автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Двухфотонный спектрометр-микроскоп на основе фемтосекундного твердотельного лазера

На правах рукописи

Семин Сергей Владимирович

ДВУХФОТОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР-МИКРОСКОП НА ОСНОВЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Специальность: 05.11.07 -Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

~ 7 (НО П ¿012

Москва-2012

005045592

005045592

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Мишина Елена Дмитриевна (МГТУ МИРЭА)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Прудников Николай Владимирович (Учреждение Российской академии наук межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН)

кандидат физико-математических наук Ежов Александр Анатольевич (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет)

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»)

Защита состоится«26» июня 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02 в МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского 78. Автореферат диссертации размещён на сайте МГТУ МИРЭА vvwvv.mirea.ru.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н, доцент

/<

//

В.О.Вальднер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Тема диссертационной работы связана с разработкой прибора, позволяющего проводить экспериментальные исследования нелинейно-оптических свойств микро - и наноструктур методом двухфотонной микроскопии.

Двухфотонная микроскопия является частным случаем многофотонной микроскопии и находит широкое применение при изучении различных физических и биологических явлений и объектов. Данный метод диагностики материалов включает в себя такие методики, как генерация второй оптической гармоники (ГВГ) и двухфотонная люминесценция (ДФЛ).

На сегодняшний день основное применение многофотонной конфокальной микроскопии - биология. Это связано с тем, что данная методика позволяет увеличить контраст изображения и латеральную разрешающую способность, а также получать трехмерные изображения тканей за счет изменения фокусировки лазерного излучения, что оказывается возможным в связи с большой глубиной проникновения излучения на основной длине волны (7001000 нм) в биологические ткани (биологическое окно прозрачности).

Для исследования материалов методом двухфотонной микроскопии разработаны коммерческие образцы двухфотонных микроскопов. Такого рода приборы присутствуют в модельном ряду компаний, занимающихся изготовлением оптических микроскопов и комплектующих к ним, например Nikon (A1RMP), Olympus (FV1000 МРЕ), CarlZeiss (LSM 510 NLO). Для исследования твердотельных микроструктур (для микроэлектроники) выпускаются конфокальные профилометры, однако эти приборы являются однофотонными, и их функциональные возможности ограничены.

В исследовательских лабораториях двухфотонная микроскопия может быть использована для получения изображения полупроводниковых и металлических наноструктур, а также доменной структуры в сегнетоэлектрических, магнитных и мультиферроидных материалах, в том числе наноразмерных пленках. Для полноценного анализа свойств неорганических твердотельных микро- и наноструктур функций микроскопов, ориентированных на биологические объекты, недостаточно. Это связано с особенностями генерации второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции в полупроводниковых и органических микро- и нанострукутрах.

Представленная диссертационная работа посвящена решению задачи разработки двухфотонного сканирующего микроскопа и соответствующего программного обеспечения, позволяющего проводить исследования линейно- и нелинейно-оптических свойств полупроводниковых и органических микро- и наноструктур.

Цель работы - разработка и сборка макетного образца двухфотонного сканирующего микроскопа для исследования локальных линейно- и нелинейно оптических свойств микро- и наноструктур, разработка программного

обеспечения для автоматизации экспериментальных исследований, а также разработка программного обеспечения для проведения предварительного анализа полученных результатов

В соответствии с поставленной целью в работе определены основные задачи исследования:

- разработать схему экспериментальной установки повышенной функциональности, позволяющей проводить исследования локальных нелинейно-оптических свойств микро- и наноструктур;

- создать макет двухфотонного спектрометра-микроскопа;

- разработать программное обеспечение, позволяющее управлять разработанным прибором, а также получать двухфотонные изображения поверхности образца в различных режимах;

- провести тестовые экспериментальные исследования на макете экспериментальной установки, оценить параметры разработанного макета, а также измеряемые характеристики тестовых образцов.

Методы исследования, достоверность и обоснованность.

При исследовании нелинейно-оптических свойств микро- и наноструктур на основе органических и полупроводниковых материалов были использованы методы генерации второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции.

При решении задач автоматизации экспериментальной установки и обработки экспериментальных данных использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты среды программирования Lab View и программный пакет для построения графиков и обработки данных Microcal Origin.

Обоснованность и достоверность полученных результатов определяется соответствием результатов тестовых экспериментов с использованием разрабатываемого прибора результатам, полученным автором при помощи традиционных методик. Результаты и выводы диссертационной работы согласуются с экспериментальными и теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными и российскими научными группами, а также с данными, предоставляемыми фирмами, работающими в данной области.

Научная новизна:

1. Разработанный действующий лабораторный макет двухфотонного сканирующего спектрометра-микроскопа позволил с пространственным латеральным разрешением 2 мкм получить двухфотонные «индикатрисы изображений» биологических и полупроводниковых микроструктур (изображения при различных углах падения и сбора оптического сигнала генерации второй гармоники и двухфотонной люминесценции), а также измерить компоненты нелинейной восприимчивости в кристаллических микротрубках диаметром до 1 мкм.

2. Разработаны методика и программное обеспечение для автоматического определения положения фокусирующей линзы по максиму интенсивности второй гармоники (автофокусировки нелинейно-оптического изображения).

3. На основе поляризационных измерений микроскопических изображений на длине волны второй гармоники измерены компоненты тензора нелинейной восприимчивости микротрубок на основе дифенилаланина, определены диаграммы направленности излучения микротрубок.

4. Получены изображения микротрубок, претерпевших фазовый переход, на различных длинах волн двухфотонной люминесценции.

Практическая значимость. Разработанная установка позволяет эффективно проводить исследования локальных линейного и нелинейно-оптического откликов полупроводниковых и органических материалов, микро- и наноструктур на их основе, определять величину локальной нелинейной восприимчивости, диаграммы направленности излучения. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить широкий спектр автоматизированных исследований, недоступных в коммерческих установках в силу их конструктивных особенностей.

Работа была выполнена в рамках программ ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также Российского фонда фундаментальных исследований и гранта нидерландского научного фонда NWO. Макет двухфотонного спектрометра микроскопа используется в научном и учебном процессах кафедры физики конденсированного состояния факультета электроники МГТУ МИРЭА, а также при выполнении дипломного проектирования студентами факультета «Электроника».

Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы при разработке опытного промышленного образца двухфотонного спектрометра-микроскопа в компании ООО «Авеста-проект».

Апробация работы. Основные материалы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 7-11 декабря 2009 г.; INTERMATIC - 2010, Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 2010; MSCMP 2010, Chishenau, Moldova; Ph.D. Network Workshop, 2011 "Materials for Energy", Hollum, Ameland, Netherlands.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статьи - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций, 4 публикации в материалах конференций, а также подана заявка на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованных источников, включающего 101 наименование.

Объем диссертации насчитывает 124 страницы машинописного текста, включая 37 рисунков и 1 таблицу.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция сканирующего двухфотонного микроскопа, позволяющая получать изображения микроструктур с пространственным латеральным разрешением 2 мкм при различных конфигурациях поляризации (поляризационные изображения), при различных углах возбуждения и детектирования (в том числе, изображения по диаграмме направленности), при длинах волн возбуждения и регистрации, находящихся в диапазоне от 360 до 1100 нм (нелинейно-оптические и люминесцентные изображения).

2. Программа, разработанная в среде ЬаЬ\Ле\у, для управления основными функциями сканирующего двухфотонного микроскопа, такими как управление 6-координатным гониометром (изменение положения образца по 4-м координатам, изменение углового положения детектора и образца), регистрация излучения ПЗС-матрицей и фотоэлектронным умножителем, контроль за рабочими параметрами лазера и спектрометра.

3. Программа для автоматической коррекции положения фокусирующей линзы (автофокусировка изображения) при перестройке длины волны излучения лазера по уровню сигнала.

4. Результаты исследования локальных спектральных и нелинейно-оптических свойств микроструктур оксида цинка. Изображение образца, полученное на длинах волн второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции (экситонной и примесной). Обнаружение пространственной неоднородности спектров экситонной люминесценции в сечении микростержней оксида цинка.

5. Результаты исследования локальных спектральных и нелинейно-оптических свойств биологических микроструктур. Определение симметрии пептидных микротрубок, абсолютного значения нелинейной восприимчивости, температуры фазового перехода, обнаружение эффекта сверхлюминесценции.

Личный вклад автора заключается в общей постановке целей и задач исследования, сборке макетного образца, разработке программного обеспечения для автоматизации экспериментальной установки, обработке и анализе основных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, приведено обоснование актуальности темы исследования, дан обзор литературы по теме исследования; сформулирована физическая суть явлений, используемых в нелинейно-оптической микроскопии, рассмотрены примеры применения; сформулированы цель и задачи работы, приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены принципы оптических и нелинейно-оптических методик, лежащих в основе экспериментальной установки и позволяющих проводить исследования нелинейно-оптических свойств.

Основным физическим эффектом, используемым для получения и построения изображений в разработанном двухфотонном микроскопе, явлется генерация второй оптической гармоники. Причиной возникновения второй и более высоких гармоник является энгармонизм осциллятора, которым является атом или молекула, в поле световой волны высокой интенсивности.

Взаимодействие световой волны с веществом описывается вектором поляризации Р. Эта поляризация является функцией р =/(Е) напряженности электрического поля Ё световой волны. В слабых полях осциллятор является гармоническим, и поляризация линейно связана с напряженностью поля:

? = (1)

где х(1) - тензор линейной восприимчивости исследуемой среды.

В сильных полях соотношение (1) не выполняется, и вектор поляризации может быть разложен в ряд Тейлора по степеням поля (в электро-дипольном приближении):

Р = х,1)Ё+х'7,ЁЁ + ха,ЕЁЁ+... (2)

где второй и третий члены описывают оптические процессы второго и третьего порядков (в частности, генерация второй и третьей гармоник), а х(2> и х<3> -соответствующие тензоры нелинейных восприимчивостей.

Для разработанного микроскопа одним из основных эффектов, визуализирующих изображение, является генерация второй гармоники (ВГ), описываемая вторым членом разложения (2) , которая называется также квадратичной поляризацией:

Р(2)( 2<в) = х(2)(2оэ; со, со)£(<в)£(<а) (3)

При этом интенсивность ВГ определяется как квадрат вектора Пойнтинга 5, который, в свою очередь, равен

дЧ> д12

Важно отметить, что тензор квадратичной восприимчивости Х<2) обращается в нуль в центросимметричной среде (изотропной, в частности). В этом случае изображение на частоте второй гармоники может быть сформировано за счет других процессов, не обсуждаемых в данной диссертации (электро-

5

5 = №

дипольный вклад поверхности, квадрупольный и магнито-дипольный вклады объема) в силу их малости на фоне основного электро-дипольного вклада исследованных материалов.

В силу того, что эффективность преобразования во вторую гармонику крайне мала (порядка 10"9-10"'3, примеры объектов, обладающих фазовым синхронизмом, в диссертации не рассматриваются), необходимо использование высокочувствительных приемников - фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) или приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц), работающих в режиме счета фотонов.

Поскольку соотношение (3) является тензорным, то интенсивность ВГ, а значит и изображение объекта в микроскопе ВГ, определяется взаимным расположением векторов падающего поля и поля ВГ, а также направлений кристаллографических осей исследуемого материала. В связи с этим для получения полной информации об объекте необходимо исследовать зависимости интенсивности ВГ /(¥) от азимутального положения образца относительно выбранной кристаллографической оси, описываемого углом , а также зависимости интенсивности ВГ /(0) от направления поляризации излучения накачки (при фиксированной поляризации ВГ в плоскости или перпендикулярно плоскости падения, р- и е- поляризации соответственно). Отметим, что зависимости /(Ч7) являются аналогом азимутальных зависимостей, используемых в рентгеноструктурном анализе для определения направления кристаллографических осей, качества поверхности и плоскостей среза монокристаллов, и позволяют получать аналогичную информацию об объекте.

Таким образом, в микроскопе второй гармоники необходимо наличие функций вращения образца вокруг нормали, вращения входной поляризации полуволновой пластиной и анализа выходной поляризации при помощи анализатора.

Для количественного анализа нелинейно-оптических изображений твердотельных систем необходимо определение величин компонент тензора нелинейной восприимчивости. Для этого величину сигнала ВГ в известной конфигурации поляризации и ориентации образца необходимо сравнить с аналогичной величиной для кристалла с известными значениями компонент тензора квадратичной восприимчивости. Общепринятыми калибровочными материалами являются кварц, ниобат лития, другие известные нелинейно-оптические материалы [1]. Величина нелинейной восприимчивости исследуемого материала определяется из соотношения[2]

где I2", /Д"- измеряемые в микроскопе интенсивности второй гармоники, I", - интенсивности излучения накачки; ТТ", - коэффициенты пропускания на частоте накачки; А, Л,4 - облучаемые площади; /Г, - показатели

преломления на частоте накачки; пг", - показатели преломления на частоте ВГ;аг", - коэффициенты поглощения на частоте ВГ; 1,1пГ- когерентная длина; символы с индексом «/-^относятся к известному материалу, символы без индекса - к исследуемому материалу. В микроскопе достаточно легко осуществить эквивалентные условия по накачке (/" = , А = Arrf), тогда выражение (5) упрощается.

Параметром, определение которого представляет наибольшую сложность, является когерентная длина / , =-^—, где знак «-» относится к

4(Л2.+И.)

геометрии «на просвет», знак «+» к геометрии «на отражение». Для микро- и нанообъектов в случае, если когерентная длина больше, чем размер объекта в z-направлении, в выражении (5) когерентная длина должна быть заменена на реальную длину взаимодействия. Кроме того, для прозрачных объектов геометрия «на отражение» частично (с точки зрения знака в выражении для когерентной длины) превращается в геометрию «на просвет», поскольку в формировании сигнала участвуют также и волны, отраженные от задней поверхности структуры, вклады которых могут быть сравнимы по величине. Анализ подобных ситуаций и методика расчета глубины взаимодействия приводятся в третьей главе диссертации. Там же приводится модифицированная для условий получения микроскопических изображений методика интерференционных полос ("Maker-fringes" [3]), согласно которой необходимо получать изображения под различными углами падения.

Многие микро- и нанообъекты являются рассеивающими (нерегулярные структуры) или дифрагирующими (регулярные структуры); существенную информацию о таких объектах можно получить, исследуя изображения в рассеянном свете. В связи с этим важной для нелинейно-оптического микроскопа является функция изменения углового положения приемника.

И при изменении угла падения, и при изменении угла рассеяния необходимо выполнение специальных условий, накладываемых на оптическую систему микроскопа. Эти условия связаны с геометрическими параметрами системы и с условиями фокусировки: для получения высокого пространственного разрешения необходим объектив с высоким разрешением (хЮО), однако такой объектив имеет крайнее малое (0.5 - 1 мм) рабочее расстояние, не позволяющее изменять ни один из углов. В разработанном микроскопе предлагается компромиссное решение: некоторое уменьшение разрешающей способности при значительном, более, чем на порядок, увеличении рабочего расстояния за счет использования вместо объектива градиентной линзы. Такая конфигурация позволяет изменять в широком диапазоне угол падения и угол приема излучения.

Вторым нелинейно-оптическим эффектом, используемым для построения изображений в двухфотонном микроскопе, является двухфотонная люминесценция (ДФЛ). ДФЛ образуется вследствие двух протекающих друг за другом оптических процессов: быстрого (за время импульса) двухфотонного поглощения с последующим достаточно медленным (от микросекунд до миллисе-

кунд) высвечиванием фотона люминесценции. Двухфотонная люминесценция имеет правила отбора по поглощению, отличные от правил отбора для одно-фотонной люминесценции, в связи с этим спектр излучения ДФЛ мало отличается от однофотонного случая, однако спектр поглощения может отличаться радикально.

Огромное дополнительное преимущество ДФЛ имеет для исследования биологических объектов. Используемые для этой цели лазеры ближнего ИК диапазона попадают в биологическое окно прозрачности, что позволяет исследовать биоматериалы на большей глубине, поскольку ослабление интенсивности излучения происходит только один раз (ослабленное поглощением излучение видимого и ультрафиолетового диапазона может быть зарегистрировано высокочувствительными фотодетекторами). Именно поэтому опция ДФЛ заложена во многих современных конфокальных микроскопах.

Исследование ДФЛ важно для физики и технологии полупроводниковых и лазерных материалов. В последние годы интенсивно развивается направление, связанное с созданием лазеров со случайной генерацией и нанолазеров [4,5]. В лазерах со случайной генерацией многократное прохождение излучения в резонаторе заменено на многократное рассеяние в наночастицах. При этом излучение обладает всеми особенностями лазерного, за исключением одного - направленности. Нанолазер представляет собой, как правило, единичный наностержень, в котором резонатором служат его торцы. Во всех этих случаях существенно важным является получение микроскопических изображений излучающих объектов, причем в различных направлениях (изображения по диаграмме направленности).

Таким образом, для получения изображений в излучении ДФЛ, микроскоп должен быть оснащен спектральным прибором, обладать высокой чувствительностью, а также обеспечивать возможность изменения углов подачи и приема излучения.

Вторая глава посвящена описанию макета сканирующего двухфотонно-го микроскопа, описанию разработанного программного обеспечения.

Разработанная установка предназначена для детектирования спектров и излучения на длинах волн в видимой области спектра. Блок-схема сканирующего двухфотонного микроскопа представлена на рисунке 1(а).Двухфотонный спектрометр-микроскоп можно условно разделить на несколько частей: одна неподвижная часть (источник света, система фокусировки и зввода излучения) и две подвижных части, способных менять свое положение друг относительно друга (система сканирования и детекторная часть).

В качестве источника лазерного излучения использовался фе.мтосекунд-ный лазер на кристалле сапфира, допированного ионами титана (Ti:Sap), Spectra Physics MaiTai (1) с частотой повторения импульсов 82 МГц, и длительностью импульсов не более 100 фс (Рис.2). Лазер позволяет получать излучение на длинах волн в диапазоне от 690 до 1040 нм. Средняя выходная мощность излучения составляет 1.6 Вт. Дпя модуляции, а также для предвари-

тельного снижения мощности падающего на образец излучения был использован оптико-механический прерыватель (2).

3 2

Ш

Волновод

Линза

Фильтре

Лазер\ _ Щ Образец

15

1

Рис.1, (а) Блок-схема экспериментальной установки: 1 - Лазер, 2 - Оптико-механический прерыватель, 3 - Полуволновая пластинка, 4 - Зеркала, 5 - Поляризатор, 6 -Фокусирующая линза, 7 - Сканирующий столик, 8 - Микроскоп с камерой, 9 - Входная апертура волновода с линзой, 10 - Монохороматор, 11 - ПЗС матрица, 12 - ФЭУ, 13 - Счетчик фотонов. 14 - Контроллер трансляционных платформ, 15 - Персональный компьютер; (б) Геометрия сбора излучения.

Контроль за ориентацией падающей поляризации и мощностью излучения осуществляется с помощью последовательно расположенных поляризатора и полуволновой пластинки (3) и (5). Излучение фокусируется на образце линзой с фокусным расстоянием 3 см (6), закрепленной на автоматизированной микрометрической подвижке (7). Линза изготовлена из стекла с градиент-но меняющимся показателем преломления. Такой подход позволяет получить меньший диаметр лазерного пятна в перетяжке по сравнению с линзами, изготовленными из однородного материала. В разработанной экспериментальной установке диаметр пятна в перетяжке составляет 6 мкм, однако возможно уменьшения диаметра пятна за счет использования микроскопного объектива.

На рисунке 16 представлена схема регистрации излучения от образца. Приемная система расположена перпендикулярно поверхности образца на

трехкоординатной платформе, что позволяет точно позиционировать детектор. Исследуемый образец закреплен на трансляционной платформе, которая перемещает образец в вертикальном и горизонтальном направлениях с точностью до 200 нм, что достаточно, так как разрешенене ограничено диаметром лазерного пятна. Контроль за положением лазерного пятна на образце осуществляется с помощью видеокамеры (8). Излучение от образца проходит через фильтр BG-39 (Schott Glass, область пропускания от 320 до 650 нм) для того, чтобы отсечь излучение на основной частоте (это необходимо для предотвращения повреждения оптоэлектронных элементов системы детектирования), затем с помощью короткофокусной линзы собирается на входной апертуре оптического волокна диаметром около 1 мм (9). Волокно представляет собой пучок из 19 волноводов диаметром 200 мкм (245 мкм диаметр с обкладкой). На одном конце волокна волноводы формируют линейку, что позволяет снизить потери при сопряжении со щелью монохроматора (10). С другой стороны волноводы формируют круг, для лучшего сопряжения с собирающей линзой. Перед входной щелью установлен еще один фильтр BG-39.

Рис. 2. Фотографии (а)основного блока фемтосекундного лазера SpectraPhysics, (б) спектрометра/монохроматора, (в) фемтосекундный лазер A vesta

Конструкция монохроматора, за счет поворотного зеркала, позволяет переключаться между матрицей приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрица( 11)) для регистрации спектральных зависимостей, и фотоэлектронным умножителем (ФЭУ(12)) для регистрации сигнала на определенной длине волны. Моно-хроматор снабжен автоматизированной турелью, позволяющей программно менять дифракционные решетки. На турели установлены решетки 150, 300 и 600 штр/мм. Для снижения уровня шумов ПЗС матрица охлаждается при по-

мощи жидкого азота до температуры 80 К. Сигнал от ПЗС-детектора, направляется на плату регистрации,, подключенную к компьютеру. Сигнал от ФЭУ поступает на счетчик фотонов (13), где обрабатывается с помощью персонального компьютера (15). Контроль за положением трансляционных платформ осуществляется с помощью контроллера Newport (МГТУ МИРЭА) или Physiklnstrumente (университет г. Неймеген) (14).

Было собрано два макета лабораторных установок: один находится в университете города Неймеген (Нидерланды) (Рис 2а, 26, 36), второй разработан на базе МГТУ МИРЭА (Москва, Россия) (Рис 2в, За). Оба имеют одинаковый функциональные возможности, однако при сборке макетов были использованы компоненты от различных производителей, и для каждого из приборов было разработано программное обеспечение для автоматизации.

Сигнал, зарегистрированный фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), поступает на счетчик фотонов Stanford Research SR-400, синхронизированный с оптико-механическим прерывателем. Для регистрации световых потоков низкой интенсивности ФЭУ работает в режиме счета фотонов.

Рис.3. Фотография лабораторного макета двухфотонного спектрометра-микроскопа а) МГТУ МИРЭА, Москва; б) Университет г. Неймеген, Нидерланды.

Автоматизация экспериментальной установки осуществлена в программной среде LabView. Сбор данных от синхронного детектора и счетчика фотонов, а также связь с контроллерами всех линейных и вращающих платформ осуществляется по интерфейсу GPIB. Связь с камерой и платой управления питанием фотоэлектронного умножителя осуществляется по интерфейсу USB посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Контроль над моно-хроматором, а также передача зарегистрированных ПЗС-матрицей данных осуществляется с помощью специализированной платы, идущей в комплекте поставки прибора.

Разработанное программное обеспечение можно условно разделить на два типа, каждый из которых состоит из несколько подпрограмм. Первый тип подпрограмм позволяет осуществлять настройки приборов. Второй тип позволяет проводить автоматизированные экспериментальные исследования,

сгруппированные по общему признаю,'. Общий вид передней панели программы для контроля сканирующего двухфотонного микроскопа и предварительного анализа экспериментальных данных представлен на рисунке 4, принципиальная структура программы - на рисунке 5.

Рис.4. Передняя панель программы для контроля сканирующего двухфотонного микроскопа и предварительного анализа экспериментальных данных. Данная часть программы отвечает за сканирование образца по двум координатам, построение изображения, а также за изменение параметров сканирования, таких как область сканирования, шаг сканирования, угол детектора, положения поляризатора.

Блок 1 позволяет работать с настройками лазера. В этот блок входит подпрограмма включения или выключения лазера, осуществляется контроль за рабочей длиной волны, контроль за открытием-закрытием заслонки, также эта подпрограмма считывает текущие параметры лазерного излучения (рабочая длина волны лазера, и средняя мощность лазерного излучения).

Блок 2 позволяет работать с настройками синхронного детектора. В этой подпрограмме осуществляется установка режима сбора сигнала, настройка уровня отсечки (фотоны с низким уровнем энергии не регистрируются электроникой, это позволяет снизить уровень засветки от фоновых источников излучения), время, за которое осуществляется интегрирование сигнала. Программа позволяет контролировать подачу питания на ФЭУ. Также данный блок осуществляет регистрацию сигнала с ФЭУ, как в одиночном (для проверки уровня сигнала), так и в непрерывном режиме (для ручной юстировки положения детектора относительно поверхности исследуемого образца).

В блок 3 можно объединить четыре подпрограммы. Это связно с тем, что с помощью них осуществляется коммуникация с контроллерами моторизированных платформ. Первый элемент блока позволяет осуществлять контроль за поворотными платформами, на которых закреплены поляризатор, анализатор и образец. Для всех трех платформ можно независимо установить значение, на которую можно повернуть соответствующую платформу.

Рис.5.Структра разработанного программного обеспечения для автоматизации двух-фотонного спектрометра-микроскопа.

Второй элемент блока позволяет осуществлять контроль за линейными перемещающими платформами. К этим платформам относятся две платформы, позволяющие сканировать поверхность образца, платформа на которой закреплена фокусирующая линза, платформа на которой закреплена сканирующая часть (необходима для юстировки положения оптической оси). Третий элемент блока позволяет менять положение детектирующей части относительно поверхности образца. Значения положений могут изменяться как вручную, так и в соответствии с заранее предустановленными настройками. Эти настройки включают в себя: положение для получения изображений поверхности с помощью оптического микроскопа, положение для детектирования двухфотонной люминесценции, положение для детектирования второй гармоники, положение для юстировки оптической оси.

Следующие элементы программы отвечают за проведение экспериментальных исследований:

Блок 4 позволяет работать с оптическим микроскопом, а также с положением сканирующего столика и положением линзы. Данный блок предназначен для предварительной юстировки образца и для поиска областей, в которых необходимо проведение исследований. Часть программы отвечает за управление параметрами камеры, такими как чувствительность ПЗС-матрицы, время экспозиции. Данные с камеры отображаются на дисплее компьютера в реальном времени. Возможно изменение положения фокусирующей линзы, что позволяет осуществить предварительную фокусировку. Также с помощью этого блока осуществляется управление питанием внешней подсветки. Данная подпрограмма позволяет сохранять изображение с камеры на жестком диске компьютера, для дальнейшего анализа данных.

Блок 5 необходим для определения точного положения фокуса линзы относительно исследуемого образца. Программа последовательно изменяет положение платформы, одновременно регистрируя сигнал с помощью ФЭУ. Этот блок позволяет изменять диапазон сканирования, а так же шаг, на который должна меняться координата автоматизированной платформы. Данные представлены в графическом виде. Положение линзы в миллиметрах отложено по оси ординат, интенсивность зарегистрированного сигнала отложена по оси абсцисс. Подпрограмма автоматически определяет положение линзы, соответствующее максимальному сигналу, и перемещает линзу в соответствующую координату. В данном блоке также представлена возможность осуществлять контроль подачи напряжения на ФЭУ с помощью ЦАП, управляемого через интерфейс USB.

Блок 6 позволяет исследовать спектральный отклик от образца в зависимости от длины волны излучения лазера. Проведение данного эксперимента усложняется тем фактом, что фокусирующая линза обладает дисперсией. Это означает, что для различных длин волн положение фокуса меняется. Для рабочего диапазона длин волн лазера, используемого в установке, максимальное различие составляет несколько десятков микрометров, однако при исследовании нелинейно-оптических свойств это критично, так как нелинейно-оптический отклик квадратично зависит от мощности накачки. Поэтому после каждой перестройки длины волны необходимо осуществлять подстройку положения фокусирующей линзы. При работе в большом диапазоне длин волн, с малым шагом перестройки, проведение такого эксперимента трудоемко и требует от оператора внимательности. Также в силу конструкции прибора после каждой настройки фокуса, оператору необходимо постоянно менять настройки спектрометра-монохроматора, что может привести к ошибкам. Однако автоматизация этого процесса позволяет снизить влияние человеческого фактора, а также увеличить скорость проведения эксперимента. Определение положения фокуса осуществляется тем же способом, что и в блоке 5. Программа позволяет задавать диапазон длин волн, в котором необходимо проведение эксперимента, шаг изменения длины волны. Для каждой длины волны происходит регистрация спектра и автоматическое сохранение экспериментальных данных. Для последующего анализа каждому файлу присваивается уникальное имя для облегчения обработки данных. Также для каждого файла с экспе-

риментальными данными создается файл, в котором записаны параметры лазера, и настройки спектрометра.

Блок 7 позволяет проводить регистрацию спектров в зависимости от мощности излучения, ориентации поляризатора, положения детектора, а также в зависимости от координаты образца. В связи с этим для каждого эксперимента можно задавать диапазон изменения соответствующих регулировок. Также как и в предыдущем случае, все экспериментальные данные автоматически сохраняются, каждому придается уникальное имя, позволяющее определить тип эксперимента, а также создается файл с описанием настроек приборов. Также возможно проведение комбинированных экспериментов. Например, можно провести регистрацию спектров в зависимости от мощности излучения при разных углах детектирования, или в различных координатах. Программа позволяет контролировать такие параметры спектрометра как: переключение режима спектрометр/монохроматор (переключение между ПЗС-матрицей и ФЭУ), изменение ширины входной щели, изменение времени накопления сигнала, изменение положения турели фильтров, изменение типа дифракционной решетки.

Блок 8 предназначен для проведения экспериментальных исследований, связанных со сканированием поверхности образца. В этом блоке также присутствуют элементы управления настройками монохроматора. Подпрограмма позволяет задавать начальные координаты, с которых начинается сканирование, разрешение сканирования. Данные представлены в виде трехмерного графика. Оси абсцисс и ординат соответствуют координатам образца, ось аппликат соответствует интенсивности зарегистрированного сигнала в определенной этими координатами точке образца. С помощью маркера можно задать положение следующего сканирования, если интересующая область смещена относительно текущего сканирования. Также блок позволяет задавать начальные координаты сканирования и его шаг в ручном режиме. Однако, необходимо отметить, что для получения изображений больших областей или изображений с высоким разрешением требуется длительное время (например на сканирование изображения, состоящего из 100x100 пикселей может потребоваться около 6 часов).

В данном блоке возможно проведение автоматизированного сканирования при различных ориентациях поляризации входного излучения, при различных положениях системы детектирования, а также их комбинациях. Программа позволяет сохранять данные в виде, удобном для последующего анализа в программе обработки графиков. Также каждый файл сканирования сохраняется в виде графического изображения.

Блок 9 позволяет проводить сканирование вдоль одной пространственной координаты, лежащей в плоскости образца. В качестве исходного файла блок может использовать экспериментальные данные из блока 8. С помощью маркеров на трехмерном изображении можно выделить начальные и конечные координаты линии, вдоль которой необходимо проведение сканирования, а также шаг сканирования. Данный блок позволяет получать результаты значительно быстрее, чем в блоке 8. Данный режим полезен, например, при опреде-

лении размеров исследуемых объектов. Также возможен ввод координат в ручном режиме. Данные сканирования автоматически сохраняются на жесткий диск персонального компьютера.

Вышеописанные блоки позволяют проводить исследования нелинейно-оптических свойств образца в различных сочетаниях переменных параметров. Однако гибкость программной среды ЬаЬМеуу позволяет добавлять новые элементы программы в случае, если необходимая комбинация автоматически изменяемых параметров отсутствует в нынешней версии программы.

Табл.1. Сравнение характеристик разработанной установки с коммерческими образцами

Характеристики Разработанная установка Nikon (AIR MP) Olympus (F VI000 МРЕ) Саг12е188 (ЬБМ 510 N1.0)

Скорость сканирования единицы минут (16x16 пикселей) единицы секунд (512 х 512 пикселей) единицы секунд (256 х 256 пикселей) единицы секунд

Разрешение (зависит от объектива) (мкм) 2 0.4-0.8 (0.3) 0.4-0.8 (0.3) 0.4-0.8 (0.3)

Источник излучения Тп8ар лазер Ti:Sap лазер Ti:Sap лазер ТкЭар лазер

Диапазон изменения угла детектирования (от нормали к поверхности) от -50 до 50 градусов Недоступно Недоступно Недоступно

Область сканирования (диагональ, мм) 21 18 Нет информации Нет информации

Детектор ФЭУ, ПЗС ФЭУ ФЭУ ФЭУ

Детектируемый диапазон длин волн (нм) 300-1000 1400-750 1 400-750 400-750

Возможность измерения анизтропных зависимостей Есть Нет Нет Нет

Расстояние от фокусирующей линзы до образца (рабочее расстояние) 3 см <1 мм <1 мм <1 мм

Полученные экспериментальные данные позволяют провести сравнение разработанной установки с коммерчески доступными приборами. Данные

приборы позволяют получать изображения биологических объектов с высокой скоростью и большим разрешением (эта характеристика зависит от числовой апертуры объектива и от рабочей длины волн лазера, используемого в качестве источника излучения). Несмотря на малую скорость сканирования и относительно невысокое разрешение по сравнению с коммерчески доступными двухфотонными микроскопами, разработанная установка позволяет проводить ряд исследований, недоступных коммерческим приборам. Конфокальная конфигурация, которая лежит в основе коммерческих приборов, предполагает расположение объектива на расстояниях сотни микрометров от образца, что ограничивает функциональные возможности прибора. Это приводит к тому, что отсутствует, например, возможность изменения угла регистрации сигнала. В экспериментальной установке используется фокусирующая линза с рабочим расстоянием 3 см, что совместно с поворотными платформами, на которых закреплены образец и детектор, позволяет проводить измерения угловых зависимостей излучения. Присутствие в конструкции разработанного прибора спектрометра позволяет исследовать спектральный состав излучения в каждой точке образца. Наличие в установке поворотной платформы для образца позволяет проводить исследования анизотропных характеристик образца методом генерации второй оптической гармоники.

Третья глава посвящена обработке и анализу полученных экспериментальных данных, а также методикам изготовления образцов, использованных в эксперименте. Данные эксперименты были проведены для тестирования макета сканирующего двухфотонного спектрометра-микроскопа и разработанного программного обеспечения.

Пептидные микроструктуры, использованные в эксперименте, были изготовлены методом осаждения из раствора на подложку. Мономер дифенилала-нина был разведен в 1,1,1,3,3,3-гескофлюро-2 пропаноле до концентрации 100 мг/мл. Для того, чтобы избежать слипания трубок, каждый раз изготавливался свежий раствор. Для получения трубок, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки (рисунок 6), 30 мкл раствора были помещены на подложку. Формирование трубок происходит при испарении растворителя с поверхности подложки. Средний диаметр трубки составляет 350-400 нм, длина может достигать 5-10 мкм. Для того чтобы получить трубки, ориентированные вдоль поверхности подложки (рисунок 7), исходный раствор 100 мг/мл с помощью воды (тШС?) было дополнительно разбавлен до концентрации 0,2 мг/мл. Этот раствор так же. как и в первом случае, был помещен на подложку. При этой концентрации происходит формирование пептидных микротрубок, диаметр которых составляет 1-10 мкм. Длина может достигать единиц миллиметров.

Рис.6. Изображение пептидных микротрубок, полученных методом сканирующей электронной микроскопии: (а) вертикально ориентированные трубки, (б) горизонтально-ориентированные трубки.

В 800

•Л

1 10» , 1200 I нов

100 120 140 160 180 200

300 375 400 425 460 475 600 525 560 575 600 625 660 Длина волны (нм)

Рис.7.Экспериментальные данные, полученные для пептидных трубок: (а) Оптическое изображение области образца 200x200 микрометров, (б) Изображение той же самой области образца, полученное на длине волны второй оптической гармоники, (в) Спектральный отклик от единичной трубки

Для получения полной информации о нелинейно-оптических свойствах кристаллических структур необходимо проведение поляризационных исследований. Из полученных экспериментальных данных можно определить тип кристаллической структуры исследуемого образца или ориентации дипольных моментов, если речь идет об органических материалах.

На рисунке 8 представлены изображения трубки, измеренные при различных ориентациях падающего излучения, перпендикулярно вертикальной

трубке (Рис. 8а) и под углом 45° (Рис. 86). Изменение поляризации приводит к тому, что трубка, относительно которой направление поляризации перпендикулярно, видна лучше. Для получения изображения полностью соответствующего реальному расположению трубок на поверхности подложки, необходимо проводить сканирование при различных ориентациях поляризации падающего излучения.

Рис.8. Изображения трубки, полученные при различных ориентациях поляризации падающего лазерного излучения, размер изображения 300x300 мкм: а) поляризация перпендикулярна вертикальной трубке; б) поляризация ориентирована под углом 45 градусов.

Волновод

Линза

Фильтр

Лазер

Образец

Длина волны (нм)

Рис.9, (а) Схема сбора излучения от микростержней оксида цинка.(б) Спектральный отклик, зарегистрированный от различных микростерженей.

В качестве второго тестового образца был использован массив стержней оксида цинка Диаметр отдельных стержней варьируется от единиц до десятков микрометров. На рисунке 9а представлена схема сбора излучения от образца. Излучение лазера фокусировалось на боковой части массива из микротрубок, люминесценция детектировалось с торцевой части образца. При ис-

следовании таких структур сканирование использовалось для того, чтобы определить положение образца, при котором интенсивность люминесценции будет максимальной. На рисунке 96 представлены спектры излучения, полученные при сканировании образца. Как видно из экспериментальных данных обнаружено изменение положения максимумов спектральных зависимостей, а также интенсивности сигнала при изменении положения образца относительно детектора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе представлены результаты разработки лабораторного макета двухфотонного спектрометра-микроскопа, а также разработки комплекса программ для проведения экспериментальных исследований локальных нелинейно-оптических свойств органических и полупроводниковых материалов, а также микроструктур на основе этих материалов.

1. Лабораторный макет сканирующего двухфотонного спектрометра-микроскопа обладает следующими функциями: получение изображений на заданной длине волны (второй гармоники в диапазоне 350-500 нм и двухфотон-ной люминесценции в диапазоне 360-950 нм), поляризационных изображений ВГ и ДФЛ, азимутальных анизотропных изображений ВГ и ДФЛ, изображений в рассеянном или дифрагированном свете при разных углах падения.

2. Лабораторный макет сканирующего двухфотонного спектрометра-микроскопа обладает следующими параметрами: рабочее расстояние 3 см, латеральный размер лазерного пятна в фокусе градиентной линзы, измеренный по методу сканирования экрана («knife-edge») - 6 мкм, латеральное пространственное разрешение — 2 мкм, минимальный размер зарегистрированного объекта— 1 мкм, чувствительность по абсолютному сигналу - 100 фотонов/с, чувствительность по нелинейной восприимчивости - 0.05 пм/В.

3. Программное обеспечение лабораторного макета сканирующего двухфотонного спектрометра-микроскопа позволяет контролировать основные функции прибора: параметры лазерного излучении (длину волны, поляризацию, падающую мощность); режимы системы детектирования (микроскоп или спектрометр); параметры системы детектирования; пространственное, угловое и азимутальное положение образца; автоматическое определение положения фокусирующей линзы по максиму интенсивности второй гармоники; сбор и предварительный анализ экспериментальных данных.

4. В биологических микроструктурах на основе дифенилаланина обнаружена эффективная генерация второй оптической гармоники; по поляризационным зависимостям подтверждена гексагональная симметрия, измерена величина квадратичной нелинейной восприимчивости (20±9 пм/В); обнаружен фазовый переход при температуре 100°С, в новой фазе обнаружена эффективная двухфотонная люминесценция, переходящая в сверхлюминесценцию при увеличении мощности излучения накачки, в основном, в направлениях вдоль оси микротрубок.

5. В микроструктурах на основе оксида цинка получены изображения торцов «связок» микростержней на длинах волн экситонной люминесценции, обнаружена пространственная неоднородность спектров в сечении микростержней.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по лазерам. Том 2. Коллектив авторов (редактор Прохоров A.M.). М. Советское радио. 1978.

2. A. Yariv, Quantum Electronics. Wiley, New York, 1989

3. P. D. Maker, R. W. Terhune, M. Nisenoff, and С. M. Savage, Phys. Rev. Lett. 8,21 (1962).

4. D. S. Wiersma. The physics and applications of random lasers // Nature Physic. 2008. V.4. P.359.

5. Huang, Michael H., et al., Room-Temperature Ultraviolet Nanowire nanolas-ers// Science. 2001. V. 292, P. 1897-1899.

6. Oulton R.F., Sorger V.J., Zentgraf Т., etal. Plasmon lasers at deep subwave-length scale //Nature. 2009. V. 461, P.629-632.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Семин С.В., Кудрявцев А.В., Мишина Е.Д. Автоматизированный двухфо-тонный сканирующий микроскоп // Приборы и техника эксперимента. 2012.Т. № 1. С. 1.

2. Семин С.В., Шерстюк Н.Э., Мишина Е.Д., Герман К., Кулюк Л., Расинг Т., Пенг Л-Х. Картирование усиления двухфотонной люминесценции в микроструктурах оксида цинка // Физика и техника полупроводников. 2012.T.46.№3.C.376-378

3. Hereida A., Bdikin 1., Kopyl S., Mishina E., Semin S., Sigov A., German K., Bystrov V., Gracio J., Kholkin A.L. Temperature-driven phase transformation in self-assembled diphenylalanine peptide nanotubes // J.Phys.D: Appl. Phys, 2010. T.43. C.462001.

4. Amdursky N., Beker P., Koren I., Bank-Srour В., Mishina E„ Semin S„ Rasing Th., Rosenberg Yu., Barkay Z., Gazit E., and Rosenman G. Structural Transition in Peptide Nanotubes // Biomacromolecules. 201 l.T.12.jNi>4.c. 1349-1354.

5. Rosenman G., Beker P., Koren I., M. Yevnin, B. Bank-Srour, E. Mishina. Bio-inspired peptide nanotubes: deposition technology, basic physics and nano-technology applications //J. Pept. Sci. 2011.17. №2. P. 75-87.

6. Е.Д.Мишина, С.В.Семин, К.В.Швырков, А.В.Кудрявцев, Н.А.Ильин, Н.Э.Шерстюк Нелинейно-оптическая микроскопия и спектроскопия сег-нетоэлектрических и мультиферроидных материалов // ФТТ. 2012. Т.54.В.5.С. 836-842.

в реестре заявок на выдачу патента Российской Федерации на изобретение:

1. С.В. Семин, Е.Д. Мишина, Двухфотонный сканирующий микроскоп. Заявка на изобретение №2011131164 от 27.07 2011.

опубликованных в других изданиях:

1. Семин С.В., Герман К., Шерстюк Н.Э. Исследование спектров люминесценции нитевидных кристаллов оксида цинка // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 7-11 декабря 2009 г., с. 64.

2. Семин С.В., Швырков К.В., Шерстюк Н.Э. Нелинейно-оптические свойства структур на основе пептидных нанотрубок // INTERMATIC - 2010, Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 23 - 27 ноября 2010, с.138.

3. Semin S., Mishina Е., Rasing Т. Nonlinear-optical properties of diphenylala-nine peptide nanotubes // MSCMP 2010, Book of abstracts, Chishenau, Moldova, p. 187.

4. Semin S., Mishina E., van Etteger A.and Rasing T. Nonlinear-optical properties of diphenylalanine peptide tubes // Ph.D. Network Workshop, 19-24 June 2011 "Materials for Energy" d'AmelanderKaap, Hollum, Ameland, Netherlands.

5. S.Semin, A. van Etteger, Th. Rasing, E.Mishina. Bio-Nanophotonics: highly brilliant tunable two-photon probes from self-organized peptide structures // FOM conference, 17-18 January 2012, Veldhoven, Netherlands.

Подписано в печать: 21.05.2012 Объем: 1,5 п.л Тираж: 100 экз. Заказ № 136 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Страстной бульвар, д. 6, стр. 1 (495) 978-43-34; www.reglet.ru

61 12-5/3865

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники,

электроники и автоматики" МГТУ МИРЭА

На правах рукописи

СЕМИН Сергей Владимирович

Д ВУХФОТОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР-МИКРОСКОП НА ОСНОВЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Специальность:

05.11.07-0птические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.ф-м.н., доц. Е.Д. Мишина

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЛИНЕЙНОЙ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ..................................................................................................12

1.1 Современное состояние двухфотонной микроскопии.............................12

1.2 Принципы нелинейной оптики...................................................................15

1.3. Оптическая микроскопия...........................................................................18

1.4. Конфокальная сканирующая микроскопия..............................................22

1.5. Ближнепольная микроскопия....................................................................24

1.6. Многофотонная микроскопия....................................................................26

1.7. Оценка разрешающей способности микроскопа.....................................34

1.8. Спектроскопия.............................................................................................38

1.9. Принципиальная схема спектрометрического прибора..........................38

1.11. Люминесцентная микроскопия - спектроскопия...................................41

1.12. Рамановская микроскопия - спектроскопия...........................................43

1.13. Микроскопия сверхвысокого разрешения............................................45

1.14. Коммерческие микроскопы.....................................................................45

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЙ МАКЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ЕГО АВТОМАТИЗАЦИЯ...................................................52

2.1. Оптическая схема разработанной установки...........................................52

2.2. Титан-сапфировый лазер............................................................................56

2.3. Автоматизация прибора.............................................................................56

2.4.0писание среды разработки Lab View........................................................58

2.5. Структура разработанного программного обеспечения.........................59

2.5 Л Настройка и контроль основных приборов.........................................59

2.5.2.Проведение экспериментов и контроль их параметров.....................62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУР.............................................67

3.1.Применение пептидных микро- и нанотрубок.........................................67

3.2.Изготовление пептидных трубок...............................................................70

3.3. Определение разрешающей способности разработанной установки.... 77

3.4. Определение спектральной разрешающей способности разработанной

установки............................................................................................................

3.5. Определение чувствительности, днамического диапазона и контраста изображений разработанной установки..........................................................84

3.6. Экспериментальное исследование параметров генерации второй оптической гармоники в образцах пептидных трубок.................................84

3.7. Исследование фазового перехода в пептидных трубках........................94

3.8. Полупроводниковые структуры на основе оксида цинка.....................103

3.9. Экспериментальные исследование локальных люминесцентных

свойств полупроводниковых микроструктур на основе оксида цинка......104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................110

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Тема диссертационной работы связана с разработкой прибора, позволяющего проводить экспериментальные исследования нелинейно-оптических свойств микро- и наноструктур различной природы и функциональности (полупроводниковых, сегнетоэлектрических, магнитных, органических) методом двухфотонной микроскопии.

Актуальность.

Двухфотонная микроскопия является частным случаем многофотонной микроскопии и находит широкое применение при изучении различных физических и биологических явлений и объектов. Данный метод диагностики материалов включает в себя такие методики, как генерация второй оптической гармоники (ГВГ или ВГ) и двухфотонная люминесценция (ДФЛ).

На сегодняшний день основное применение многофотонной микроскопии - биология. Это связано с тем, что данная методика позволяет увеличить контраст изображения и латеральную разрешающую способность, а также получать трехмерные изображения тканей за счет изменения фокусировки лазерного излучения, что оказывается возможным в связи с большой глубиной проникновения излучения на основной длине волны (7001000 нм) в биологические ткани (биологическое окно прозрачности).

Для исследования материалов методом двухфотонной микроскопии

разработаны коммерческие образцы двухфотонных микроскопов,

использующих конфокальную геометрию, повышающую контраст и

пространственное разрешение изображений. Такого рода приборы

присутствуют в модельном ряду компаний, занимающихся изготовлением

оптических микроскопов и комплектующих к ним, например Nikon

(A1RMP), Olympus (FV1000 МРЕ), CarlZeiss (LSM 510 NLO). Для

исследования твердотельных микроструктур (для микроэлектроники)

выпускаются конфокальные профилометры, однако эти приборы являются

однофотонными, и их функциональные возможности ограничены.

4

В исследовательских лабораториях коммерческие двухфотонные микроскопы могут быть использованы для получения изображений полупроводниковых и металлических наноструктур, а также доменной структуры в сегнетоэлектрических, магнитных и мультиферроидных материалах, в том числе наноразмерных пленках. Однако для полноценного анализа свойств неорганических твердотельных микро- и наноструктур функций микроскопов, ориентированных на биологические объекты, недостаточно. Это связано с особенностями генерации второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции в твердотельных микро- и нанострукутрах: ярко выраженный анизотропный двухфотонный отклик, существенные зависимости от углов падения и детектирования, необходимость использования большого рабочего расстояния в связи с наличием электродов и т.п.

Представленная диссертационная работа посвящена решению задачи разработки двухфотонного сканирующего микроскопа и соответствующего программного обеспечения, позволяющего проводить исследования линейно- и нелинейно-оптических свойств твердотельных микро- и наноструктур различной природы, находящих свое применение в микро- и оптоэлектронике, а также фотонике.

Цель работы - разработка и сборка макетного образца двухфотонного сканирующего микроскопа для исследования локальных линейно- и нелинейно оптических свойств твердотельных микро- и наноструктур, разработка программного обеспечения для автоматизации экспериментальных исследований, а также разработка программного обеспечения для проведения предварительного анализа полученных результатов

В соответствии с поставленной целью в работе определены основные задачи исследования:

- разработать схему экспериментальной установки повышенной функциональности, позволяющей проводить исследования локальных нелинейно-оптических свойств микро- и наноструктур;

- создать макет двухфотонного спектрометра-микроскопа;

- разработать программное обеспечение, позволяющее управлять разработанным прибором, а также получать двухфотонные изображения поверхности образца в различных режимах;

- провести тестовые экспериментальные исследования на макете экспериментальной установки, оценить параметры разработанного макета, а также измеряемые характеристики тестовых образцов.

Методы исследования, достоверность и обоснованность.

При исследовании нелинейно-оптических свойств микро- и наноструктур на основе твердотельных органических и полупроводниковых материалов были использованы методы генерации второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции.

При решении задач автоматизации экспериментальной установки и обработки экспериментальных данных были использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты среды программирования LabView и программный пакет для построения графиков и обработки данных Microcal Origin.

Обоснованность и достоверность полученных результатов определяется соответствием результатов тестовых экспериментов с использованием разрабатываемого прибора результатам, полученным автором при помощи традиционных методик. Результаты и выводы диссертационной работы согласуются с экспериментальными и теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными и российскими научными группами, а также с данными, предоставляемыми фирмами, работающими в данной области.

Научная новизна:

1. Разработанный действующий лабораторный макет двухфотонного сканирующего спектрометра-микроскопа позволил с пространственным латеральным разрешением 2 мкм получить двухфотонные «индикатрисы изображений» биологических и полупроводниковых микроструктур (изображения при различных углах падения и сбора оптического сигнала генерации второй гармоники и двухфотонной люминесценции), а также измерить компоненты нелинейной восприимчивости в кристаллических микротрубках диаметром до 1 мкм.

2. Разработаны методика и программное обеспечение для автоматического определения положения фокусирующей линзы по максиму интенсивности второй гармоники (автофокусировки нелинейно-оптического изображения).

3. На основе поляризационных измерений микроскопических изображений на длине волны второй гармоники измерены компоненты тензора нелинейной восприимчивости микротрубок дифенилаланина, определены диаграммы направленности излучения микротрубок.

4. Получены изображения микротрубок, претерпевших фазовый переход, на различных длинах волн двухфотонной люминесценции.

Практическая значимость. Разработанная установка позволяет эффективно проводить исследования локальных линейного и нелинейно-оптического откликов твердотельных микро- и наноструктур, определять величину локальной нелинейной восприимчивости, диаграммы направленности излучения. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить широкий спектр автоматизированных исследований, недоступных в коммерческих установках в силу их конструктивных особенностей.

Часть работы выполнена в рамках выполнения госконтрактов по ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития

7

научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» с использованием оборудования ЦК Л «УНО «Электроника»» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Часть работы выполнена в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований и гранта нидерландского научного фонда ШШ. Макет двухфотонного спектрометра микроскопа используется в научном и учебном процессах кафедры физики конденсированного состояния факультета электроники МГТУ МИРЭА, а также при выполнении дипломного проектирования студентами факультета «Электроника».

Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы при разработке опытного промышленного образца двухфотонного спектрометра-микроскопа в компании ООО «Авеста-проект».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция сканирующего двухфотонного микроскопа, позволяющая получать изображения микроструктур с пространственным латеральным разрешением 2 мкм при различных конфигурациях поляризации (поляризационные изображения), при различных углах возбуждения и детектирования (в том числе, изображения по диаграмме направленности), при длинах волн возбуждения и регистрации, находящихся в диапазоне от 360 до 1100 нм (нелинейно-оптические и люминесцентные изображения).

2. Программа, разработанная в среде ЬаЬУ1е\у для контроля основных функций сканирующего двухфотонного микроскопа, таких как управление 6-координатным гониометром (изменение положения образца по 4-м координатам, изменение углового положения детектора и образца), регистрация излучения ПЗС-матрицей и фотоэлектронным умножителем, контроль за рабочими параметрами лазера и спектрометра.

3. Программа для автоматической коррекции положения фокусирующей линзы (автофокусировка изображения) при перестройке длины волны излучения лазера по уровню сигнала.

4. Результаты исследования локальных спектральных и нелинейно-оптических свойств микроструктур оксида цинка. Изображение образца, полученное на длинах волн второй оптической гармоники и двухфотонной люминесценции (экситонной и примесной). Обнаружение пространственной неоднородности спектров экситонной люминесценции в сечении

микростержней оксида цинка.

5. Результаты исследования локальных спектральных и нелинейно-оптических свойств биологических микроструктур. Определение симметрии пептидных микротрубок, абсолютного значения нелинейной восприимчивости, температуры фазового перехода, обнаружение эффекта

сверхлюминесценции.

Личный вклад автора заключается в общей постановке целей и задач исследования, сборке макетного образца, разработке программного обеспечения для автоматизации экспериментальной установки, обработке и

анализе основных результатов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованных источников, включающего 101 наименование. Объем диссертации насчитывает 124 страницы машинописного текста, включая 37 рисунков и 1 таблицу.

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, приведено обоснование актуальности темы исследования, дан обзор литературы по теме исследования; сформулирована физическая суть явлений, используемых в нелинейно-оптической микроскопии, рассмотрены примеры применения; сформулированы цель и задачи работы, приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе описаны принципы современной микроскопии и спектроскопии, приводится обзор работ, посвященных разработке и применению экспериментальных установок, предназначенных для получения и построения нелинейно-оптических изображений твердотельных микрообъектов. Анализируются различные механизмы возникновения оптической второй гармоники, исследованы особенности применения указанных методик для исследования твердотельных структур. Описываются функции микроскопа, необходимые для получения полной информации об объекте, принципиально доступной при использовании методик генерации ВГ и ДФЛ, однако недоступные в коммерческих многофотонных микроскопах. Описаны основные характеристики микроскопа, в том числе разрешающая способность. Приведен обзор литературы по спектроскопическим микроскопическим методикам (люминесцентной и рамановской), а также по оптической микроскопии сверхвысокого разрешения.

Вторая глава является основной и посвящена описанию макета сканирующего двухфотонного микроскопа, описанию разработанного

программного обеспечения.

Третья глава посвящена обработке и анализу полученных экспериментальных данных. Приведены результаты тестирования разработанного прибора на примере двух типов микроструктур -биологических, на основе пептидных нанотрубок, и полупроводниковых, на основе оксида цинка. Описывается актуальность исследования образцов данного типа. Приводится описание методики изготовления образцов. Проводится оценка пространственной и спектральной разрешающей способности разработанной установки. Приводятся новые экспериментальные данные по структуре и свойствам исследованных объектов, полученных при помощи разработанного прибора.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, а также проводится краткое рассмотрение перспектив развития предложенной в работе конструкции установки и методики.

Основные материалы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 7-11 декабря 2009 г.; INTERMATIC - 2010, Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 2010; MSCMP 2010, Chishinau, Moldova; Ph.D. Network Workshop, 2011 "Materials for Energy", Hollum, Ameland, Netherlands.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций, 4 публикации в материалах конференций.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЛИНЕЙНОЙ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ.

1.1 Современное состояние двухфотонной микроскопии

Многофотонная и, в частности, двухфотонная микроскопия в подавляющем большинстве случаев используется при исследовании биологических объектов. Это связано с тем фактом, что имеется возможность локально возбужд�