Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских...

Фотонные наносенсоры для Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских биологических и медицинских

применений.применений.

Содержание:Введение

1. Измерение параметров наночастиц методом динамического рассеяния света, с пространственным усреднением данных 1.1 Когерентно-оптический экспресс анализ размеров 1.1 Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц наночастиц и их конгломератов в жидких средахи их конгломератов в жидких средах1.2 Измерение скорости неравновесного движения 1.2 Измерение скорости неравновесного движения наночастиц в жидких средах.наночастиц в жидких средах.

2. Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого 2. Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо.волоконного интерферометра Фабри-Перо.

3. 3. Измерение нанопрофиля поверхности объектов с разрешением 3разрешением 300 нм с нм с использованием спектрального апертурного зондаЗаключение

Измерение параметров наночастиц методом

динамического рассеяния света, с пространственным

усреднением данных

Спекл-картина распределения интенсивности рассеянного наноразмерными частицами лазерного излучения в жидком растворе.

Схема установки.

Метод динамического рассеяния света Метод динамического рассеяния света (ДРС)(ДРС)

Компьютер

Лазер =0.63 мкм

ПЗС

I

t

I

t

I

t

t

1 2 N

t

T= i

Стандартный метод ДРССтандартный метод ДРС

I

t

I

t

I

t

t

I

t

T= i

Метод ДРС с пространственным Метод ДРС с пространственным усреднением данныхусреднением данных

Временные зависимости корреляционной функции, полученные на основе процедуры пространственного усреднения данных. Кривые 1, 2, 3 – рас чётные соответственно для =0.077, =0.154, =0.307. Экспериментальные данные представлены точ ками: - = 0.077, - = 0.154, - = 0.307.

1

2

3

Когерентно-оптический экспресс анализ Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц размеров наночастиц и их конгломератов в и их конгломератов в

жидких средахжидких средах

Когерентно-оптический экспресс метод Когерентно-оптический экспресс метод анализа размеров наночастиц и их анализа размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах.конгломератов в жидких средах.

Обеспечивает измерение диаметров частиц в жидких средах в диапазоне от 30 до 750 нм – с погрешностью не более 20%;

Является бесконтактным, позволяет обойтись без специальной подготовки образцов и требует минимального количества раствора или взвеси для анализа (не менее 2 мм3);

Даёт возможность исследования свойств жидкостей при наличии динамических процессов в растворах.

Временное разрешение метода при регистрации динамических процессов – 1мс;

Характеристики метода:

Применения когерентно-оптического когерентно-оптического экспресс метода анализа размеров экспресс метода анализа размеров

наночастицнаночастиц

Измерение размеров частиц в неравновесных процессах

В процессе желирования пектиносодержащих

растворов В процессе

седиментации

D=50 нм

Измерение кинетики неравновесных Измерение кинетики неравновесных наночастицнаночастиц

Лазер =0.63 мкм

Компьютер

ПЗС

Импульсный лазер =0.52 мкм

Исследование кинетики неравновесных Исследование кинетики неравновесных наночастиц методом динамического наночастиц методом динамического

рассеяния светарассеяния света

1

2

10 20 30 40 500.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

t, мc

1

2

Корреляционные кривые 1 – в равновесном состоянии 2 - в неравновесном

t,c

0.080.060.040.020

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

<v2>m/3k, 0K

Зависимость нормированной среднеквадратичной скорости неравновесных наночастиц частиц SiO2 от времени.

Фотонный сенсор для измерения Фотонный сенсор для измерения показателя преломления жидкостейпоказателя преломления жидкостей

на основе резонансной связи мод в изогнутом на основе резонансной связи мод в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Пероволоконном интерферометре Фабри-Перо

Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо.волоконного интерферометра Фабри-Перо.

13

Схема чувствительного элемента рефрактометраСхема чувствительного элемента рефрактометра

Зависимость потерь мощности излучения в изогнутом волоконном световоде от показателя преломления внешней среды.

Распространение излучения в изогнутом волоконном световоде.

пороговая чувствителность ~ 10-4

14

Коэффициент ослабления мощности направляемого излучения α(R) в изогнутом одномодовом волоконном световоде при рассмотрении в рамках модели “ВС – сердцевина/оптическая оболочка/внешняя среда” представляется в виде:

(1)

где ,

, q=2,3 ,

, n3 - показатель преломления внешней среды, b - внешний радиус оптической оболочки световода.

0

23

22

22

2

2

32

21

2

22

2

32

)(sin)(cos

exp3

2exp

)(

dnk

R

KV

nk

R

R

)],([2

3222

bXR

nkq

qq

R

xnk

nk

RxX q

q

q2

12

),( 2222

32

22

4)],([

3

2)( 2/3

2 bX Зависимость α(R), построенная в соответствии с

выражением (3) для световода с параметрами ρ=4,15мкм, n1=1,467, n2=1,462 при длине волны направляемого излучения λ=1,55мкм при различных значениях показателя преломления внешней по отношению к световоду среды n3.

Исследование условий, обеспечивающих резонансную связь между основной модой

сердцевины и модами оптической оболочки в одномодовом волоконном световоде

15

Исследование зависимостей сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом резонаторе Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при различных

радиусах его изгиба

Зависимости сдвига интерференционных максимумов в изогнутом волоконно-оптическом резонаторе Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при радиусе изгиба интерферометра 9,7мм (маркер ■), 10,7мм (маркер ♦), 10,1мм (маркер ▲), в прямом световоде (маркер •)

0,077

0,71

Спектральная и фазовая чувствительность

Пороговая чувствительность 5*10-6.

Измерение нанопрофиля поверхности объектов с с

использованием спектрального апертурного зонда

Запредельный участок

В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо

Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре

Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом

Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо

δλ

В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо

Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом

Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре


Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо

Зависимость относительного сдвига резонансного максимума ε=δλ/λ от относительного изменения расстояния h/L для диафрагм с различным диаметром

Крутизна линейного участка зависимости ε(h/l)

определяет чувствительность зонда к продольному перемещению объекта

lδλ

λα 1

A. Пространственное

распреде-ление Ez компоненты электри-ческого поля в плоско-параллельном резонаторе Фабри-Перо (A) и на выходе субволновой диафрагмы (B)

α=0,07 (D=λ/40)

α=0,7 (D=8λ)

(A)

h


Результаты моделирования

Схема экспериментальной установки

В качестве тестового объекта использовался суженный

конусообразный волоконный световод с радиусом кривизны

наконечника ~300 нм


Экспериментальные исследования

Зависимость ∆λ/λ(h/L) при приближении/отдалении тестового объекта относительно диафрагмы для случая D=8λ, D=λ/15, D=λ/40. Экспериментальная чувствительность к продольному перемещению объекта приблизительно в 2 раза больше значения, полученного при численном моделировании.

Зависимость ∆λ/λ(h) при горизонтальном сканировании наконечника исследуемого объекта резонатором с диафрагмой круглой формы при расстоянии h между исследуемым объектом и диафрагмой ~10 нм.

D=λ/40

D=λ/15

D=8λ


Экспериментальные исследования

Наличие выступа приведет к уменьшению

добротности интерферометра

Необходимо поддерживать строгую параллельность исследуемого образца и выходного зеркала интерферометра во

время сканирования

Исследуемый объект должен быть

достаточно гладким


Недостатки плоскопараллельной схемы зонда


Методика создания зонда с конусообразным выступом

Схема экспериментальной установки

Конусообразный вырост на торце волоконного световода формировался методом химического травления световода с оптической сердцевиной допированной Ge в растворе HF и NH4OH

В качестве тестового объекта использовался кантилевер атомно-силового микроскопа

покрытый тонкой пленкой золота.


Результаты экспериментального исследования зонда с конусообразным

выступом

Зависимость относительного смещения резонансного максимума ε(h/L) при вертикальном перемещении тестового объекта относительно диафрагмы для случая диафрагмы с диаметром D=100 nm и D=50 nm.


Результаты экспериментального исследования зонда с конусообразным

выступом

В качестве тестового объекта использовался кантилевер атомно-силового микроскопа

покрытый тонкой пленкой золота.

30

Экспериментально и численно на основе конечно-разностного метода исследована зависимость величины сдвига резонансных максимумов δλ в интерферометре Фабри-Перо от изменения расстояния h между тестовым объектом и диафрагмой для разных диаметров D диафрагм.

Исследована возможность создания сканирующего апертурного зонда на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с субволновой диафрагмой, сформированной в его выходном зеркале

Продемонстрировано максимальное латеральное разрешение 30 нм, вертикальное 15

нм что соответствует значениям λ/50 и λ/100 для длины волны λ=1550 нм.


Безапертурный диэлектический Безапертурный диэлектический зонд для лазерной модификации зонд для лазерной модификации поверхности с разрешением не поверхности с разрешением не

хуже хуже 30 nm30 nm

Far-field Optics

Using the material edge response: Nonlinear absorption Laser ablation Laser polymerization

Focusing optics Interferometric optics

Light localization is restricted by the

fundamental diffraction limit

Vitrik O.B, Kulchin Yu.N., Kuchmizhak A.A.

Hard positioning in nanoscale Lateral Light localization about

Low vertical resolution

Central cross-sections of the laser radiation obtained for different values of the truncated cone tip dd at the distance of 50 nm from the probe. Inset AInset A shows the distribution of the TE-field component ЕЕzz in the vicinity of the dielectric apertureless probe made in the form of truncated cone with d=240 nmd=240 nm.

Relative full width at half maximum ΔΔ1/21/2/λ/λ (curve 1) (curve 1) and SNRSNR (curve 2)(curve 2) as a functions of the relative diameter of the truncated cone tip dd/λ /λ .

b).

Best localization is achieved when the diameter d of the flat truncated tip is 240 nm

Vitrik O.B, Kulchin Yu.N., Kuchmizhak A.A.

Electron micrographs and AFM-images of apertures fabricated in the 50 nm-gold film by single laser pulse

Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских...

Documents