Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских применений. Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских применений.

Содержание: Введение 1. Измерение параметров наночастиц методом динамического рассеяния света, с пространственным усреднением данных 1.1 Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах 1.2 Измерение скорости неравновесного движения наночастиц в жидких средах. 2. Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо. 3. разрешением 30 нм с 3. Измерение нано профиля поверхности объектов с разрешением 30 нм с использованием спектрального апертурного зонда Заключение

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 (ДРС) Компьютер Лазер =0.63 мкм ПЗС

I t I t I t t 1 2 N t T= i Стандартный метод ДРС

I t I t I t t I t T= i Метод ДРС с пространственным усреднением данных

Временные зависимости корреляционной функции, полученные на основе процедуры пространственного усреднения данных. Кривые 1, 2, 3 – рас­чётные соответственно для =0.077, =0.154, = Экспериментальные данные представлены точ­ками: - = 0.077, - = 0.154, - = Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах

Когерентно-оптический экспресс метод анализа размеров наночастиц и их 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 мм 3 ); Даёт возможность исследования свойств жидкостей при наличии динамических процессов в растворах. Временное разрешение метода при регистрации динамических процессов – 1 мс; Характеристики метода:

когерентно-оптического экспресс метода анализа размеров наночастиц Применения когерентно-оптического экспресс метода анализа размеров наночастиц Измерение размеров частиц в неравновесных процессах В процессе желирования пектиносодержащих растворов В процессе седиментации D=50 нм

Измерение кинетики неравновесных наночастиц Лазер =0.63 мкм Компьютер ПЗС Импульсный лазер =0.52 мкм

Исследование кинетики неравновесных наночастиц методом динамического рассеяния света 1 2 Корреляционные кривые 1 – в равновесном состоянии 2 - в неравновесном t,c m/3k, 0 K Зависимость нормированной среднеквадратичной скорости неравновесных наночастиц частиц SiO 2 от времени.

Фотонный сенсор для измерения показателя преломления жидкостей на основе резонансной связи мод в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо

Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо. 13 Схема чувствительного элемента рефрактометра Зависимость потерь мощности излучения в изогнутом волоконном световоде от показателя преломления внешней среды. Распространение излучения в изогнутом волоконном световоде. пороговая чувствительность ~ 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,, n 3 - показатель преломления внешней среды, b - внешний радиус оптической оболочки световода. Зависимость α(R), построенная в соответствии с выражением (3) для световода с параметрами ρ=4,15 мкм, n 1 =1,467, n 2 =1,462 при длине волны направляемого излучения λ=1,55 мкм при различных значениях показателя преломления внешней по отношению к световоду среды n 3. 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 9,7 мм (маркер ), 10,7 мм (маркер ), 10,1 мм (маркер ), в прямом световоде (маркер ) 0,077 0,71 Спектральная и фазовая чувствительность Пороговая чувствительность 5*10-6.

с Измерение нано профиля поверхности объектов 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 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 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 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 Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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 A. Пространственное распределение E z компоненты электрического поля в плоско- параллельном резонаторе Фабри-Перо (A) и на выходе суп волновой диафрагмы (B) α=0,07 (D=λ/40) α=0,7 (D=8λ) (A ) h Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. Результаты моделирования

Схема экспериментальной установки В качестве тестового объекта использовался суженный конусообразный волоконный световод с радиусом кривизны наконечника ~300 нм Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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/1 5 D=8λ Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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 Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. Недостатки плоскопараллельной схемы зонда

Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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 NH 4 OH В качестве тестового объекта использовался кантилевер атомно-силового микроскопа покрытый тонкой пленкой золота. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А. 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 суп волновой 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. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

Безапертурный диалектический зонд для лазерной модификации поверхности с разрешением не хуже 30 nm

Far-field Optics Using the material edge response: Nonlinear absorption Laser ablation Laser polymerization Focusing opticsInterferometric 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

d Inset A Е z d=240 nm Central cross-sections of the laser radiation obtained for different values of the truncated cone tip d at the distance of 50 nm from the probe. Inset A shows the distribution of the TE-field component Е z in the vicinity of the dielectric apertureless probe made in the form of truncated cone with d=240 nm. Δ 1/2 /λ (curve 1) SNR(curve 2) d/λ Relative full width at half maximum Δ 1/2 /λ (curve 1) and SNR (curve 2) as a functions of the relative diameter of the truncated cone tip d/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