2
ВВЕДЕНИЕ 5
1.ДВУХФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ. 9
1.1. Одно- и двухфотоннос поглощение. 9
1.2. .Особенности двухфотонных процессов в различных средах. 12
1.3. Методы измерении поглощении. 13
1.3.1. Непосредственное измерение ДФП. М
1.3.2. Оптико-акустические методы исследования ДФ процессов. 16
1.4. Спектроскопия возбуждения. 19
1.4.1. Исследование спектров ДФВ. 20
1.4.2. Люминесцентные методы измерения сечения ДФ11. 21
1.5. Сечсннс ДФП органических молекул. 31
1.6. Заключение к главе 1. 34
2. ЛАЗЕРНЫЙ ДВУХФОТОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР. 35
2.1. Общие требования. 35
2.2. Источники возбуждения. 36
2.3. Оптическая схема для исследования спектров ДФВ. 40
2.4. Оптическая схема для исследования спектров ДФВЛ. 42
2.5. Поляризационный аттенюатор 45
2.6. Система регистрации. 50
✓
2.6.1. Выбор ФЭУ и фотодиодов. 50
2.6.2. Измерительная часть. 53
2.6.3. Схема синхронизации. 53
2.6.4. Блок управления шаговыми двигателями. 54
2.7. Программное обеспечение. 56
2.7.1. Работа программы. 56
2.8. Заключение к главе 2. 59
з
3.ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРА НА АИГ:№. 60
3.1. Обзор существующих конфигураций резонаторов. 60
3.2. Оптимизация параметров резонатора лазера на АИГ:№. 61
3.2.1. Условия устойчивости. 63
3.2.2. Размеры пятен на элементах. 64
3.2.3. Чувствительность к расстройкам. 67
3.3. Особенности квантрона К301Б. 69
3.4. Экспериментальные исследования. 71
3.4.1. Отбор квантронов. 71
3.4.2. Измерение параметров кристалла. 72
3.5. Расчет резонатора. 76
3.5.1. Универсальная методика расчета. 76
3.5.2. Расчет резонатора для плоского выходного зеркала. 79
3.5.3. Анализ возможных конфигураций резонатора. 82
3.6. Характеристики лазера. 83
3.7. Заключение к главе 3. 87
4.ИССЛЕДОВАНИЕ спектров дфв и дфвл органических МОЛЕКУЛ В КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЕ. 88
4.1. Методика получения спектров ДФВ. 88
4.2. Полученные результаты. 89
4.2.1. Спектр ДФВ нафталина. 89
4.2.2. Спектры ДФВ белков. 89
4.3. Методика получения спектров ДФВЛ. 91
4.4. Спектры ДФВЛ. 93
4.4.1. Спектры ДФВЛ органических молекул. 93
4.4.2. Спектры ДФВЛ аминокислот. 97
4.4.3. Спектры ДФВЛ белков. 102
4.4.4. Спектры ДФВЛ нуклеотидов. 104
4
4.4.5. Двухступенчатое возбуждение люминесценции сафранина. 107
5. ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ДФН. ПО
5.1.1. Метод для измерения сечения ДФП. 110
5.1.2. Методика измерения сечения ДФП. 115
5.1.3. Оценка точности измерения. 116
5.1.4. Эталонное вещество. 122
5.1.5. Результаты измерения сечений ДФП в органических и
биологических молекулах. 124
5.2. Заключение к главе 5. 125
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 126
7.СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМАТИКЕ ДИССЕРТАЦИИ. 128
8.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ. 131
9. СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 132
5
ВВЕДЕНИЕ
До недавнего времени основное внимание исследователей, занимающихся двухфотонными (ДФ) процессами, было сосредоточено на изучении взаимодействия излучения с газами, твердыми матрицами при низкой температуре и сверхзвуковыми молекулярными струями, что позволяет получать максимальную спектральную информацию.
Однако бурное развитие лазерной техники по пути создания все более мощных лазеров и все более широкое применение их в различных отраслях науки и техники является хорошим стимулом для исследований нелинейных эффектов взаимодействия излучения с веществом (в том числе и биологического происхождения) в жидкой и твердой фазе.
Сечение двухфотонного поглощения (ДФП) является основной величиной, определяющей ДФ свойства молекул, с точки зрения поглощения. Считается, что для органических молекул значения сечений двухфотонного поглощения лежат в пределах от 10'4* до 10'5* см4-с/фот-мол. При интенсивностях 1=1015 фот/см2с, характерных для обычных источников вероятность двухфотонного перехода в 101' раз меньше, чем вероятность однофотонного перехода. Минимальная интенсивность, при которой возможно наблюдение двухфотонных процессов, составляет 10‘° фот/см2с, а при интенсивностях порядка 10° фот/см2с ДФ процессы становятся не только наблюдаемыми, но и более эффективными, чем однофотонные процессы.
На сегодняшний день активно развивается несколько направлений практического использования ДФ процессов. В фотодинамической терапии онкологических заболеваний при
6
двухфотонном механизме возбуждения фогосснсибилизатора улучшается селективность и увеличивается глубина проникновения излучения в ткани [1-4]. ДФ процессы используются в генной инженерии для селективного фоторазрезания ДНК [5]. Использование фотохромных материалов с двухфотонной записью и считыванием открывает перспективы создания объемных оптических носителей информации с уникальными характеристиками по плотности записи и скорости считывания [6-10]. Обнаруженные в последнее время вещества с экстремально высоким значением сечения ДФП (10'46 см4с/фотмол.) позволяют создавать нелинейные оптические ограничители для защиты глаз и чувствительных оптических приборов от воздействия мощного лазерного излучения [11].
Применение мощных лазеров в хирургии и фотодинамичсской терапии указывает на необходимость исследования нелинейных процессов при взаимодействии лазерного излучения со сложными органическими и биологическими молекулами.
Сравнение различных компонентов тканей и органов по эффективности двухфотонного взаимодействия с лазерным излучением определенной длины волны позволяет выявить наиболее уязвимые биомолекулы и спрогнозировать возможный отдаленный побочный результат такого взаимодействия.
К моменту начала проведения представленных исследований для биомолекул практически не было данных о наиболее важной, для практического использования, характеристике двухфотонных процессов - сечении двухфотонною поглощения. Как известно, значения сечения
7
двухфотонного поглощения для всех веществ являются достаточно малыми величинами, поэтому экспериментальное исследование двухфотонного взаимодействия сопряжено с рядом трудностей, как в проведении эксперимента, так и в интерпретации результатов.
Данная работа посвящена разработке автоматизированного нелинейного спектрометра, метода измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре и экспериментальному исследованию двухфотонных свойств органических и биологических молекул.
Цель работы
1) Разработка автоматизированного нелинейного спектрометра для исследования спектров двухфотонного возбуждения (ДФВ) и двухфотонновозбуждасмой люминесценции (ДФВЛ).
2) Экспериментальные исследования двухфотонных свойств органических и биологических молекул.
3) Разработка метода измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре.
4) Измерение сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.
Научная новизна
1) Впервые получены и исследованы двухфотонновозбуждаемой люминесценции (ДФВЛ) ряда органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин и цитозин).
2) Предложена и реализована методика измерений сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре.
3) Впервые измерены сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.
8
Положення, выдвигаемые на зашиту.
1) Результаты исследований, впервые полученных спектров ДФВЛ органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов.
2) Метод измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре и значения сечений ДФП ряда органических и биологических молекул.
3) Методика проектирования резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой с учетом особенностей промышленных кристаллов.
Практическая ценность работы
Предложена методика расчета параметров резонаторов
твердотельных лазеров с непрерывной накачкой, для получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям с учетом
особенностей промышленных квантронов.
Разработан автоматизированный спектрометр и методика для измерения сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре, позволяющий оценивать сечение ДФП в диапазоне от 10'46 до 10'55 см4с/фот моль
Спектрометр может быть использован для широкого круга исследований, таких как исследование нелинейных оптических свойств фотохромных веществ, используемых в качестве
оптических носителей информации, исследование механизмов лежащих в основе фотодинамической терапии онкологических заболеваний и подбор красителей для нее. Создание нелинейных оптических ограничителей, исследование механизмов лазерного фоторазрезания ДИК с интеркаллнроваппыми молекулами
красителей и многих других.
9
1. Двухфотонные процессы в конденсированных средах и методы их исследования.
1.1. Одно- и двухфотонное поглощение.
%
Двухфотонное поглощение теоретически было рассмотрено в начале тридцатых годов Марией Гипперт-Майер [12], экспериментально впервые было получено в микроволновой области [13]. В оптическом диапазоне ДФП обнаружено только после появления лазеров [14].
Под двухфотонным процессом будем подразумевать процесс, в котором одновременно поглощаются два кванта света.
Рассмотрим двухуровневую систему с основным - Б,) и первым возбужденным синглетиым состоянием - Бі- Система переходит в состояние при поглощении одного кванта с энергией И2С2, либо при одновременном поглощении двух квантов с энергией ИО, при этом переход в состояние происходит через виртуальный уровень.
Вероятность двухфотонного процесса резко возрастает, если вблизи виртуального уровня находится реальный. Схематически процессы одно- и двухфотонного возбуждения показаны на рисунке 1.1.
Вероятность перехода в возбужденное состояние определяется выражением:
\\п = §<"> • I"
(1.1)
10
где I -интенсивность возбуждающего излучения (фот/см2с), 5<п,-сечение процесса поглощения п-го порядка (см2п с"*').
При п=1 имеет место однофотонное поглощение. Сечение однофотонного поглощения большинства органических молекул лежит в пределах от 10'16 до 10'22 см2 [5]. При п=2 имеет место двухфотонное поглощение. Сечение двухфотонного хищения (сечение ДФГ1) органических молекул лежит в пределах от 10"** до 10 '4 см4-с/фот мол (Таблица 1.1).
11
Первое возбужденное состояние
Виртуальный уровень Основное состояние
Рисунок 1-1 Схемы процессов однофотонного (а) и двухфотонного (б) возбуждения.
540 560 580 600 620 640 540 560
а Ь
НП
Рисунок 1.2 Спектры ДФ ( 1и ОФ ( )возбуждения
нафталина (а) и индола (б).
- Київ+380960830922