| |
Лаборатория оптоэлектронных и волоконно-оптических системы – первая молодежная лаборатория, созданная в ИРЭ им. В.А, Котельникова РАН по программе Минобрнауки России. Молодые исследователи, входящие в состав лаборатории, занимаются современными, актуальными вопросами фотоники, проводя исследования в области нелинейной оптики, волоконно-оптических технологий. В рамках проводимой работы разрабатываются принципиально новые, волоконно-оптические биосенсоры, что стало возможным благодаря междисциплинарному подходу к исследованиям и тесному сотрудничеству со специалистами в области биохимии.
|
| |
Научные направления
|
| |
-
Биосенсорика и наноплазмоника
Для создания биосенсоров различного назначения сенсорный элемент должен быть чувствителен к внешней, окружающей его среде. При этом важным свойством биосенсоров является селективность, т.е. способность реагировать только на определенный аналит в многокомпонентном биологическом растворе. Одним из перспективных решений является использование волоконных сенсоров на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами. Такие сенсоры чувствительны к минимальным изменениям оптических свойств окружающей их среды. Функционализация поверхности сенсора аптамерами или антителами обеспечивает селективную реакцию на определенный аналит. Компактность и гибкость такого волоконного сенсора делает его совместимым с перспективной технологией lab-on-chip на основе структур с микрофлюидными каналами. Такие волоконные сенсоры также активно исследуются в рамках волоконной плазмоники, являясь одной из самых удобных систем для использования эффекта поверхностного плазмонного резонанса.
В лаборатории оптоэлектронных и волоконно-оптических систем проводятся исследования, направленные на разработку и оптимизацию принципиально новых волоконных биосенсоров, работающих в том числе на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Были разработаны универсальные математические аппараты для анализа показаний сенсоров, в том числе с применением алгоритмов машинного обучения. Достигнута рекордная для сенсоров такого типа разрешающая способность на уровне 10-6 RIU, впервые продемонстрировано селективное детектирование двух различных белков.
|
| |
-
Нелинейные процессы и фемтосекундное излучение
Важным направлением деятельности лаборатории оптоэлектронных и волоконно-оптических систем является исследование нелинейных процессов модификации оптических материалов под действием лазерного излучения, а также создание и исследование периодических структур и волноводов в оптических материалах. Для этого в лаборатории создан универсальный экспериментальный комплекс на основе фемтосекундного лазера с длиной волны генерации 1064 и 532 нм. Комплекс оснащен высокоточными трансляторами и системой виброизоляции для формирования структур с субмикронным разрешением.
Для исследования нелинейных процессов в стеклах и тонких покрытиях необходимо обеспечить высокую интенсивность лазерного излучения при минимальном уровне термического воздействия. Для этих целей используется излучение лазеров с фемтосекундной длительностью импульсов. Сверхкороткие импульсы обеспечивают нелинейное взаимодействие с материалами и при этом, благодаря малой средней мощности излучения, не нагревают образец. Кроме того, короткие импульсы лазерного излучения позволяют наблюдать за протеканием быстрых и сверхбыстрых процессов как во время, так и после снятия облучения.
Нелинейное воздействие на оптический материал, в частности, на кварцевые стекла, позволяет производить модификацию их свойств, изменяя показатель преломления с помощью нелинейного воздействия излучением видимого и ИК-диапазонов. Данная технология лежит в основе создания планарных волноводов, ряда пассивных оптоэлектронных устройств, периодических структур. Так, например, с помощью технологии фемтосекундной записи возможно создание волоконных брэгговских решеток записанных в нефоточувствительных волоконных световодах с нелегированной кварцевой сердцевиной. Такие брэгговские решетки могут быть использованы в качестве высокотемпературных и радиационно-стойких сенсорных элементов для нужд атомной и космической промышленности.
|
| |
Основные результаты
|
| |
-
Высокоточный волоконно-оптический плазмонный сенсор на основе наклонной брэгговской решетки
Принцип работы волоконно-оптических плазмонных датчиков основан на изменении спектрального положения длины волны плазмонного резонанса при изменении показателя преломления внешней среды. Чувствительность подобный датчиков делает их актуальными для проведения высокоточных измерений, особенно в биомедицине, для задач иммунного анализа. Ранее в рамках работы был сделан ряд серьезных шагов на пути практической реализации подобных сенсоров, среди которых стабилизация показаний сенсора за счет применения специальных конструкций и волокон с сохранением поляризации в схеме сенсора.
Крайне актуальной и нерешенной до недавнего времени задачей является точное определение длины волны плазмонного резонанса исходя из сложной спектральной картины сенсора (рис.1). В рамках работы был разработан новый математический подход основанный на использовании множества резонансных пиков в спектре наклонной брэгговской решетки, что обеспечивает значительную точность и стабильность работы алгоритма. Алгоритм включает в себя несколько стадий обработки и анализа спектральных данных, в том числе, частотную фильтрацию спектра и его аппроксимацию двумя шестипараметрическими кривыми, анализ которых позволяет с высокой точностью наблюдать за изменением длины волны плазмонного резонанса. Алгоритм получил программную реализацию, позволяющую проводить автоматические измерение в режиме реального времени.
Проведенные эксперименты продемонстрировали разрешение работы сенсора на уровне 3х10-6 по показателю преломления, что позволяет использовать сенсор как основу перспективных комплексов иммунного анализа для проведения биомедицинских диагностических исследований.
|
|
|
Рисунок 1 – Спектр пропускания плазмонного сенсора на основе волоконной брэгговской решетки с наклонными штрихами.
|
Публикации:
- E. Manuylovich, K. Tomyshev, O.V. Butov, “Method for Determining the Plasmon Resonance Wavelength in Fiber Sensors Based on Tilted Fiber Bragg Gratings,” Sensors, 19 (2019) 4245.
- K.A. Tomyshev, D.K. Tazhetdinova, E.S. Manuilovich, O.V. Butov, “Ultrastable Combined Planar‐Fiber Plasmon Sensor”, Physica status solidi (a), 216 (2019) 1970018.
- Томышев К.А., Мануйлович Е.С., Бутов О.В., «Методика определения длины волны плазмонного резонанса для датчиков на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами», Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, №6 (158), 24-25 (2019)
- Бутов О.В., Томышев К.А., «Волоконные датчики на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами», Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, №6 (158), 22-23 (2019)
|
| |
-
Разработка фазочастотных методов опроса волоконно-оптических датчиков
Волоконно-оптические распределенные датчики, в отличии от традиционных измерительных системы, предоставляют возможность съема данных с многокилометровых участков оптического кабеля с высокой скоростью и метровой разрешающей способностью, что открывает широкие перспективы для задач мониторинга протяженных инфраструктурных объектов, являясь частью системы, входящих в «smart city» и «big data».
Если до настоящего момента, распределенные системы, которые в основном реализуются на базе рефлектометров, являлись сигнальными средствами, которые давали возможность лишь обнаруживать факт воздействия на систему на определенном участке, то сейчас в мире идет работа, направленная на улучшения метрологических качеств систем - повышения точность, чувствительности, увеличения частотного диапазона. В частности, одна из актуальных задач - расширение частотного диапазона на статические измерения, что позволяет проводить не только относительные, но и абсолютные измерения физических величин с точностью характерной для традиционных датчиков <1%. В представленной работе была разработана методика фазочастотной когерентной рефлектометрии для проведения абсолютных измерений таких величин, как деформация и температура с длин волокна в несколько десятков километров в широком частотном диапазоне, включающем постоянный сигнал, что позволяет использовать подобные системы, как средства измерения абсолютных величин воздействия при мониторинге протяженных объектов: трубопроводов, туннелей, мостов, а также в сейсмологии, скважинном мониторинге, гидроакустике и пр.
|
a) 
|
b) 
|
Рисунок 1 – Искусственный отражатель в волокне (a), оптическая схема установки (b).
Публикации:
- Vasily Yatseev, Zotov A.M., Oleg Butov , «Combined frequency and phase domain time-gated reflectometry based on a fiber with reflection points for absolute measurements» Results in Physics, December, (2020).
|
| |
-
Инновационный способ высокоточной записи волоконных брэгговских решёток поточечным методом при помощи фемтосекундного лазера
Запись ВБР в настоящее время представляет большой научный и практический интерес. Поточечная запись с применением фемтосекундных лазеров является одной и наиболее перспективных методик, благодаря своей универсальности, возможности варьировать параметры записи в широком диапазоне и отсутствию проблем с фоточувствительностью материала волокна. Однако поточечные методы записи не имеют возможности точного и контроля параметров записываемой решётки, в отличие от классических «интерференционных» методов на основе УФ лазеров.
Предложенный метод записи представляет собой многопроходную версию метода Point-by-Point. После первой итерации записи система возвращается в начальное положение, повторная и последующие итерации с высокой точностью обеспечивают прохождение лазерного луча по уже записанной структуре. Реализация подобных идей ранее сталкивалась с принципиальной проблемой синхронизации работы лазера и микропозиционеров что не позволяло обеспечить повторный проход по структуре и до настоящего времени подобного уровня синхронизации достигнуть не удавалось. В нашей работе на аппаратном уровне удалось синхронизировать работу лазера и микропозиционеров, что позволило существенно снизить ошибку во времени прихода первого импульса – ключевого параметра при многопроходной записи. Достигнутая таким образом точность позволяет записывать ВБР первого порядка на стандартный телекоммуникационный диапазон.
|
а) 
|
б) 
|
Рисунок 1 – Спектры отражения слабых ВБР, записанных в многопроходном режиме (а) в сравнении с ВБР, записанными в однопроходном режиме (б)
|
а) 
|
б) 
|
Рисунок 2 – Динамика записи ВБР в многопроходном режиме (а). Зависимость брэгговской длины волны от количества итераций записи записи (б).
Публикации:
- D.V. Przhiialkovskii and O. V. Butov, «High-precision point-by-point fiber Bragg grating inscription» Results in Physics Vol. 30 104902 (2021)
|
| |
-
Селективный волоконно-оптический биосенсор на основе наклонной брэгговской решетки
Одна из наиболее распространённых задач в биосенсорике – проведение иммуноферментного анализа, позволяющего определить наличие и концентрацию биомолекул в многокомпонентном биологическом растворе. В настоящее время такой анализ проводится исключительно in vitro в специализированных лабораториях, и занимает длительное время. Альтернативным способом, позволяющим проводить измерения in vivo, могли бы стать волоконно-оптические сенсоры, известные своей компактностью, мобильностью и удобством применения. При этом волоконные сенсоры могут обеспечивать крайне высокую точность измерений.
Ключевая задача при разработке биосенсоров – обеспечение селективности измерений, то есть датчик должен реагировать на присутствие конкретных биомолекул при этом оставаясь безразличным ко всем остальным. Для решения этой задачи нами были разработаны функциональные покрытия на основе антител и технология нанесения таких покрытий на поверхность волоконного сенсора. Оптическая часть волоконного сенсора сконструирована на основе наклонной волоконной брэгговской решётки (НВБР), спектральная характеристика которой чувствительна к изменениям на поверхности сенсора (Рис.1а).
В ходе экспериментов было продемонстрировано, что специфическая реакция сенсора на присутствие антигена в растворе имеет устойчивый ярко выраженный характер. Впервые такая реакция демонстрируется для двух различных пар сенсор-антиген, что позволяет с уверенностью утверждать о специфике реакции. Кроме того, был предложен дифференциальный механизм анализа данных, основанный на разнице показаний двух сенсоров, модифицированных антителами, специфичными к различным антигенам. Такой дифференциальный метод измерения позволяет нивелировать воздействие неспецифичных факторов на сенсоры. В случае присутствия одного из антигенов в растворе динамика разностного сигнала представлена в зависимости от антигена восходящим или нисходящим трендом (рис. 1б).
|
а) 
|
б) 
|
Рисунок 1 – Схематичное изображение принципа работы селективного волоконного биосенсора на основе НВБР (а) и динамика изменения разностного сигнала двух сенсоров при последовательной смене анализируемых биологических растворов (б).
Публикации:
- Kirill Tomyshev, Egor I. Dolzhenko, Alexandra D. Vasilyeva, Lyubov V. Yurina, Oleg V. Butov, “Selective fiber optic TFBG-assisted biosensors, featuring functional coatings,” Sensors and Actuators B: Chemical., Vol.384 (2023), 133618
|
