'

Зондовая оптическая спектроскопия на основе фотонного эха

Понравилась презентация – покажи это...




Слайд 0

Зондовая оптическая спектроскопия на основе фотонного эха Каримуллин Камиль Равкатович к.ф.-м.н., н.с. отд. молек. спектроскопии ИСАН н.с. лаб. нелинейной оптики КФТИ Волны-2014 К.Р. Каримуллин1,2, А.В. Наумов1,3 1Институт спектроскопии РАН 2Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН 3Московский педагогический государственный университет


Слайд 1

Фотонное эхо. Схема эксперимента Эхо-спектроскопия примесных кристаллов. Приложения Спектроскопия неупорядоченных твердотельных структур с примесными молекулами – зондами. Примеры исследований и перспективы План доклада


Слайд 2

Фотонное эхо Теоретическое предсказание светового эха: Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. / Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315. Первые экспериментальные работы по фотонному эху: N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568 I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391. Оптическая эхо-спектроскопия: Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с. Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с. Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов: Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.


Слайд 3

Фотонное эхо Теоретическое предсказание светового эха: Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. / Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315. Первые экспериментальные работы по фотонному эху: N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568 I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391. Оптическая эхо-спектроскопия: Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с. Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с. Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов: Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.


Слайд 4

Фотонное эхо Теоретическое предсказание светового эха: Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. / Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315. Первые экспериментальные работы по фотонному эху: N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568 I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391. Оптическая эхо-спектроскопия: Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с. Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с. Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов: Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.


Слайд 5

Фотонное эхо Теоретическое предсказание светового эха: Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. / Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315. Первые экспериментальные работы по фотонному эху: N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568 I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391. Оптическая эхо-спектроскопия: Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с. Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с. Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов: Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.


Слайд 6

Фотонное эхо Теоретическое предсказание светового эха: Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. / Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315. Первые экспериментальные работы по фотонному эху: N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568 I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391. Оптическая эхо-спектроскопия: Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с. Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с. Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов: Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.


Слайд 7

Эхо-спектроскопия Временная диаграмма возбуждения сигналов эха Схема эхо-спектрометра Пример осциллограммы Условия фазового (пространственного) синхронизма: Измеряемые характеристики: Время фазовой релаксации T2 – однородная ширина линии электронного перехода Время жизни возбужденного уровня T1 Исследование быстропротекающих случайных процессов - спектральная диффузия Исследование температурных зависимостей – параметры электрон-фононного взаимодействия Модуляционная эхо-спектроскопия – исследование малых расщеплений энергетических уровней Однородно-уширенные линии одиночных примесных центров, распределенные внутри широкого неоднородного контура


Слайд 8

Блок схема экспериментальной установки АОМ-акустооптический модулятор, З – зеркало, Д– диафрагма, П(А)– поляризатор (анализатор), Л – линза, ИМО – измеритель мощности, ИДВ – спектрометр длин волн, ПП – плоскопараллельная пластинка. Временные диаграммы возбуждения сигналов первичного (а), стимулированного (б) и аккумулированного (в) эха. Время в мкс. Параметры установки: Диапазон перестройки спектра лазера – 750-950нм; Выходная мощность на длине волны 800 нм – 1 Вт; Спектральная ширина линии излучения – 2 МГц; Мощность на образце в криостате – 50 мВт; Чувствительность* – 0,5 мВ. * система «Счётчик фотонов» с предусилителем ФЭУ Шаг перемещения строба – 10 нс; Шаг изм. интервала между импульсами – 10 нс; Интервал между импульсами – 50нс-1с; Длительность импульсов – 50нс-10мкс. Экспериментальная установка Оптический эхо-процессор Каримуллин К.Р., Зуйков В.А., Самарцев В.В. Экспериментальная установка «Оптический эхо-процессор» / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия. 2004. Вып. VIII. С. 301-308. Kalachev A.A., Karimullin K.R., Samartsev V.V., Zuikov V.A., Optical echo-spectroscopy of highly doped Tm:YAG, Laser Physics Letters. – 2008. – V. 5, №12. – P. 882-886.


Слайд 9

Фотонное эхо в кристалле YAG:Tm3+ Кривая спада сигналов 2ФЭ I(t12)~exp[–(4t12/TM)x] I(t23)~exp(–4?12/T2)·exp(–2?23/T1) T1(3H4)= 600 мкс T1(3F4)= 30 мс Кривая спада сигналов СФЭ Зависимость интенсивности сигналов аккумулированного ФЭ от количества импульсных пар Kalachev A.A., Karimullin K.R., Samartsev V.V., Zuikov V.A., Optical echo-spectroscopy of highly doped Tm:YAG, Laser Physics Letters. – 2008. – V. 5, №12. – P. 882-886. TM= 0,75 мкс x= 1,07 Схема уровней


Слайд 10

Фотонное эхо в кристалле рубина Al2O3:Cr3+ Сверхтонкая структура уровней 53Cr V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, V.A. Zuikov / Detection of satellites of primary photon echo in ruby // Laser Physics. - 2003. - V.13. No 12. - P. 1487-1490. V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, T.G. Mitrofanova / Photon echo in ruby doped only by 53Cr isotope ions // Laser Physics Letters. -2008. - V.5. No 8. P. 603-607. Модуляция временной формы сигналов 2ФЭ в кристалле рубина Модуляция временной формы сигналов СФЭ в кристалле рубина, допированном исключительно ионами 53Cr Изотопы Cr: 50Cr – 4,3 % 52Cr – 82,7 % 53Cr – 9,6 % (I=3/2; 2I+1=4) 54Cr – 2,4 % Тонкая структура R1-линии рубина Расстояния между максимумами сигналов эха – 15-22 нс – расщепления уровней - 45-60 МГц


Слайд 11

Приложения Оптическая память и обработка информации Примесные кристаллы – перспективные носители информации в системах квантовой памяти и оптической обработки информации C.W. Thiel, Thomas Bottger, R.L. Cone / Rare-earth-doped materials for applications in quantum information storage and signal processing // J. Lumin. 2011. V. 131. P.353-361. Эхо-голография Л.А. Нефедьев, B.В. Самарцев / Оптическая эхо-голография (обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. 1992. Т.57. №5-6. С.386-428. Л.А. Нефедьев, В.В. Самарцев / Цветная эхо-голография // Оптика и спектроскопия. 1987. Т.62. №3. С.701-703. K.D. Merkel, R. Krishna Mohan et al. / Multi-Gigahertz radar range processing of baseband and RF carrier modulated signals in Tm:YAG // J. Lumin. 2004. V. 107. P. 62-74 Принципиальная схема эхо-процессора радарного типа (компания S2-CHIP, США) – свертка – корреляция


Слайд 12

Неупорядоченные (аморфные) среды неупорядоченные среды распространены повсеместно (полимеры, стёкла, полупроводники, керамики, метаматериалы, наноструктуры и т.д.), к ним относится огромный класс биологических сред Отличия от упорядоченных сред: к-нт теплоемкости ~T к-нт теплопроводности ~T 2 оптические спектры акустические свойства … кристаллы аморфные среды биологические среды


Слайд 13

Особенности внутренней динамики и оптических спектров неупорядоченных примесных сред однородная ширина ~ 4 см-1 БФЛ ФК Спектральная полоса одиночной хромофорной молекулы (однородно-уширенный спектр) Спектральная полоса ансамбля хромофорных молекул (неоднородное уширение). Схематическое изображение струк-туры аморфной матрицы с внедрен-ным в нее примесным центром, взаимодействующим с ДУС, НЧМ и акустическими фононами Формирование однородной ширины полосы ? Anderson P.W., Halperin B.I., Varma C.M., Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses / Phil. Mag. 1972. V. 25. P.1. Buchenau U., Prager M., Nucker N., Dianoux A.J., Ahmad N.A., Phillips W.A. Low-frequency modes in vitreous silica / Phys. Rev. B. 1986. V. 34. P. 5665. Карпов В.Г., Клингер М.И., Игнатьев Ф.Н. Теория низкотемпературных аномалий тепловых свойств аморфных структур / ЖЭТФ. 1983. Т. 84. С. 760.


Слайд 14

Спектроскопия аморфных сред Спектроскопия примесного центра – методы исследования Эффект Шпольского – возникновение узких спектральных линий некоторых красителей в специально подобранных матрицах при низких температурах «Лазерные методы» Возбуждение тонкоструктурных спектров флуоресценции Выжигание провалов Фотонное эхо (с ультракороткими импульсами) Спектроскопия одиночных молекул А.В. Наумов / Спектроскопия органических молекул в твёрдых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектромикроскопии всех эффективно излучающих одиночных молекул // Успехи физических наук. 2013. Т. 183. № 6. P. 633-652.


Слайд 15

Некогерентное фотонное эхо Общий вид лазерной системы Вайнер Ю.Г., Груздев Н.В. Динамика органических аморфных сред при низких температурах: Иссле­дования резоруфина в d- и d6- этаноле при 1.7-35 К методом некогерентно­го фотонного эха. I. Эксперимент. Основные результаты / Оптика и спектроскопия. 1994. Т. 76, №2. С.252-258. Каримуллин К.Р., Вайнер Ю.Г., Ерёмчев И.Ю., Наумов А.В., Самарцев В.В. Сверхбыстрая оптическая дефазировка в примесном полиметилметакрилате: исследования методом некогерентного фотонного эха с фемтосекундным временным разрешением / Ученые записки Казанского государственного университета. Серия физико-математические науки. 2008. Т. 150. Кн. 2. С. 148-159. Параметры установки: рабочий диапазон: 450-860 нм ширина спектра: до 300 см -1 временное разрешение: 20-30 фс длительность импульсов: 12-15 нс энергия: до 2 мДж/имп частота повторения: 1-10 Гц Примеры перестройки спектра


Слайд 16

Оптическая дефазировка в примесном толуоле Кривые спада сигнала НФЭ, измеренные в системе Zn-OEP/Toluene при разных температурах Структурные формулы молекул примеси (Zn-октаэтилпорфина) и матрицы (толуола) К процедуре измерения фактора Дебая-Валлера (a) Вайнер Ю.Г., Кольченко М.А., Наумов А.В., Персонов Р.И., Цилкер С.Дж. Оптическая дефазировка в твердом толуоле, активированном цинк-октаэтилпорфином // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 2. С. 215-221.


Слайд 17

Спектроскопия флуоресценции примесного полистирола Спектры резонансной флуоресценции полистирола, допированного молекулами магний - октаэтилпорфина при разных температурах Структурные формулы молекул примеси (Mg-октаэтилпорфина) и матрицы (полистирола) Спектр поглощения образца Kanematsu Y., Ahn J.S., Kushida T., Resonance fluorescence spectra of dye-doped polymers // J. Luminescence. 1992. V. 53. P. 235-238.


Слайд 18

Исследование температурных зависимостей Температурная зависимость фактора Дебая-Валлера для двух примесных систем Температурная зависимость однородной ширины БФЛ для системы Zn-ОЭП/толуол - взаимодействие с широким спектром фононов - взаимодействие с одиночной фононной модой Параметры ДУС и НЧМ, ответственных за дефазировку и уширение БФЛ в системе Zn-ОЭП/толуол К.Р. Каримуллин, М.В. Князев, Ю.Г. Вайнер, А.В. Наумов. Оптическая дефазировка в порфирин-допированных стеклах и полимерах: температурная зависимость фактора Дебая-Валлера / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия. 2012. Вып. XVI. С. 61-64.


Слайд 19

Оптическая дефазировка в примесных системах K.R. Karimullin, A.V. Naumov, Dyes characterization for multi-color nanodiagnostics by phonon-less optical reconstruction single-molecule spectromicroscopy, Journal of Luminescence. - 2014. - V. 152. - P. 15-22. Полициклические углеводороды и их производные Фталоцианины, хлорин, диметил-тетразин Порфирины Ме-замещенные порфирины и их производные Ионные красители: крезил фиолетовый, родамин, резоруфин Полупроводниковые кристаллы и квантовые точки


Слайд 20

Универсальные свойства аморфных сред Порфирины Ме-замещенные порфирины и их производные


Слайд 21

Перспективы Расширение температурного диапазона исследований в область высоких (не криогенных температур) Исследование полупроводниковых квантовых точек Исследование биологических объектов Лекция «Когерентные оптические явления в полупроводниковых наноструктурах с резидентными электронами» Илья Андреевич Акимов, 29 мая, 12:05 Доклад «Исследование релаксационных процессов в ансамбле квантовых точек в наноразмерных полупроводниковых пленках на основе фотонного эха» И.И. Попов, Н.С. Вашурин, С.Э. Путилин и др., 30 мая, 15:00 Построение теоретической модели для описания наблюдаемых в эксперименте симметричных кривых спада в рамках динамической теории оптической дефазировки (проф. И.С.Осадько) (доклад: Федянин В.В. «Сверхбыстрая фазовая релаксация в примесных твердотельных средах: численное моделирование сигналов фотонного эха», 30 мая, постерная секция П3) Модернизация экспериментальной аппаратуры Повышение чувствительности и точности измерений


Слайд 22

Прецизионная фокусировка лазерных лучей в эхо-экспериментах конфокальная схема с возможностью возбуждения и сбора люминесценции образца возможность исследования образцов с очень малыми размерами и в сложных схемах эксперимента источник возбуждения: непрерывный полупроводниковый лазер; образец содержит хромофор, люминесцирующий в выбранной спектральной области; люминесценция выделяется фильтром детектор – компактная специализированная (для микроскопии) ПЗС-камера Moticam 2300, снабженная объективом – визуализация образца с увеличением; не требуется задействовать лазер с ограниченным ресурсом и вносить изменения в оптическую схему установки возможность автоматизации Схема конфокального люминесцентного визуализатора Kamil Karimullin, Mikhail Knyazev, Ivan Eremchev, Yuri Vainer, Andrei Naumov, A tool for alignment of multiple laser beams in pump-probe experiments, Measurement Science and Technology. - 2013. - V. 24, No 2. - P. 027002 [4 pages]


Слайд 23

Лазерная система и детектор Параметры лазера накачки: энергия: до 125 мДж/имп (532 нм) длительность импульса: 7-9 нс частота повторения: 1-10 Гц нестабильность работы: <1.5% Параметры камеры: квантовый выход до 65% динамический диапазон: 12 бит темновой ток: <0.1e /pix в сек время экспозиции: 100 нс – 3000 мс регулируемая задержка – от 100 нс термоэлектрическое охлаждение до – 12°С


Слайд 24

Оптическая дефазировка в системе ТБТ/ПИБ Мощностная зависимость Мощностная зависимость, построенная по измерениям времени дефазировки в системе ТБТ/ПИБ при Т= 5К Температурная зависимость однородной ширины полосы 0-0 перехода молекул ТБТ в матрице ПИБ по данным ФЭ и спектроскопии одиночных молекул Vainer Yu.G., Kol’chenko M.A., Naumov A.V., Personov R.I., Zilker S.J., Photon echoes in doped organic amorphous systems over a wide (0.35-50K) temperature range, J. Lumin., v. 86, pp. 265-272 (2000).


Слайд 25

Благодарности Исследования выполнены при финансовой поддержке: РФФИ (гранты №№ 12-02-31381-мол_а, 12-02-33027-мол_а_вед, 14-02-31627-мол_а) Президиума РАН (пр. «Квантовая физика конденсированных сред») ОФН РАН (пр. «Фундаментальная оптическая спектроскопия и её приложения») Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых – кандидатов наук (проект МК-2328.2014.2) Спасибо за внимание!


×

HTML:





Ссылка: