• Разработка технологии волоконных световодов специальных типов , изготовление и исследование таких световодов

  Руководители направления Коняшкин Алексей Викторович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected] Грищенко Иван Вячеславович мл. науч. сотр. эл. почта: [email protected]

   

  Радиочастотные и акустические методы исследования, которые широко применяются в различных областях науки и техники, позволяют проводить прецизионную диагностику оптического качества диэлектрических материалов, применяемых в оптике, лазерной физике, полупроводниковой электронике, акустике и т.д.
  Деятельность научной группы направлена на исследование качества различных материалов, применяемых для создания мощных источников излучения и лазерных систем. Оптическое качество материалов прежде всего характеризуется коэффициентами поглощения и рассеяния в рабочем диапазоне длин волн. Современные материалы, применяемые в лазерных технологиях, как правило, имеют экстремально малые коэффициенты оптического поглощения, для измерения которых необходимо разрабатывать новые методы. Использование температурной зависимости частот собственных акустических мод исследуемых образцов для измерения кинетики их разогрева лазерным излучением позволяет с высокой точностью определять малые коэффициенты оптического поглощения. При этом мощность воздействующего излучения может быть довольно высокой, так как в отличие от классической лазерной калориметрии здесь не используются внешние датчики температуры, которые подвержены существенному дополнительному разогреву за счёт поглощения рассеянного лазерного излучения.

  Фотография экспериментальной установки для измерения малых коэффициентов оптического поглощения и рассеяния.

  Блок-схема экспериментальной установки для измерения коэффициентов оптического поглощения.

• Исследование влияния оптических свойств силиконовых полимеров на разогрев активного волокна в условиях лазерной генерации

  Руководитель направления Шайдуллин Ренат Ильгизович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

   

  На сегодняшний день выходная мощность иттербиевых волоконных достигает 100 кВт. Часть мощности оптической накачки лазеров неизбежно переходит в тепло за счет механизма размена квантов накачки и генерации в активной сердцевине, что может приводить к ухудшению характеристик излучения лазера и к разрушению волокна. Одним из основных факторов ограничения выходной мощности является термическая деградация полимерного покрытия кварцевых волоконных световодов. Кроме того, оказалось, что полимеры способны поглощать часть излучения накачки и лазерной генерации, становясь вторичным источником тепла в волокне, что необходимо учитывать при исследовании разогрева лазерного блока. В рамках данного направления были измерены оптические спектры пропускания полимеров, используемых в волоконных лазерных блоках, и коэффициенты оптического поглощения данных полимеров на длинах волн накачки и генерации волоконных лазеров. Как оказалось, поглощение полисилоксановых полимеров в диапазонах длин волн излучения волоконных лазеров, легированных ионами Er и Tm, значительно выше, чем лазеров, легированных ионами Yb.

  Спектр пропускания полимера Silgel в диапазоне длин волн 1-2,3 мкм.

  Для определения точных значений коэффициентов поглощения был использован метод лазерной калориметрии. Значения коэффициентов поглощения полисилоксановых полимеров оказались в диапазоне 0.02-0.04 см^-1 на длине волны 1 мкм, и 0.16-0.20 см^-1 на длине волны 1.5 мкм.

• Радиочастотная и оптическая спектроскопия биологических тканей в процессе воздействия лазерного излучения

  Руководитель направления Коваленко Никита Валерьевич мл. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

   

  Радиочастотные и оптические методы нашли широкое применение в области биологии и медицины. Они используются как для диагностики, включая исследования состава и структуры биологических сред на различных уровнях организации, так и для воздействия, позволяя управлять протеканием химических реакций или положением отдельных клеток и макромолекул в пространстве.
  Группа сосредоточена на совместном применении этих двух диапазонов электромагнитных волн излучения для создания качественно новых методов исследования и воздействия на биологические объекты. Особое внимание уделяется исследованию процессов деградации биологических тканей, вызванных разогревом лазерным излучением.

  Блок-схема установки по радиочастотной спектроскопии биотканей в условиях разогрева однородным излучением волоконного лазера. (СД – синхронный детектор, ИТ – источник электрического тока, ТК - термоконтроллер).

  Была предложена новая методика исследования растительных и животных биологических тканей в условиях повышенных температур и воздействия лазерного излучения, основанная на измерении кинетики радиочастотного отклика образцов при однородном разогреве оптическим излучением. Для обработки полученных данных использовались методы комбинированного математического моделирования соответствующих термодинамических, оптических и электродинамических задач. Кроме того, радиочастотная спектроскопия была применена для контроля температуры и степени деградации биологических тканей в процессе их локального разогрева лазерным излучением. Была показана применимость данной методики в качестве способа диагностики биологических тканей в процессе воздействия лазерного излучения.

• Исследование молекулярной динамики вещества в твердой фазе методом релаксационной спектроскопии ядерного магнитного резонанса

  Руководитель направления Мефед Анатолий Егорович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

   

  Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) широко используется для определения химического состава различных тел. В рамках работы по этому направлению описан новый метод релаксационной спектроскопии ядерного магнитного резонанса, в котором трех-спиновая ядерная спин-решеточная релаксация в твердых телах измеряется стандартным импульсным методом на высокой частоте ЯМР в постоянном поляризующем магнитном поле.
  Этот новый механизм ядерной спин-решеточной релаксации был открыт в нашей лаборатории ФИРЭ РАН и изучался ранее оригинальным спектрометром лабораторной разработки, сравнительно низкочастотным и малочувствительным. Напомним, что классические дипольные взаимодействия ядер и их спин-решеточная релаксация, с которыми имели дело до сих пор, являются двух-спиновыми. Трех-спиновые взаимодействия отличаются тем, что в их элементарном акте участвуют одновременно три ядерных спина, а не два, как обычно. Это принципиальное отличие и делает трех-спиновые взаимодействия ядер весьма перспективными в ЯМР спектроскопии.
  Для практической реализации этого эффекта в ходе дальнейшей работы предложена модификация стандартного импульсного спектрометра ЯМР, которая сводится к генерации высокочастотного поля с необходимыми модуляционными параметрами. Модификация касается только передающего высокочастотного канала стандартного импульсного спектрометра ЯМР, для чего в передающий канал включается высокочастотный фазовый модулятор.

• Разработаны методы возбуждения и регистрации акустических резонансов (собственных мод) исследуемых образцов в процессе взаимодействия с лазерным излучением. Зависимость частот собственных мод от температуры позволяет прецизионно измерять малые коэффициенты оптического поглощения материалов. На созданных исследовательских стендах проведены измерения оптического поглощения различных нелинейно-оптических кристаллов и стекол. Наименьшие экспериментально измеренные значения коэффициентов оптического поглощения составили 10^–5 см^–1, однако по проведённым оценкам могут быть измерены значения вплоть до 10^–8 см^–1.

  (а)

  (б)

  (а) Распределение температуры в кристалле ниобата лития при воздействии лазерного излучения мощностью 8 Вт на длине волны 3 мкм. (б) Кинетика частоты одной из собственных мод кристалла ниобата лития при воздействии лазерного излучения различной мощности на длине волны 3 мкм.

  Публикации:
  

  • A. V. Konyashkin, A. A. Molkov, and O. A. Ryabushkin, “Acoustic resonance laser calorimetry for measurements of low optical absorption” // Applied Optics 59(28), 8733-8739 (2020).

• Создан экспериментальный стенд для измерения неоднородного распределения температуры в волоконном лазерном блоке. Измерения показали, что температура активной среды на 23% выше, чем поверхности полимерного слоя, а доля мощности накачки, переходящей в тепло составляет 14%, что заметно больше, чем размен квантов накачки и генерации в иттербиевой активной среде (~10%) и связано с поглощением около 4% мощности накачки в полимерных слоях, окружающих активное волокно. На основе полученных результатов предложена новая математическая модель разогрева активных световодов в условиях генерации мощного излучения, учитывающая поглощение излучения в полимерных оболочках, окружающих активное волокно.

  3D модель разогрева волоконного блока при выходной мощности лазерного излучения 100 Вт с учетом поглощения излучения в полимере.

  Публикации:
  

  • R. I. Shaidullin, R. I. Ismagilova, and O. A. Ryabushkin, "Influence of optical absorption of polysiloxane polymers on active fiber heating under lasing conditions," Opt. Mater. Express 9, 1577-1582 (2019)

• Разработана методика для исследования обратимых и необратимых изменений биологических тканей при повышении температуры, основанная на измерении радиочастотного импеданса при однородном разогреве образцов лазерным излучением.
  Радиочастотный импеданс биологических тканей обладает существенной чувствительностью к изменению температуры и различным типам повреждений, таким как разрыв клеточных мембран и коагуляция белков. Такая чувствительность является основой для диагностики состояния биологических тканей в том числе при воздействии лазерного излучения.
  Разогрев лазерным излучением на длинах волн, находящихся вдали от пиков поглощения образца, позволяет разогревать биоткани одновременно по всему объему, в отличии от классических методов в которых тепло передается через поверхность. Было показано, что такой подход позволяет повысить однородность разогрева образца на начальных этапах разогрева и увеличить точность определения параметров протекания процесса деградации.
  

  Распределение температуры образца: a, b – нагретый излучением; c, d – фиксированная температура на границе (водяная камера); e, f – конвективный нагрев (воздушная камера). Слева – при средней температуре образца 37,5 0С; справа – после прогрева на ~ 20 °С (3200 с после начала прогрева).

  Публикации:
  

  • Sovin, K., Kovalenko, N., Anpilov, V., & Ryabushkin, O. «Radiofrequency impedance spectroscopy of biological tissues under heating by homogeneous laser radiation», Biomedical Physics & Engineering Express 8(5), 055013 (2022)

• Было показано, что стандартный импульсный спектрометр ЯМР с описанной модификацией позволяет измерять ядерную спин-решеточную релаксацию в твердых телах в принципиально новых физических условиях, характеризуемых новым, трех-спиновым видом ядерных дипольных взаимодействий. Это расширяет возможности ядерной релаксационной спектроскопии ЯМР в изучении сверхмедленной атомно-молекулярной динамики твердого тела.

  Публикации:
  

  • Mefed, A.E. Possibility of Measurement of the Three-Spin Dipolar Contribution to Nuclear Spin–Lattice Relaxation in Solids by the Conventional Pulse NMR Technique. Appl. Magn. Reson. 53, 1633–1647 (2022)
  • Mefed, A.E. Three-Spin Dipolar Contribution to Nuclear Spin–Lattice Relaxation in Solids in the Doubly Rotating Frame: Practical Formulas. Appl. Magn. Reson. 52, 759–768 (2021)

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН