ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Содержание

Слайд 2

Программа Президиума РАН № 27 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов» Раздел Программы: 4.

Программа Президиума РАН № 27 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов» Раздел
Диагностика наноструктур Научное направление Программы: 4.3. Оптические методы и спектроскопия

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 3

Проект «Разработка и исследование системы терагерцовой диагностики на основе фемтосекундных волоконных лазеров для изучения динамики

Проект «Разработка и исследование системы терагерцовой диагностики на основе фемтосекундных волоконных лазеров
неравновесных процессов в квантовых системах пониженной размерности»

Организация Исполнитель:
Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Научный руководитель проекта:
зам.директора, д.т.н., профессор О.И. Потатуркин

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 4

Цель проекта

Разработка и исследование систем терагерцовой диагностики (с применением оптико-терагерцовых и терагерцово-оптических

Цель проекта Разработка и исследование систем терагерцовой диагностики (с применением оптико-терагерцовых и
преобразователей на основе взаимодействия фемтосекундных импульсов волоконных лазеров с нелинейно-оптическими средами и полупроводниковыми гетероструктурами), ориентированных на:
изучение динамики процессов формирования, трансформации и релаксации элементарных и коллективных возбуждений в квантовых системах пониженной размерности,
характеризацию качества полупроводниковых наноструктур в процессе зарождения и формирования без нарушения их функционирования.

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 5

Задачи проекта

разработка и изготовление макетных образцов оптико-терагерцового и терагерцово-оптического преобразователей на основе

Задачи проекта разработка и изготовление макетных образцов оптико-терагерцового и терагерцово-оптического преобразователей на
нелинейных эффектов в оптических средах и фотоэффектов в полупроводниковых гетероструктурах с применением волоконно-оптических (в т.ч. двухканальных) фемтосекундных лазеров;
разработка и создание малогабаритной системы терагерцовой диагностики с субпикосекундным разрешением, ориентированной на получение прямой информации об энергетическом спектре, динамике и временной эволюции электронной заселенности квантовых систем;
исследование основных параметров оптико-терагерцового и терагерцово-оптического преобразователей и системы терагерцовой диагностики в целом.

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 6

Генерация терагерцового излучения

= (2Ω2 d2 LI / εc3n2nТГц )A
A = exp (-

Генерация терагерцового излучения = (2Ω2 d2 LI / εc3n2nТГц )A A =
αТГцL/2) sinh2(αТГцL/4)/(α ТГцL/4)2
d = - rn4/4

η - эффективность преобразования;
d - квадратичная нелинейность;
L – толщина НЛО среды;
I - интенсивность лазерного излучения;
ε - диэлектрическая проницаемость;
с - скорость света в вакууме;
n – групповой показатель преломления;
nТГц - ТГц показатель преломления;
αТГц - ТГц показатель поглощения;
А - потери из-за ТГц поглощения;
r - электрооптический коэффициент

Требования к нелинейно-оптической среде:
- высокая нелинейность (большие значения r )
условия фазового синхронизма ( n = nТГц)
малое поглощение на лазерной и терагерцовых
частотах (малые значения α и αТГц )
- высокая лучевая прочность

Оптические методы генерации ТГц излучения основаны на взаимодействии коротких мощных лазерных импульсов с веществом, которое приводит к возникновению импульса поляризации, релаксация которых за времена 10-13 – 10-12 с создает волну электромагнитного излучения ТГц спектрального диапазона

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 7

Электрооптическая регистрация ТГц излучения

S2(t i) – S1(t i) = I cos2 (450

Электрооптическая регистрация ТГц излучения S2(t i) – S1(t i) = I cos2
– φ (t i)) – I sin2(450 – φ (t i)) =
= I sin(900 – 2φ(t i)) = I sin2φ(t i) ≈ I 2φ (t i) =
= I 2π L r EТГц(t i) /λ

~

Регистрация ТГц излучения поляризационно-оптическим методом основана на эффектах Поккельса или Керра: электрическое поле терагерцового импульса, проходящего через нелинейно-оптический кристалл, вызывает изменение эллипсоида показателей преломления кристалла, которое считывается пробными импульсами лазерного излучения.

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 8

Блок-схема “pump-probe” терагерцового спектрометра

Система предназначена для исследования кинетики возбуждения, передачи и

Блок-схема “pump-probe” терагерцового спектрометра Система предназначена для исследования кинетики возбуждения, передачи и
релаксации энергии в наноматериалах и наноструктурах как в режиме «pump-probe» зондирования с регистрацией динамики возбуждения и релаксации энергии, так и в режиме спектрометра.

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 9

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
терагерцовая спектроскопия экситонных,
примесных и фононных состояний;
генерация, передача и быстрая релаксация
возбуждений

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ терагерцовая спектроскопия экситонных, примесных и фононных состояний; генерация, передача и быстрая
«pump-probe» методом
с субпикосекундным разрешением;
структурные фазовые переходы, переходы
металл-диэлектрик, твердое тело - стекло и т.п.;
фазовые переходы в материалах с сильным спин-спиновым и спин-орбитальным взаимодействиями (магнитные полупроводники , ВТСП и др.), перенос зарядов и спинов

Области применения:

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 10

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ
Динамика электронного возбуждения и релаксации (квантовые проволочки, точки

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ Динамика электронного возбуждения и релаксации (квантовые проволочки, точки
и т.п.), взаимодействие элементарных возбуждений между собой и с внешними полями «pump-probe» методом с субпикосекундным разрешением :
- механизм проводимости,
рассеяния и локализации заряда
в полупроводниковых наноструктурах;
взаимодействие электронной подсистемы
квантовых точек с барьерными фононами,
влияние окружения на релаксационные параметры квантовых точек;
- терагерцовая модуляция света в структурах с квантовыми проволочками на эффекте Autler-Townes Splitting.

Области применения:

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 11

БИОЛОГИЯ
Исследование структуры и динамики конформации биологических молекул и молекулярных комплексов, обладающих слабыми

БИОЛОГИЯ Исследование структуры и динамики конформации биологических молекул и молекулярных комплексов, обладающих
водородными связями и/или дальнодействующими взаимодействиями, на основе анализа спектра колебаний в терагерцовом диапазоне:
- в ДНК и РНК это моды колебаний и
движения спиралей (они чувствительны
к нуклеотидному составу и топологии
молекулы, поэтому несут информацию о
трехмерной структуре, эластичности спиралей
и о процессах передачи генетической информации);
- в белках это колебательные моды аминокислотных последовательностей, по которым можно идентифицировать белковые молекулы, их структуру и конформационные изменения.
Селективное разрезание биологических молекул и молекулярных
комплексов с сохранением их функциональных свойств.

Области применения:

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Слайд 12

МЕДИЦИНА

Терагерцовая визуализация и
томография

Дифференциация тканей по спектру
терагерцового поглощения

Обнаружение злокачественных
новообразований

Клетки, вирусы и бактерии имеют

МЕДИЦИНА Терагерцовая визуализация и томография Дифференциация тканей по спектру терагерцового поглощения Обнаружение
специфические спектры поглощения в терагерцовом диапазоне, позволяющие идентифицировать и отличать здоровые клетки от больных.

Области применения:

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН