ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

Программа Президиума РАН № 27
«Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов»
Раздел Программы: 4. Диагностика наноструктур
Научное направление Программы:
4.3. Оптические методы и спектроскопия
ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

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

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

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

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

Электрооптическая регистрация ТГц излучения
S2(t i) – S1(t i) = I cos2 (450 – 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

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

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

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

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

МЕДИЦИНА
Терагерцовая визуализация и
томография
Дифференциация тканей по спектру
терагерцового поглощения
Обнаружение злокачественных
новообразований
Клетки, вирусы и бактерии имеют специфические спектры поглощения в терагерцовом диапазоне, позволяющие идентифицировать и отличать здоровые клетки от больных.
Области применения:
ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН