ИОФ РАН
Семинар ИОФ РАН "Актуальная физика", № 14
3 апреля 2024 г., 13:00, конференц-зал ИОФ РАН, корп. 1
Руководитель семинара: Демишев Сергей Васильевич, д.ф.-м.н., профессор, руководитель научного направления «Квантовые материалы, технологии и фотоника».
Секретарь семинара: Николаева Гульнара Юрьевна, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник.
Семинар проходит в смешанном режиме. По вопросам участия в онлайн формате обращаться к секретарю семинара Николаевой Гульнаре по электронной почте: nikolaeva@kapella.gpi.ru до 12:30 03.04.2024.
С приглашенным докладом «Принципы и базовые устройства дальнодействующей квантовой связи» выступит Алексей Алексеевич Калачев, член-корр. РАН, доктор физико-математических наук, директор Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук» (ФИЦ КазНЦ РАН). Регламент выступления – 1 час (40 минут доклад, 20 минут вопросы).
Будет проведено награждение грамотами победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН. Регламент – 10 минут.
Будут представлены доклады по лучшим работам, опубликованным учёными ИОФ РАН, отобранные комиссией Учёного Совета ИОФ РАН. Регламент конкурсных выступлений – не более 15 мин доклад и 5 мин – обязательная дискуссия.
Программа семинара
1. С.В. Демишев Награждение грамотами победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН
2. А.А. Калачев
ФИЦ «Казанский научный центр Российской академии наук», Казань, Россия
Принципы и базовые устройства дальнодействующей квантовой связи
Аннотация
В докладе обсуждаются актуальные направления исследований, связанные с масштабированием квантовых сетей и созданием систем дальнодействующей квантовой связи. Основное внимание уделяется проблеме создания квантового повторителя и разработке его ключевых компонентов: устройств квантовой памяти и источников запутанных состояний света. Представлены результаты последних экспериментов по созданию узкополосных источников запутанных состояний света, совместимых с квантовой памятью на основе примесных кристаллов.
3. А.В. Орлов (1), С.Л. Знойко (1), Ю.А. Малкеров (1,2), А.М. Скирда (1,3), Д.О. Новичихин (1), А.С. Ракитина (1,2), З.Г. Зайцева (1,2), П.И. Никитин (1,2)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия (3) Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия
Быстрый количественный магнитный иммуноанализ для чувствительного обнаружения токсинов в продуктах питания: нековалентная функционализация нанометок по сравнению с ковалентной иммобилизацией
На конкурс представлена статья:
Orlov A.V., Znoyko S.L., Malkerov J.A., Skirda A.M., Novichikhin D.O., Rakitina A.S., Zaitseva Z.G., Nikitin P.I. Quantitative Rapid Magnetic Immunoassay for Sensitive Toxin Detection in Food: Non-Covalent Functionalization of Nanolabels vs. Covalent Immobilization. // Toxins. – 2024. – V. 16. – № 1 (January 2024). – P. 5. DOI: 10.3390/toxins16010005
Аннотация
В работе предложен новый универсальный подход к получению нековалентнo биофукционализированных магнитных нанометок и представлено его всестороннее сравнение со стратегией ковалентной иммобилизации биораспознающих рецепторных молекул на наночастицы. В отличие от ковалентных методик, которые требуют длительных и сложных процедур с использованием химически нестабильных реагентов и промежуточных очисток, предложенный подход обеспечивает крайнюю простоту и универсальность создания биофункционализированных наноагентов. Установлено, что предложенный подход позволяет получить функционализированные нанообъекты, обеспечивающие возможность разработки тест-систем с аналитическими характеристиками, не имеющими мировых аналогов. Эффективность таких тест-систем продемонстрирована на примере обнаружения ультранизких концентраций природных токсинов в продуктах питания, достигнут широкий динамический диапазон и показана возможность экспрессного детектирования. В работе также предложены новые методы измерения плотности сорбции макромолекул на поверхности наночастиц и исследования кинетических характеристик их взаимодействия с целевыми биомолекулами. Разработанные методы основаны на регистрации селективно связавшихся на иммунохроматографических мембранах магнитных нанометок по их нелинейному перемагничиванию на комбинаторных частотах. Показано, что полученные функционализированные магнитные нанометки обладают константами взаимодействия с биологически активными низкомолекулярными соединениями, не уступающими реализуемым при традиционных ковалентных подходах. Однако, разработанные методы существенно проще, дешевле и не требуют труднодоступных реагентов. Созданная в работе аналитическая система может использоваться для диагностики, мониторинга и борьбы с контаминацией микотоксинами, что является критически важным для контроля пищевых продуктов. Кроме того, предложенный в работе подход позволяет существенно упростить создание сверхчувствительных тест-систем в таких областях как медицинская диагностика, мониторинг распространения инфекционных заболеваний, контроль безопасности окружающей среды.
4. С.В. Алышев (1), А.В. Вахрушев (1), А.М. Хегай (1), Е.Г. Фирстова (1), К.Е. Рюмкин (1), М.А. Мелькумов (1), Л.Д. Исхакова (1), А.А. Умников (2), С.В. Фирстов (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Нижний Новгород, Россия
Влияние профиля легирования на формирование лазерно-активных центров в германосиликатных световодах, легированных висмутом
На конкурс представлена статья:
Impact of doping profiles on the formation of laser-active centers in bismuth-doped GeO2–SiO2 glass fibers, S.V. Alyshev, A.V. Vakhrushev, A.M. Khegai, E.G. Firstova, K.E. Riumkin, M.A. Melkumov, L.D. Iskhakova, A.A. Umnikov, S.V. Firstov, Photonics Research, 12(2), pp. 260-270 (2024), DOI: 10.1364/PRJ.498782
Аннотация
Разработка оптических усилителей, работающих в O-, E-, S- и U-телекоммуникационных диапазонах, является чрезвычайно важной задачей для развития современных систем связи. Волокна, легированные висмутом, вызывают все больший интерес в качестве усиливающей среды, которую можно использовать для обеспечения широкополосного усиления в упомянутых телекоммуникационных диапазонах. Это связано со способностью ионов висмута образовывать так называемые висмутовые активные центры (ВАЦ), обладающие уникальными оптическими свойствами, которые определяются, в том числе, модификаторами сетки стекла. В данной работе изучено влияние профилей легирования как атомами Ge, как модификатора стекла, так и ионами Bi на формирование ВАЦ в серии образцов световодов, изготовленных методом модифицированного химического осаждения из газовой фазы (MCVD). В результате проведенных исследований была определена эффективность преобразования атомов Bi в ВАЦ в различных пространственных областях сердцевины световодов. Оказалось, что для областей с высокой концентрацией Bi эффективность преобразования не превосходит 10%, тогда как максимально достижимая составляла 30%. Изучена связь эффективности преобразования с распределением ионов Bi и/или атомов Ge. Проведенные исследования позволили оптимизировать профиль распределения легирующих добавок в световоде таким образом, что это привело к получению висмутовых ИК лазеров с рекордными характеристиками. Полученные результаты могут быть полезны для оптимизации технологии изготовления висмутовых световодов, а также откроют новые возможности для применения активной среды с висмутом в различных областях науки и техники.
5. Д.П. Терещенко (1), М.Н. Ершков (2), С.А. Солохин (2), С.А. Слухов (3), С.Н. Сметанин (1,4), Ю.А. Кочуков (1,4), А.Г. Папашвили (1), М.Г. Рыбин (3), А. Исмаил (3), Е.Д. Образцова (1,3)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева, Ковров, Россия
(3) Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия
(4) Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Москва, Россия
Высокоэффективный мощный ИАГ:Nd-лазер с пассивной синхронизацией мод резонатора лазерным затвором на однослойном CVD-графене, нанесенном на зеркало резонатора
На конкурс представлена статья:
D.P. Tereshchenko, M.N. Ershkov, S.A. Solokhin, S.A. Slukhov, S.N. Smetanin, Yu.A. Kochukov, A.G. Papashvili, M.G. Rybin, A. Ismaeel, E.D. Obraztsova. Highly efficient, powerful Nd:YAG laser CW mode-locked with a monolayer CVD graphene saturable absorber mirror. Journal of the Optical Society of America B, Vol. 41, No. 2 / February 2024 / P. 514-518. DOI: 10.1364/JOSAB.514747
Аннотация
В настоящей работе представлен улучшенный дизайн ИАГ:Nd-лазера с пассивной синхронизацией мод резонатора с помощью пассивного лазерного затвора на основе однослойного CVD-графена, нанесенного непосредственно на концевое зеркало резонатора. Получены рекордно высокие значения оптического и дифференциального КПД генерации 19.1 и 24.5 % соответственно при высоких значениях средней мощности (1.7 Вт) и стабильности (среднеквадратическое отклонение средней мощности 0.034 Вт) генерации непрерывной серии пикосекундных лазерных импульсов с хорошим качеством пучка (М2 = 1.3х1.4) по сравнению с другими твердотельными лазерами с синхронизацией мод резонатора графеновыми затворами. Лазеры ультракоротких импульсов излучения имеют большой потенциал применения для обработки материалов, медицины, биологии и во многих других областях. Пассивная техника синхронизации мод резонатора обеспечивает компактность и простоту конструкции лазера. При этом использование графена в качестве быстро релаксирующего пассивного лазерного затвора в последнее время привлекает всё больше внимания благодаря его уникальным свойствам, в особенности, короткому времени релаксации, малым вредным потерям и ахроматизму, а также простоте создания графеновых пленок. Известно, что при использовании графенового затвора твердотельные лазеры с диодной накачкой и синхронизацией мод резонатора обычно имеют низкую среднюю мощность излучения (< 1 Вт) или низкий КПД генерации (< 10 %) ввиду вредных потерь или оптического пробоя в графеновом затворе, либо из-за тепловой нагрузки как на затвор, так и на активный лазерный кристалл. В настоящей работе дизайн ИАГ:Nd-лазера был улучшен для обеспечения высокоэффективной и высокомощной лазерной генерации. Вредные потери резонатора были минимизированы благодаря использованию затвора на высококачественном однослойном CVD-графене, нанесенном непосредственно на концевое зеркало резонатора. Это обусловлено тем, что однослойный графен обладает наименьшим поглощением в насыщенном состоянии 0.8 % (в многослойном графене оно пропорционально числу слоев). Однако поглощение в ненасыщенном состоянии затвора составляло тоже малую величину 2.5 %, что затрудняло стабильный периодический срыв генерации в процессе синхронизации продольных мод резонатора. Эта проблема была решена при использовании длинного резонатора, соответствующего границе диаграммы устойчивости, что обеспечило стабильность синхронизации мод резонатора. В результате впервые были получены рекордно высокие оптический и дифференциальный КПД генерации (19.1 и 24.5 %) при средней мощности пикосекундного импульсно-периодического излучения, превышающей ваттный уровень.
6. К.Т. Эфендиев (1,2), П.М. Алексеева (1), К.Г. Линьков (1), А.А. Ширяев (3), Т.Н. Писарева (3), А.В. Гилядова (3), И.В. Решетов (3), А.В. Войтова (4), В.Б. Лощенов (1,2)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия
(3) Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Москва, Россия
(4) ООО «БИОСПЕК», Москва, Россия
Мониторинг флуоресценции и оксигенации опухоли в процессе фотодинамической терапии с применением фотосенсибилизаторов на основе хлорина е6
На конкурс представлена статья:
Efendiev K., Alekseeva P., Linkov K., Shiryaev A., Pisareva T., Gilyadova A., Reshetov I., Voitova A., Loschenov V. Tumor fluorescence and oxygenation monitoring during photodynamic therapy with chlorin e6 photosensitizer //Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2024. – С. 103969. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2024.103969
Аннотация
Авторским коллективом из ИОФ РАН разработан метод мониторинга состояния биологических тканей в процессе лазерно-индуцированной фотодинамической терапии с применением фотосенсибилизаторов на основе хлорина е6 (Се6). Предложенный метод включает одновременный мониторинг четырех важных параметров, характеризующих состояние облучаемых биологических тканей в процессе лазерного облучения: уровень оксигенации гемоглобина в микроциркуляторном русле; уровень кровенаполненности тканей; интенсивность диффузно рассеянного лазерного излучения; интенсивность флуоресценции тканей в ближнем инфракрасном диапазоне.
Разработанные в последние годы новые подходы к диагностике и лечению опухолей методами флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии с применением фотосенсибилизаторов на основе Се6 демонстрируют высокую эффективность. Противоопухолевая эффективность Ce6 при внутривенном введении объясняется главным образом разрушением сосудистой системы биологических тканей в зоне лазерного облучения. При этом эффективность Се6 опосредованной фотодинамической терапии зависит от динамических изменений концентрации фотосенсибилизатора и молекулярного кислорода в процессе лазерного облучения, которые изначально неоднородно распределены в тканях опухоли, а также от плотности мощности и дозы энергии светового воздействия. Опухоли одного типа у разных пациентов имеют структурные различия и различия между первичной и вторичной опухолью, что влияет на динамические изменения кровотока, внутритканевого распределения Се6 и молекулярного кислорода. Полученные результаты имеют большую практическую значимость, так как разработанный метод позволяет непосредственно в процессе лазерно-индуцированной фотодинамической терапии контролировать фотообесцвечивание Се6, уровень оксигенации, а также тромбирование сосудистой системы опухоли. Данные параметры могут быть использованы для эффективной интраоперационной дозиметрии при фотодинамической терапии.
7. Б.И. Денкер (1), М.П. Фролов (2), Б.И. Галаган (1), В.В. Колташев (3), В.Г. Плотниченко (3), М.В. Суханов (4), С.Е. Сверчков (1), А.П. Вельмужов (4)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
(3) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова, Москва, Россия
(4) Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Нижний Новгород, Россия
Применение безызлучательного переноса энергии от Tb3+к Nd3+для накачки 6-микронного твердотельного лазера
На конкурс представлена статья:
Application of non-radiative energy transfer from Tb3+ to Nd3+ for pumping a 6 μm solid-state laser. B.I. Denker, M.P. Frolov, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, V.G. Plotnichenko, M.V.Sukhanov , S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov. Journal of Luminescence 2024, 266, 120288. DOI: 10.1016/j.jlumin.2023.120288
Аннотация
В процессе исследований, направленных на создание твердотельных лазеров с длинами волн излучения λ > 4 мкм на основе халькогенидных стекол, активированных трехвалентными редкоземельными ионами (RE3+), мы высказали предположение о возможности создания неодимового лазера, излучающего в спектральной области ~ 6 мкм на переходе 4I11/2→4I9/2. Создание такого лазера носит приоритетный характер с научной и прикладной точек зрения, так как до последнего времени самый длинноволновый неодимовый лазер генерировал излучение с длиной волны ~ 1.8 мкм.
Следует обозначить место такого лазера среди других известных длинноволновых твердотельных лазеров. Наиболее разработанными на сегодняшний день являются лазеры на основе халькогенидных кристаллов, легированных ионами Fe2+. Максимальные длины волн генерации (4.5÷6.8 мкм) соответствуют кристаллу Fe2+:CdTe. Широкому внедрению кристаллов Fe2+:CdTe в практику препятствует, однако, отсутствие доступных источников накачки в области 4 мкм, к которым, среди прочего, предъявляется требование работы в режиме мощных коротких импульсов, так как все лазерные материалы, легированные Fe2+, имеют короткое время жизни верхнего лазерного уровня. Преимуществом же лазеров на основе RE3+ является длительное люминесцентное время. Так, легированные Nd3+ селенидные стекла демонстрируют 5-6 мкм люминесценцию с характерными временами релаксации, измеряемыми десятками миллисекунд. И, конечно же, очень полезной особенностью стеклообразных материалов является возможность вытягивать из них оптические волокна.
Традиционно используемая оптическая накачка ионов неодима на длинах волн 0.8 или 0.9 мкм для селенидных стекол неприменима, поскольку не попадает в область прозрачности этих стекол. Поэтому мы предложили альтернативный способ накачки − схему сенсибилизации с использованием ионов Tb3+. В солегированном Tb и Nd стекле ионы Tb3+ могут поглощать излучение ~ 2.9 мкм лазеров накачки на АИГ:Er3+ с последующей безызлучательной передачей на ионы неодима. Целью настоящего исследования как раз и являлось практическое осуществление лазерной генерации на переходе 4I11/2→4I9/2 Nd3+. В проведенных экспериментах в неселективном резонаторе длины волн генерации составили 5.80-5.85 мкм и 5.70-5.75 мкм для выходных зеркал с пропусканием OC = 8% и 28% соответственно. При введении в резонатор диспергирующей призмы диапазон спектральной перестройки составил 5.56÷6.01 мкм. Таким образом, впервые в мире реализован новый лазерный переход 4I11/2→4I9/2 Nd3+. В первом же исследовании достигнута выходная энергия до 16 мДж. Лазер на ионах неодима оказался самым длинноволновым среди всех лазеров на легированных RE3+ стеклах.
Работа является результатом кооперации ученых из ИОФ РАН, ФИАН и ИХВВ РАН (Нижний Новгород). Вклад авторов из ИОФ РАН заключается в постановке задачи, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов.
8. Ю.А. Ермакова (1), Э.И. Мадиров (2), П.П. Федоров (1), А.А. Александров (1, 3), С.В. Кузнецов (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Казанский Федеральный университет, Казань, Россия
(3) Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия
Влияние фторирующего агента (NH4F, NaF, KF) на размер частиц и люминесцентные характеристики люминофора SrF2:Yb:Er
На конкурс представлена статья:
J.A. Ermakova, E.I. Madirov, P.P. Fedorov, A.A. Alexandrov, S.V. Kuznetsov. Effect of the fluorinating agent type (NH4F, NaF, KF) on the particle size and emission properties of SrF2:Yb:Er luminophores / Journal of Materials Chemistry C. 2024. V.12. P.1406-1411. https://doi.org/10.1039/D3TC03926A
Аннотация
Ап-конверсионные люминофоры применяют для маркировки пластика с последующей сепарацией, увеличения КПД работы солнечных панелей, термометрии и защитной маркировки. Для большинства применений необходимы термостабильные люминофоры в широком диапазоне размеров частиц, обладающие высокими величинами квантового выхода ап-конверсионной люминесценции при различных плотностях мощности накачки. Потребность в подобных люминофорах составляет нескольких сотен килограммов в год, в связи с чем необходимы дешевые технологические схемы их получения.
Одним из подходящих под широкий спектр задач классов веществ являются новые люминофоры на основе фторида стронция, легированного иттербием и эрбием. Ранее подобные люминофоры были исследованы в виде порошков при низких плотностях мощности накачки (0,1 Вт/см2) или в виде монокристаллов. Для практического применения необходимо сравнение люминесцентных характеристик люминофоров при различных плотностях мощности накачки с величинами, достигнутыми для монокристаллов, что позволит оценить их эффективность.
В работе впервые проведен синтез люминофоров и сравнительное исследование квантовых выходов ап-конверсионной люминесценции порошков на основе фторида стронция, легированного иттербием и эрбием, с данными для монокристаллов.
Люминофоры SrF2:Yb:Er были синтезированы методом соосаждения из водных растворов при использовании различных фторирующих агентов (NH4F, NaF, KF). Рентгенофазовым анализом доказано образование однофазных образцов. Методом сканирующей электронной микроскопии определено распределение частиц по размерам и выявлено увеличение среднего размера частиц в ряду фторирующих агентов NH4F (74±2 нм), KF (247±5 нм) и NaF (498±18 нм). Для люминофора SrF2:Yb (3 мол.%):Er (2 мол.%) при плотности мощности накачки 230,0 Вт/см2 был достигнут квантовый выход 4,7±0,2 %, который сравним с данными для монокристалла (6,5 %) аналогичного состава. Сопоставимые величины квантовых выходов свидетельствуют о возможности практического использования разработанных люминофоров.
По всем вопросам выступления на семинаре, заказа пропусков (желательно не позднее, чем за два дня) и участия в онлайн формате обращаться к Николаевой Гульнаре по электронной почте: nikolaeva@kapella.gpi.ru.
Для заказа пропуска или участия в семинаре в онлайн формате необходимо указать ФИО полностью и место работы. Для прохода на территорию ИОФ РАН необходимо иметь с собой действующий российский паспорт.
Заявки на онлайн участие принимаются строго до 12:30 3 апреля.
Секретарь семинара Николаева Гульнара