VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мыльные пузыри как лазерные микрорезонаторы с модами шепчущей галереи
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность, новизна и практическая значимость. В век больших скоростей, большого потока информации возрастает потребность в большей мобильности данных, повышении скорости их обработки. Существующие системы, основанные на передаче информации, преобразованной в электрический сигнал, достигают предела своего развития. Использование фотонов, как носителей информации, позволит передавать данные с большей скоростью, меньшими потерями и потреблением энергии при меньшей стоимости. В связи с этим стала актуальной разработка малогабаритных оптических устройств, удовлетворяющих данным критериям.
Разработка объектов, имеющих микро- и наноразмеры, является наиболее привлекательной: группировка молекул определенным образом позволяет создать материалы и устройства с заданными свойствами. Использование такого потенциала как микрофотонная платформа, которая характеризуется компактностью, расходом малой мощности, функциональной интегрируемостью с другими оптоэлектронными устройствами, делает микроисточники света подходящим кандидатом для нано- и микроустройств [1].
Взаимодействие излучения лазера с веществом на такой микроплатформе позволяет запустить множество механизмов, одним из которых является флюоресценция молекул и генерация излучения микрорезонаторов.
В работах [2,3,13] содержится описание результатов, полученных первыми экспериментаторами, по исследованию оптического резонатора нового типа – диэлектрического микрорезонатора с модами типа «шепчущей галереи» (МШГ), являющегося потенциально важным для развития интегральной оптики.
В своей исследовательской работе авторы впервые предложили экспериментальное моделирование взаимодействия излучения лазера со смесью микропузырей, созданной на основе моющего средства и лазерного красителя Родамин 6G. Микропузыри, ввиду своей высокой симметрии, обусловленной поверхностным натяжением, могут быть использованы в качестве резонаторов в лазере типа «шепчущей галереи» в микроэлектронике.
Все это обусловливает актуальность, новизну и практическую значимость выбранной темы исследования.
Постановка и формулировка проблемы: Оптоэлектроника становится все более и более важной для информационно-коммуникационных технологий, поэтому существует потребность в разработке оптоэлектронных устройств, которые могут быть интегрированы со стандартной кремниевой микроэлектроникой.
В дополнение к этим устройствам, источники света, такие как лазеры и светодиоды, являются также важными изделиями интегрированных оптоэлектронных схем. Несмотря на высокие эффективные выходные параметры светоизлучающего лазера и усиления в оптическом диапазоне в нанокристаллах (на основе кремния) [2-3], разработка оптоэлектронных устройств на основе пластичных микровключений в микроинтегральные оптические устройства недостаточно развита.
Разработанность исследуемой проблемы: Оптические микрорезонаторы и микролазеры в настоящее время имеют большое применение в приложениях оптических средств связи, интегрированной оптике [4-6]. Так, на основе микрорезонаторов «галереи шепчущих мод» с использованием различных геометрических конфигураций – диски, цилиндры, кольца, тороиды, спирали, сферы, были созданы различные устройства [7]. Одним из последних достижений является создание особого излучателя [8]. Британские и китайские физики смогли разместить внутри кремниевого микрочипа особый излучатель - так называемую оптическую воронку, испускающую «закрученный» свет, который можно использовать для создания оптических «щипцов», захватывающих и перемещающих живые клетки или капли жидкости. Эти оптические воронки настолько малы и компактны, что кремниевые чипы с тысячами таких устройств можно изготавливать за очень небольшое время. Подобные интегральные схемы и устройства могут открыть новые сферы для применения. Сы-юань и его коллеги пытались создать миниатюрную версию оптической воронки – экзотического устройства, способного «закручивать» свет и заставлять его двигаться по спирали, а не по прямой линии (рис.1). Как правило, подобные воронки представляют собой сложные опто-механические устройства, которые невозможно уменьшить до размеров, сопоставимых с микрочипами. Авторы статьи решили эту проблему при помощи колец-резонаторов, основанные на эффекте шепчущих галерей.
Как объясняют Сы-юань и его коллеги, шепчущие галереи способны генерировать «закрученное» электромагнитное излучение, однако его нужно извлечь и заставить двигаться по спирали. В ходе своих экспериментов физики перебрали несколько вариантов конструкции излучателя, пока не обнаружили, что с этой задачей справляется набор из зубцов со строго отмеренной толщиной и длиной, приклеенных к кольцу резонатора. По словам исследователей, подобная структура генератора оптической воронки легко поддается миниатюризации и может быть уменьшена до нескольких микрометров. Такие размеры колец-резонаторов сопоставимы с габаритами транзисторов в современной микроэлектронике, что позволяет интегрировать их в кремниевые микрочипы в процессе их производства. Для проверки работы воронок ученые изготовили микрочип с тремя резонаторами и подключили его к источнику питания. Как и ожидали физики, устройство генерировало три концентрических столба света, закрученных в спирали.
Рис. 1 - Иллюстрация «закрученного» света микрорезонаторами на основе «галереи шепчущих мод». В качестве микрорезонаторов использовались кольца.
Сы-юань и его коллеги полагают, что их изобретение может быть использовано для производства микроскопических «оптических щипцов», способных захватывать отдельные клетки, частицы вирусов, капли жидкостей или крупные молекулы белков. Кремниевые чипы с сотнями или тысячами подобных резонаторов будут многократно ускорять скорость анализа образцов в биологических лабораториях. Как отмечают физики, сфера применения оптических воронок не ограничивается наукой - их можно использовать для кодирования и передачи информации через оптические системы связи, или в качестве одного из компонентов квантовых компьютеров.
В работе [9] авторы исследовали процесс преобразования поляризации излучения. Было продемонстрировано эффективное преобразование линейно поляризованного света в ортогональную поляризацию, используя резонатор микросферы кремния, соединенной с оптическим волокном (рис.2).
Рис.2 - Графическое представление преобразования поляризации
Примечание: шар служит в качестве микрорезонатора типа «галереи шепчущих мод». E0 – вектор линейной поляризации входного излучения, Ef – вектор линейной поляризации выходного излучения. Между векторами E0 и Ef - угол преобразования.
Важной проблемой в нанофотонике является дизайн новых микродатчиков, разрешающих проанализировать динамику ДНК и белков в клетках тела. Кроме того, такие микродатчики (микросенсоры) могут осуществлять гормональный контроль, исследовать наноматериалы для целенаправленной доставки лекарственных средств, имплантанты (искусственные сосуды, органы, электронные устройства, внедренные в человеческие органы), и обнаружить антитела, бактерии, вирусы, в сыворотке крови в режиме реального времени. К таким микросенсорам авторы [10] в своих исследованиях по медицинской физике относят микрорезонаторы типа «галереи шепчущих мод». Анализ экспериментальных данных зависимости оптических резонансных спектров от концентрации состава биологических растворов позволяет моделировать плазму крови, а также «индикаторы» болезни и следы вирусов. Авторы наблюдали существенные изменения в оптических резонансных спектрах мод «шепчущей галереи», связанных как с изменением макроскопических параметров, так и с возможным взаимодействием между поверхностью микросферы и компонентами биологического раствора. Данное направление относится к исследованию параметров активного формирования генетического материала живой клетки. Эффект взаимодействия микрорезонатора с биораствором лежит в основе сверхчувствительного рецептора и служит для идентификации биологических объектов.
В данной работе предпринята попытка смоделировать и создать оптический микрорезонатор на основе пленкообразующих веществ. В совокупности с лазерными красителями предложенный вид оптических микрорезонаторов может быть использован в лазере типа «шепчущей галереи» в микроэлектронике.
Цель работы заключалась в создании и изучении лазерных резонаторов с модами типа шепчущей галереи на основе пенящегося средства и лазерного красителя Родамин 6G.
Основные задачи:
создание экспериментальной установки применительно к нашим образцам;
получение оптимального состава взбитой смеси на основе моющего средства и лазерного красителя Родамин 6G;
регистрация генерации лазерного излучения на молекулах лазерного красителя Родамин 6G во взбитых смесях.
Объектом исследования являлась взбитая смесь, состоящая из микропузырей, содержащих молекулы лазерного красителя Родамин 6G, в роли микрорезонаторов.
Методы решения основных задач: оптические методы (методы оптоэлектронной регистрации, методы работы с оптическими приборами), физико-химические методы анализа по работе с химическими веществами.
Исследование проводилось на базе лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики СО РАН.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Волны «шепчущей галереи». В мире известно множество строений, обладающих следующей особенностью: шёпот в них хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части помещения. Поэтому их называют «шепчущими галереями».Обычно такие помещения имеют круглую или эллиптическую форму. В помещениях круглой формы шёпот стоящего у стены человека будет слышен вдоль стен, но не в центре помещения. В помещениях эллиптической формы слова, произнесенные шёпотом в одном из фокусов эллипса, будут услышаны только в другом фокусе, но не в остальном помещении, причем шёпот будет услышан, даже если расстояние между фокусами весьма существенно [11].
Современное физическое объяснение эффекта дал Рэлей более ста лет тому назад. Он основывался на собственных наблюдениях, сделанных в старинной шепчущей галерее, находящейся под куполом собора святого Павла в Лондоне. При этом концентрация лучей, прошедших по разным большим дугам купола, имеющего форму полусферы, и вследствие этого усиление звука должны происходить только в точке, диаметрально противоположной источнику звука.
Рэлей заметил, что помимо этого эффекта существует еще один: звук цепляется за поверхность стены и ползет вдоль нее, причем необязательно вдоль кратчайшей дуги, соединяющей источник и приемник, а скорее вдоль дуги, к которой шепчущий обращен лицом. Роль вогнутой поверхности купола сводится к тому, что она не дает сечению пучка расширяться так же быстро, как при распространении в свободном пространстве.
Если в последнем случае сечение пучка растет пропорционально (ρ - расстояние от источника), а интенсивность излучения падает пропорционально 1/ρ2, то в шепчущей галерее излучение заключено в узком слое, примыкающем к поверхности. В результате интенсивность звука внутри этого слоя падает лишь пропорционально ρ, то есть значительно медленнее, чем в свободном пространстве. Это и есть объяснение Рэлея. Он подтвердил его прямыми экспериментами, используя свисток как источник звука, а горящую свечу как приемник.
Соответствующий физический эффект, состоящий в распространении волн вблизи изогнутых границ раздела двух сред, известен и в других волновых процессах, включая распространение света (рис.3). Распространение «шепчущей волны» похоже на явление полного внутреннего отражения, однако в виду того, что поверхность боковых стенок резонатора не ровная, а имеет некий радиус кривизны, распространения с полным отражением не бывает. Часть волны просачивается наружу. Однако, чем больше радиус кривизны, тем больше излучения остается внутри. Длина волны видимого диапазона, как известно, менее 1 мкм. Это означает, что в «шепчущем резонаторе», радиус кривизны основания которого около 10 мкм, может существовать «шепчущая волна».
Рис. 3 - Волна шепчущей галереи у поверхности вогнутого зеркала
Примечание: стрелками указаны направления входа и выхода волны. O — центр кривизны зеркала, α — угол скольжения, PP' и QQ' — касательные к поверхности зеркала.
Моды «шепчущего резонатора» обладают большой добротностью, так что даже небольшое отклонение частоты резонансного возбуждающего поля от собственной частоты моды, ведет к уменьшению ее амплитуды и затуханию. Одной из проблем, которая возникает при использовании резонаторов такого типа, является ненаправленность выходного излучения. Ввиду того, что резонатор симметричен, излучение с равной степенью вероятности может выходить из него под разными углами. Это существенный недостаток. Этот недостаток исправим в эллиптических микрорезонаторах. В таком случае излучение выходит в одном направлении.
Лазеры на органических красителях. В качестве активной среды лазера используются лазерные красители, одним из которых является Родамин 6G [12]. Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции.
На рис.4 приведены спектры поглощения (1) и флуоресценции (2) типичного лазерного красителя.
Рис.4 - Спектр поглощения и флуоресценции лазерного красителя
Кривая флуоресценции (2), захватывающая желтую и большую часть красной области спектра, сдвинута в более длинноволновую область по отношению к кривой поглощения, занимающей голубой и зеленый участки спектра. Существенное различие заключается в том, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценции типичного твердотельного лазера.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальная установка. Для исследования излучения микрорезоноторов типа «галереи шепчущих мод» была создана следующая установка (рис.5).
Рис.5 – Схема экспериментальной установки:
1 – импульсный лазер λ=532 нм, 1’ – источник питания импульсного лазера, 2 – собирающая линза (f=7 см), 3 – объект исследования (взбитая смесь), 4 – зеркало (50%), 5 – спектрофотометр С-115–М1, 6 – компьютер, 7 - фотокамера
Импульсный лазер (1) с длиной волны λ=532 нм использовался в качестве источника света. Энергия в импульсе составляла E=0,01 Дж. Лазер генерировал излучение в режиме модулированной добротности в импульсном режиме. Длительность импульсного излучения составляла 10 нс. Частота повторения импульсов лазерного излучения - 25 Гц. Режим генерации - одномодовый.
Основное излучение фокусировалось линзой (2) (f=7 см) и далее взаимодействовало объектом (3) — взбитой смесью.
Взбитая смесь (микрорезонаторы размером от 0,5 до 30 мкм) состояла из поверхностно-активных веществ (мыльный раствор) и лазерного красителя родамин 6G.
Визуальное наблюдение динамики происходящих процессов во взбитой смеси позволяло при необходимости варьировать параметрами излучения лазера и оперативно изменять конфигурацию оптических элементов установки.
Для регистрации спектров пропускания и излучения лазера использовали монохроматор в составе спектрофотометра С-115–М1 (5). Разрешение спектрофотометра составляло 0,1 нм. Сигнал с ФЭУ поступал на компьютер (6).
Получение взбитой смеси. Для создания микрорезонаторов типа «галереи шепчущих мод» использовалась смесь на основе глицерина, моющих средств и лазерного красителя Родамин 6G. Использование глицерина позволяет сохранять толщину тонкой плёнки в течение долгого времени (от нескольких минут до суток). В качестве плёнкообразующего вещества использовали жидкое мыло (ГОСТ Р. 52345-2005). Раствор размешивался вручную.
Для разных вариантов исследования поведения мыльных микропузырей использовали различные составы. Состав исследуемых плёнок: химреактивы – глицерин (от 5% до 30%), плёнкообразующее химическое соединение (раствор жидкого мыла – до 60%), вода (3%), ксантеновые красители – родамин 6G (этанольный раствор) – менее 1% с молярной концентрацией 3.10-4 моль/л. Исходная концентрация красителя в 50 мл этанола составила 7,2.10-3г. В качестве поверхностно-активных веществ использовалась следующая смесь:
1.лауретсульфат - детергент, поверхностно-активное вещество CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2)nOSO3Na, C12+2nH25+4nNaO4+nS – химическая формула, 420 г/моль – молярная масса,
2.кокамидопропилбетаин, химическая природа - мягкий амфотерный ПАВ, полученный из кокосового масла,
3. сocamide DEA, химическая природа - мягкий амфотерный ПАВ, полученный из кокосового масла.
Для эксперимента использовали микрорезонаторы, приготовленные с различным процентным соотношением приведенных реактивов. Далее смесь взбивалась пластиковым цилиндром до получения однородной смеси, в ходе чего образовывались пузырьки диаметром менее 50 мкм, являющиеся микрорезонаторами «шепчущей галереи».
В ходе эксперимента полученная (взбитая) нами смесь наносилась на одну из боковых сторон кварцевой призмы. При воздействии импульсного излучения (вторая гармоника неодимового лазера с λ=532 нм) в смеси наблюдалось яркое свечение в желто-оранжевом диапазоне красителя Родамин 6G.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нами были прописаны спектры возбуждающего излучения, спектр люминесценции лазерного красителя Родамин 6G, а также спектры излучения генерации «галереи шепчущих мод».
На спектре (рис.6а) наблюдаем линию возбуждения красителя (родамин 6G) излучение второй гармоники неодимового лазера с длиной волны λ=532 нм. На спектре (рис.6b) показана регистрация флуоресценции раствора красителя родамин 6G в этаноле. Мы наблюдаем полосу флуоресценции в полосе возбуждения молекул красителя. Зависимости на рис.6(с,d) дают нам распределение излучения взбитой смеси. Полуширина излучения лазера составляет порядка 0.1 нм. Максимальная полуширина – до 0.2 нм.
|
a |
b |
|
c) |
d) |
|
Рис. 6 - Зарегистрированные спектры: a) спектр возбуждающего излучения, b) спектр генерации красителя Родамин 6G, c,d) спектры излучения на микрорезонаторах. Пропускание d) показано в интервале длин волн 566-565 нм. |
|
Следует отметить, что взбитая смесь состояла из мыльных пузырьков разного диаметра. Поэтому, в спектрах мы наблюдаем различные расстояния между центральными линиями и хаотичный разброс по амплитудам. Данное излучение распространяется во все стороны взбитой смеси рабочего раствора. Наличие тонких линий (всплесков) подтверждает существование излучения лазера типа «галереи шепчущих мод».
Выводы:
В ходе экспериментальной работы были выполнены следующие задачи:
Создана экспериментальная установка по исследованию микрорезонаторов «шепчущей галереи»;
Исследован процесс создания взбитой смеси на основе моющих средств и лазерного красителя Родамин 6Ж;
Зарегистрировано излучение лазера на микрорезонаторах типа «галереи шепчущих мод».
Предложенный способ создания микрорезонаторов представляет интерес в связи с практической значимостью данных устройств в микрооптоэлектронике.
Данная модель представляет интерес как объект для дальнейшего исследования. В перспективе мыльная пленка может быть заменена пластичной пленкой. Такой микрорезонатор может быть интегрирован во многие микро- и нанооптоэлектронные системы, такие как оптический или оптоэлектронный компьютер, гибкие информационные экраны, медицинские микродатчики и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
A. Himeno, K. Kato, and T. Miya, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 913 (1998).
A. Green, J. Zhao, A. Wang, P. J. Reece, and M. Gal, Efficient silicon light-emitting diodes. Nature (London) 412, 805 (2001).
L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franz, and F. Priolo Optical gain in silicon nanocrystals. Nature (London) 408, 440, (2000).
C. G. B. Garrett, W. Kasier, and W. L. Wond. Stimulated. Emission into Optical Whispering. Modes of Spheres, Physics Letters, 124, 1807 (1961).
Q. Wanga,1,2, C. Yana,1,3, N. Yua, J. Unterhinninghofenb, J.Wiersigb, C. Pflugla, Whispering-gallery mode resonators for highly unidirectional laser action, PNAS / December 28, 2010 / vol. 107 / no. 52 / 22407–22412.
М.Л. Городецкий, С.П. Вятчанин и В.С. Ильченко, Перестраиваемые узкополосные оптические фильтры с модами типа шепчущей галереи, Журнал прикладной спектроскопии, 56, 274-280 (1992).
Anshuman J. Das, Cle.ment Lafargue, Me. lanie Lebental, Joseph Zyss, and K. S. Narayan, Three-dimensional microlasers based on polymer fibers fabricated by electrospinning, APPLIED PHYSICS LETTERS, 99, 263303 (2011).
Xinlun Cai, Jianwei Wang, Michael J. Strain, Benjamin Johnson-Morris, Jiangbo Zhu, Marc Sorel, Jeremy L. O’Brien, Mark G. Thompson, Siyuan Yu. Integrated Compact Optical Vortex Beam Emitters, SCIENCE, V.338 19 OCTOBER 2012.
Pablo Bianucci, Chris R. Fietz, John W. Robertson, Gennady Shvets, and Chih-Kang Shih, Whispering gallery mode microresonators as polarization converters, OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 15 / August 1, 2007.
E. A. Tcherniavskaia and V. A. Saetchnikov, DETECTION AND IDENTIFICATION OF MICROPARTICLES/NANOPARTICLES AND BLOOD COMPONENTS USING OPTICAL RESONANCE OF WHISPERING-GALLERY MODES IN MICROSPHERES, Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 77, No. 5, 2010.
А.В. Виноградов, А.Н. Ораевский, Волны шепчущей галереи, Соровский образ. жур., т.7, № 2, 2001.
В.И.Земский, Ю.Л.Колесников, И.К.Мешковский, «Физика и техника импульсных лазеров на красителях», СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. - 176с.
Hee-Jong Moon and Kyungwon An Interferential coupling effect on the whispering-gallery mode lasing in a double-layered microcylinder // APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 80, NUMBER 18 6 MAY 2002 p.3250-3252