1 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН , г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1 тел. (383) , факс (383)

2 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

3 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

4 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, 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. характеризацию качества полупроводниковых наноструктур в процессе зарождения и формирования без нарушения их функционирования. ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

5 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 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; 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. исследование основных параметров оптико-терагерцового и терагерцово-оптического преобразователей и системы терагерцовой диагностики в целом. ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

6 Генерация терагерцового излучения Лазерный импульс ТГЦ импульс Нелинейно-оптическая среда ~ = (2 d 2 LI / c 3 n 2 n ТГц )A A = exp (- ТГц L/2) sinh 2 ( ТГц L/4)/( ТГц L/4) 2 d = - rn 4 /4 - эффективность преобразования; d - квадратичная нелинейность; L – толщина НЛО среды; I - интенсивность лазерного излучения; - диэлектрическая проницаемость; с - скорость света в вакууме; n – групповой показатель преломления; n ТГц - ТГц показатель преломления; ТГц - 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 = n ТГц ) - - малое поглощение на лазерной и терагерцовых частотах (малые значения и ТГц ) - 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 – с создает волну электромагнитного излучения ТГц спектрального диапазона ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

7 Электрооптическая регистрация ТГц излучения ЭО кристалл Призма Волластона S 1 (t i ) S 2 (t i ) 45 0 S 2 (t i ) – S 1 (t i ) = I cos 2 (45 0 – (t i )) – I sin 2 (45 0 – (t i )) = = I sin(90 0 – 2(t i )) = I sin2(t i ) I 2(t i ) = = I 2 L r E ТГц (t i ) / ~ E ТГц (t i ) F E ТГц () ~~ 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

8 Блок-схема pump-probe терагерцового спектрометра ПК Фемтосекундный волоконный лазер 1,55мкм 775 нм Линия Задержки (t i ) Генератор Объект Оптический преобразователь Призма Волластона ФПУ2ФПУ1 ТГц 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

9 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 Энергия экситона k ИК ТГц 1s 2p Области применения: ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

10 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

11 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

12 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 ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН

13 Список публикаций: ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ СО РАН 1. Плеханов А.И., Калинин Д.В., Сердобинцева В.В. Нанокристаллизация монокристаллических пленок опала и пленочных опаловых гетероструктур // Российские нанотехнологии Т. 1, 1-2. C Анцыгин В.Д., Мамрашев А.А., Потатуркин О.И. Перспективы создания и применения портативных терагерцовых систем диагностики // Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой электроники «ФОТОНИКА-2008» (19-23 августа 2008 г., г. Новосибирск), тезисы докладов. С Анцыгин В.Д., Мамрашев А.А., Потатуркин О.И. Перспективы создания малогабаритных систем терагерцовой спектроскопии для исследования наноматериалов // Международный форум по нанотехнологиям (3-5 декабря 2008 г., г. Москва). Сб.тезисов докладов научно-технологических секций Т. 1. С Шелковников В.В., Плеханов А.И., Орлова Н.А. Нанометровые пленки полиметиновых красителей в оптической памяти и нелинейной оптике // Российские нанотехнологии Т. 3, С. 8–29.