообразной до близкой к производной лоренциана. В зависимости от типа перехода форма или одноконтурная (переходы J=1->J=0) или двухконтурная, типа пик в широком провале (переходы J=0->J=1). Для спектроскопии газоразрядной плазмы и физики в целом подобные эффекты когерентной связи возбужденных атомов разных изотопов явление совершенно необычное и его природу еще предстоит выяснить. На данный момент анализируются возможности образования радиационно связанных состояний изотопических атомов и интерференции квазистатических полей ближней зоны излучения такой пары. Экспериментально проверяются следствия, вытекающие из этих моделей.
Публикации
Динамика девозбуждения вырожденного двухуровнего атома вблизи (или внутри) материального телаПредложен общий подход к описанию релаксации возбужденного состояния атома, находящегося вблизи (или внутри) материального тела. В этом подходе учтена вырожденность состояний реальных атомов по вращательным степеням свободы, что до сих пор в теоретических работах не было сделано. Показано, что из-за вырожденности атомных состояний динамика девозбуждения является не экспоненциальной, как считалось раньше, а описывается связанной системой дифференциальных уравнений для так называемых мультипольных моментов (мультиполей) возбужденного состояния. Количество мультиполей, вовлеченных в процесс девозбуждения атомного состояния, пропорционально его угловому моменту. Установлено, что динамика девозбуждения различна для разных типов возбуждения атома. В частности, при возбуждении атома светом она зависит от его поляризации и направления распространения. Показано однако, что для атома с угловым моментом возбужденного состояния, равным 1/2, такой зависимости нет. В этом случае динамика девозбуждения является экспоненциальной. Для системы с аксиальной симметрией (например, полуплоскость или сферическая частица) она будет также экспоненциальной для атома с угловыми моментами верхнего и нижнего уровня Jm=1 и Jn=0 соответственно и линейной поляризации возбуждающего света, направленной вдоль или ортогонально оси симметрии (а также для круговой поляризации света, распространяющегося вдоль оси симметрии). В этих случаях как возбуждение, так и девозбуждение идет по одному и тому же единственному пути в подходящей системе координат (см. рис. 1). Последний исключительный случай простого экспоненциального распада возбуждения демонстрирует атом с Jm = 3/2 , Jn = 1/2 при возбуждении его светом линейной поляризации вдоль оси симметрии. Во всех же остальных случаях динамика девозбуждения является более сложной (см. рис. 2).
ПубликацииNikolaev G. Deexcitation Dynamics of a Degenerate Two-Level Atom near (Inside) a Body. - In: Smart Nanoparticles Technology. Abbass Hashim (Ed.). InTech, 2012. ISBN: 978-953-51-0500-8. Эффект большой угловой дисперсии в структуре стекло — фотонный кристалл и сенсор на его основеОбнаружен эффект большой угловой дисперсии для пленок опала в видимом диапазоне спектра, возникающий при преломлении и отражении света на границе стекло – фотонный кристалл (см. врезку на рис. 1а). Показано, что на фоне неизменного распределения по углам спектра отраженных и преломленных волн наблюдается темная полоса, соответствующая стоп-зоне фотонного кристалла, которая меняет свое спектральное положение при незначительном изменении концентрации ряда веществ, заполняющих поры кристалла.
ПубликацииПлеханов А.И., Кучьянов А.С., Заболотский А.А. Особенности проявления стоп-зоны в спектре дифрагированного на границе стекло-опал света // Письма в ЖЭТФ, 2009, т. 90, вып. 8. C.617–620.
Эффект фотодесорбции атомов рубидия в химически инертной полимерной органической пленкеПроведено детальное исследование эффективности фотодесорбции атомов рубидия предварительно накопленных в полимерной органической пленке. Исследования были проведены в стеклянной ячейке, внутренняя поверхность которой была покрыта пленкой (поли)диметилсилоксана (PDMS), облучаемой фотографической лампой-вспышкой. С помощью рубидиевой резонансной лампы, излучение которой использовалось как пробное, была изучена динамика плотности атомов рубидия в ячейке. Установлено, что около 25% всех атомов рубидия, внедренных в стенки ячейки, могут десорбироваться в течении единственного импульса света, а за несколько импульсов десорбируется почти 50% атомов. Полученые результаты могут быть полезными при разработке эффективных управляемых светом источников атомов для нового типа магнитооптических ловушек для атомов в условиях сверхнизкой плотности паров или очень слабых потоков атомов искусственных щелочных металлов (например, франция). Эффекты накопления и фотодесорбции частиц могут быть использованы при разработке сенсоров для обнаружения следов различных элементов (включая токсичные и радоиактивные), важных в экологических и геологических приложаниях. Публикации
Оптоволоконный химический сенсор на соединения аминного типаПредложено использовать тонкие пленки функциализированных красителем частиц кремнезема в качестве сенсорного элемента для создания компактных оптических сенсоров химических веществ, легко сопрягаемых с оптоволоконными сетями для удаленного мониторинга. Для повышения чувствительности сенсора предложено наносить фотонно-кристаллическую пленку опала поверх основного сенсорного слоя. Обладая стоп-зоной на заранее заданной длине волны фотонный кристалл, в данном случае, служит селективным зеркалом. Такое покрытие обладает пористой структурой, не препятствующей взаимодействию окружающих веществ с сенсорным слоем. Впервые реализована предложенная схема оптоволоконного химического сенсора на бутиламин. Сенсор включает в себя пленочную наноструктуру, нанесенную на торец оптического волокна диаметром 600 мкм. Она состоит из люминесцентных наночастиц кремнезема, модифицированных функциональным пирилоцианиновым красителем, синтезированным в НИОХ СО РАН, серебряных наночастиц и тонкого слоя фотонного кристалла. Покрытие сенсорной пленки сверху пористым селективным зеркалом в виде фотонного кристалла и внесение в неё наночастиц серебра диаметром 5–7 нм позволяет увеличить чувствительность сенсора в 10 раз. Чувствительность сенсора составляет 10–4 моль/л.
Публикации
Explosive evaporation of Rb or K fractal clusters by low power CW radiation in the presence of excited atomsWe describe a new, spectacular, unpredictable effect of the explosive evaporation of metallic Rb or K fractal clusters, only in the presence of excited atoms stimulated by resonant CW laser radiation in a heat - pipe glass cell (Fig.3a,b, see also the next moves Potassium.avi, Potassium on the window.avi, Rubidium.avi).
Evaporation occurs at low laser-power density, in the presence of a buffer gas. The effect consists of the generation of optically thick, sharply localized alkaline metals vapour clouds propagating in the cell against the laser beam. These clouds are charged and exhibit a strong luminescence of Rb or K spectral lines.
We believe that the explosive evaporation of metallic fractal clusters observed is explained by the laser excitation of alkali atoms. The excited atom collides into the surface of the clusters and transfers its internal energy to the surface locally. This energy greatly raises the temperature of this local part of the clusters surface, melts it and decreases the fractal surface area. Because, in general, any fractal cluster systems have a high surface energy, any process which leads to decreasing their surface area can liberate the surface energy. This energy increases the total temperature of the clusters and eventually leads to the thermal explosion of the cluster. Publications
2011Дисперсия квадратичной нелинейности поляризованных пленок хромофорсодержащих полиимидов в области резонансного поглощенияПолучены рекордные значения нелинейно-оптического коэффициента d33 = 25÷50 пм/В в спектральном диапазоне от 800 до 1500 нм для ряда новых термически стабильных хромофорсодержащих полиимидов в виде тонких пленок. Установлено, что максимум значения сдвинут в длинноволновую область спектра относительно пика поглощения хромофора, что следует учитывать при создании электрооптических модуляторов на основе хромофор-содержащих полимеров. Хромофорсодержащие полимеры привлекают пристальное внимание исследователей как перспективные материалы для применения в оптико-электронных и фотонных устройствах, таких как оптические переключатели, модуляторы света, оптические элементы логики и памяти, и т.д. Пленки хромофорсодержащих полимеров, поляризованных во внешнем электрическом поле, имеют макроскопическую квадратичную нелинейность, на один-два порядка выше, чем у кристаллических структур, а также пикосекундный оптический отклик и полуволновое напряжение ~1 В. Для практических приложений важным является то, что молекулярная структура хромофора и полимера могут направленно варьироваться с целью увеличения нелинейного отклика и термической стабильности образцов. Электрооптический отклик таких систем (эффект Поккельса), также как и нелинейно-оптический отклик (генерация второй гармоники), имеют общую природу, которая определяется молекулярной гиперполяризуемостью. Как следствие, одним из наиболее простых и удобных методов измерения нелинейного квадратичного отклика на заданной длине волны является метод Мейкеровских биений, позволяющий производить количественную оценку относительно среды с известной нелинейностью (рис. 1).
В ходе работы были синтезированы и исследованы новые хромофор-полиимидные композиты с ковалентно присоединенными органическими красителями дисперсного красного 1 (DR1) и дисперсного красного 13 (DR13). Сравнительное исследование эффективности генерации второй гармоники в серии новых хромофорсодержащих полиимидов и кристаллическом кварце позволило определить дисперсию квадратичного нелинейный коэффициента d33 полученных образцов в диапазоне 800-1500 нм.
Работа выполнена совместно с Институтом высокомолекулярных соединений РАН (г. Санкт-Петербург). Публикации
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук |
-
Главная
-
Страницы лабораторий
-
Лаборатория 01
- Научные и прикладные результаты лаборатории 01
Сотрудники Лаборатории физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Арканзасского университета медицинских наук (США) и Университета штата Джорджия (США) в своей совместной работе предложили новый тип сверхконтрастного водорастворимого биосовместимого многофункционального наноразмерного зонда для различных биомедицинских применений in vitro и in vivo. Результаты исследований и применения спазеров опубликованы в престижном журнале Nature Communications [1] и стали возможны благодаря проведенным ранее исследованиям генерации вынужденного излучения спазерами на основе наночастиц золота [2-8].
), δi – вертикальное смещение пучка света на QCD, вызванное вибрацией зеркала i, φij ≡ φi - φj, φi – изменение фазы светового пучка в процессе его распространения от входа составного ИМЦ к зеркалу i и, далее, к QCD.
 |
 |
 |
 |
 |