Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие оптических информационных и телекоммуникационных технологий базируется на достижениях когерентной оптики пленочных и волоконных структур. Одной из наиболее актуальных проблем этого направления интегральной оптики является обеспечение оптического контакта между планарнои пленочной интегрально-оптической структурой и волоконными световодами. Решение этой проблемы требует как исследования процессов распространения лазерного излучения в одно- и двумерных системах, так и разработки новых оптических сред.
Среда перспективных направлений современной физической оптики и оптического приборостроения наиболее активно развивается оптика солитонов - уединенных электромагнитных волн, которые позволяют достичь предельных скоростей передачи и обработки информации [1]. Уже физически и технически реализован режим передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических линиях связи с помощью солитонов. Дальнейший прогресс солитонных технологий связывается с выдвинутой в 2001 г. концепцией дискретно-солитонных сетей, основанных на планарнои системе связанных оптических волноводов в пределах одной пленочной структуры. В этих сетях оптические пучки вводятся в пленочную систему волноводов, которые выступают в качестве оптических проводов, по которым передаются солитоны.
В настоящее время в достаточно большой степени исследованы различные периодические системы связанных оптических волноводов на основе твердотельных и жидкокристаллических пленок. Подобные интегрально-оптические схемы представляют собой особый тип систем, в которых могут быть возбуждены новые виды пространственных солитонов - пространственно локализованных волновод-ных мод. В пределах каждого отдельного волновода дифракция излучения не происходит, но оптический пучок, тем не менее, может расширяться в системе в целом из-за связи между волноводами. Это расширение называют дискретной дифракцией, поскольку расхождение пучка выглядит как расщепление (мультипликация) на веер отдельных тонких треков. Дискретная дифракция в системе связанных волноводов позволяет управлять лазерными пучками, что обычно невозможно в сплошной среде или в одиночном световоде. Это обстоятельство важно для таких операций обработки информации как мультипликация лучей, их маршрутизация, дискретизация и пространственно-временная селекция.
Особый интерес в последних исследованиях этого направления представляют т.н. оптические самонаведенные волноводы, когда световодные структуры возникают в пленке за счет фоторефрактивной нелинейности. Если пленка или мембрана сформирована из светочувствительного вещества, то происходит самозапись волноводов, что позволяет в принципе разработать уже самоорганизующиеся на-нотехнологии синтеза состыкованных интегрально-оптических и волоконных элементов схемы.
Эти обстоятельства делают актуальной тему исследования процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках и мембранах.
К моменту начала настоящего исследования в работах [2-4] было впервые показано, что излучение лазера, сфокусированное собирающей линзой и введенное в торец свободной мьтьной пленки, представляющей собой планарныи симметричный волновод, разбивается в пленке на совокупность узких треков. Были установлены свойства и особенности распространения данных треков [2-4].
Таким образом, было известно, что разбиение лазерного излучения на треки устойчиво наблюдается в жидких мыльных пленках и имеет динамический характер. В [2-4] на уровне гипотезы также была сделана попытка объяснения механизма образования треков в пленке с учетом структуры свободной жидкой мыльной бислойной пленки.
Однако наряду с этими результатами оставались неясными следующие аспекты данного явления:
возможность и достоверное доказательство разбиения лазерного излучения на треки в других жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от пленок поверхностно-активных веществ (мыла);
свойства треков, если их возникновение возможно в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от бислойных мыльных пленок и растворов;
почему лазерное излучение, введенное в пленку, разбивается в самой пленке на совокупность треков один раз, если не зарегистрировано наличие порогового значения интенсивности, необходимого для возникновения треков.
В связи с вышеизложенным актуальным является исследование процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках, обладающих структурой, отличной от структуры пленок поверхностно-активных веществ, установление возможного механизма возникновения треков лазерного излучения.
Целью работы являлось исследование дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических (включая желатин - полимер биологического происхождения) пленках и установление возможного механизма, лежащего в основе разбиения лазерного излучения на треки. В связи с этим в работе решались следующие задачи:
Исследование распространения лазерного излучения в жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ (мыла);
Изучение свойств треков, если их возникновение возможно, в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от мыльных пленок и растворов;
Исследование структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок, использующихся в качестве объектов исследования;
Определение возможности формирования в светочувствительной пленке самозаписанной системы волноводов.
Методы исследования. Экспериментальный анализ процесса взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с пленками и растворами проводился на основе современной методологии когерентно-оптических исследований с учетом таких явлений как саморефракция излучения на светоиндуцироваиных неоднородностях фазовой структуры пленки, визуализируемой методами теневой оптики. Для выявления механизма взаимодействия лазерного излучения с пленочными структурами использовалось компьютерное моделирование процесса дискретной дифракции когерентного излучения на фазовых неоднородностях слоя. В качестве объектов исследования использовались растворы поверхностно-активных органических веществ (мыла), водные желатиновые растворы, светочувствительные желатин-глицериновые хромированные эмульсии. Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Впервые зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.
-
Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводньши свойствами пленки.
-
Установлены свойства и особенности распространения треков в полимерных пленках.
-
Впервые показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.
-
Впервые показано возникновение треков в объеме раствора, из которого формовались пленки.
-
Полученные результаты представляются значимыми для разработки теоретической биофизической модели механизма действия низкоинтенсивного лазерного излучения на биообъекты, учитывающей клеточную структуру живой ткани и природу клеточных мембран.
Практическая значимость. Полученные результаты служат основой для теоретической и экспериментальной разработки принципов лазерного манипулирования (управления движением) ансамблями микрочастиц, находящихся в пленочной мембране, при волноводном распространении когерентного излучения в моно- и бислойных пленках, в том числе находящихся на поверхности твердых тел. Также они представляются значимыми для разработки нанотехнологии лазерного манипулирования микрочастицами в жидкой фазе вещества при формировании различных твердотельных интегральных схем, например, при жидкостной эпитаксии.
Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки новых методов диагностики пленочных структур, в том числе модельных биологических мембран и смазочных пленок при исследовании динамики процесса абразивного износа различных поверхностей.
Среди возможных применений эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки можно выделить воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани — биостимуляцию. Возникновение узких треков лазерного излучения в жидких биоорганических, мембранах позволяет по-новому объяснить эффект лазерной биостимуляции в живых тканях под действием низкоинтенсивного когерентного излучения и уточнить методы дозиметрии при планировании соответствующих терапевтических процедур в практическом здравоохранении.
Связь с программами НИР. Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательских работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов» и по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05-08-33639.
Основные защищаемые положения:
-
Причиной дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения являются квазипериодические фазовые неоднородности жидко-пленочной системы, возникающие, в частности из-за наличия капиллярных волн при свободном расположении пленки в рамке. Разбиение лазерного излучения на треки происходит в соответствии с условием поперечного резонанса для планарной волноводной структуры. Само явление дискретной дифракции происходит в пленках монослойной, а не только бислойной (как в мыльном растворе), структуры.
-
Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием. Пространственная картина дискретной дифракции (разбиения на треки) обладает динамическими свойствами, соответствующими динамике пленкообразующей жидкости и движению инициирующего лазерного пучка.
-
В пленках на основе светочувствительных самопроявляющихся желатин-глицериновых хромированных эмульсий в процессе их студенения может осуществляться самозапись волноводных структур. Свойства самозаписанных световодов определяются условиями ввода инициирующего излучения и химическим составом самой эмульсии.
-
Параметрами дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения в жидких пленках можно управлять, изменяя способ ввода инициирующего пучка и длину волны излучения, форму и геометрические размеры пленки, ее физико-химический состав и способы возбуждения динамических квазипериодических неоднородностей (применяя, например, ультразвуковое облучение).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на
Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Asia-Pacific Con
ference Fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM) - Fun
damental problems of opto- and microelectronics »(Хабаровск - 2004 г., Вла
дивосток - 2005 г.);
«Научной сессии МИФИ-2007»;
Федеральной конференции «Школа по голографии - 2007» (Иркутск -2007 г.);
VI Региональной школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития" (Томск, 2005);
семинарах Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУ СУР);
Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий»;
семинарах Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института);
семинарах Иркутского Государственного Медицинского Университета;
семинарах Иркутского Государственного Педагогического Университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в
том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.
Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы (77 наименований), изложенных на 141 странице и содержит 87 рисунков, 1 таблицу.
