авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< 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

Оптическое управление и диагностика нелинейного реверсивного фотоотклика бактериородопсина

На правах рукописи

КОКЛЮШКИН Александр Владимирович

ОПТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И ДИАГНОСТИКА НЕЛИНЕЙНОГО

РЕВЕРСИВНОГО ФОТООТКЛИКА БАКТЕРИОРОДОПСИНА

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2004 г.

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский госу дарственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кожевников Н.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Котов О.И.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Брюшинин М.А.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научный центр “Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова”

Защита состоится 21 октября 2004 года, в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационно го совета Д212.229.01 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, дом 29, 2-ой учеб ный корпус, ауд.470.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан 21 сентября 2004 года

Ученый секретарь Диссертационного совета Д212.229. доктор физико-математических наук, профессор Водоватов И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Одним из актуальных направлений современной оптоэлектроники является совер шенствование оптических интерферометров, осуществляющих регистрацию сигналов фазо вой, поляризационной или частотной модуляции. Серьезной проблемой при создании чувст вительных интерферометров такого типа является обеспечение надежной работы интерфе рометра в условиях неизбежных помех, приводящих к нестабильности положения рабочей точки интерферометра, определяемой средней разностью фаз между пучками [1]. Подавле ние таких помех может быть осуществлено с помощью адаптивных электромеханических систем, однако, несмотря на значительный прогресс в создании подобных интерферометров, такой способ фильтрации низкочастотных помех характеризуется сложностью систем элек тронной автоподстройки и ограниченным динамическим диапазоном.

Альтернативным способом адаптивной стабилизации рабочей точки интерферометра является использование динамических голографических решеток в качестве смесителей пуч ков [2,3]. Нелинейные оптические материалы, используемые в таких адаптивных голографи ческих интерферометрах, должны обладать высокой световой чувствительностью и разре шающей способностью, малой инерционностью реверсивного фотоотклика, и т.п. Разнообра зие нелинейных материалов, пригодных для использования в когерентных оптических ин формационных системах, инициировало поиск и разработку таких методов диагностики и управления параметрами нелинейных сред, которые позволили бы прогнозировать и оптими зировать работу адаптивных лазерных интерферометров.

В настоящей диссертации исследуются две методики диагностики нелинейных сред.

Первая основана на регистрации дифференциальных (разностных) спектров поглощения (ДСП), позволяющих рассчитать спектральные распределения дифракционной эффективно сти динамических решеток и их амплитудно-фазовых компонентов. В основе второй методи ки диагностики нелинейной среды лежит использование оптического интерферометра, кото рый фактически решает обратную задачу – определения параметров среды по результату са модифракции фазомодулированных световых пучков.

Указанные методы диагностики использовались в настоящей диссертации примени тельно к средам, содержащим бактериородопсин (БР). Являясь типичным реверсивным фо точувствительным материалом со спектрально разделенными полосами поглощения, БР по зволяет реализовать чисто оптическое управление голографической записью. Однако вопрос о возможности прогнозирования голографических характеристик БР по его ДСП до сих пор оставался открытым, прежде всего, из-за достаточно сложного характера фотоцикла и быст ро достигаемого насыщения среды. Кроме того, работы, посвященные оптическому управле нию голографической записью в БР фазомодулированными пучками, выполнялись в основ ном для случая объемной самодифракции световых пучков [4]. В то же время актуальным с научной и практической точек зрения является самодифракция каналируемых световых пуч ков в планарных оптических волноводах с фоторефрактивными покрытиями. Исследование этой геометрии оптического смешения, проведенное в диссертации, демонстрирует новые потенциальные возможности применения сред, содержащих БР, в динамической голографи ческой интерферометрии.

Цель работы Исследование физических процессов, определяющих возможность прогнозирования, диагностики и управления параметрами динамических голографических решеток, форми руемых в процессе самодифракции световых пучков в реверсивной фоточувствительной сре де на основе БР, в том числе используемой в качестве покрытия планарного оптического волновода.

Задачи исследования 1. Экспериментальное исследование ДСП нелинейных материалов на основе БР с раз личным соотношением концентраций молекул в trans- и cis-состояниях.



2. Сопоставление расчетных (по данным ДСП) и экспериментальных значений дифрак ционной эффективности амплитудно-фазовых решеток в нелинейных средах, содер жащих БР, в широком диапазоне интенсивностей записывающих и управляющих све товых пучков.

3. Теоретический расчет и экспериментальное исследование эффектов самодифракции каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с реверсивными фоточувствительными покрытиями.

4. Изучение эффективности оптического управления параметрами динамических голо графических решеток, формируемых в реверсивном светочувствительном покрытии на основе БР.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Дифференциальные спектры поглощения нелинейных реверсивных материалов на основе бактериородопсина позволяют рассчитать спектральные распределения ди фракционной эффективности динамических голографических решеток в длинновол новом диапазоне trans-полосы поглощения.

2. Насыщение фотоотклика материалов на основе бактериородопсина и его синтетиче ских аналогов удовлетворительно интерпретируются в рамках схемы фотоцикла, включающей в себя исходное trans- и возбужденное cis- состояния, что в свою оче редь, обусловливает применимость соотношений Крамерса-Кронига для расчета све тоиндуцированных оптических характеристик среды.

3. Использование бактериородопсина в качестве покрытия планарного волновода позво ляет реализовать эффективную самодифракцию каналируемых фазомодулированных пучков, таким образом, реализуя адаптивный оптический интерферометр.

4. Самодифракция фазомодулированных каналируемых пучков в планарных волноводах с фоторефрактивным покрытием на основе генетически модифицированного бакте риородопсина D96N, приводит к оптически управляемому энергообмену с эффектив ностью, сопоставимой с объемной самодифракцией в аналогичной нелинейной среде.

Научная новизна диссертации 1. В диссертации впервые детально исследованы дифференциальные спектры поглоще ния (ДСП) нелинейных реверсивных сред, содержащих БР, в условиях интенсивной подсветки этой среды когерентным излучением из полос поглощения trans- и cis- со стояний молекул БР. Показано, что информация, содержащаяся в ДСП, позволяет рассчитать спектральное распределение дифракционной эффективности амплитудно фазовых решеток, формируемых в этих средах.

2. В отличие от известных публикаций, впервые получено удовлетворительное совпаде ние экспериментальных и расчетных данных по энергообмену фазомодулированных пучков в нелинейных средах, содержащих БР, в широком диапазоне интенсивностей записывающих пучков.

3. Впервые продемонстрирован эффективный энергообмен фазомодулированных пучков в планарном оптическом волноводе с фоторефрактивным покрытием на основе БР.





4. Впервые изучено влияние внешней подсветки на эффективность самодифракции ка налируемых мод в планарном оптическом волноводе с фоточувствительным покрыти ем на основе БР. В результате этого показано, что управляющее воздействие внешней подсветки может иметь противоположный характер в зависимости от степени насы щения среды.

Практическая значимость результатов работы Сформулированная выше цель диссертационной работы, определившая направление и характер проводимых исследований, тесно связана с совершенствованием адаптивных го лографических интерферометров и расширением области их практического использования.

Установленная в диссертации связь спектроскопических и голографических характеристик фоточувствительных сред, содержащих БР, позволяет оперативно, основываясь только на данных ДСП, прогнозировать чувствительность голографического интерферометра в широ ком спектральном диапазоне, целенаправлено управлять этой чувствительностью, оптически воздействуя на концентрацию БР в trans- и cis- состояниях.

Изученный в диссертации адаптивный интегрально-оптический голографический ин терферометр на основе планарного оптического волновода с фоточувствительным покрыти ем представляет несомненную практическую ценность, так как впервые демонстрирует воз можность использования фоточувствительных сред в качестве управляющей структуры, про странственно отделенной от среды, где распространяется основная часть излучения. Полу ченные в результате численные значения параметров модуляции выходного сигнала позво ляют ожидать чувствительность регистрации сигнала фазовой модуляции, сравнимую с чув ствительностью адаптивного интерферометра на основе объемной самодифракции.

Наконец, рассмотренные схемы управления голографическими характеристиками ин терферометра, могут стать прототипом различных устройств оптической обработки инфор мации, таких как оптические переключатели, корреляторы и т.п.

Апробация работы Результаты проведенных в работе исследований докладывались на международных конференциях: «VII республиканская научная конференция студентов и аспирантов» (Грод но, 1999), «International Quantum Electronic Conference» (Москва, 2002), «CLEO/Europe 2003»

(Мюнхен, 2003), «Лазеры, Измерения, Информация» (Санкт-Петербург, 2003, 2004), «XI Conference on Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2003), «Оптика 2003» (Санкт-Петербург, 2003), «Современные проблемы физики» (Минск, 2004).

Публикации Основные результаты диссертации изложены в 8 печатных работах.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 180 наименований, содержит 185 страниц основного текста, включая 54 рисунка.

Личный вклад автора Все эксперименты, численные расчеты и их анализ выполнены лично автором, за ис ключением расчетов параметров каналируемых мод и экспериментов, связанных с оптически управляемым энергообменом в нелинейном покрытии планарного волновода, которые про водились совместно с к.ф.-м.н. Липовской М.Ю. Анализ спектрального распределения ди фракционной эффективности динамических решеток на основе ДСП и оптически управляе мая запись решеток в БР были выполнены под руководством к.ф.-м.н. Королева А.Е. Часть экспериментальных исследований, связанных с записью решеток в фоточувствительном по крытии планарных оптических волноводов, выполнялись в 2000 - 2002 г.г. в научно исследовательском центре «Корнинг» в Санкт-Петербурге.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Дана общая характеристика диссертационной работы и обоснована ее актуальность.

Поставлены цели работы, задачи, приведено краткое содержание глав диссертационной ра боты, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы защищае мые положения.

Первая глава представляет собой обзор литературы. В ней кратко рассматриваются вопросы определения чувствительности оптических интерферометров, стабилизации их ра бочей точки, фильтрации низкочастотных помех. Отмечается перспективный метод стабили зации рабочей точки, в котором нелинейные светочувствительные среды используются в ка честве смесителей фазомодулированных пучков. Проводится сопоставительный анализ со временных методик диагностики нелинейных сред. Рассмотрен нелинейный фотоотклик ма териалов на основе БР и его аналогов.

Во второй главе представлены результаты измерений светоиндуцированных измене ний в спектре поглощения суспензии БР D96N в глицерине. Молекулы БР под действием света могут накапливаться в двух состояниях – основном (trans-) и возбужденом (cis-), с широкими (~100нм) полосами поглощения, имеющими максимумы на 570нм и 412нм соот ветственно [5,6]. Результирующий спектр поглощения определяется концентрациями моле кул БР в этих состояниях. По спектру поглощения с помощью известных линейных диспер сионных соотношений Крамерса-Кронига можно рассчитать спектральное распределение показателя преломления БР. Однако для прогнозирования голографических экспериментов знание спектра поглощения оказывается недостаточным, так как запись динамических реше ток в нелинейной среде, содержащей БР, связана, прежде всего, с пространственной модуля цией соотношения концентраций молекул в указанных состояниях. Именно поэтому для ди агностики нелинейного фотоотклика БР необходимо измерение спектров поглощения для разных концентраций молекул БР в двух состояниях, которые варьируются путем изменения интенсивности когерентной засветки среды излучением с длинами волн из полос поглоще ния trans- состояния (В-полоса) и/или cis - состояния (М-полоса). Вычитая из измеренных таким образом спектров поглощения исходный спектр, получаем так называемые дифферен циальные спектры поглощения (ДСП), на основании которых и рассчитывается спектральное распределение дифракционной эффективности голографических решеток и их амплитудно фазовых компонентов.

В §2.1 описывается методика регистрации ДСП при засветке суспензии БР D96N пучками монохроматического излучения из В-полосы (633нм, He-Ne лазер Spectra Physics) и/или из М-полосы (441нм, He-Cd лазер Kimmon Electric), интенсивности которых сопоста вимы с интенсивностью насыщения В-полосы поглощения. Спектры поглощения регистри ровались с помощью спектрофотометра Carry 500 Scan (Varian) с последующей компьютер ной обработкой полученных результатов. Засвечивающие пучки вводились в спектрофото метр с помощью световодного жгута с коллимирующей линзой на выходе. Исходным спек тром поглощения для ДСП считался спектр поглощения среды при комнатном освещении, что в большинстве случаев соответствует начальным условиям голографических экспери ментов.

В §2.2 анализируются светоиндуцированные изменения в спектре поглощения БР D96N при воздействии либо только красного (633нм), либо только синего (441нм) излуче ний. Характерное семейство полученных таким образом ДСП показано на рис.1. При засвет ке среды излучением из М-полосы надежно обнаружено смещение максимума В-полосы в длинноволновую область и «раздвоение» М-молосы, которые иногда в литературе объясня ют появлением двух различных cis- состояний молекулы БР [6].

(,I) ДЭ(,13.5) см-1 4 - х 2. 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 1., нм 2 0. 500 600 700 800 900, нм Рис.1 ДСП БР D96N, полученные при Рис.2 Сравнение рассчитанного спектраль освещении среды излучением с =633нм с ного распределения дифракционной эф интенсивностью I=2.3;

4.6;

8.6;

13.5;

фективности (сплошная линия) с эффектив 18.9 мВт/см2 (сверху вниз по 570нм) ностью считывания, полученной экспери ментально В §2.3 изучены вопросы, связанные с релаксацией БР и точностью воспроизведения исходного спектра поглощения после возбуждения среды дополнительной засветкой. Эти результаты имели большое значение для отработки методики спектрофотометрических из мерений ДСП. Было обнаружено, что после прекращения действия как синего (441нм), так и красного света (633нм) повторное спектрофотометрирование регистрирует небольшой рост поглощения в В-полосе относительно исходного спектра поглощения и смещение ее макси мума. Время восстановления формы исходного спектра поглощения после прекращения воз буждения синим светом (441нм), достигало 150 мин независимо от интенсивности освеще ния, что учитывалось при регистрации этой серии ДСП.

В §2.4 приводятся результаты измерения ДСП при одновременном возбуждении сус пензии БР D96N излучением с В =633нм и с M =441нм. Было установлено, что суммарное действие указанных излучений может оказаться не равным сумме воздействий, полученных в результате их независимого возбуждения среды. Определены спектральные области, где аддитивность двухдлинноволнового возбуждения не выполняется, а также такие соотноше ния интенсивностей, при котором действие синего света (M =441нм) увеличивает, уменьша ет или не изменяет поглощения, вызванного красным излучением (В =633нм).

Третья глава посвящена расчету по измеренным ДСП спектрального распределения дифракционной эффективности динамических амплитудно-фазовых решеток в БР D96N с учетом насыщения и сопоставлению результатов этого расчета с экспериментальными дан ными, полученными методами зондирования (считывания) решетки слабым пучком и мето дом, основанном на самодифракции фазомодулированных пучков.

В §3.1 кратко рассматриваются особенности применения соотношений Крамерса Кронига для расчета светоиндуцированных изменений поглощения и преломления среды n. В основе расчета лежит полученное в [7] интегральное соотношение f '2 (, I ) (1) n( ', I ) = 2 v. p. 2 d 2 ' где 0 и f граничные длины волн изменений спектра поглощения (СП), I - интенсивность, (,I)=(,I) (,0). Принципиальное отличие этого равенства от линейного соотношения Крамерса-Кронига состоит в том, что интегрирование в (1) ведется на ограниченном спек тральном интервале [0, f]. При этом предполагается, что зависимости n(,I) и (,I) для любых интенсивностей I связаны линейными дисперсионными соотношениями Крамерса Кронига. Следующим шагом в определении спектрального распределения дифракционной эффективности динамических решеток по ДСП является учет эффекта насыщения фотоот клика среды, который проявляется в искажении профиля решетки при синусоидальной за светке среды интерференционной картиной двух когерентных пучков. В нашем конкретном случае возбуждения В-полосы поглощения молекул БР, светоиндуцированные изменения оптических свойств БР определяются соотношением концентраций молекул БР в двух со стояниях, что позволило нам определить интенсивность насыщения, не выходя за рамки мо дели двухуровневой среды [8].

В §3.2 приводится расчет спектрального распределения дифракционной эффективно сти динамической амплитудно-фазовой решетки, формируемой в БР D96N, который обнару живает максимум в области 650нм. Для определения нелинейных спектральных изменений показателя преломления суспензии БР при ее возбуждении красным светом (633нм) и после дующей оценки спектрального распределения дифракционной эффективности динамической решетки проводилось численное интегрирование соответствующих ДСП. Было обнаружено, что в диапазонах 350-410нм и 550-600нм преобладает амплитудный вклад, а в диапазонах 450-500нм, 650-1000нм - фазовый вклад в дифракционную эффективность динамической решетки. Оцениваются спектральные распределения дифракционной эффективности при учете нелинейного изменения прозрачности среды на длине волны записи. Исследуется за висимость рассчитанного соотношения n/ от интенсивности. Показано, что это отноше ние не зависит от интенсивности, что и должно быть в рамках принятой модели среды.

В §3.3 приводится описание экспериментальной установки для записи и одновремен ного считывания динамических решеток в бактериородопсине D96N. Запись-считывание решетки осуществлялось непрерывным лазерным излучениям на длине волны 633нм, считы вание - на длинах волн 532нм, 633нм, 780нм, 852нм. Приводятся результаты измерения ди фракционной эффективности при считывании решетки на указанных длинах волн в зависи мости от интенсивности считывающих пучков. Для сравнения экспериментальных результа тов с результатами, расчета на основе ДСП, измеренные значения дифракционной эффектив ности редуцировались к нулевой интенсивности считывающего пучка (рис. 2). На этом ри сунке спектральное распределение дифракционной эффективности рассчитано по ДСП, по лученному при возбуждении БР красным светом (633нм) с интенсивностью 13.5мВт/см2.

Максимальное значение дифракционной эффективности лежит в области 650нм и составляет ~ 2.2х10-3 %.

В §3.4 методом фазомодулированных пучков измерена дифракционная эффективность амплитудной и фазовой компоненты динамической решетки. Показано, что полученное зна чение удовлетворительно соответствует рассчитанному по ДСП. Приводятся результаты прямого измерения амлитудно-фазового вклада в дифракционную эффективность на длине волны 633нм в зависимости от интенсивности записывающих пучков. Зависимости глубин модуляции фотоотклика на первой и второй гармониках от интенсивности (рис. 3) показы вают, что насыщение амплитудной и фазовой составляющих происходит одинаково (Iнас ~ 3 мВт/см2), что совпадает с результатами расчетов, проводимых на основе спектрофотомет рических измерений. Непрерывные линии на рис.3 - результат расчета глубины модуляции выходного сигнала согласно [8]. Из полученных зависимостей, приведенных на рис.3 следу ет, что прогнозирование голографических характеристик динамических решеток, формируе мых в БР возможно в достаточно широком диапазоне интенсивности записывающих пучков.

Г1f,% Г2f,% 0. 0. 0. 1 0. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 I, мВт/см2 I, мВт/см Рис.3 Зависимости эффективности энергообмена от суммарной интенсивности записываю щих пучков. Г1f и Г2f - глубина модуляции выходного сигнала на первой и второй гармони ках частоты ФМ.

В §3.5 приведены результаты экспериментального исследования эффектов насыще ния в фоточувствительных средах на основе синтетических аналогов БР: 4-keto-БР, wild-БР, 3,4-didehydro-БР, В-полосы поглощения первых двух сдвинуты относительно 570нм (БР D96N) в коротковолновую область (4-keto-БР, 510нм и wild-БР, 550нм). Положение В-полосы поглощения 3,4-didehydro–БР, также как и БР D96N, расположен в области 570нм.

Сопоставление результатов полученных методом ФМП, и спектров поглощения этих сред показывает, что изученная в диссертации связь спектроскопических и голографических ха рактеристик имеет место и в этом случае.

В четвертой главе продемонстрирована возможность записи динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода. В параграфе 4.1 приводятся ре зультаты численного расчета профиля показателя преломления планарного волновода, изго товляемого из стекол различных составов, а также модовой структуры такого волновода.

Сравниваются различные технологии изготовления планарных волноводов на предмет уве личения доли мощности каналируемого излучения, проникающего в покрытие. Приводятся данные о рассеянии в различных типах волноводов. Отмечается преимущество стекла К8 в качестве подложки одномодовых волноводов с наилучшим оптическим качеством поверхно сти.

§ 4.2 посвящен записи решеток возбуждения (излучением с длиной волны 633нм) и решеток релаксации (излучением с длиной волны 441нм при одновременной подсветке из лучением с длиной волны 633нм) в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащего БР D96N. Описывается экспериментальная установка, и приводятся результаты эксперимента по записи динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планар ного волновода. Покрытие поверхности планарного волновода осуществлялось путем рав номерного нанесения тонкого слоя суспензии молекул БР. Показатель преломления суспен зии n=1.467 был близок к показателю преломления волновода nв=1.516, что способствовало более эффективному проникновению волноводной моды в покрытие. При этом решетки формировались в покрытии «хвостами» волноводных мод, интерферирующих в покрытии.

Для детектирования энергообмена волноводных мод применялся метод фазомодулирован ных пучков. Показана возможность записи как решеток возбуждения (trans-cis переход), так и решеток релаксации (cis-trans переход) в нелинейном покрытии планарного волновода с эффективностью энергообмена, порядка процента, которая сравнима с эффективностью объ емной самодифракции. При этом для формирования решеток релаксации область интерфе ренции двух мод с длинами волн 441нм подсвечивалась сверху (перпендикулярно поверхно сти волновода) излучением с длиной волны 633нм, насыщающим trans-cis переход. Посколь ку действие излучения с длиной волны 441нм значительно ускоряет релаксационные процес сы в БР [6], то их интерференция в присутствии излучения с длиной волны 633нм также при водит к формированию решетки. В результате записи решеток возбуждения и решеток ре лаксации при различных интенсивностях записывающего света было установлено, что на сыщение эффективности энергообмена, идентично наблюдаемому при записи этих решеток в объеме аналогичной среды [4].

В § 4.3 анализируются возможности управляемого энергообмена интерферирующих волноводных мод в одномодовом планарном волноводе с нелинейно-оптическим покрытием.

Для реализации и измерения эффективности управления энергообменом применяется мето дика фазомодулированных пучков. Запись динамических решеток осуществляется в покры тии как излучением с длиной волны из полосы поглощения trans-состояния (633нм), так и с длиной волны из полосы поглощения cis - состояния (441нм). Наблюдается эффективное управление энергообменом волноводных мод, с помощью однородной внешней засветки об ласти их интерференции. Реализуется полностью интегральная геометрия оптически управ ляемого энергообмена (рис. 4, 5).

ГВ, % 0. 1 0. 0. 1 1 0. 0. 0. 0. 0. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 IB, мВт/см Рис.5 Зависимость глубины модуля Рис.4 Интегрально-оптическая геометрия ции выходного сигнала от интенсив записи динамических решеток в нелиней ности записывающего излучения ном покрытии планарного волновода, со (633нм), при различных интенсивно держащем молекулы БР D96N (запись стях управляющего света (441нм):

пучками 1). Управляющий пучок (2) 1 -15, 2- 100, 3 -270 мВт/см2.

также каналируется волноводом.

Как в объемном, так и в интегральном варианте наблюдалось эффективное управле ние энергообменом (как усиление, так и ослабление) с помощью засветки области интерфе ренции излучением другой длины волны, зависящее от степени насыщения среды взаимо действующими пучками и достигающее трех раз. Количественные оценки величины управ ляемого энергообмена волноводных пучков и пучков, записывающих решетку в объеме суспензии, удовлетворительно согласуются друг с другом.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Экспериментально исследованы дифференциальные спектры поглощения (ДСП) суспензии БР D96N при возбуждении красным (633нм) и/или синим (441нм) све том в широком диапазоне интенсивностей. Показано, что одновременное воздей ствие этих пучков приводит к их неаддитивному вкладу в светоиндуцированные изменения поглощения и обусловливает возможность чисто оптического управле ния голографическими процессами.

2. На основе ДСП рассчитаны спектральные распределения светоиндуцированных изменений показателя преломления и дифракционной эффективности динамиче ских амплитудно-фазовых голографических решеток, формируемых в БР D96N и синтетических аналогах БР.

3. Методом фазомодулированных пучков показано, что зависимости амплитудных и фазовых вкладов от интенсивности записывающих пучков на длине волны 633нм удовлетворительно прогнозируются универсальной функцией, описывающей энергообмен фазомодулированных пучков в двухуровневой среде, а соотношение указанных вкладов на этой длине волны (1:15) удовлетворительно совпадает с оценками, полученными по ДСП (1:10).

4. Экспериментально реализована эффективная самодифракция каналируемых мод на динамических решетках, формируемых в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода, содержащем БР D96N.

5. Экспериментально достигнуто оптическое управление энергообменом двух кана лируемых мод, формирующих решетки возбуждения и релаксации в нелинейном покрытии планарного волновода, с помощью излучения волноводной моды на длине волны 441нм (или 633нм) с эффективностью, сопоставимой с эффективно стью оптически управляемой записи в объеме аналогичной среды.

6. Экспериментально показано, что насыщение амплитудных и фазовых компонент динамических решеток, формируемых в средах, содержащих генетически моди фицированный БР D96N, а также его синтетические аналоги, происходит одинако вым образом, что свидетельствует об отсутствии вклада в фотоотклик промежу точных интермедиатов фотоцикла БР.

7. Максимальная чувствительность диагностики фотоотклика методом фазомодули рованных пучков достигается при амплитудах a фазовой модуляции, соответст вующих первому максимуму функции J0(a)J1(a) и второму максимуму J0(a)J2(a), где Ji(a)– функции Бесселя i-го порядка.

Цитируемая литература:

1. Воронцов М.А, Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М.: Наука, 1985.

2. Андронова И.А, Бернштейн И.Л., Зайцев Ю.И. Предельные возможности лазерной микрофазометрии. - Изв. АН СССР, сер.физ. -1982.- Т.46.- С.1590-1593.

3. Барменков Ю.О., Зосимов В.В, Кожевников Н.М и др. Исследование малых ультра звуковых колебаний методом динамической голографии. - ДАН СССР, сер. физика. – 1986. - Т.290, №5. - С.1095-1098.

4. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Липовская М.Ю., Назаров В.Н. Голографическая за пись в суспензии бактериородопсина D96N с оптически управляемой инерционно стью. - Оптический журнал. – 2000. - Т.67, № 8. - С.27 - 30.

5. Hampp N., Brauchle Ch., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin wildtype and variant aspartate- asparagine as reversible holographic media.- Biophys. J. – 1990. - V.58, №1.- P.83-93.

6. Всеволодов Н.Н. Биопигменты-фоторегистраторы: Фотоматериал на бактериородоп сине. - М.: Наука, 1988. - 224 с.

7. Hutchings D.C, Sheik-Banae M., Hagan D., Van Stryland E. Kramers-Kronig relations in nonlinear optics. - Optical and Quantum Electronics. – 1992. – V.24. - P.1-30.

8. Кожевников Н.М., Королев А.Е. Cвязь голографических и спектроскопических ха рактеристик реверсивных фоточувствительных сред, содержащих бактериородопсин.

- Оптика. и спектроскопия. – 2002. - T.93, № 4. - C.691-695.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Коклюшкин А.В., Липовская М.Ю., Назаров В.Н.

Запись динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волно вода. Оптика и спектроскопия. – 2003. - T.94, №4. - С.841-847.

2. Korolev A., Koklushkin A., Nazarov V., Kozhevnikov N., Lipovskaya M. Controlled two wave mixing in nonlinear coating of planar waveguide. CLEO/Europe 2003. - Europhysics Conference Abstracts. - 2003, V. 27E. - P. CF1T.

3. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Спектральные распределения дифракционной эффек тивности светоиндуциорованных решеток в фотосинтетических реакционных цен трах. VII республиканская научная конференция студентов и аспирантов. Физика конденсированных сред. Тезисы докладов. – Гродно: ГрГУ. -1999. - С.112-113.

4. Korolev A., Kozhevnikov N, Koklushkin A., Lipovskaya M., Nazarov V. Real-time grating recording in nonlinear coating of planar waveguide. International Quantum Electronic Con ference. Technical Digest. – Moscow: RAS. - 2002.- P.313-314.

5. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Применение дифференциальных дисперсионных со отношений для предсказания параметров динамических голограмм. Научно практическая конференция «Лазеры, Измерения, Информация 2003», Санкт Петербург. – 2003. - С.60-62.

6. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Светоиндуцированные изменения в спектре поглоще ния бактериородопсина при двухдлиноволновом возбуждении. Оптика и спектроско пия. – 2004. - T. 97, №3. - С.393-398.

7. Кожевников Н.М., Коклюшкин А.В., Королев А.Е., Липовская М.Ю. Оптическое управление записью светоиндуцированных решеток в бактериородопсине. Научно практическая конференция «Лазеры, Измерения, Информация 2004», Санкт Петербург. – 2004. - С.48-49.

8. Коклюшкин А.В. Особенности использования дисперсионных соотношений для оценки эффективности четырехволнового смешения. Школа-семинар «Современные проблемы в физике 2004», Минск. – 2004. - С.165-169.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.