Зондовая оптическая спектроскопия на основе фотонного эха презентация

молек. спектроскопии ИСАН
н.с. лаб. нелинейной оптики КФТИ

Волны-2014

К.Р. Каримуллин1,2, А.В. Наумов1,3
1Институт спектроскопии РАН
2Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН
3Московский педагогический государственный университет

Спектроскопия неупорядоченных твердотельных структур с примесными
молекулами – зондами. Примеры исследований и перспективы

План доклада

Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315.

Первые экспериментальные работы по фотонному эху:
N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568
I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391.

Оптическая эхо-спектроскопия:
Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с.


Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов:
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.

Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315.

Первые экспериментальные работы по фотонному эху:
N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568
I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391.

Оптическая эхо-спектроскопия:
Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с.


Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов:
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.

Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315.

Первые экспериментальные работы по фотонному эху:
N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568
I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391.

Оптическая эхо-спектроскопия:
Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с.


Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов:
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.

Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315.

Первые экспериментальные работы по фотонному эху:
N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568
I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391.

Оптическая эхо-спектроскопия:
Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с.


Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов:
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.

Световое эхо на парамагнитных кристаллах // Физика металлов и металловедение. 1963. Т. 15. № 2. С. 313-315.

Первые экспериментальные работы по фотонному эху:
N.A. Kurnit, I.D. Abella and S.R. Hartmann / Observation of a Photon Echo // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13. P. 567-568
I.D. Abella, N.A. Kurnit and S.R. Hartmann / Photon Echoes // Phys. Rev. 1966. V. 141. P. 391.

Оптическая эхо-спектроскопия:
Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984. 270 с.
Калачев А.А., Самарцев В.В., Когерентные явления в оптике. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 281с.


Модель формирования сигналов эха в системе двухуровневых атомов:
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровне-вые атомы, М.: Мир, 1978. 223 с.

Измеряемые характеристики:
Время фазовой релаксации T2 – однородная ширина линии электронного перехода
Время жизни возбужденного уровня T1
Исследование быстропротекающих случайных процессов - спектральная диффузия
Исследование температурных зависимостей – параметры электрон-фононного взаимодействия
Модуляционная эхо-спектроскопия – исследование малых расщеплений энергетических уровней

Однородно-уширенные линии одиночных примесных центров, распределенные внутри широкого неоднородного контура

П(А)– поляризатор (анализатор), Л – линза, ИМО – измеритель мощности, ИДВ – спектрометр длин волн, ПП – плоскопараллельная пластинка.

Временные диаграммы возбуждения сигналов первичного (а), стимулированного (б) и аккумулированного (в) эха. Время в мкс.

Параметры установки:
Диапазон перестройки спектра лазера – 750-950нм;
Выходная мощность на длине волны 800 нм – 1 Вт;
Спектральная ширина линии излучения – 2 МГц;
Мощность на образце в криостате – 50 мВт;
Чувствительность* – 0,5 мВ.
* система «Счётчик фотонов» с предусилителем ФЭУ

Шаг перемещения строба – 10 нс;
Шаг изм. интервала между импульсами – 10 нс;
Интервал между импульсами – 50нс-1с;
Длительность импульсов – 50нс-10мкс.

Экспериментальная установка Оптический эхо-процессор

Каримуллин К.Р., Зуйков В.А., Самарцев В.В. Экспериментальная установка «Оптический эхо-процессор» / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия. 2004. Вып. VIII. С. 301-308.
Kalachev A.A., Karimullin K.R., Samartsev V.V., Zuikov V.A., Optical echo-spectroscopy of highly doped Tm:YAG, Laser Physics Letters. – 2008. – V. 5, №12. – P. 882-886.

T1(3F4)= 30 мс

Кривая спада сигналов СФЭ

Зависимость интенсивности сигналов аккумулированного ФЭ от количества импульсных пар

Kalachev A.A., Karimullin K.R., Samartsev V.V., Zuikov V.A., Optical echo-spectroscopy of highly doped Tm:YAG, Laser Physics Letters. – 2008. – V. 5, №12. – P. 882-886.

TM= 0,75 мкс
x= 1,07

Схема уровней

A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, V.A. Zuikov / Detection of satellites of primary photon echo in ruby // Laser Physics. - 2003. - V.13. No 12. - P. 1487-1490.
V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, T.G. Mitrofanova / Photon echo in ruby doped only by 53Cr isotope ions // Laser Physics Letters. -2008. - V.5. No 8. P. 603-607.

Модуляция временной формы сигналов 2ФЭ в кристалле рубина

Модуляция временной формы сигналов СФЭ в кристалле рубина, допированном исключительно ионами 53Cr

Изотопы Cr:
50Cr – 4,3 %
52Cr – 82,7 %
53Cr – 9,6 % (I=3/2; 2I+1=4)
54Cr – 2,4 %

Тонкая структура R1-линии рубина

Расстояния между максимумами сигналов эха –
15-22 нс – расщепления уровней - 45-60 МГц

системах квантовой памяти
и оптической обработки информации
C.W. Thiel, Thomas Böttger, R.L. Cone / Rare-earth-doped materials for applications in quantum information storage and signal processing // J. Lumin. 2011. V. 131. P.353-361.

Эхо-голография
Л.А. Нефедьев, B.В. Самарцев / Оптическая эхо-голография (обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. 1992. Т.57. №5-6. С.386-428.
Л.А. Нефедьев, В.В. Самарцев / Цветная эхо-голография // Оптика и спектроскопия. 1987. Т.62. №3. С.701-703.

K.D. Merkel, R. Krishna Mohan et al. / Multi-Gigahertz radar range processing of baseband and RF carrier modulated signals in Tm:YAG // J. Lumin. 2004. V. 107. P. 62-74

Принципиальная схема эхо-процессора
радарного типа (компания S2-CHIP, США)

– свертка

– корреляция

метаматериалы, наноструктуры и т.д.), к ним относится огромный класс биологических сред

Отличия от упорядоченных сред:

к-нт теплоемкости ~T
к-нт теплопроводности ~T 2
оптические спектры
акустические свойства
…

кристаллы

аморфные среды

биологические среды

см-1

БФЛ

ФК

Спектральная полоса одиночной хромофорной молекулы (однородно-уширенный спектр)

Спектральная полоса ансамбля хромофорных молекул (неоднородное уширение).

Схематическое изображение струк-туры аморфной матрицы с внедрен-ным в нее примесным центром, взаимодействующим с ДУС, НЧМ и акустическими фононами

Формирование однородной ширины полосы

?

Anderson P.W., Halperin B.I., Varma C.M., Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses / Phil. Mag. 1972. V. 25. P.1.
Buchenau U., Prager M., Nücker N., Dianoux A.J., Ahmad N.A., Phillips W.A. Low-frequency modes in vitreous silica / Phys. Rev. B. 1986. V. 34. P. 5665.
Карпов В.Г., Клингер М.И., Игнатьев Ф.Н. Теория низкотемпературных аномалий тепловых свойств аморфных структур / ЖЭТФ. 1983. Т. 84. С. 760.

узких спектральных линий некоторых красителей в специально подобранных матрицах при низких температурах

«Лазерные методы»
Возбуждение тонкоструктурных спектров флуоресценции

Выжигание провалов

Фотонное эхо (с ультракороткими импульсами)

Спектроскопия одиночных молекул

А.В. Наумов / Спектроскопия органических молекул в твёрдых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектромикроскопии всех эффективно излучающих одиночных молекул // Успехи физических наук. 2013. Т. 183. № 6. P. 633-652.

аморфных сред при низких температурах: Иссле­дования резоруфина в d- и d6- этаноле при 1.7-35 К методом некогерентно­го фотонного эха. I. Эксперимент. Основные результаты / Оптика и спектроскопия. 1994. Т. 76, №2. С.252-258.
Каримуллин К.Р., Вайнер Ю.Г., Ерёмчев И.Ю., Наумов А.В., Самарцев В.В. Сверхбыстрая оптическая дефазировка в примесном полиметилметакрилате: исследования методом некогерентного фотонного эха с фемтосекундным временным разрешением / Ученые записки Казанского государственного университета. Серия физико-математические науки. 2008. Т. 150. Кн. 2. С. 148-159.

Параметры установки:
рабочий диапазон: 450-860 нм
ширина спектра: до 300 см -1
временное разрешение: 20-30 фс
длительность импульсов: 12-15 нс
энергия: до 2 мДж/имп
частота повторения: 1-10 Гц

Примеры перестройки спектра

Zn-OEP/Toluene при разных температурах

Структурные формулы молекул примеси
(Zn-октаэтилпорфина) и матрицы (толуола)

К процедуре измерения фактора Дебая-Валлера (α)

Вайнер Ю.Г., Кольченко М.А., Наумов А.В., Персонов Р.И., Цилкер С.Дж. Оптическая дефазировка в твердом толуоле, активированном цинк-октаэтилпорфином // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 2. С. 215-221.

магний - октаэтилпорфина при разных температурах

Структурные формулы молекул примеси
(Mg-октаэтилпорфина) и матрицы (полистирола)

Спектр поглощения образца

Kanematsu Y., Ahn J.S., Kushida T., Resonance fluorescence spectra of dye-doped polymers // J. Luminescence. 1992. V. 53. P. 235-238.

однородной ширины БФЛ для системы Zn-ОЭП/толуол

- взаимодействие с широким спектром фононов

- взаимодействие с одиночной фононной модой

Параметры ДУС и НЧМ, ответственных за дефазировку и уширение БФЛ в системе Zn-ОЭП/толуол

К.Р. Каримуллин, М.В. Князев, Ю.Г. Вайнер, А.В. Наумов. Оптическая дефазировка в порфирин-допированных стеклах и полимерах: температурная зависимость фактора Дебая-Валлера / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия. 2012. Вып. XVI. С. 61-64.

multi-color nanodiagnostics by phonon-less optical reconstruction single-molecule spectromicroscopy, Journal of Luminescence. - 2014. - V. 152. - P. 15-22.

Полициклические углеводороды
и их производные

Фталоцианины, хлорин,
диметил-тетразин

Порфирины

Ме-замещенные порфирины
и их производные

Ионные красители: крезил фиолетовый, родамин, резоруфин

Полупроводниковые кристаллы
и квантовые точки

криогенных температур)
Исследование полупроводниковых квантовых точек
Исследование биологических объектов

Лекция «Когерентные оптические явления в полупроводниковых наноструктурах с резидентными электронами»
Илья Андреевич Акимов, 29 мая, 12:05
Доклад «Исследование релаксационных процессов в ансамбле квантовых точек в наноразмерных полупроводниковых пленках на основе фотонного эха»
И.И. Попов, Н.С. Вашурин, С.Э. Путилин и др., 30 мая, 15:00

Построение теоретической модели для описания наблюдаемых в эксперименте симметричных кривых спада в рамках динамической теории оптической дефазировки (проф. И.С.Осадько)
(доклад: Федянин В.В. «Сверхбыстрая фазовая релаксация в примесных
твердотельных средах: численное моделирование сигналов фотонного эха»,
30 мая, постерная секция П3)

Модернизация экспериментальной аппаратуры
Повышение чувствительности и точности измерений

сбора люминесценции образца
возможность исследования образцов с очень малыми размерами и в сложных схемах эксперимента
источник возбуждения: непрерывный полупроводниковый лазер;
образец содержит хромофор, люминесцирующий в выбранной спектральной области; люминесценция выделяется фильтром
детектор – компактная специализированная (для микроскопии) ПЗС-камера Moticam 2300, снабженная объективом – визуализация образца с увеличением;
не требуется задействовать лазер с ограниченным ресурсом и вносить изменения в оптическую схему установки
возможность автоматизации

Схема конфокального люминесцентного визуализатора

Kamil Karimullin, Mikhail Knyazev, Ivan Eremchev, Yuri Vainer, Andrei Naumov, A tool for alignment of multiple laser beams in pump-probe experiments, Measurement Science and Technology. - 2013. - V. 24, No 2. - P. 027002 [4 pages]

до 125 мДж/имп (532 нм)
длительность импульса: 7-9 нс
частота повторения: 1-10 Гц
нестабильность работы: <1.5%

Параметры камеры:
квантовый выход до 65%
динамический диапазон: 12 бит
темновой ток: <0.1e /pix в сек
время экспозиции: 100 нс – 3000 мс
регулируемая задержка – от 100 нс
термоэлектрическое охлаждение до – 12°С

дефазировки в системе ТБТ/ПИБ при Т= 5К

Температурная зависимость однородной ширины полосы 0-0 перехода молекул ТБТ в матрице ПИБ по данным ФЭ и спектроскопии одиночных молекул

Vainer Yu.G., Kol’chenko M.A., Naumov A.V., Personov R.I., Zilker S.J., Photon echoes in doped organic amorphous systems over a wide (0.35-50K) temperature range, J. Lumin., v. 86, pp. 265-272 (2000).

РАН (пр. «Квантовая физика конденсированных сред»)
ОФН РАН (пр. «Фундаментальная оптическая спектроскопия и её приложения»)
Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых – кандидатов наук (проект МК-2328.2014.2)


Спасибо за внимание!