Оптика и спектроскопия

Рентгеновская визуализация в темном поле в последние годы нашла применение в различных областях науки и техники, в том числе в медицине, биологии и материаловедении. Обзор посвящен описанию различных методов рентгеновской темнопольной визуализации. Рассмотрены экспериментальные оптические схемы методов, приемы сбора данных и их обработки, перспективность и ограничения их использования. Особое внимание уделено мультимодальным методам, способным отделить сигнал малоуглового рассеяния от абсорбционного и фазово-контрастного сигнала. Ключевые слова: рентгеновские лучи, визуализация, темное поле, мультимодальные методы, интерферометр Тальбота, кристаллический анализатор, рентгеновская решетка, рентгеновская сетка.

Синтез наноструктур перовскита при комнатной температуре посредством переосаждения в присутствии лигандов позволяет точно контролировать их форму и размеры, а легирование определенными ионами позволяет получить дополнительные полосы фотолюминесценции, открывая возможности для настройки их оптических свойств. Представлены методы синтеза органо-неорганических наноструктур перовскита с различной морфологией при комнатной температуре. Путем подбора типа и соотношения лигандов синтезированы нанокристаллы и нанопластины перовскита с химической формулой FAPbBr3. Обработка предварительно синтезированных нанокристаллов перовскита прекурсором MnCl2 при комнатной температуре позволила получить нанокристаллы Mn2+:FAPbClxBr3-x с излучением в двух различных спектральных диапазонах. Ключевые слова: нанокристаллы перовскита, нанопластины перовскита, легирование, дихлорид марганца, фотолюминесценция.

Теоретически исследовано прохождение униполярного полуциклового импульса через слой неравновесной трехуровневой резонансной среды с разными схемами уровней энергии. Показано, что в такой системе исходный униполярный импульс постепенно трансформируется в биполярный за счет образования осциллирующих хвостов на заднем фронте импульса. В то же время в зависимости от конкретной схемы уровней энергии среды может происходить как усиление, так и затухание основного полуциклового всплеска поля с пройденным расстоянием в среде. При этом во всех случаях выполняется правило сохранения электрической площади, но степень униполярности импульса всегда уменьшается по мере распространения в слое среды. Ключевые слова: предельно короткие импульсы, электрическая площадь импульса, униполярные импульсы, взаимодействие излучения с веществом.

На основе численного решения системы уравнений Максвелла-Блоха проведено сравнение динамики решеток разности населенностей и поляризации среды, моделированных в двух- и трехуровневом приближении. Показано, что решетки также возникают и в трехуровневой среде, однако их динамика качественно не отличается от двухуровневой среды при выбранных параметрах модели. Ключевые слова: решетки разности населенностей, полуцикловые импульсы, аттосекундные импульсы, когерентные эффекты, двухуровневая среда.

Теоретически описан класс однонаправленных осесимметрических локализованных импульсов. Установлена эквивалентность их представлений в виде относительно неискажающихся квазисферических волн, в виде интегралов Фурье-Бесселя и в виде суперпозиции плоских волн с волновыми векторами, имеющими положительные проекции на заданное направление. Ключевые слова: локализованные импульсы, однонаправленные импульсы, точные решения.

Выполнено моделирование эффекта когерентного обратного рассеяния на основе уравнения Бете-Солпитера при учете анизотропии с помощью двух различных фазовых функций. Обнаружено, что с ростом анизотропии индикатрисы однократного рассеяния расчеты с фазовой функцией Рэлея-Ганса приводят к более широким угловым пикам когерентного обратного рассеяния, чем расчеты с фазовой функцией Хеньи-Гринштейна. Моделирование когерентного обратного рассеяния методом Монте-Карло на основе фазовой функции Рэлея-Ганса выполнено впервые. На основе альтернативных фазовых функций исследовано влияние понижения длины пространственной когерентности падающего излучения на форму углового пика когерентного обратного рассеяния. Показано, что с уменьшением длины когерентности обе модели приводят к уширению пика, что может быть использовано в биомедицинской диагностике. Ключевые слова: Когерентное обратное рассеяние, моделирование Монте-Карло, уравнение Бете-Солпитера.

Оптимизированы химический состав и структура фотокатализатора ZnO-SnO2-Fe2O3 для сенсорных и медицинских приложений. Фотокаталитические материалы синтезированы жидкостным полимерно-солевым способом, их структура и химический состав исследованы методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, оптической и люминесцентной спектроскопии. Полученные композиты состоят из гексагональных кристаллов ZnO, тетрагональных кристаллов SnO2 и шпинели ZnSn2O4. Ширина запрещенной зоны композитов составляет 3.17-3.24 eV. Кинетические зависимости адсорбции органического диазокрасителя Chicago Sky Blue из растворов на поверхности композитов хорошо описываются кинетическими уравнениями как псевдопервого, так и псевдовторого порядков. Кинетика фотокаталитического разложения красителя в растворах под действием как УФ, так и видимого света хорошо описывается кинетическим уравнением первого порядка. Показано, что добавки серебра позволяют заметно повысить адсорбционные и фотокаталитические свойства материалов системы SnO-SnO2-Fe2O3. Ключевые слова: нанокристаллы, гетероструктура, фотокатализ, адсорбция.

Зарегистрированы спектры люминесценции кристалла YAl3(BO3)4:Cr3+ в спектральном диапазоне запрещённых по спину электронных переходов 2E->4A2 в ионах Cr3+ (14550-14700 cm-1) с высоким спектральным разрешением при температурах 4-300 K. Температурные зависимости отношений интегральных интенсивностей линий R2 и R1, а также N’ и N (предположительно линий переходов 2E->4A2 центра Cr3+ в искажённой вследствие близости некоторого дефекта позиции) хорошо соответствуют распределению Больцмана. На измерении этих отношений может быть реализован ратиометрический термометр с максимумами абсолютной чувствительности при температурах 40.3 и 21.6 K и относительной чувствительностью до 12% K-1. Измерение ширины самой интенсивной спектральной компоненты - линии R1 - может быть способом регистрации температуры в диапазоне от 100 K и выше. Ключевые слова: люминесцентная криотермометрия, кристалл YAl3(BO3)4:Cr3+, фурье-спектроскопия высокого разрешения.

Предложено для измерения реакции зрачка глаза на изменение освещенности использовать инфракрасную подсветку, что позволяет разделить функции воздействия на глаз и регистрации его реакции. Создана соответствующая установка, позволяющая измерять диаметр и интегральную площадь зрачка, а также скорость его сужения. Представлены результаты тестирования установки, свидетельствующие о ее технических возможностях. Ключевые слова: оптические измерения, зрение человека, зрачковая реакция глаза.

Микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии - это метод ближнепольной визуализации, который позволяет преодолеть дифракционный предел Аббе за счет фокусировки светового пучка на малом расстоянии за линзой с высоким показателем преломления. Он обеспечивает высокую энергетическую эффективность благодаря отсутствию каких-либо субволновых зондов или диафрагм в оптическом тракте. Выгодное сочетание сверхразрешения и высокой энергетической эффективности открывает широкие возможности применения данного метода в различных областях науки и техники. Пространственное разрешение микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии в основном ограничено значением показателя преломления линзы, при этом более оптически плотные линзы обеспечивают более высокое разрешение. В настоящей работе объемный кристалл рутила (TiO2) впервые используется в качестве материала для иммерсионной линзы, которая обеспечивает впечатляющий показатель преломления ~10 в терагерцовом диапазоне. Это самое высокое значение показателя преломления, когда-либо использовавшееся в микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии. Для создания микроскопа использовались лавинно-пролетный диод в качестве источника непрерывного излучения на частоте 0.2 THz (длина волны λ=1.5 mm) и детектор Голея. Экспериментальные исследования показали, что пространственное разрешение разработанного микроскопа находится в пределах 0.06-0.11λ. Это самое высокое разрешение, когда-либо зарегистрированное для любой оптической системы на основе эффекта твердотельной иммерсии. Ключевые слова: терагерцовые технологии, терагерцовые оптические материалы, рутил, высокий показатель преломления, ближнепольная микроскопия, микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии, сверхразрешение.

Исследованы спектральные свойства растворенного органического вещества природной воды двух частей искусственно отделенного от Белого моря водоема — губы Канда: морского плеса и меромиктического Федосеевского плеса. Для сравнения проанализированы данные для естественных меромиктических водоемов — озера Елового, Трехцветного, Лагуны на Зеленом мысе. Для проб воды с разных горизонтов получены спектры поглощения, спектры флуоресценции и зависимости квантового выхода флуоресценции от длины волны возбуждения в диапазоне изменения длины волны возбуждения 250−500 nm. Построены зависимости длины волны максимума испускания от длины волны возбуждения и рассчитана величина “ синего сдвига“ — смещения максимума полосы испускания в коротковолновую сторону. Показано, что интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества в Федосеевском плесе выше, чем в морском, при этом зависимость квантового выхода флуоресценции от длины волны возбуждения в обеих частях Канда-губы имеет качественно сходный характер, но различается абсолютными значениями.

В естественных меромиктических водоемах эта зависимость имеет аналогичный характер, также различаясь абсолютной величиной квантового выхода флуоресценции, что говорит о разном соотношении ароматических и алифатических органических соединений. Таким образом, выявлены различия в спектрально-оптических свойствах растворенного органического вещества двух частей искусственно отделенного водоема и природных водоемах, изолированных от Белого моря. Спектрально-оптические характеристики водной толщи морских заливов, естественно или искусственно отделенных от основного морского бассейна, могут служить объективным индикатором трофического (экологического) состояния водоема.

Исследовано взаимодействие бактериохлорофилла с различными полярными растворителями, такими как вода, метанол, этанол и изопропанол. Проведены расчеты с использованием программного пакета Gaussian и базиса 6-31G (d) для определения структуры бактериохлорофилла и свойств его водородных связей. Полученные результаты подтверждают значимость водородных связей при взаимодействии бактериохлорофилла е с полярными растворителями. Данные растворители чаще всего используются для экстракции бактериохлорофиллов из бактериальных клеток, поэтому настоящая работа полезна для разработки методов количественного определения бактериохлорофилла e в бактериальных клетках или в водоёмах.

Исследованы индукционные изменения флуоресценции листьев растений картофеля и бархатцев после обработки клубней (картофель) и опрыскивания вегетирующих растений (бархатцы) препаратом “ ЭпинЭкстра“ и кремнийсодержащим жидким органическим удобрением “ Силиплант“. Использование этих препаратов позволило компенсировать негативные воздействия на фотосинтетический аппарат растений, связанные с обработкой клубней картофеля фунгицидом “ Максим“, а также выдерживанием растений бархатцев при температуре 5◦С в течение трех суток.

Оценен потенциал применимости мультихромофорного соединения, состоящего из восьми хромофоров 4,4-дифтор-4-бор-3а,4а-диаза-s-индацен (BODIPY), связанных через алифатический спейсер с силоксановым ядром, для мониторинга параметров мембран в живых эукариотических клетках. Указанное соединение обладает значительным сольватохромизмом за счет внутримолекулярных взаимодействий хромофоров.

Обнаружено, что параметры внешней среды существенно влияют на флуоресцентные свойства красителя, в частности, на время жизни флуоресценции. Это позволило использовать его для мониторинга параметров мембранных структур клетки методом микроскопии с визуализацией времени жизни флуоресценции (fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM).

Представлены результаты исследования по оценке состава разных форм аллогенного коллагенсодержащего материала (гидрогеля) в качестве потенциального компонента биочернил в перспективном направлении тканевой инженерии с помощью оптических методов (рамановской и ИК спектроскопии). В результате проведенных исследований с помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) установлено, что в негидролизованной форме коллагена относительное содержание пролина и гидроксипролина меньше, чем в гидролизованной форме, что может говорить о нарушениях структурной организации коллагенсодержащего материала (по спектральным особенностям пролина и гидроксипролина). На основе дисперсионного анализа был разработан алгоритм идентификации разных форм аллогенного коллагенсодержащего материала с помощью дерева решений. Установлено, что с помощью методов рамановской и ИК спектроскопии можно проводить экспресс-анализ состава и типов коллагеновых материалов, а также контролировать степень денатурации коллагена при разработке биочернил. Ключевые слова: рамановская спектроскопия, ИК спектроскопия, алгоритм идентификации коллагенов, гидрогель, биочернила, коллагенсодержащий материал, дисперсионный анализ.