Е. Д. МИШИНА
Московский государственный технический университет
радиотехники, электроники и автоматики
Новые материалы фотоники: сегнетоэлектрические фотонные кристаллы, биоорганические люминесцентные нанотрубки
В работе представлены результаты исследования оптических свойств двумерных переключаемых сегнетоэлектрических фотонных кристаллов, а также самоорганизующихся пептидных микротрубок; рассмотрены перспективы использования таких материалов.
Одномерные фотонные кристаллы (ФК) уже продолжительное время применяются в различных оптических устройствах, в то время как методики создания двумерных, управляемых электрическим полем фотонных кристаллов, совместимых с технологией электронных интегральных схем находятся еще в стадии разработки.
Управляемые ФК, в частности, могут быть изготовлены путем заполнения жидкокристаллическими сегнетоэлектриками периодической пористой матрицы, представляющей собой неперестраиваемый двумерный ФК, либо на основе двумерно периодически поляризованного сегнетоэлектрического кристалла, например, ниобата лития.
В нашей работе на основе эпитаксиальной сегнетоэлектрической пленки BaSrTiO3 получен двумерный фотонный кристалл (ФК) с системой электродов, обеспечивающей взаимодействие падающей и прошедшей световых волн. Исследования спектральных характеристик выявили наличие запрещенной фотонной зоны вблизи 1,5 эВ. Показана возможность пространственно-частотной перестройки световой волны второй гармоники, генерируемой ФК.
В последние годы значительно усилился интерес к биологическим системам, как с точки зрения биомедицины, то есть исследования особенностей, связанных с патологическими изменениями в живых организмах, и их диагностикой и лечением, так и с точки зрения биоинженерии, то есть исследования возможностей построения систем аналогичных биосистемам и использования функциональных свойств биосистем для различных небиологических приложениях.
Нами исследованы самоорганизующиеся пептидные микротрубки. В этих трубках обнаружены различные фотонные эффекты: однофотонная и двухфотонная люминесценция, генерация второй гармоники, волноводный эффект.
В частности, показаны особенности двухфотонной люминесценции при нагреве образцов. Проведено исследование температурных зависимостей спектров двухфотонной люминесценции на образцах пептидных трубок, ориентированных в плоскости и перпендикулярно плоскости подложки; обнаружено возрастание интенсивности люминесценции при температуре 120оС. Проведено исследование зависимостей параметров двухфотонной люминесценции при заданной температуре от плотности мощности лазерного излучения (интегральной интенсивности, коэффициента степенной функции в зависимости от мощности); обнаружено резкое возрастание интенсивности люминесценции при плотности энергии импульса лазерного излучения 10 мкДж/см2 и переход степенной зависимости с коэффициентом 2 в экспоненциальную зависимость, что свидетельствует о переходе люминесценции в сверхлюминесценцию.
Пептидные трубки проявляют волноводный эффект в двух режимах: активном и пассивном. В пассивном режиме трубки передают излучение без искажения его спектрального состава. Нами показано, что такой режим существует и для излучения 800 нм, и для излучения 400 нм. В активном режиме излучение накачки возбуждает люминесценцию (однофотонно и двухфотонно) в стенках пептидных трубок, и возбуждаемое излучение распространяется по световоду. Поскольку эффективность световода диаметром более 2 мкм примерно одинакова для излучения в диапазоне 400-800 нм (то есть волновод является широкополосным), то в активном режиме, скорее всего, идет распространение как основного излучения, так и излучения люминесценции (ФЛ и ДФЛ).
Для ввода-вывода излучения в неотожженные трубки необходимо создать специальные условия (специальную геометрию). Такие условия могут быть достигнуты путем формирования на концах световода призму за свет локального расплава лазерным пучком.
Расчеты показывают, что излучение в диапазоне 400-800 нм распространяется не по пустотной части волновода, а по оболочке. В этом случае, так же как и для обычного волновода (с центральной частью, имеющей больший показатель преломления, чем оболочка), распространение обеспечивается за счет выполнения условия полного внутреннего отражения.
