авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН № 13 «ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ...»

-- [ Страница 3 ] --

2. Десорбция органического проводящего полимера мягким рентгеновским из лучением, созданным с помощью фемтосекундного лазера.

Экспериментально продемонстрирована возможность десорбции сложных молеку лярных комплексов (полианилина - ПАн) с 3-мкм лавсановой пленки под действием мяг кого рентгеновского излучения, возникающего при облучении медной мишени единичным 30 фс лазерным импульсом ~ 1016 Вт/см2 (левый рисунок). Времяпролтные масс-спектры (правый рисунок) отчетливо демонстрируют отличие режима «мягкой» десорбции рентге новским импульсом от плазменного характера фотодесорбции интенсивным лазерным из лучением видимого диапазона, приводящей к сильной фрагментации ПАн. Полученные результаты открывают возможность для исследования поверхности с пространственным наноразрешением в комбинации с высокой элементной (химической) селективностью, а также для наблюдения процесса фотодесорбции с высоким временным разрешением.

3. Световые пули ближнего ИК фемтосекундного филамента в плавленом кварце.

Зарегистрированы ИК световые пули с высокой локализацией энергии в пространст ве и времени. Автокорреляционные функции световых пуль, сформированных при фила ментации в 2 см плавленом кварце 70 фс импульса в области аномальной дисперсии (1800 нм), приведены на правом рисунке для импульсов различной энергии. Минимальная длительность световой пули, выделенной на выходе из образца из приосевой части фила мента 50 мкм диафрагмой (см. схему эксперимента), при энергии 2.7 мкДж не превышала 11 фс, т.е. меньше двух световых периодов. Результаты численного моделирования для заданных параметров эксперимента согласуются с измерениями.

4. Сверхбыстрая динамика электронов в монокристалле висмута при возбуж дении фемтосекундным импульсом в диапазоне от 400 до 2300 нм.

Методами фемтосекундной pump-probe спектроскопии определен вклад возбужден ных электронов с характерными временами релаксации 1, 7 и ~1000 пс в процесс генера ции когерентных фононов А1g. Исследование динамики разностного отражения при возбу ждении в широком диапазоне длин волн и зондировании на 800 нм выявило сильную кор корреляцию спектральной зависимости амплитуды ос цилляций Аosc когерентных фононов данной симметрии и неосциллирующей электрон ной части A1 с 1 пс време нем релаксации (рис. а). Это свидетельствует о сильной связи электронов, возбуж даемых в зону проводимости при энергии возбуждающего кванта 0.8 эВ (розовая стрелка на зонной структуре Bi рис. b) с полносимметричной модой оптических фононов. При меньших энергиях возбуждения (белая стрелка) носители заряда скапливаются вблизи уровня Ферми, откуда релаксируют с характерными временами 7 пс (из L-точки за счет электрон-фононного взаимодействия) и порядка единиц нс (непрямая рекомбинация элек тронов из L-точки и дырок из Т-точки).

5. Образование микроструктурированных поверхностных пленок при воздейст вии ИК лазерного фемтосекундного излучения на многоатомные молекулы.

Продолжено исследование образования углеродных структур при распаде молекул (CF3)2CCO на поверхности подложек из фторидов металлов под действием ИК лазерного фемтосекундного излучения с длиной волны 3.35.4 мкм. Обнаружено (см. рис.), что вре мя появления регистрируемого количества депозита t0 (пустые символы) и скорость роста структур k (заполненные символы) кардинально зависит от длительности импульса (при постоянной интенсивности излучения в кювете). На рисунке приведены данные как для возбуждения в полосе С=С=О (c=2170 см-1), так и вне этой полосы (c=2500 см-1;

c= см-1). Падение эффективности при увеличении длительности импульса свидетельствует о существенной нестационарности процесса фотоин дуцированного распада молекул на поверхности и последующего роста углеродных структур в физи чески адсорбированном слое (CF3)2CCO. Предло жен возможный механизм явления.

6. Дифракционное деление лазерных им пульсов в линейном фотонном кристалле (ФК) при динамической брэгговской дифракции в Ла уэ-геометрии (совместно с МГУ) Впервые экспериментально зарегистрировано недавно предсказанное удвоение оптического им пульса как в проходящем (T), так и в дифрагиро ванном (R) пучке при Лауэ дифракции в одномер ном ФК (левый рис.). Эффект обусловлен разными скоростями собственных волн в слоях ФК при динамической дифракции. Исследовалось прохождение 110 фс оптического им пульса через многослойную (375слоев) структуру из окисленного пористого кремния с толщиной слоя порядка длины волны лазера (800 нм) и разностью показателей преломле ния соседних слоев n ~0.2. В эксперименте измерялись автокорреляционные функции падающего, дифрагированного и прошедшего излучения (правый рис. а). Эффект наблю дался только при выполнении условия Брэгга (=B=31), когда свет проходил параллель но слоям ФК как один пучок (в), и отсутствовал при отстройке от Брэгговского угла и многократных отражениях пучка в ФК (с). Наблюдалась линейная зависимость интервала между выходящими из ФК импульсами (порядка сотен фс) от толщины ФК, соответст вующая теоретическим оценкам, а также независимость этого интервала от интенсивности излучения вплоть до 2.3 GW/cm2, свидетельствующая о линейном характере эффекта.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. I. Stepanenko, V. Kompanetz, Z. Makhneva, S. Chekalin, A. Moskalenko, A. Razjivin, "Transient absorption study of two-photon excitation mechanism in the LH2 complex from purple bacterium Rhodobacter sphaeroides", Journal Physical Chemistry B, 116, 28862890 (2012).

2. I.P. Pozdnyakov, A.A. Melnikov, N. Tkachenko, E.M. Glebov, V.O. Kompanetz, V.P. Grivin, V.F. Plyusnin, S.V. Chekalin, H. Lemmetyinen, "Ultrafast processes for Iron(III) complexes with a simple carboxylic acids", “Central European Conference on Photochemistry” CECP 2012, Bad Hofgastein, Austria, February, 2012, Book of abstracts, Short Talk O24 (2012) 3. IP. Pozdnyakov, A.V. Kolomeets, V.F. Plyusnin, A.A. Melnikov, V.O. Kompanets, S.V. Chekalin, N. Tkachenko, H. Lemmetyinen, "Photophysics of Fe(III)–tartrate and Fe(III)–citrate complexes in aqueous solutions", Chem.Phys.Letts. 530, 45-48 (2012).

4. А.П.Черкун, Б.Н.Миронов, С.А.Асеев, С.В.Чекалин, "Вакуумный зондовый сканирующий микроскоп на основе полого микроострия", Труды 16 Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород 12-16 марта 2012 г., т.2, с. 465-466 (2012).

5. В.П.Кандидов, Е.О.Сметанина, В.О.Компанец, С.В.Чекалин, "Филаментация фемтосекундного лазерно го излучения в условиях аномальной дисперсии", 18 Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», 2-6 июля 2012, Иркутск, тезисы докладов с.10 (2012) 6. S.V. Chekalin, S.E. Svyahovskiy, V.O. Kompanets, A.I. Maidykovskiy, T.V. Murzina, A.А. Skorynin, V.A. Bu shuev, and B.I. Mantsyzov, "Bragg diffraction-induced laser pulse splitting in a linear photonic crystal", Proc of 20th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, Nizhny Novgorod, Russia, June 24–30, 2012, p. 68-69.

7. A.P. Cherkun, B.N. Mironov, S.A. Aseyev, and S.V. Chekalin, "Vacuum scanning microscopy and nanopattern ing based on a hollow tip", Proc of 20th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, Nizhny Novgorod, Russia, June 24–30, 2012, p. 104- 8. S.E. Svyakhovskiy, A.I. Maydykovskiy, V.B. Novikov, V.O. Kompanets, A.А. Skorynin, V.A. Bushuev, S.V.

Chekalin, B.I. Mantsyzov, T.V. Murzina, "Temporal Bragg diffraction-induced laser pulse splitting in a linear photonic crystal", 15th Intern. Conference Laser Optics 2012, St. Petersbourg, Russia, June 25-29 2012.

9. E.O. Smetanina, V.P. Kandidov, A.E. Dormidonov, V.O. Kompanets, S.V. Chekalin, "Spectral intensity map of supercontinuum under femtosecond near IR pulse filamentation in fused silica", 3rd International Workshop on Laser-Matter Interaction WLMI-2012, June 25-29, 2012, Porquerolles, France, Book of abstract, p.71.

10. V.O. Kompanets, E.O. Smetanina, V.P. Kandidov, S.V. Chekalin, "Frequency-angular spectrum under filamentation of chirped femtosecond pulses in fused silica", 3rd International Workshop on Laser-Matter Interaction WLMI-2012, June 25-29, 2012, Porquerolles, France, Book of abstract, p.38.

11. S.E. Svyakhovskiy, V.O. Kompanets, A.I. Maydykovskiy, T.V. Murzina, A.А. Skorynin, V.A. Bushuev, S.V.

Chekalin, and B.I. Mantsyzov, "Observation of the temporal Bragg diffraction-induced laser pulse splitting in a linear photonic crystal", Phys. Rev. A 86, 013843 (2012).

12. S.A. Aseyev, V.G. Minogin, B.N. Mironov, "Projection microscopy of photoionization processes in gases", Appl. Phys. B 108, 755-759 (2012).

13. Е.О. Сметанина, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, В.П. Кандидов, "Особенности филаментации фемтосе кундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии в плавленом кварце", Ч.1. Численное исследование. Квантовая электроника 42(10) 913 – 919 (2012).

14. Е.О. Сметанина, В.О. Компанец, С.В. Чекалин, В.П. Кандидов, "Особенности филаментации фемтосе кундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии в плавленом кварце", Ч.2. Экспери мент и физическая интерпретация. Квантовая электроника 42 (10) 920 – 924 (2012).

15. E.O. Smetanina, V.O. Kompanets, S.V. Chekalin, A.E.Dormidonov, V.P. Kandidov, "Light bullet and spectrum anti-Stokes wing from fs-filament in fused silica anomalous GVD regime", COFIL 2012.

16. S.V. Chekalin, V.O. Kompanets, V.M. Apatin, D.D. Ogurok, V.N. Lokhman, D.G. Poydashev, E.A. Ryabov, "Intracluster Dynamics Induced in Molecular Clusters by Femtosecond UV Radiation", XVIIIth International Conference on Ultrafast Phenomena (UP2012), 8 - 13 July 2012, Lausanne, Switzerland EPJ Web of conferences TUE.PII.65.

17. В.М. Апатин, В.О. Компанец, В.Н. Лохман, Д.Д. Огурок, Д.Г. Пойдашев, Е.А. Рябов, С.В. Чекалин, "Ди намика внутрикластерных процессов, индуцированных фемтосекундным УФ лазерным излучением", сборник аннотаций XXIV конференции «Современная химическая физика». 20 сентября – 1 октября 2012, Туапсе, Россия.

18. В.М. Апатин, В.О. Компанец, В.Н. Лохман, Н.-Д.Д. Огурок, Д.Г. Пойдашев, Е.А.Рябов, С.В.Чекалин, "Внутрикластерные реакции, индуцированные в кластерах (CF3I)n фемтосекундным УФ излучением", ЖЭТФ, 142, 4(10), 644-657 (2012).

19. A.A. Melnikov, O.V. Misochko, S.V. Chekalin, "Ultrafast electronic dynamics in laser-excited crystalline bismuth", XVIIIth International Conference on Ultrafast Phenomena (UP2012), 8 - 13 July 2012, Lausanne, Switzerland EPJ Web of conferences,TUE.PII.46.

20. S.V. Chekalin, V.O. Kompanets, V.B. Laptev, A.A. Makarov, S.V. Pigul'sky, and E.A. Ryabov, "Intramolecular Vibrational Dynamics in Polyatomic Molecules Excited by Resonant IR Femtosecond Radiation", Book of abstracts of XVIIth Symposium on high resolution molecular spectroscopy, July 2-7, 2012, Zelenogorsk, St.

Petersburg, Russia, J5, P. 79.

21. В.О. Компанец, В.Б. Лаптев, С.В. Пигульский, Е.А. Рябов, С.В. Чекалин, "Распад органических молекул на поверхности фторидов металлов и образование углеродных структур под действием ИК лазерного фемтосекундного излучения", Программа XV Международной научной конференции Физико химические процессы при селекции атомов и молекул, 2012, 1-5 октября, Звенигород (Ершово), Россия, 4.5, С. 21.

22. Б.Н. Миронов, С.А. Асеев, С.В. Чекалин, В.Ф. Иванов, О.Л. Грибкова, " Десорбция органического про водящего полимера мягким рентгеновским излучением, созданным с помощью фемтосекундного лазе ра", Письма в ЖЭТФ 96 (9), 670-673 (2012).

Проект 4.5. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы в диагностике твердотельной и газовой плазмы:

терагерцовая нелинейная спектроскопия полупроводников и исследование кинетических процессов в лазерной плазме (Руководители проекта: А.Н. Степанов, ИПФ РАН, С.В. Гарнов, ИОФ РАН) С использованием сэндвич-структуры, состоящей из 30 мкм слоя ниобата лития, кремниевой призмы и металлической подложки с варьируемым воздушным зазором, дос тигнута рекордная эффективность конверсии (~ 0.25%) излучения фс лазера в широкопо лосное ТГц излучение. Продемонстрирована возможность перестройки ТГц спектра путем изменения ширины воздушного зазора. Впервые экспериментально исследована генера ция ТГц излучения при пробое воздуха двухчастотным лазерным излучением с мощной высокочастотной волной (800 нм) слабой низкочастотной (1600 нм). Измерены зависимо сти средней мощности терагерцового излучения от энергии импульсов волн накачки, а также поворота плоскости поляризации и, впервые, частотной отстройки низкочастотной волны накачки. Методом оптической интерферометрии и рассеяния терагерцового излу чения исследована динамика распада плазменного филамента в воздухе, азоте и аргоне на временах до 8 нс при различных давлениях. Показано, что при уменьшении давления рас пад плазмы замедляется, при этом начальная концентрация плазмы почти не изменяется вплоть до давления несколько торр и составляет ~ 1017 см-3.

1. Генерация ТГц излучения в сэндвич-структуре Схема эксперимента генерации широкополосного терагерцового излучения фемто секундными лазерными импульсами в сэндвич-структуре приведена на рис. 1(а). Лазерное излучение фокусировалось цилиндрической линзой в тонкий (30 мкм толщиной) слой не линейного кристалла ниобата лития (LN), приклеенный к кремниевой призме. С другой стороны LN на некотором расстоянии b располагалась металлическая пластина. Распро страняющийся в слое LN лазерный импульс формировал нелинейную поляризацию, кото рая, в свою очередь, генерировала черенковское терагерцовое излучение, выводящееся через кремниевую призму. Формируемый в кремнии ТГц импульс являлся интерференци ей двух черенковских импульсов: первый импульс напрямую высвечивался из кристалла LN в Si призму, второй вначале полностью отражался от границы LN-воздух и затем ин терферировал с первым импульсом. Фаза отраженного импульса изменялась в зависимо сти от положения металлической пластины. Таким образом, реализовывалась возмож ность контролировать спектр генерируемого ТГц импульса.

Рис. 1. (а) Схема эксперимента. (b) Спектр ТГц импульса при b = 0 (сплошная кривая) и b 20 мкм (пунктирная кривая). (c) Зависимость эффективности оптико-терагерцовой конверсии от энергии лазерного излучения при = 50 фс (крестики), = 150 фс (пустые и закрашенные кружочки, при отрицательном и положительном чирпе, соответственно), = 220 fs (ромбики), = 400 fs (треугольники) На рис. 1(b) показано изменение спектра генерируемого ТГц излучения при различ ном положении металлической пластины. При приближении металла к LN увеличиваются низкочастотные компоненты ТГц спектра, провал сдвигается в более высокочастотную область. Интересно, что уменьшение b от 20 до 0 мкм приводило к увеличению на 10-20% энергии терагерцового импульса, что связно с меньшим поглощением низкочастотных компонент терагерцового спектра в кристалле LN.

На рис. 1(с) показана зависимость эффективности оптико-терагерцовой конверсии от энергии лазерного излучения при различной длительности лазерного импульса и знака частотной модуляции (чирпа). Длительность оптического импульса изменялась в экспе рименте путем перестройки компрессора лазера. Видно, что использование чирпирован ных лазерных импульсов позволяет увеличить энергию генерируемого ТГц излучения при малой энергии накачки. При большой энергии накачки, в режиме насыщения эффектив ность почти не зависит от длительности импульса в диапазоне 50-200 фс. Максимальная эффективность оптико-терагерцовой конверсии ~0.25% достигнута при использовании лазерных импульсов с энергией 15-25 мкДж и длительности 50-200 фс.

2. Генерация ТГц излучения в газовой плазме инициируемой двухцветной фем тосекундной лазерной накачкой Экспериментально исследованы особенности генерации терагерцового излучения в атмосферной плазме, инициируемой двухцветной фемтосекундной лазерной накачкой.

Впервые в эксперименте была применена инверсионная схема накачки, содержащая мощ ную высокочастотную волну (800 нм, 0.5 мДж, 50 фс ) и слабую низкочастотную (1600 нм, 0.05 мДж, 100 фс). Источниками волн накачки служили фемтосекундная лазер ная система «Spitfire 50FS-1K-HP» и параметрический генератор света «TOPAS 800/8042». Были измерены зависимости средней мощности терагерцового излучения от энергии импульсов волн накачки, а также поворота плоскости поляризации и, впервые, частотной отстройки низкочастотной волны накачки.

Эффективность плазменных источников тергерцового излучения с длиной взаимо действия меньше длины когерентности двухцветной накачки зависит от фазового сдвига у волн накачки как синусоидальная функция изменяясь от ноля до максимального значения.

Поскольку источником субгармоники волны накачки в нашем случае является параметри ческая флуоресценция, ее фазовый сдвиг относительно волны накачки на фундаменталь ной частоте является случайной величиной и меняется от импульса к импульсу. Для реги страции мощности терагерцового излучения использовался детектор Голея (Модель GC 1T производства ЗАО «Тидекс»), который в условиях эксперимента измерял среднее зна чение энергии импульсов терагерцового излучения, равное половине от его максимальной величины. Измерения спектров терагерцового излучения производились методом Фурье спектроскопии с помощью интерферометра Майкельсона, светоделитель которого был изготовлен из пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 10 мкм. Лазерная плазма с размерами 5х0,1 мм образовывалась в атмосферном воздухе при совместной фокусиров ке волн накачки зеркалом с фокусным расстоянием 12 см.

Энергия импульсов терагерцового излучения была пропорциональна квадрату энер гии импульсов субгармоники накачки (см. Рис. 2). Зависимость от энергии импульсов на качки на фундаментальной частоте демонстрирует быстрый рост энергии терагерцовых импульсов по превышении порога образования плазмы (~ 50 мкДж). Оптимальный час тотный сдвиг низкочастотной волны накачки соответствует условию =0/2. Характер ный масштаб спадания зависимости от частотной отстройки сравним с шириной спектра импульсов накачки – 13 ТГц. Спектр ТГц излучения слабо зависит от частотной отстрой ки субгармоники накачки. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами разработанной теоретической модели.

THz waves power, a.u.

1, E E 0, 0, 0, 0, -5 0 5 10 1 10 Frequency shift, THz Laser pulses energy, uJ Рис. 2. Зависимость средней мощности терагерцового излучения от энергии лазерных импульсов накачки на фундаментальной частоте (), субгармоники накачки () и частот ной отстройки субгармоники накачки ().

3. Исследование распада плазменного филамента при различных давлениях Схема эксперимента для исследования распада лазерного филамента приведена на рис. 3. Плазменный филамент создавался в камере с газом путем фокусировки лазерного излучения (60 фс, 795 нм, 10 Гц, ~5 мДж) сферическим зеркалом с фокусным расстоянием 107 см. В качестве газа использовался воздух, азот и аргон. Для диагностики филаменты использовались два метода: метод интерферометрии и метод рассеяния ТГц излучения. В первом методе зондирующий лазерный импульс проходил через плазменный филамент и попадал на интерферометр Майкельсона с наклоненными относительно друг друга зерка лами. В результате интерференции на CCD камере формировалась интерференционная картина. После численной обработки интерференционной картины получалась фазовая картина филаменты, из которой вычислялась концентрация электронов плазмы. Данный метод позволял определить концентрацию до минимального уровня ~ 2-3·1016 см-3. Во втором методе оптический импульс генерировал зондирующий ТГц импульс в кристалле ZnTe. Терагерцовое излучение фокусировалось на плазменный филамент в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа. Рассеянное филаментом ТГц излучение, собира лось параболой и детектировалось болометром. По значению рассеянного сигнала вычис лялась плотность плазмы в филаменте. Ввиду насыщения рассеяния при большой плотно сти плазмы (1017 см-3) данный метод позволял определять концентрацию электронов с верхней границей 5·1016 см-3. Минимальное детектируемое значение плотности определя лось чувствительностью болометра и составляло ~ 1015 см-3.

Рис. 3. Схема эксперимента исследования распада филамента методами интерферометрии (№1) и терагерцового рассеяния (№2) Рис. 4. (а) Нормированный на максимум сигнал с болометра при различных давлениях.

(б) и (в) Зависимость концентрации от времени в азоте и воздухе при давлении 760 торр и 50 торр На рис. 4 (а) показана зависимость рассеянного ТГц сигнала от времени при различ ных давлениях. Оценочно можно считать, что энергия рассеянного ТГц излучения квадра тично пропорциональна плотности плазмы. Таким образом, рис. 4(а) демонстрирует за медление при уменьшении давления. Более точный расчет распада приведен на рисунках 4(б),(в). Как видно, в воздухе уменьшение давления проводит к более существенному за медлению распада.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. S.B. Bodrov, D.I. Kulagin, Yu.A. Malkov, A.A. Murzanev, A.I. Smirnov and A.N. Stepanov, Initiation and channelling of a microwave discharge by a plasma filament created in atmospheric air by an intense femtosecond laser pulse // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45. P. 045202.

2. S.B. Bodrov, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, and A.N. Stepanov, Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-LiNbO3-air-metal sandwich structure with variable air gap // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100.

P. 201114.

Основной целью работ по Проекту 4.5А в 2012г. являлось проведение эксперимен тов по исследованию динамики распада фемтосекундной лазерной плазмы, образованной при филаментации лазерного излучения.

В ходе выполнения работ была измерена динамика распада плазменного канала, возникающего в N2, Ar и воздухе под атмосферным давлением при филаментации оди ночных фемтосекундных лазерных импульсов. Измерения электронной плотности плаз менного канала проводились с помощью зондирующей интерферометрии. Схема экспе риментальной установки приведена на Рис. 1.

Образование плазменного канала происходило при фокусировке излучения основной гармоники титан-сапфирового лазера (=800 нм, E=2,2 мДж, =50 фс) линзой с фокусным расстоянием 50 см. Зондирующий импульс, отразившись от полупрозрачного зеркала, проходил через линию переменной оптической задержки и просвечивал исследуемый плазменный канал филамента перпендикулярно направлению распространения возбуж дающего импульса. При перестройке длины линии задержки изменялось время прихода зондирующего импульса в исследуемую область относительно возбуждающего. Диапазон перестройки составлял 0 150 пс.

Рис. 1. Экспериментальная установка по интерферометрии плазменного канала филамента Как видно из приведенных зависимостей (Рис. 2) распад в аргоне идет существенно медленней, чем в воздухе и азоте, и практически незаметен на временах порядка 150 пс.

Также, из-за увеличения расстояния между графиками, можно утверждать, что распад плазменного канала в азоте происходит быстрее, чем в воздухе.

1E Ar N Air N (cm^-3) 1E 1E 0 70 t (ps) Рис. 2. Величина электронной плотности в плазменном канале филамента Кроме графиков плотности, получены также изображения фазовых добавок в плаз менном канале (Рис. 3), профили фазовой добавки и соответствующие профили электрон ной плотности плазмы для воздуха и аргона (Рис. 4).

a) 0 пс б) 50 пс в) 90 пс Рис. 3. Примеры фазовых добавок в плазме воздуха Проведены исследования распада плазменного канала в аргоне в диапазоне от 0 до 600 пс, и осуществлено пространственное сканирование канала в районе области с макси мальной плотностью.

Рис. 4. Профили фазовой добавки и пересчитанные из них значения плотности.

Данные при задержке 1 пс для аргона Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. V.V. Bukin, S.V. Garnov, "Pump-probeinterferometryfordiagnosticsof femtosecond laser plasma in gases", 30th International Congress on High-Speed Imaging and Photonics, Book of Abstracts, p.41 (2012).

2. В.В. Букин, С.В. Гарнов, П.А. Чижов, "Различные механизмы генерации терагерцового излучения при оптическом пробое двухчастотными лазерными импульсами", тезисы докладов Нелинейные волны 2012, с. 151.

Проект 4.6. Распространение высокоэнергетического фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере (Руководитель проекта: Г.Г. Матвиенко, ИОА СО РАН) Экспериментально в лабораторных условиях и теоретически исследовано распро странение в воздухе остросфокусированных световых импульсов Ti:Sa-лазера гигаваттной мощности на основной и второй гармониках (800 нм и 400 нм). Обнаружена качественно новая закономерность, заключающаяся в инвариантности наблюдаемой длины области филаментации пучка к изменению его диаметра при условии равенства начальных интен сивностей (рис. 1).

Lfil, мм d0 = 2.5 мм 10 4.5 мм 7 мм 0 200 400 I0, ГВт/см Рис. 1. Длина области филаментации при различной пиковой интенсивности импульса ( 0 = 800 нм);

штрих – аппроксимация, сплошная линия – численный расчет Изучен режим одиночной филаментации коллимированного мощного ультракороткого лазерного импульса в атмосферном воздухе и проведен анализ влияния начального размера светового пучка на основные характеристики образующихся филаментов, а именно коорди наты начала филаментации, протяженности ее участка и сплошности. В теоретической моде ли оптической нелинейности воздуха учтены мгновенная и инерционная составляющие кер ровской нелинейности, фотоионизация и плазмообразование, нелинейности высшего поряд ка. Установлено, что при условии постоянства начальной мощности излучения все рассмот ренные характеристики филаментов обнаруживают зависимость от радиуса пучка. В качестве основной физической причины здесь выступает дифракция, роль которой в процессе самофо кусировки возрастает с увеличением размера пучка. Так, с увеличением радиуса пучка старт филамента при нормировке на длину Рэлея удаляется от начала трассы, при этом для относи тельно широких пучков ( R0 2 мм) теряется сплошность филамента и сокращается суммар ная длина филаментации. Длина филаментации субмиллиметровых пучков наоборот растет с увеличением параметра R0, сохраняя свою непрерывность.

На фемтосекундной лазерной системе ИПФ РАН (г. Нижний Новгород) проведены атмосферные эксперименты по исследованию закономерностей самофокусировки и фила ментации в воздухе мощного фемтосекундного лазерного излучения, имеющего началь ную геометрическую фокусировку и, в общем случае, негауссовский пространственный профиль интенсивности. Полученные результаты указали на связь пространственной формы лазерного пучка в зоне приема с его начальной геометрической расходимостью.

Установлено, что при помощи фокусировки или дефокусировки исходного лазерного из лучения возможно контролируемое изменение положения области филаментации на оп тической трассе (рис. 2).

Рис. 2. Поперечные профили плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения с E0 = 9.6 мДж в конце атмосферной трассы (85 м) при различных условиях фокусировки:

а) – коллимированный пучок;

б)-г) – фокусировка с f = +75 (б), +36 (в) и +25 м (г);

д)-з) – дефокусировка с f = -75 (д), -36 (е), -25 (г), -12.5 м (з) Установлено, что коллимированное излучение в конце трассы трансформируется в одиночный узконаправленный световой канал, расположенный вблизи оптической оси телескопа и окруженный слабыми вторичными максимумами. Фокусированный пучок де монстрирует совершенно иную картину распределения световой энергии при филамента ции. Филаментация пучка прекращалась раньше по дистанции, чем проводилась регист рация его профиля, и происходило сильное расплывании проекции «основного» филамен та даже при самой мягкой из использовавшихся фокусировок.

В противоположном случае, когда пучок первоначально был расфокусирован, в попе речных распределениях энергии фиксировались яркие пятна, имеющие примерно равную ин тенсивность свечения. Вследствие начальной расфокусировки излучения его филаментация происходила значительно ближе к концу трассы, чем для параллельного пучка. Этим объяс няется большее количество регистрируемых на приемнике световых пятен.

Установлен новый класс энергетических структур в физике нелинейных волн – ди фракционно-лучевые трубки в самофокусирующей диссипативной среде. Их взаимодей ствия вдоль дистанции распространения мощного света формируют устойчивые по физи ческим характеристикам области локализации световой энергии – плазменный филамент и постфиламентационный световой канал, а также консервативную периферию. Стабилиза ция границ указанных областей обеспечивается дополнительным, имеющим дифракцион ную природу, поджатием со стороны периферии.

Разработан алгоритм решения обратной задачи по восстановлению конфигураций филаментов вдоль трассы.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Geints Y.E., Bulygin A.D., Zemlyanov A.A. Model description of intense ultra-short laser pulse filamentation:

multiple foci and diffraction rays // Applied Physics B. 2012. V. 107. Is. 1. P. 243–255.

2. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Формирование филамента фемтосекундного лазерного импульса в воздухе после фокуса оптической системы // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т.25. № 9. С. 745-752.

3. Землянов А.А., Булыгин А.Д. Особенности развития возмущений светового поля в керровской среде с нелинейным поглощением // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 10. С. 852–856.

4. Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Землянов А.А., Ильин А.А., Кабанов А.М., Кучинская О.И, Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Соколова Е.Б.

Филаментация сфокусированных фемтосекундных импульсов Ti:Sa-лазера на первой и второй гармониках в воздухе // Прикладная физика. 2012. № 6.

5. Апексимов Д.В., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н.

Филаментация негауссовских лазерных пучков с различной геометрической расходимостью на атмосферной трассе // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 11. С. 929–935.

Проект 4.7. Состояние и трансформация структуры вещества в объеме прозрачных материалов при локальном воздействии экстремального светового поля (Руководитель проекта: В.И. Конов, ИОФ РАН) В проекте изучаются обратимые и необратимые процессы в твердом теле (кремний, алмаз, плавленный кварц), инициируемые при воздействии мощного лазерного импульса (800 нм и 1200 нм). Для наблюдения за состоянием вещества в зоне облучения, использо валась фс интерферометрия, позволяющая измерять локальное изменение показателя пре ломления среды. Экспериментально исследована динамика процессов с существенно раз ной временной шкалой: (i) возбуждение электронной подсистемы;

(ii) релаксационные процессы в среде и (iii) перманентная модификация матрицы.

Экспериментальная установка.

Лазерная система включала генератор Ti:sapphire, регенеративный и параметриче ский усилители (Spectra Physics), позволяющие получать фемтосекундные импульсы с длиной волны 800 нм и 1.1-3.0 мкм и энергией до 1 мДж при частоте повторения 1 кГц.

Для визуализации результатов воздействия использовалась методика "пробного луча".

Рис. 1. Эксприментальная установка Основным инструментом, позволяющим получать количественную информацию о состоянии вещества в процессе и после лазерного воздействия, служила фемтосекундная интерферометрия. Интерферометр Саньяка располагался между проекционным объекти вом и визуализатором. На экране наблюдалась широкополосная интерференционная кар тина между двумя пучками, каждый из которых содержал локальное возмущение фазы, вызванное изменением показателя преломления n в облученной области. При данных ус ловиях облучения делалось два интерференционных снимка: с импульсом возбуждения (информационный снимок) и без него (фоновый). Вычисляемое с помощью ПЭВМ "раз ностное" изображение содержало информацию о n.

Такой подход позволил существенно увеличить точность on-line измерений. Миними зация механических вибраций и накопление данных с последующим усреднением позволи ли достичь чувствительности измерения фазы ЭМ волны в пробном пучке менее 10-2. "Тол щина" исследуемой области порядка диаметра лазерного пучка 10 мкм. Таким образом, минимальное изменение показателя преломления среды, которое может быть зафиксирова но на данной установке с фемтосекундным временным разрешением порядка n 10-3.

(i) Фотовозбуждение электрон-дырочной плазмы.

Картина распространения фемтосекундного лазерного импульса через кристалл кремния показана на рисунке 2. Увеличение локальной яркости на картинке (светлое пят но) соответствует увеличению n. И наоборот, уменьшение яркости (длинная темная поло са) означает уменьшение n. В результате воздействия ЭМ поля n сначала увеличивается, что является проявлением нелинейности поляризуемости среды – так называемый эффект Керра. На фотографиях отчетливо видно светлое облако, распространяющееся по кри сталлу со скоростью света. То обстоятельство, что, фактически, это облако является "изо бражением" импульса, и его анализ позволяет извлекать соответствующие пространствен ные и временные параметры, позволило предложить метод локального измерения поля распространяющегося в среде волнового пакета.

Отметим, что при таком подходе для расчета интенсивности отпадает необходи мость учитывать как всякого рода трансфор мации волнового фронта пучка, так и любые потери энергии излучения: отражение от по верхности образца, абберации, линейные и нелинейные потери на рассеяние и поглоще ние света при его распространении через кристалл, и т.д.

Дальнейшее воздействие поля приводит к ионизации ковалентных связей кристалла и, как следствие, появлению электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зо не. В результате показатель преломления среды резко уменьшается.

Время генерации плазмы очень мало, порядка длительности импульса, поэтому формирование плазменного облака происхо дит в области пространства, еще "занимае мой" световым пакетом, формируя сложную интерференционную картину в области пе- Рис. 2. Распространение фс импульса рехода от положительного приращения n к в кремнии (1200нм, 250фс, 4.5мкДж).

отрицательному. Чтобы проанализировать Задержка (сверху вниз): 0 фс, 830 фс, ее, была разработана методика численной 1660 фс, 2500 фс, 3330 фс, 4170 фс.

симуляции данных фемтосекундной интер- Размер фото 400 мкм ферометрии, позволившая получить инфор мацию о динамике возбуждения плазмы в среде с неопределенностью во времени сущест венно меньше длительности импульса 100 фс.

На рисунке 3 представлены интерференционный снимок фс импульса в алмазе в мо мент когда волновой пакет находится в центре лазерной каустики и соответствующий ре зультат компьютерного моделирования. Расчеты были выполнены путем численного ре шения волнового уравнения в параксиальном приближении, процесс нелинейной иониза ции описывался исходя из теории Келдыша, релаксационные процессы не рассматрива лись. Установлено, что уже в таком первоначальном приближении наблюдаемая концен трация носителей близка к расчетной. В то же время хорошо видно, что в эксперименте наблюдаемый диаметр плазменного плазменного облака в 2 раза больше теоретического, что, по-видимому, вызвано недостаточным разрешением проекционной схемы.

Ценность такого сопоставления заключается в том, что при сделанных априори предположениях о механизмах генерации и рекомбинации носителей симулировать ин терференционное изображение относительно просто. Сравнивая расчитанную и наблю даемую интерференционную картину можно судить об обоснованности используемых моделей в процессах лазерного возбуждения электронной подсистемы среды.

(ii) Релаксационные процессы в алмазе.

При изучении релаксационных процессов в алмазе было обнаружено, что кроме концентрации носителей, используемая экспериментальная методика позволяет измерять давление и температуру в зоне облучения, поскольку их изменение также создает замет ное возмущение n. Остановимся подробнее на последней возможности.

Как видно из представленных на рисунке 4 данных время жизни электрон-дырочной плазмы составило порядка 10 пс. После полной рекомбинации носителей - примерно через 20 пс наблюдается появление области с увеличенным n. Далее наведенная поляризация среды уменьшалась со временем и приблизительно через 40 нс становилась меньше поро га чувствительности измерительной системы. При этом размер возмущенной области уве личивался. Однако, несмотря на это расплывание интегрирование n по пространству да вало величину, не зависящую от времени. Т.е. возбуждение не является рекомбинацион ным и не имеет электронной природы.

Рис. 3. Интерференционная фотография фс Рис. 4. Динамика n в центре облученной об импульса в алмазе (внизу) и ее компьютер- ласти в алмазе. I = 3*1012 Вт/см ная симуляция (вверху). I = 7*1012 Вт/см Его причиной является нагрев решетки, обусловленный диссипацией энергии сво бодных носителей при их рекомбинации. Таким образом, измеряя n в лазерной каустике после полной рекомбинации носителей можно получить значение температуры, обуслов ленной фотоиндуцированным нагревом. Эта возможность представляется чрезвычайно важной, поскольку позволяет судить в какой степени различные лазерно-индуцированные фазовые переходы в среде являются термо или фотостимулированными. В наших экспе риментах при интенсивности излучения 3*1012 Вт/см2 (предпробойный режим) решетка алмаза нагрелась на 400 К.

(iii) Перманентная модификация матрицы плавленного кварца.

Интерференционная методика измерения показателя преломления в объеме про зрачного образца позволила непосредственно в процессе облучения материала наблюдать и записывать динамику его изменения. Обнаружено, что зависимость роста n, т.е. степени модификации матрицы стекла, от количества импульсов облучения носит достаточно сложный характер, который сам по себе может меняться в зависимости от конфигурации облучения.

Так при «рисовании» волновода в образце характерная зависимость содержит три участка. На начальном участке показатель преломления увеличивается линейно с количе ством импульсов вплоть до величины около 0.5*10-3. Отметим, что этот порог один и тот же в широком диапазоне плотностей энергии и апертур лазерного пучка. При дальнейшем облучении скорость роста показателя преломления скачком вырастает в 2 раза, а затем при достижении показателем преломления величины около 2*10-3 резко уменьшается, тем не менее, не выходя на полное насыщение, продолжает медленно расти, увеличиваясь пропорционально количеству импульсов. В случае же сканирования лазерным лучом по большой области, n(t) близка к экспоненте. Наши наблюдения показывают, что процесс модификации весьма нетривиальным образом зависит от условий и конфигурации про цесса облучения, таким образом, вынуждая искать прямую связь между перманентной модификацией и промежуточным состоя нием стекла: его степенью ионизации, локальной концентрацией самозахвачен ных экситонов в матрице, ее температу рой и давлением. На данном этапе экспе риментально продемонстрировано, что области необратимой модификации стек ла близка к область локализации в про- Рис. 5. Локализация в пространстве экситон странстве плазмы самозахваченных экси- ной плазмы (вверху) и необратимой модифи тонов (рис. 5). Отметим также, что с из- кации плавленого кварца (внизу и посредине).

Нижнее изображение получено в режиме те вестной степенью осторожности, мы хо- невой фотографии тели бы поднять вопрос о происхождении последней. Исходя из вышеописанных исследований лазерно-индуцированного роста температуры в алмазе, можно приписать долгоживущее + n в кварце именно этому эф фекту, причем диффузия тепла на временах (100 нс не будет заметна из-за сравнительно низкой теплопроводности стекла.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. V.V. Kononenko, V.V. Konov, and E.M. Dianov, Delocalization of femtosecond radiation in silicon, Opt.

Lett., vol. 37, no. 16, pp. 3369–3371, Jan. 2012.

2. V.V. Kononenko, E.V. Zavedeev, M.I. Latushko, and V.I. Konov, Observation of fs laser induced heat dissipation in diamond bulk, Las.Phys.Lett., in print, 2012.

3. В.В. Кононенко, Е.В. Заведеев, М.И. Латушко, В.П. Пашинин, В.И. Конов, and Е.М. Дианов, Возбуждение электронной подсистемы кремния с помощью фемтосекундного лазерного облучения, Квантовая электроника, vol. 42, no. 10, pp. 925–930, Oct. 2012.

4. V.I. Konov, Laser in micro and nanoprocessing of diamond materials, Laser & Photon. Rev., vol. 6, no. 6, pp.

739–766, Feb. 2012.

Проект 4.8. Наномодификация вещества в полях мощных фемтосекундных импульсов: физические эффекты и приложения (Руководитель проекта: Н.М. Битюрин, ИПФ РАН) Были подготовлены к печати и опубликованы результаты по формированию наност руктур при помощи слоев коллоидных микрочастиц, нанесенных на поверхность твердого тела. При воздействии лазерного излучения такие микрочастицы служат в качестве мик ролинз, что позволяет получать структуры с размерами существенно меньшими длины волны действующего лазерного излучения. Этот метод особенно эффективен для фемто секундных лазеров [1] (Рис. 1). Показано, что при расчетах распределения интенсивности лазерного излучения при воздействии лазеров на такие системы необходимо учитывать перерассеяние лазерного излучения внутри слоя микрочастиц [2].

Подготовлены к печати и опубликованы результаты по лазерной фемтосекундной трехмерной нанополимеризации высокого пространственного разрешения. Разработан ме тод повышения разрешающей способности нанополимеризации с помощью использова ния диффузии ингибитора. Этим методом греческими партнерами были получены фотон но-кристаллические структуры с рекордным пространственным разрешением. [3,4].

Начаты исследования по возможности использования для наноструктурирования по верхности протяженных микрообъектов (волокон) в качестве фокусирующих, теперь уже цилиндрических, микролинз. С этой целью подробно рассмотрена оптика таких объектов, находящихся на диэлектрической подложке.

Рис. 1. Система сто-нанометровых абляционных кратеров, полученных в результате воздействия бихроматического фемтосекундного лазерного импульса (основная частота + вторая гармоника титан-сапфирового лазера) на плотноупвкован ный монослой микронных полистирольных ша риков на поверхности полиметитметакрилата.

(Изображение получено с помощью атомно силового микроскопа) Расчет распределений лазерного поля при облучении стеклянного цилиндра на под ложке из полиметилметакрилата (ПММА) демонстрирует возможность создания на ней микро- и наноструктур. При облучении цилиндров с радиусом порядка 10 мкм на длинах волн 1-ой и 2-ой гармоник титан-сапфирового лазера (800 нм и 400 нм) глобальный мак симум поля достигается вблизи геометрооптического фокуса. Благодаря имеющимся вы раженным максимумам поля вблизи каустик (см. рис. 2b,d), можно рассчитывать на воз можность записи микроструктур в виде спаренных линий на поверхности подложки.

2 |E| /E0 =800 nm (b) y -4 -2 0 2 2 |E| /E0 =400 nm (d) y -4 -2 0 2 Рис. 2. Распределения поля |E|2 вблизи стеклянного цилиндра (n=1,46), расположенного на подложке из ПММА (n=1,49), при воздействии плоской монохроматической волной, распространяющейся перпендикулярно подложке и поляризованной вдоль оси цилиндра.

Распределения нормированы на значение E02 в падающей волне. Справа (a,c): распреде ления поля в перпендикулярной оси цилиндра плоскости. Белой линией обозначено сече ние цилиндра. Слева (b,d): распределение поля в подложке на глубине 150 нм. Ширина наиболее выраженных максимумов поля вблизи каустик составляет порядка 0,6 и 0,9 мкм при воздействии на длинах волн 400 и 800 нм соответственно Переходя к меньшим размерам цилиндров, можно достигнуть лучшей фокусировки поля за счет эффектов ближнего поля. Рис. 3 демонстрирует возможность получения ост рого максимума поля непосредственно вблизи микроцилиндра. Сравнение распределений поля, получаемых при облучении наноцилиндров и наношариков, демонстрирует лучшую локализацию поля наноцилиндрами.

Получены первые экспериментальные результаты по воздействия мощного фемтосе кундного лазерного импульса на диэлектрическую подложку с нанесенной на нее оптиче скими микроволокнами. Оптические волокна могут быть использованы для формирования специальных структур из микрошариков на поверхности.

Рис. 3. Отнормированное распределение по ля |E|2 вблизи стеклянного цилиндра с радиу сом 0.8 мкм, расположенного на подложке из ПММА, при воздействии плоской монохро матической волны. Ширина максимума ин тенсивности в подложке вблизи поверхности составляет 160 нм (на уровне половинной высоты) Теоретически изучались особенности многофотонного поглощения при воздействии мощного лазерного излучения на сферические микро- и нанообъекты. Было показано, что наличие неоднородного распределения поля внутри частицы может, за счет нелинейности, увеличить на порядок интегральное двухфотонное поглощение в частице. Для этого были проведены расчеты (FDTD) двухфотонного поглощения при лазерном воздействии с ин тенсивностями 10101012 Вт/см2 на шарики из ZnO и ТiO2 размерами 100700 нм.

Другой тип нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с микро- и нанообъектами обусловлен ионизацией. Нами изучалось влияние ионизации вещества внутри микрошариков на возможность их использования в качестве микролинз для моди фикации материалов методом лазерной наносферной литографии. В качестве примера бы ли взяты шарики из полистирола диаметром 1 мкм, облучаемые 1-ой и 2-ой гармониками титан-сапфирового лазера. Продемонстрирована возможность экранировки хвоста фемто секундного импульса сгустком образовавшейся внутри шарика плазмы. Такая экраниров ка может затруднить использование мощного лазерного излучения для создания наност руктур методом наносферной литографии. Учет этого обстоятельства необходим при вы боре частоты лазерного излучения при нано-структурировании поверхности мощными фемтосекундными импульсами.

При облучении лазерным излучением диэлектрических шариков с размерами поряд ка длины волны внутри шарика создается распределение лазерной интенсивности, имею щее максимум вблизи задней поверхности. Причем значение максимума может в десятки раз превосходить интенсивность падающей волны. При воздействии фемтосекундных ла зерных импульсов возможен пробой вещества, из которого состоит шарик, причем об ласть пробоя и, соответственно, лазерного нагрева, достаточного для испарения вещества, будет находиться в заднем полушарии. Это приведет к тому, что испаряемое вещество бу дет толкать шарик навстречу лазерному лучу. В ходе выполнения проекта сделаны соот ветствующие оценки и разработан эксперимент по образованию и наблюдению таких «плазменных пуль».

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. N. Bityurin, A. Afanasiev, V. Bredikhin, A. Alexandrov, N. Agareva, A. Pikulin, I. Ilyakov, B. Shishkin, R.

Akhmedzhanov, Colloidal-particle-lens-arrays-assisted surface nanopatterning by harmonics of femtosecond laser, Appl. Phys. B (submitted).

2. A. Pikulin, A. Afanasiev, A. P. Alexandrov, N. Agareva, V. Bredikhin, and N. Bityurin, Effects of spherical mode coupling on near-field focusing by clusters of dielectric microspheres, Optics Express, v. 20, No 8, pp.

9052-9057, 2012.

3. I. Sakellari, E. Kabouraki, D. Gray, V. Purlys, C. Fotakis, A. Pikulin, N. Bityurin, M. Vamvaraki, M. Farsari, Diffusion-assisted high-resolution direct femtosecond writing, ACS Nano, v.6, No. 3, pp. 2302-2311, 2012.

4. G. Bickauskaite, M. Manousidaki, K. Terzaki, E. Kambouraki, I. Sakellari, N. Vasilantonakis, D. Gray, C. M.

Soukoulis, C. Fotakis, M. Vamvakaki, M. Kafesaki, M. Farsari, A. Pikulin, and N. Bityurin, 3D Photonic Nanostructures via Diffusion-Assisted Direct fs LaserWriting, Advances in OptoElectronics, Article ID 927931, 2012, doi:10.1155/2012/927931.

Проект 4.9. Изучение фундаментальных основ взаимодействия фемтосекундного излучения с биоклеткой и клеточными органеллами для практических биомедицинских приложений в клеточной инженерии и микрохирургии (Руководитель проекта: О.М. Саркисов, ИХФ РАН) 1. Лазерная установка для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами.

Выполнены работы по усовершенствованию установки лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами (Рисунок 1). Модер низирована система мультиплексирования лазерных оптических ловушек в поле микрос копа. Достигнута существенно более высокая производительность лазерного манипуля тора и повышена точность операций за счет модернизации оптической схемы управления лазерными пучками. Разработанный лазерный микроманипулятор обеспечил проведение нанохирургических операций на ранних доимплантционных эмбрионах млекопитающих только с помощью лазерных пучков. Ряд принципиально важных нанохирургических опе раций выполнить другими известными методами микрохирургии (механический микро манипулятор, пьезоманипулятор и.т.д.) не удается.

Б о се ал зр о са о к л к х м ае н йутн ви Т тн а фи о ы иа -с п р в й фе тс кн н й м о еу д ы л зр ае “Mai T ai” S pectra-P hysics управляемый прерыватель пучка пространственный объектив дихроическое камера модулятор 1 зе кл ра о о л б я щи са л ю й фи ьр лт телескопирование 2: дихроические зеркала р с р тл а ши и е ь п ча ук пространственный р с р тл а ши и е ь модулятор Olympus п ча ук о л б я щи са л ю й IX фи ьр лт Диодный лазер, камера Непрерывный лазер Т тн а фи о ы иа -с п р в й Thorla bs непрерывный “Millennia” спектрограф л з р Avesta ае, S pectra-P hysics Рис. 1. Установка лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами 2. Лазерные технологии реконструкции эмбриона млекопитающих.


Разработаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых ли ний млекопитающих- моделей болезней (линия генетически однородных особей содер жащих генетическую информацию обуславливающую заболевание, например диабет или заболевания нервной системы). Найдены оптимальные условия лазерных параметров (энергия фемтосекундных импульсов, частота повторения импульсов, время экспозиции и т.п.) для обеспечения жизнеспособности облучаемых эмбриональных клеток на отдельных стадиях операции.

Разработана методика лазерной нанохирургической операции слияния бластомеров внутри 2-х и 4-х клеточных эмбрионов мышей, без повреждения наружной оболочки эм бриона (пиковая плотность мощности фс импульса ~ 2.5 1012 Вт/см2, =780 нм, =100 фс).

Вероятность слияния близка к 60%. Жизнеспособность доказывается последующим куль тивированием эмбрионов in vitro до стадии бластоцисты.

Разработана методика лазерной нанохирургической операции оптоперфорации про зрачной оболочки эмбриона лазерным скальпелем. Экспериментально показано, что пер форация прозрачной оболочки эмбриона лазерным скальпелем не сказывается на жизне способности эмбрионов. Проверка возможного отрицательного воздействия лазерной перфорации прозрачной оболочки эмбриона на последующую жизнеспособность эмбрио нов была выполнена в серии экспериментов на модернизированной установке как при одиночной перфорации, так и при множественной перфорации 2-8 клеточных эмбрионов мышей.

Разработана методика лазерной нанохирургической операции получения химерных эмбрионов млекопитающих (мышей). В качестве примера Рисунок 2 демонстрирует ре зультат 2-х стадийной лазерной нанохирургической операции по реконструированию 8 клеточного эмбриона с целью получить химерный эмбрион. Операция включает стадии:

1) создание ворот в блестящей оболочке эмбриона лазерным скальпелем;

2) введение ла зерным пинцетом в открытые ворота 4-х тотипотентных стволовых клеток мыши содер жащих ген зеленого флюоресцирующего белка. После 64 часов инкубационного периода наблюдается развившийся химерный эмбрион (Рисунок 2). Размножение клеток является доказательством неинвазивности лазерного воздействия, подвергшиеся лазерному воздей ствию клетки выживают и размножаются после лазерной операции. Введенные клетки с зеленым флюоресцирующим белком и клетки исходного эмбриона (не светящиеся) пере мешаны, что является признаком химерного организма.

Рис. 2. Развившийся химерный эмбрион через 64 часа после проведенной лазерной нанохирургической операции. А) распределение клеток содержащих зеленый флюоресцирующий белок. В) черно-белое изображение эмбриона под микроско пом;

С) наложение изображений А и В 3. Управление процессами наноструктурирования биополимеров и микрохирур гическими процессами с помощью варьирования амплитудно-фазовых характеристик фемтосекундного лазерного импульса и эффектов ближнего поля.

Разработана экспериментальная методика использования сферических диэлектри ческих шариков для увеличения пространственного разрешения при наноструктури ровании биообъектов. При фокусировке излучение лазера через шарик с диаметром по рядка микрометра в ближнем поле интенсивность излучения и локализация поля сущест венно возрастают по сравнению с теми же параметрами поля в перетяжке через объектив микроскопа. Такая техника эксперимента представляет значительный интерес для прове дения тонких операций лазерной нанохирургии. Рисунок 3 демонстрирует возможности наноструктурирования поверхности полимера импульсами фемтосекундного лазера при использования микронного шарика удерживаемого и направляемого оптическим пинце том.

Рис. 3. Использование сферических диэлектрических шариков для увеличения про странственного разрешения при наноструктурировании полимеров и биополимеров (длина волны 800 нм, линейно поляризованное излучение, длительность 20fs, объек тив 40x 0.55NA). а) расчет ближнего поля вблизи микронного шарика (теория Ми).

Фокусировка через шарик повышает пространственное разрешение в 1,5 раза, интен сивность почти в 4 раза. b) зависимость глубины лунок (измерение атомно-силовым микроскопом) от средней мощности фс лазера при абляции через шарик и без него при одинаковой экспозиции. c) борозда на поверхности полимера, прорисованная при фокусировке фс лазера микронным шариком. d) поперечное сечение полученной борозды, измерение атомно-силовым микроскопом Экспериментально продемонстрирована возможность когерентного управления про цессом наноструктурирования поверхности полимера фемтосекундными лазерными им пульсами. Показано, что объем кратеров образующихся в полимерной пленке при абляции под действием фс импульса различен при одинаковом по величине но противоположном по знаку чирпе фс импульса.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Alexander Krivokharchenko, Artashes Karmenyan, Oleg Sarkisov, Michael Bader, Arthur Chiou, Avetik Shakhbazyan. Laser fusion of mouse embryonic cells and intra-embryonic fusion of blastomeres without affecting the embryo integrity. PLOS ONE. 2012. DOI: 10.1371/journal.pone.0050029 принята в печать.

2. Arseniy Aiboushev, Fedor Gostev, Ivan Shelaev, Andrei Kostrov, Andrei Kanaev, Luc Museur, Mamadou Traore, Oleg Sarkisov, Victor Nadtochenko "Spectral properties of the surface plasmon resonance and electron injection from gold nanoparticles to TiO2 mesoporous film: femtosecond study" Photochem. Photobiol. Sci., DOI:10.1039/C2PP25227A принята в печать.

3. M.A. Radzig, V.A. Nadtochenko, O.A. Koksharova, J. Kiwi, V.A. Lipasova, I.A. Khmel Antibacterial effects of silver nanoparticles on Gramnegative bacteria: influence on the growth and biofilms formation, mechanisms of action. Cjlloids and Surface B: Biointerfaces 2012, dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2012.07.039 принята в печать.

4. Zixian Jia, Mounir Ben Amar, Ovidiu Brinza, Artyom Astafiev, Viktor Nadtochenko, Andrey B. Evlyukhin, Boris N. Chichkov, Xavier Duten Andrei Kanaev Growth of Silver Nanoclusters on Monolayer Nanoparticulate 2 Titanium-oxo-alkoxy Coatings J. Phys. Chem. C 2012, dx.doi.org/10.1021/jp303356y принята в печать.

5. C. Pulgarin,, J. Kiwi, V. Nadtochenko Mechanism of photocatalytic bacterial inactivation on TiO2 films involving cell-wall damage and lysis Applied Catalysis B: Environmental doi:10.1016/j.apcatb.2012.01.036 принята в печать.

6. Семенов А.Ю., Шелаев И.В., Гостев Ф.Е., Мамедов М.Д., Шувалов В.А., Саркисов О.М., Надточенко В.А.// Первичные стадии переноса электрона и энергии в фотосистеме 1: эффект длины волны импульса возбуждения. БИОХИМИЯ, 2012, том 77, 9, с. 1219 – 1229.

Проект 4.10. Разработка новых методов клеточной медицины и оптогенетики с применением фемтосекундных лазерных импульсов (Руководитель проекта: М.Б. Агранат, ОИВТ РАН) Объектом исследования являются живые клетки стандартных клеточных линий.

Цель работы — проведение физических исследований и разработка новых техноло гий для клеточной медицины и биологии с помощью фемтосекундных лазерных импуль сов.

Генетическая модификация клеток стандартных линий с помощью фемтосе кундных лазерных импульсов. Лазерная методика генетической модификации клеток основана на воздействии лазерным излучением на цитоплазматическую мембрану живых клеток, в результате чего на поверхности мембраны формируются поры, через которые происходит диффузия «внеклеточных» веществ внутрь клетки. Использование фемтосе кундных лазерных импульсов позволяет с высокой точностью проводить указанные ма нипуляции на клетках, тем самым снижая риск возможных тепловых и механических по вреждений живых клеток. Для разработки методики генетической модификации клеток был создан экспериментальный стенд, оптическая схема которого с детализацией пред ставлена на рис.1. Основными элементами являются иттербиевый фемтосекундный лазер (длина волны 1050 нм, частота генерации 75 МГц, длительность импульса ~115 фс, вы ходная мощность – до 4 Вт), инвертированный микроскоп с модулем для флуоресцентной микроскопии и блок сопряжения лазерного излучения с микроскопом, в котором осущест вляется управление мощностью излучения, временем облучения биологических образцов, а также с помощью телескопической системы производится точная фокусировка излуче ния на поверхности клеточной мембраны. В экспериментах использовались стандартные клеточные линии (клетки яичников китайского хомячка CHO, кератиноциты человека, фибробласты мыши).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки на основе фемтосекундного лазера для введения в клетки внеклеточного материала. Основные элементы блока сопряжения:

1- полуволновая пластинка, 2, 6 – зеркала, 3 – призма Глана, 4 – механическая шторка, 5 – телескоп);

элементы микроскопа (7 - камера, 8, 13 – линзы, 9 – зеркало, 10 – мик рообъектив, 11 – моторизованный столик, 12 – чашка Петри, 14 – осветитель) Ключевым этапом лазерной методики генетической модификации клеток является заполнение клеток макромолекулами (ДНК, РНК) путем формирования микропор в мем бране клеток фемтосекундными лазерными импульсами и временного увеличения прони цаемости мембраны. Для эффективного выполнения данной процедуры, определения оп тимальных параметров лазерного излучения и режима облучения разработана методика диагностики заполнения клеток макромолекулами (рис.2). В основу методики поло жено использование специальных флуоресцирующих красителей иодида пропидия и кальцеина АМ. По интенсивности и локализации флуоресценции иодида пропидия внутри клетки после воздействия ФЛИ диагностируется кратковременное обратимое нарушение целостности мембраны, способствующее транспорту внеклеточных субстанций в клетку (клетки №1,2 на рис.2В), или же необратимое повреждение клетки в результате е облуче ния (клетка №3). Последующее окрашивание клеток красителем кальцеин АМ (рис.2С) позволяет достоверно оценить дальнейшую жизнеспособность клеток, подвергнутых воз действию лазерных импульсов.


Рис. 2. Диагностика фемтосекундной лазерной порации мембраны для введения в клетки внеклеточных соединений: (А) – клетки линии CHO после локального воз действия на мембрану ФЛИ, (В) – низкоинтенсивное, равномерное флуоресцентное свечение красителя иодида пропидия внутри клеток №1 и 2 подтверждает успешную порацию мембраны, яркое окрашивание ядра клетки №3 свидетельствует о необра тимом повреждении клетки, (С) – интенсивное флуоресцентное свечение клеток 1 и 2 после окрашивания кальцеином АМ подтверждает их жизнеспособность в отличие от клетки В ходе экспериментов было установлено, что эффективная лазерная порация мем браны и последующее введение в клетки молекулярных соединений происходит при усло вии образования кавитационных пузырьков на поверхности мембраны сразу после воз действия ФЛИ (рис. 3).

Рис. 3. Формирование кавитационных пузырьков при воздействии фемтосекундных ла зерных импульсов на клетки линии НАСАТ (кератиноциты человека). (А) - клетка до облучения (положение лазерного луча отмечено черным маркером), (В-С) - образование и исчезновение кавитационного пузырька в течение 80мс после воздействия ФЛИ Для различных условий фокусировки лазерного излучения на поверхности мембра ны (диаметров фокального пятна 0.5 мкм и 2 мкм) были определены пороговые значения средней мощности излучения, равные соответственно 320 мВт и 30 мВт, при превышении которых с 50% вероятностью возникают кавитационные пузырьки. Время облучения варьировалось в диапазоне 30-100мс. Оптимальное время экспозиции составило 50 мс.

Были определены пороговые значения средней мощности излучения (340 мВт в первом случае и 42 мВт - во втором), превышение которых приводит к необратимому поврежде нию мембраны из-за формирования кавитационных пузырьков критического диаметра ( мкм). Было установлено, что облучение клеток-мишеней остросфокусированными фемто секундными лазерными импульсами (100х микрообъектив, числовая апертура 1.3, диаметр фокального пятна 0.5 мкм) со средней мощностью 30-42 мВт в течение 30-50мс с вероят ностью более 90% приводит к локализованной и обратимой перфорации мембраны, эф фективному введению инородных макромолекул в клетки и высоким показателям выживаемости клеток. С помощью разработанной методики была продемонстрирована возможность применения фемтосекундных лазерных импульсов для введения в клетки линии CHO плазмидной ДНК, кодирующей зеленый флуоресцирующий белок (GFP).

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ Статьи:

1. Inna V. Ilina, Mikhail M. Rakityanskiy, Dmitry S. Sitnikov, Andrey V. Ovchinnikov, Mikhail B. Agranat, Yulia V. Khramova, Maria L. Semenova «Biomedical and Biotechnology Applications of Noncontact Femtosecond Laser Microsurgery of Living Cells» // AIP Conf. Proc. 1464, 560-571 (2012).

2. Inna V. Il’ina, Dmitry S. Sitnikov, Andrey V. Ovchinnikov, Mikhail B. Agranat, Yulia V. Khramova, Maria L.

Semenova, «Noncontact microsurgery and micromanipulation of living cells with combined system «Femtosecond laser scalpel-optical tweezers» // Proc. of SPIE, Vol. 84270S1-84270S8 (2012).

Доклады:

Inna V. Il’ina, Dmitry S. Sitnikov, Andrey V. Ovchinnikov, Mikhail B. Agranat, Yulia V. Khramova, Maria L.

1.

Semenova, «Noncontact microsurgery and micromanipulation of living cells with combined system «Femtose cond laser scalpel-optical tweezers» // Международная конференция Photonics Europe «BioPhotonics: Pho tonic Solutions for Better Health Care III» (Брюссель, Бельгия, 16.04 – 19.04.2012).

2. Inna V. Ilina, Mikhail M. Rakityanskiy, Dmitry S. Sitnikov, Andrey V. Ovchinnikov, Mikhail B. Agranat, Yu lia V. Khramova, Maria L. Semenova «Biomedical and Biotechnology Applications of Noncontact Femtose cond Laser Microsurgery of Living Cells», International High Power Laser Ablation Conference, (Санта Фе, США, 30.04 – 3.05.2012).

3. Ilina I.V., Ovchinnikov A.V., Sitnikov D.S., Chefonov O.V., Agranat M.B., Khramova Yu.V., Semenova M.L., Microsurgery of cell membrane with femtosecond laser pulses for cell fusion and optical injection, 20th In ternational Conference on Advanced Laser Technologies ALT’12, (Тун, Швейцария, 02.09 – 06.09.2012).

Проект 4.11 Исследование процессов распространения ультракоротких импульсов в нанокомпозитных средах и методов абляционной модификации сред (Руководитель проекта: Ю.Н. Кульчин, ИАПУ ДВО РАН) Проведены экспериментальные исследования оптических свойств новых фотоактив ных полимерных материалов на основе полиметилметакрилата (ПММА), содержащего хелат бора–2,2–Дифторо–4-(9-антрацил)–6–метил-1,3,2-диоксаборинна и нанокомпозит ных биоминеральных материалов основе прекурсора тетракис (2-гидроксиэтил) ортосили ката (THEOS) с включением полисахаридов, макромолекул гиперразветвленного поли глицидола (HBP) и наночастиц Au и CdS. На рисунке 1 представлены результаты генера ции спектра суперконтинуума (СК) в нанокомпозитных биоминеральных материалах при прохождении основной гармоники титан-сапфирового лазера (длительность импульса фс, энергия 1 мДж, частота импульсов 100 Гц) в зависимости от типа добавки к прекурсо ру THEOS.

Из рисунка 1. видно, что добавление малых концентраций наночастиц Au и CdS со средним диаметром ~ 5 нм в исследуемые новые композиты существенно изменяет нели нейные оптические свойства материалов и увеличивает эффективность преобразования СКИ в спектр суперконтинуума. Увеличение концентрации Au наночастиц приводит к возрастанию линейного коэффициента поглощения в диапазоне длин волн 300-800 нм, что приводит к снижению эффективности трансформации энергии сверхкоротких лазерных импульсов в спектр суперконтинуума.

Рис. 1. Распространение СКИ исследуемых образцах. Слева: (1) – спектр лазерного им пульса;

(2) – спектр образца THEOS (50% по весу) + HBP (1% по весу);

(3) - спектр образца THEOS (50% по весу) + HBP (1% по весу) + 2.0105 M HAuCl4 и 3.8105M HAuCl4 (4). Справа: (5) спектр образца THEOS (50% по весу) + CdS (0.3% по весу);

(6) THEOS (50% по весу);

(7)-дистиллированная вода. Длина образцов 1 см, при регистра ции спектров на рисунке справа использовался светофильтр СЗС23 толщиной 5 мм Проведенные экспериментальные исследования показали, что новый полимерный фо торегистрирующий материал на основе 2,2-Дифторо-4-(9-антрацил)-6-метил-1,3,2 диоксаборина эффективно изменяет в видимом диапазоне коэффициент поглощения и пока затель преломления под действием как непрерывного излучения с длиной волны = 405. нм, так и под действием ультракоротких лазерных импульсов второй гармоники титан сапфирового лазера с центральной длиной волны = 400 нм и полушириной 8 нм. Опреде лены режимы изменения линейного показателя преломления под действием ультракоротких импульсов в данном материале на длине волны лазерных импульсов 800 нм на основе двухфотонного поглощения. Обнаружено динамическое изменение эффективного показате ля преломления исследуемого материала, под действием излучения с указанной длиной волны, что позволяет создавать в нем оптические элементы управления типа свет-свет с частотой модуляции до 50 Гц. Это позволяет производить запись фотонных кристаллов, оп тических ключей, а так же статических голограмм с пространственной частотой до лин/мм, дифракционной эффективностью более 60% и временем жизни более 6 мес.

При выполнении проекта созданы автоматизированные экспериментальные ком плексы для измерений параметров биоминеральных и фотоактивных полимерных нано композитов, основанные на методе z-скан и FROG (Frequency-resolved Optical Gating), фо тографии комплексов представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Фотография экспериментальных комплексов: метод z-скан (слева) и метод FROG (справа) Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Irina Postnova, Alexander Bezverbny, Sergey Golik, Yury Kulchin, Haiqing Li, Jing Wang, Il Kim, Chang-Sik Ha and Yury Shchipunov Tailored hybrid hyperbranched polyglycidol-silica nanocomposites with high third order nonlinearity// International Nano Letters 2012, Volume 2, Number 13 doi:10.1186/2228-5326-2- 2. Ю. Н. Кульчин, О. Б. Витрик, А. Ю. Жижченко, А. Г. Мирочник, Е. В. Федоренко Оптические свойства нового полимерного фоторегистрирующего материала на основе 2,2-Дифторо-4-(9-антрацил)-6-метил 1,3,2-диоксаборина// Оптика и спектроскопия, том 112, № 4, Апрель 2012, С. 562-567.

Проект 4.12. Высоконелинейное объемное флуоресцентное наноструктурирование прозрачных оптических материалов (Руководитель проекта: Е.Ф. Мартынович, ИЛФ СО РАН) В ходе выполнения проекта решались следующие плановые задачи:

- Расшифровка механизмов внутреннего фотоэффекта при взаимодействии первой гармоники титан-сапфирового лазера (h 1,4 эВ) с широкозонными соединениями (E 14 эВ).

- Экспериментальное определение степени нелинейности взаимодействия света и вещества.

- Экспериментальное определение энергетической эффективности образования лю минесцирующих центров окраски в индуцированных лазерным излучением наноэмитте рах.

- Экспериментальное определение размеров и формы индуцированных наноэмитте ров при различных условиях и режимах взаимодействия света и вещества. Определение оптимальных условий взаимодействия.

Проведены экспериментальные исследования по формированию флуоресцентных эмиттеров из центров окраски в кристалле LiF под действием единичных фемтосекундных импульсов первой гармоники титан-сапфирового лазера. Наибольший практический инте рес в LiF представляют F2 и F3+ центры окраски, имеющие высокий выход люминесцен ции в видимой спектральной области. Лазерные импульсы фокусировались в кристалл объективом микроскопа Olympus Plan N 40x с числовой апертурой NA=0,65 через полиро ванную поверхность кристалла.

Энергия отдельных импульсов на выходе лазера состав ляла 0.55 мДж, длительность – около 30 фс. Для формирования наноэмиттеров исходная энергия импульсов слишком велика и приводит к разрушениям в области фокуса линзы в кристалле, в том числе образованиям трещин. Для снижения энергии импульсов до при емлемого уровня использовались два дифракционных ослабителя. На первом ослабителе был установлен коэффициент пропускания T1=0.11. На втором ослабителе коэффициент пропускания T2 устанавливался поочередно в 9 значений: 0.022, 0.078, 0.11, 0.18, 0.22, 0.32, 0.430, 0.720, 0.95. Таким образом, совместный коэффициент пропускания двух осла бителей варьировался в интервале от 0,0024 до 0,1. При этом объектив пропускал лишь около половины энергии подаваемого на него излучения вследствие относительно малого диаметра своей апертуры по сравнению с диаметром луча лазера. В условиях эксперимен та работа в получаемом интервале энергий лазерных импульсов позволила изучить диапа зон воздействия импульсов на кристалл от отсутствия каких-либо регистрируемых следов воздействия до разрушения материала. Частота повторения лазерных импульсов была ус тановлена на 10 Гц. Для получения следов воздействия единичных импульсов кристалл перемещался перпендикулярно направлению оси луча при помощи электропривода со скоростью 1/8 мм/с. Для каждого из 9 значений коэффициента пропускания второго осла бителя T2 получена серия из 80 наноэмиттеров, расположенных вдоль прямой линии в кристалле.

Полученные флуоресцентные эмиттеры исследованы при помощи лазерного конфо кального сканирующего люминесцентного микроскопа MicroTime 200. Для возбуждения люминесценции F2 и F3+ центров окраски в наноэмиттерах использовано лазерное излуче ние с длиной волны 470 нм. Возбуждение люминесценции и ее регистрация производи лась через тот же объектив Olympus Plan N 40x, что и при формировании наноэмиттеров фемтосекундными лазерными импульсами. Минимальная энергия фемтосекундного им пульса, при которой обнаружены центры окраски, составляет около 3 мкДж (следов им пульсов с меньшими энергиями с данным объективом не обнаружено). При этом для сле дующего по величине значения энергии импульса 5 мкДж интегральная интенсивность люминесценции центров окраски в эмиттере оказалась на 3 порядка выше. Это является экспериментальным доказательством ранее предполагавшейся из теоретических сообра жений высокой степени (8-10) нелинейности генерации экситонов и электронно дырочных пар, соответствующей многофотонному межзонному поглощению фемтосе кундного лазерного излучения.

Рис. 1. Вверху – люминесцентное изображение поперечного сечения наноэмиттера, сформированного в LiF фемтосекундным лазерным импульсом с энергией 3 мкДж. Снизу – экспериментальный график поперечного профиля интенсивности наноэмиттера с под гоночным гауссианом. Данные получены при помощи конфокального микроскопа с дли ной волны возбуждающего света 470 нм Начиная со следующего значения энергии фемтосекундного импульса, 0.7 мкДж, и выше, наблюдается образование трещин в кристалле в области фокуса объектива, тем больших, чем больше энергия соответствующего импульса. Обнаружено, что при этом интегральная интенсивность люминесценции наноэмиттеров в пределах погрешности экс перимента прямо пропорциональна энергии сформировавших их фемтосекундных им пульсов. Данный факт не противоречит выше сделанному выводу о высокой степени не линейности генерации экситонов и электронно-дырочных пар, но указывает на необходи мость учета дополнительных каналов расхода энергии, поглощенной электронной подсис темой кристалла, конкурирующих с образованием центров окраски.

Поперечный размер наноэмиттеров увеличивается с ростом энергии сформировав ших их лазерных импульсов. В случае энергии импульса 3 мкДж, наблюдаемый размер наноэмиттера составляет около 600 нм. На рис. 2 приведено изображение поперечного се чения наноэмиттера, сформированного в LiF фемтосекундным лазерным импульсом с энергией 3 мкДж. В данном случае ширина поперечного профиля на половине высоты со ставляет около 700 нм.

Действительный размер наноэмиттера должен быть несколько меньше, с учетом раз решающей способности микроскопа (около 500 нм). При этом расчетный поперечный размер перетяжки фокуса фемтосекундного лазерного излучения значительно превышает размер наноэмиттера. Поперечник перетяжки в фокусе объектива вычисляется по извест ной формуле для диаметра диска Эйри d=1.22 / NA. Отсюда, для длины волны лазерно го излучения =800 нм и объектива с NA=0.65, поперечный размер перетяжки составляет около 1.5 мкм, что примерно в 3 раза больше поперечного размера полученных наноэмит теров в случае малых энергий фемтосекундных импульсов. Это соответствует предпола гаемому ранее из теории нелинейному обострению фокуса для степени нелинейности около 8-10.

Продольный размер флуоресцентных эмиттеров с имеет порядок нескольких мик рон. В случае использования фокусирующих объективов с большей числовой апертурой продольный размер можно сократить до величины около 1 мкм.

Измеренная экспериментально степень нелинейности порядка 8-10 прямо указывает, что механизм внутреннего фотоэффекта при взаимодействии первой гармоники титан сапфирового лазера (h 1,4 эВ) с широкозонным кристаллом фторида лития (E 14 эВ) в условиях нашего эксперимента – это многофотонная межзонная ионизация, сопровож даемая генерацией электронно-дырочных пар.

Вместе с тем, если в кристалле предварительным гамма-облучением создана небольшая концентрация исходных центров окраски, то эксперимент показывает квадратичную зависи мость создания новых центров под действием фемтосекундного лазерного облучения. Эти исследования проведены по специально разработанной методике на анизотропных кристал лах MgF2. Обнаружено, что после облучения образцов кристалла MgF2 импульсами фемтосе кундного титан сапфирового лазера при определенных условиях формируется аксиально периодическое распределение концентрации центров окраски в следах филаментов. Период пространственной модуляции, найденный в этих экспериментах свидетельствует, что затра вочные электроны поставляются в зону проводимости в результате двухфотонной ионизации уже имевшихся исходных F2-центров окраски. Более детально эти результаты описаны в пуб ликациях исполнителей проекта, список которых приведен ниже.

Выводы Экспериментально доказана ранее предполагавшаяся из теоретических соображений высокая степень (8-10) нелинейности генерации электронно-дырочных пар и экситонов, что соответствует механизму многофотонного межзонного поглощению фемтосекундного лазерного излучения во фториде лития. В частности, это обеспечивает значительное (практически трехкратное) сокращение размера флуоресцентных эмиттеров по сравнению с размером перетяжки фокуса формирующего их фемтосекундного лазерного излучения, что было продемонстрировано экспериментально.

Фотография объемных изображений, записанных в прозрачном оптическом материале с помощью разработанной фемтосекундной лазерной технологии формирования флуоресцентных наноэмиттеров Формирование наноэмиттеров из центров окраски в широкозонных кристаллах при помощи фемтосекундного лазера является энергоэффективным процессом. В условиях эксперимента оптимальная энергия фемтосекундного лазерного импульса для формирова ния наноэмиттера в LiF составляет 3-5 мкДж для использованной фокусирующей оптики.

При больших энергиях происходит разрушение материала, при меньших – центры окра ски практически не образуются. Это определяет оптимальные условия взаимодействия при создании флуоресцентных эмиттеров. При использовании более сильного объективов с учетом нелинейного обострения диаметр флуоресцентных эмиттеров описанной выше природы приблизится к 100 нм.

Дополнительные (по отношению к образованию центров окраски) каналы расхода энергии фемтосекундого лазерного импульса, поглощенной электронной подсистемой кристалла, могут существенно снижать эффективность образования центров окраски. На пример, в эксперименте наблюдается взаимосвязь между появлением трещин в эмиттерах и приближением к линейной зависимости концентрации центров окраски с ростом энер гии фемтосекундных импульсов.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ В журналах из списка ВАК 1. Л.И. Брюквина, Е.Ф.Мартынович. Образование и свойства металлических наночастиц во фторидах лития и натрия с радиационно-созданными центрами окраски. Физика твердого тела, 2012, том 54, вып.

12, с. 2056-2051.

2. С.А. Зилов, Е.Ф. Мартынович, Л.И. Брюквина, А.А. Старченко. Аксиально-периодическое распределение концентрации центров окраски, образованных фемтосекундным лазерным излучением в кристаллах MgF2. Известия вузов. Физика, 2013, № 2/2 (принята к публикации).

3. S.A. Zilov, E.F. Martynovich, L.I. Brykvina, A.A. Starchenko. The periodic structure of color centers distribution in filament formed by femtosecond laser irradiation in crystal MgF2. Russian Physics Journal, 2012, № 11/3 (принята к публикации).

4. L.I.Bryukvina, A.L.Rakevich, E.F.Martynovich. Aggregation and transformation of color centers under and laser radiation in magnesium fluoride. Russian Physics Journal, № 11/3, 2012 (принята к публикации).

5. A.V. Kuznetsov, E.F. Martynovich. Simulation of Filamentation of Extremely Intense Femtosecond Laser Pulses in Crystalline Dielectrics. Russian Physics Journal, № 11/3, 2012 (принята к публикации).

6. D.S.Glazunov, V.P.Dresvyanskiy, N.S.Bobina, V.F.Ivashechkin, A.I.Nepomnyashchikh, A.V.Kirpichnikov, A.V.Kuznetsov, E.V.Pestriakov, B.Chadraa, O.Bukhtsooj, E.F.Martynovich. Thermostimulated luminescence of LiF:Mg,Ti, irradiated with femtosecond laser pulses in filamentation mode. Russian Physics Journal, 2012, № 11/3 (принята к публикации).

7. Д.С. Глазунов, В.П. Дресвянский, Н.С.Бобина, В.Ф.Ивашечкин, А.И.Непомнящих, А.В.Кирпичников, А.В.Кузнецов, Б.Чадраа, О.Бухтсоож, Е.Ф.Мартынович. Термостимулированная люминесценция кри сталлов фторида лития, облученных интенсивными фемтосекундными импульсами титан-сапфирового лазера. Изв. вузов. Физика, 2013, № 2/2 (принята к публикации).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.