Исследование двухфотонных процессов в сложных органических молекулах

Грошев, Дмитрий Евгеньевич

Исследование двухфотонных процессов в сложных органических молекулах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Грошев, Дмитрий Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1999 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование двухфотонных процессов в сложных органических молекулах»

Автореферат диссертации на тему "Исследование двухфотонных процессов в сложных органических молекулах"

на правах рукописи

,/УТ) /¿/м '

Грошев Дмитрий Евгеньевич С с

Исследование двухфотонных процессов в сложных органических молекулах.

01.04.05 Оптика

Автореферат

Диссертации иа соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Новосибирск 1999 г.

Работа выполнена в лаборатории лазерной спектроскопии кафедры «Электронные приборы» Новосибирского государственного технического университета

Научные руководители : кандидат физико-математических наук В. К. Макуха

Доктор физико-математических наук Ю. П. Мешалкин

Официальные оппоненты:

Кандидат физико-математических наук B.C. Пивцов

Доктор технических наук II. Е. Твердохлеб

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН. г. Томск.

Защита состоится чЗ Ук^е-С//"/* 2000 г.

в « f У » часов на заседании диссертационного совета К200.18.01 в Институте лазерной физики СО РАН по адресу 630090 г. Новосибирск, просп. Лаврентьева 13/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН. Автореферат разослан «»Д7 »S^S* "¿¿А 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

ьъчч.н^ъ

ЪЪЧ<Г. 1-103

Общая характеристика работы Актуальность темы

Двухфотонное поглощение (ДФП) теоретически было рассмотрено в начале тридцатых годов Марией Гипперт-Майер [1], экспериментально впервые было получено в микроволновой области [2]. В оптическом диапазоне ДФП обнаружено только после появления лазеров [3].

Двухфотонные переходы имеют ряд важных для спектроскопии особенностей [4]: Двухфотонные переходы основаны на других правилах отбора по сравнению с однофотонными. По двухфотонному механизму можно возбудить состояние частицы, для возбуждения которого при однофотонном возбуждении требуется более коротковолновые фотоны, как правило, сильно поглощаемые матрицей, окружением частицы или даже окнами кюветы. При встречном поглощении двух фотонов компенсируется доплеровский эффект.

Сечение ДФП является основной величиной, определяющей двухфотонные (ДФ) свойства молекул. Считается, что для органических молекул значения сечений двухфотонного поглощения лежат в пределах от 10"48 до Ю-57 см4-с/фот-мол. Минимальная интенсивность, при которой возможно наблюдение двухфотонных процессов, составляет Ю20 фот/см е., а при интенсивностях порядка Ю30 фот/см2 с двухфотонные процессы становятся не только наблюдаемыми, но и более эффективными, чем однофотонные процессы.

На сегодняшний день активно развиваются исследования по нескольким направлениям практического использования ДФ процессов. В фотодинамической терапии онкологических заболеваний при двухфотонном механизме возбуждения фотосенсибилизатора улучшается селективность и увеличивается глубина проникновения излучения в ткани [5-8]. ДФ процессы используются в генной инженерии для селективного фоторазрезания ДНК [9]. Использование фотохромных материалов с двухфотонной записью и считыванием открывает перспективы создания объемных оптических носителей информации с уникальными характеристиками по плотности записи и скорости считывания [10-14]. Обнаруженные в последнее время вещества с экстремально высоким значением сечения ДФП (10"46 см4-с/фот-мол.) позволяют создавать

нелинейные оптические ограничители для защиты глаз и чувствительных оптических приборов от воздействия мощного лазерного излучения [15].

Применение мощных лазеров в хирургии и фотодииамической терапии указывает на необходимость исследования нелинейных процессов при взаимодействии лазерного излучения со сложными органическими и биологическими молекулами. Сравнение различных компонентов тканей и органов по эффективности двухфотонного взаимодействия с лазерным излучением определенной длины волны позволяет выявить наиболее уязвимые биомолекулы и спрогнозировать возможный отдаленный побочный результат такого взаимодействия.

Исследование ДФ процессов при комнатной температуре (именно в этих условиях сохраняются естественные свойства биологических молекул) представляют существенные трудности из-за сильного уширения спектральных линий. По этой же причине исследование ДФ процессов в биологических молекулах дает меньше спектральной информации, чем изучение ДФ процессов в газах и кристаллах, и для биологических молекул особое значение имеет определение количественных характеристик ДФ процессов. Поэтому основное внимание в настоящей работе будет уделено методам измерения таких характеристик. К моменту начала проведения представленных исследований практически не было данных о количественной характеристике двухфотонного поглощения -селении двухфотонного биомолекул. Как известно, значения сечения двухфотонного поглощения для всех веществ являются достаточно малыми величинами, поэтому экспериментальное исследование двухфотонного взаимодействия сопряжено с рядом трудностей, как в проведении эксперимента, так и в интерпретации результатов.

Данная работа посвяшена разработке автоматизированного нелинейного спектрометра и экспериментальному исследованию двухфотонных свойств органических и биологических молекул.

Цель работы

1) Разработка автоматизированного нелинейного спектрометра для исследования спектров двухфотонного возбуждения (ДФВ) и двухфотонновозбуждаемой люминесценции (ДФВЛ).

2) Экспериментальные исследования двухфотонных свойств органических и биологических молекул.

3) Разработка метода измерения сечения ДСП молекул в растворах при комнатной температуре.

4) Измерение сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.

Научная новизна

1) Впервые получены и исследованы спектры ДФВЛ ряда органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов (адении, гуанин, тимин и цитозин).

2) Предложена и реализована методика измерений сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре.

3) Впервые измерены сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.

Положения, выдвигаемые на защиту.

1) Методика проектирования резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой с учетом особенностей промышленных кристаллов.

2) Результаты исследований, впервые полученных спектров ДФВЛ органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов.

3) Метод измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре и значения сечений ДФП ряда органических и биологических молекул.

Практическая ценность работы

Предложена методика расчета параметров резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой, для получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям с учетом особенностей промышленных квантронов.

Разработан автоматизированный спектрометр и методика для измерения сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре, позволяющий оценивать сечение ДФП в диапазоне от 10"46 до 10"55 см4с/фот моль

Спектрометр может быть использован для широкого круга исследований, таких как исследование нелинейных оптических свойств

фотохромных веществ, используемых в качестве оптических носителей информации, исследование механизмов лежащих в основе фотодинамической терапии онкологических заболеваний и подбор красителей для нее. Создание нелинейных оптических ограничителей, исследование механизмов лазерного фоторазрезания ДНК с интеркаллированными молекулами красителей и многих других.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях по соответствующей тематике:

• Международная конференция по нелинейной и когергентной оптике (Минск, 1988),

• Всесоюзная научная сессия, посвященная дню радио (Москва, 1989),

• X Международная Вавиловская конференция (Новосибирск, 1990).

• Международная конференция «Лазер-91» (Сан-Диего, США,1991).

• Международные конференции «Актуальные вопросы электронного приборостроения» АПЭП-92, АПЭП-94, АПЭП-96 (Новосибирск, 1992, 1994, 1996),

• Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы коммуникаций» (Новосибирск, 1994),

• XV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995),

• Российско-Корейский симпозиум «КОРУС-97» (Ульсан, Южная Корея, 1997)

По тематике диссертации соискателем с соавторами опубликовано 19 печатных работ в отечественных и зарубежных журналах и трудах вышеназванных конференций.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 139 страницах текста, включает 10 таблиц, 42 рисунка и список цитируемой литературы (88 источников).

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы.

В главе 1, которая носит обзорный характер, проведен сравнительный анализ методов исследования двухфотонных процессов в конденсированной фазе. Проанализированы методы измерения сечения ДФП. По литературным данным систематизированы результаты произведенных на момент выполнения работы измерений сечений ДФП.

Выбран предпочтительный метод для изучения двухфотонных процессов в сложных органических и биологических молекулах -исследование спектров ДФВ и ДФВЛ.

В главе 2 рассмотрен, разработанный автором, автоматизированный нелинейный спектрометр для исследования спектров ДФВ, ДФВЛ и измерения сечений ДФП в растворах при комнатной температуре. Оптическая схема спектрометра приведена на рисунке 1.

В качестве источника возбуждения для исследования спектров ДФВЛ используется неодимовый лазер с непрерывной накачкой, модуляцией добротности и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники на кристалле ЫЮз.

Излучение лазера фокусируется в кювету с исследуемым веществом К1. Люминесценция регистрируется ФЭУ1. Рассеянное излучение накачки отсекается монохроматором МДР2 и стеклянным фильтром УФС1. Часть излучения лазера отделяется делительной пластинкой П1 и фокусируется в кювету с эталонным веществом К2. Рассеянное излучение накачки отсекается набором стеклянных фильтров УФС1. Люминесценция эталонного вещества регистрируется ФЭУ2. Этот канал необходим для измерения сечения ДФП. Стеклянная пластинка П2 направляет часть излучения накачки на быстродействующий фотодиод для измерения интенсивности возбуждающего излучения.

Для ослабления мощного лазерного излучения без изменения пространственных свойств луча использовался поляризационный аттенюатор (АТТ). С его помощью для всех веществ, для подтверждения ДФ характера возбуждения, были получены характеристические зависимости в виде 1^(1люм)=Г(1^(1нак)). Пример такой зависимости приведен на рисунке 2.

Рисунок 1 Оптическая схема спектрометра для исследования спектров ДФВЛ и измерения сечения ДФП (М1-МЗ зеркала, Л1,Л2 короткофокусные объективы, К1 - кювета с исследуемым веществом, К2 -кювета с эталонным веществом, Ф1, Ф2 - наборы стеклянных фильтров УФС, МДР2 - растровый монохроматор, П1 и 112 - стеклянные делительные пластинки).

I д (1воз б) отн .ед .

Рисунок 2 Зависимость интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего излучения для нафталина

Исходя из параметров оптической схемы, разработана электронная часть спектрометра, включающая в себя ФЭУ, фотодиоды, повторители, усилители, пиковые детекторы, схему синхронизации, блок управления шаговыми двигателями, интерфейсные модули в стандарте КАМАК и написано программное обеспечение для автоматизации эксперимента.

В главе 3 главе проанализированы возможности получения выходной мощности более 10 Вт в моде ТЕМ для лазера на ЛИГ с неодимом при непрерывной накачке и синхронизации мод.

Проведен анализ особенностей промышленных квантронов К301 с точки зрения получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям. Обращено внимание на необходимость учета астигматизма оптической силы стержня при выборе конфигурации резонатора.

Предложен алгоритм расчета резонатора с внутренней термической линзой. Входными данными являются оптическая сила термической линзы в радиальной и тангенсальной плоскостях, длина резонатора и распределение инверсии населенности по сечению кристалла. В результате расчета определяются параметры резонатора (радиусы кривизны зеркал и положение квантрона), обеспечивающие максимальный энергосъем с активного элемента и минимальную чувствительность к расстройкам.

Таблица 1. Характеристики лазера до и после оптимизации

Параметр Конфигурация Стандартная Оптимизирован,

Выходное зеркало Плоское Плоское

Глухое зеркало (радиус в см) Выпуклое 40 Вогнутое 40

Длина резонатора см 82 150

Ток накачки А 37 32.5

Выходная мощность в одномодовом режиме с линейной поляризацией Вт. 13 16

Диаметр пятна на активном элементе 0.43 мм 0.85 мм

Чувствительность к расстройкам отн.ед. 1260 411

На основании расчетов и с учетом результатов измерения был сконструирован лазер и продемонстрирована возможность создания на

отечественных промышленных элементах лазера с синхронизацией мод с выходной мощностью в одномодовом режиме более 10 Вт, при длительности импульса менее 100 лс. При этом по сравнению со стандартной конфигурацией возрастает срок службы лазера и уменьшается энергопотребление. В таблице 1 приведены характеристики лазера до и после оптимизации.

В главе 4 Описаны методики получения спектров ДФВ и ДФВЛ. Приведены полученные спектры ДФВ нафталина, аминокислоты триптофан и белков: бычий сывороточный альбумин и фибриноген.

В параграфе 4.5 приводятся результаты исследования спектров ДФВЛ ряда органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин и фенилаланин), белков (бычьий сывороточный альбуминн, фибриноген и трипсин), нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин и цитозин).

Кроме того в главе приведены результаты исследования люминесценции красителя сафранин, возбуждаемого по двухступенчатому механизму.

В главе 5 описаны теоретические основы метода измерения сечения ДФП, позволяющего уменьшить влияние пространственных и временных флуктуаций лазерного излучения на результаты измерения, и методика его практической реализации.

Рассмотрим теоретические основы метода. Пусть в одном канале спектрометра находится кювета с эталонным веществом. При стационарном двухфотониом возбуждении количество фотонов ДФВЛ, излучаемых эталоном в единицу времени, может быть определено в виде:

Ь =32.-1 2-5 -С V (1)

^зт 2 " "

Где т\эт - квантовый выход люминесценции (множитель 1/2 показывает что на один квант люминесценции приходятся два поглощенных кванта), 1эт - интенсивность возбуждающего излучения, бэт - сечение ДФП эталона, Сэт - концентрация эталона, V - объем слоя, в котором возбуждается люминесценция.

Для ДФВЛ исследуемого вещества справедливо аналогичное выражение. В эталонном канале всегда регистрируется интенсивность

люминесценции одного вещества (3,т) в определенном и неизменном диапазоне длин волн. По этому можно определить по формуле:

Ь„ = к1Л

(2)

В измерительный канал помещаются вещества, имеющие разные спектры люминесценции, поэтому для определения Ьх необходимо находить значение интеграла:

где .((X) - интенсивность люминесценции, регистрируемая в измерительном канале на всех длинах волн излучения люминесценции, к2(Х) - коэффициент, определяющий эффективность сбора и преобразования люминесценции в измерительном канале.

Коэффициенты к) и кг, в уравнениях 3 и 4 постоянны и зависят только от геометрических и спектральных параметров установки. Учитывая это, из отношения мощностей люминесценции исследуемого вещества и эталона можно определить значение сечения ДФП исследуемого вещества:

где АХ - шаг, с которым прописывается спектр люминесценции, у -аппаратурный коэффициент, зависящий от геометрии установки и эффективности сбора и преобразования люминесценции в эталонном и измерительных каналах, а кгЧ^-) - произведение спектральной чувствительности ФЭУ на коэффициент пропускания филирующих элементов в измерительном канале.

Если в измерительный канал поместить кювету с эталонным веществом, то учитывая, что концентрация, квантовый выход и сечение ДФВ веществ в эталонном и измерительном каналах будут одинаковыми, значение у можно определить из отношения:

(3)

(4)

(5)

Где J'(^) - интенсивность люминесценции эталонного вещества, помещенного в измерительный канал. Таким образом, для измерения сечения ДФП необходимо измерить коэффициент у и определять отношение интенсивностей люминесценции исследуемого и эталонного веществ, возбуждаемых одним лучом.

Далее в главе проанализировано влияние различных факторов на результаты измерений. Описаны требования к эталонному веществу и в качестве эталонного вещества выбран п-бис-метилстерилбензол (MSB) фирмы "Eastman Kodak" (США).

Измеренные нами значения сечений ДФП в органических и биологических молекулах приведены в таблице 2.

Таблица 2 Сечение ДФП на длине волны 532 нм (З)органических и биологических молекул.

Вещество Растворитель 8 см4 с/фот моль

Органические молекулы

Фенол - 2.6 10"5'

Гидрохинон этанол 9.1 10""

Резорцин Этанол 2.0 Ю-11

Пирокатехин Этанол 5.2 10S|

Ванилин Этанол 1.1 10"5'

Бифенил Этанол 3.5 10""

Нафталин этанол 1.6 10'51

Аминокислоты

Триптофан Вода 1.5 I0"51

Тирозин Вода 2.3 10""

Фекилаланин Вода 6.1 io0i

Белки

Альбумин Вода 8.0 10'S4

Трипсин Вода 7.5 10-"

Лизоцим Вода 3.4 10°'

В заключении

Сформулированы выводы по всем проведенным исследованиям:

1. Разработана методика расчета параметров резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой, для получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям с учетом особенностей промышленных квантронов. Была экспериментально продемонстрирована возможность создания на отечественных промышленных элементах лазера с синхронизацией мод с выходной мощностью в одномодовом режиме более 10 Вт, при длительности импульса менее 100 пс. При этом по сравнению со стандартной конфигурацией значительно возрастает срок службы лазера, уменьшается энергопотребление, снижаются требования к системе охлаждения и уменьшается чувствительность к расстройкам резонатора.

2. Разработан автоматизированный нелинейный спектрометр для исследования спектров двухфотонного возбуждения молекул в растворах.

3. Разработан автоматизированный нелинейный спектрометр для исследования спектров двухфотонновозбуждаемой люминесценции веществ в конденсированной фазе при комнатной температуре.

4. Экспериментально показано, что у всех исследованных молекул в растворах при комнатной температуре спектры люминесценции при одно и двух фотонном (с удвоенной длиной волны) возбуждении практически совпадают.

5. Впервые зарегистрировано ДФП, получены и исследованы спектры ДФВЛ ряда органических молекул, ароматических аминокислот белков и нуклеотидов.

6. Предложен метод измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре, позволяющий значительно уменьшить влияние пространственных и временных флуктуации лазерного излучения на результаты измерения и изготовлен двухканальный спектрометр, позволяющий измерять сечение ДФП до Ю-55 см4с фот/моль.

7. Методом ДКЭ нами впервые измерены сечения двухфотонного поглощения ряда органических молекул, ароматических аминокислот и белков на длине волны 532 нм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Мешалкин Ю.П., Грошев Д.Е, Гуськов Л.Н., Лисицын В.Н., Макуха В.К. Двухфотонное возбуждение альбумина//Биофизика, 1990, т.35, N5. С 739-741.

2. Грошев Д.Е., Лисицын В.Н., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П. Руденко П.А. Двухфотонное возбуждение люминесценции ароматических аминокислот.// Журнал прикладной спектроскопии, 1990,т.53,№ С149-151.

3. Грошев Д.Е., Лисицын В.Н., Мешалкин Ю.П. Коротковолновая люминесценция сафранинаУ/Журнал прикладной спектроскопии., 1992г. т. 57, N1-2., стр. 112-115.

4. Алфимов Е.А., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П. Метод двухбайтового эталона для измерения сечения двухфотонного поглощения сложных органических молекул. Оптика и спектроскопия, 1995, т.78 КЗ С400-402

5. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.А., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Двухфотонное поглощение видимого света белками //Доклады Академии наук,1995 т.340, N6 C825-82Ó.

6. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.Е., Грошев Д.Е. Макуха В.К. Измерение сечений двухфотонного поглощения ароматических аминокислот.// Журнал прикладной спектроскопии, 1996,T.63,N3 С432-435.

7. Meshalkin Yr.P., Alfimov E.E., Groshev D.E., MakukhaV.K. The two-photon fluorescence exitation spectroscopy of biologikal molecules// Pros.SPIE.-1996.-V2802.-p] 91-199.

8. Алфимов E.A., Грошев Д.Е., Макуха B.K., Мешалкин Ю.П. Плата расширения для автоматизированного двухфотонного лазерного спектрометра на базе компьютера IBM PC// Приборы и техника эксперимента-1998, №2. С.164-165.

9. Грошев Д.Е., Гуськов Л.Н., Лисицын В.Н., Макуха В.К. Двухфотонная лазерная спектроскопия органических и биомолекулУ/ Тез. докл. Международной конференции по нелинейной и когергентной оптике ИФ АН БССР, Минск, 1988.

10. Грошев Д.Е., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П.Двухфотонная лазерная спектроскопия белков// Тез. докл. XL1Y Всесоюзной научной сессии,посвященной Дню Радио, ВНТОРЭС им.А.С. Попова, Москва, 1989.

11. Грошев Д.Е., Лисицын В.Н., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П. Автоматизированный лазерный двухфотонный спектрометр для исследования биологических молекул.// Мат Всес.научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск,1990.

12. Groshev D.E., Lisitsin V.N., Makukha V.KMeshalkin Yr.P., Two-photon fluorescence of biological molecules.// Proc. Int. Conf. "Laser's -91", San-Diego, California, USA.

13.. Грошев Д.Е., Лисицын B.H., Мешалкин Ю.П. Нелинейная каскадная

люминесценция сафранина при лазерном возбуждении// Тез.докл. Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск,1992. ТЗ- С17-20.

14. Грошев Д.Е., Мешалкин Ю.П., Макуха В.К. Относительный метод измерения сечения двухфотонного поглощения органических и биологических молекул.// Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций", РНТОРЭС им. А.С.Попова, Новосибирск, 1994.

15. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.Е., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Сечение двухфотонного поглощения белков с различным количеством ароматических аминокислот в первичной струкгуре//Мат Межд. научво-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 1994 Т.6. С.3-7.

16. Балакирев М.К., Грошев Д.Е., Макуха В.К. Оптимизация параметров резонатора лазера на АИГ:Ш //Мат Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 1994 Т.6. С.67-73,

17. Meshalkin Yr.P., Alfimov E.E., Groshev D.E., Makukha V.K. The two-photon fluorescence excitation spectroscopy of biological molecules. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-95). 1995.

18. Алфимов E.E., Грошев Д.Е., Мешалкин Ю.П., Макуха В.К., Измерение сечения двухфотонного поглощения в растворах биомолекул с учетом ширины линии люминесценции //Мат Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 1996 Т.З. С.51-53.

19. Alfimov Е.Е., Groshev D.E., Makukha V.K., Meshalkin Yr.P. Two photon absorption of laser radiation in visible range in blood's serum. Proc. First Korea - Russia International Symposium on Science and Technology - KORUS'97, Ulsan, Republic of Korea, 1997, p. 318-321.

Цитированная литература.

1. Goppert-Mayer M. // Annalen der Physik 1931 V.5 P.273. цитпо [17].

2. Hughest V.W., L. Grabner//Physycal review letters 1951 V.79P.314.

3. Kaiser W., C.G.B. Garrett // Physycal review letters 1961 V.7 P.229.

4. Летохов B.C. Чеботаев В.П. Нелинейная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М. Наука 1990.

5. Bhawalkar J.D., Kumar N.D., Zhao C.F., Prasad P.N. Two-photon photodynamic therapy. J Clin Laser Med Surg 1997; 15(5) p. 201 - 204.

6. Fisher W.G., Partridge W.P. Jr., Dees C., Wachter E.A. Simultaneous two-photon activation of type-I photodynamic therapy agents. Photochem Photobiol 1997 Aug;66(2), p. 141-155.

7. Lenz P. In vivo excitation of photosensitizers by infrared light. Photochem Photobiol 1995 Aug;62(2), p. 333-338.

8. Bodaness R. S., Heller D. F., Krasinski J., King D. S. The two - photon laser - induced fluorescence of the tumor - localizing photosensitizer hematoporphyrin derivative. - J. Biol. Chem., 1986, v. 261, N26. - p. 12098-12101.

9. Штокман М.И. Селективная двухквантовая фотомодификация нуклеиновых кислотУ/Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения. М. 1988г. 65 стр.

10. Parthenopoulos D.A., Rentzepis Р.М, Three-dimensional optical storage memory. -Science, 1989, v. 245, N 4920, 843 - 845.

11. Hunter S., Kiamilev F„ Esener S., Parthenopoulos D. A., Rentzepis P. M. Potentials of two-photon based 3-D optical memories for high performance computing. - Applied Optics, 1990, v. 29, N 14, p. 2058 - 2066.

12. Akimov, D.A., Fedotov A.B., Koroteev N.I., Magnitskii S.A., Naumov A.N., SidorovBiryukov D.A., Zheltikov A.M. Optimizing two-photon three-dimensional data storage in photochromic materials using the principles of nonlinear optics. - Jpn. J Appl Phys Pt 1, 1997, Vol. 36, N IB, p. 426-428.

13. Koroteev N.I., Magnitskii S.A., Shubin V.V., Sokolyuk N. T. Photochemical and spectroscopic properties of naphthacenequinones as candidates for 3D optical data storage. - Jpn. J Appl Phys Pt I, 1997, Vol. 36, N 1B, p. 424-425.

14. Желтиков A.M., Коротеев Н.И., Магницкий C.A., Наумов A.H., Сидоров - Бирюков Д.А., Федотов А.Б. Локальное невозмущенное считывание информации в системах трехмерной памяти на основе оптического эффекта Керра. — Квантовая электроника, 1998, т. 25, № 11, стр. 968 - 970.

15. J.E. Ehrlich, X.L. Wu, I.Y.S. Lee, et All. Two-photon absorption and broadband optical limiting with bis-donor stilbenes// Optics Letters, 1997 vol 22, № 24.

Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 75 экз. Уч.-изд.л. 1,25 Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Заключение диссертации по теме "Оптика"

6. Заключение.

1. Модернизирована методика расчета параметров резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой, для получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям с учетом особенностей промышленных квантронов. На основании расчетов и с учетом результатов измерения параметров серийно выпускаемых промышленных кристаллов АИГ была экспериментально продемонстрирована возможность создания на отечественных промышленных элементах лазера с синхронизацией мод с выходной мощностью в одномодовом режиме более 10 Вт, при длительности импульса менее 100 пс. При этом по сравнению со стандартной конфигурацией значительно возрастает срок службы лазера, уменьшается энергопотребление и снижаются требования к системе охлаждения, и уменьшается чувствительность к расстройкам резонатора.

4. Впервые зарегистрировано ДФП, получены и исследованы спектры ДФВЛ ряда органических молекул, ароматических

127 аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин и цитозин).

5. Предложен метод измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре, позволяющий значительно уменьшить влияние пространственных и временных флуктуаций лазерного излучения на результаты измерения, и изготовлен двухканальный спектрометр, позволяющий измерять сечение ДФП до 10"55 см4с фот/моль.

6. Методом ДКЭ нами впервые измерены сечения двухфотонного поглощения ряда органических молекул, ароматических аминокислот и белков на длине волны 532 нм.

128

7. Список опубликованных работ по тематике диссертации

1. Мешалкин Ю.П., Грошев Д.Е, Гуськов JI.H., Лисицын В.Н., Макуха В.К. Двухфотонное возбуждение альбумина // Биофизика, 1990, т.35, N5. С 739-741.

3. Грошев Д.Е., Лисицын В.Н., Мешалкин Ю.П. Коротковолновая люминесценция сафранина.//Журнал прикладной спектроскопии., 1992г. т. 57, N1-2., стр. 112-115.

4. Алфимов Е.А., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П. Метод двухквантового эталона для измерения сечения двухфотонного поглощения сложных органических молекул. Оптика и спектроскопия, 1995, т.78 N3 С400-402

5. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.А., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Двухфотонное поглощение видимого света белками //Доклады Академии наук,1995 т.340, N6 С825-826.

6. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.Е., Грошев Д.Е. Макуха В.К. Измерение сечений двухфотонного поглощения ароматических аминокислот.// Журнал прикладной спектроскопии, 1996, т.63, N3 С432-435.

7. Meshalkin Yr.P., Alfimov Е.Е., Groshev D.E., Makukha V.K. The two-photon fluorescence exitation spectroscopy of biologikal molecules// Pros.SPIE.-1996.-V2802.-pl91-199.

8. Алфимов E.A., Грошев Д.Е., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П. Плата расширения для автоматизированного двухфотонного

129 лазерного спектрометра на базе компьютера IBM PC// Приборы и техника эксперимента- 1998, №2. С.164-165.

9. Грошев Д.Е., Гуськов Л.Н., Лисицын В.Н., Макуха В.К. Двухфотонная лазерная спектроскопия органических и биомолекул.// Тез. докл. Международной конференции по нелинейной и когергентной оптике ИФ АН БССР, Минск, 1988.

10. Грошев Д.Е., Макуха В.К., Мешалкин Ю.П.Двухфотонная лазерная спектроскопия белков// Тез. докл. XLIY Всесоюзной научной сессии,посвященной Дню Радио, ВНТОРЭС им.А.С. Попова, Москва, 1989.

12. Groshev D.E., Lisitsin V.N., Makukha V.K ., Meshalkin Yr.P., Two-photon fluorescence of biological molecules.// Proc. Int. Conf. "Laser's - 91", San-Diego, California, USA.

13. . Грошев Д.E., Лисицын В.Н., Мешалкин Ю.П. Нелинейная каскадная люминесценция сафранина при лазерном возбуждении// Тез.докл. Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск,1992. ТЗ- С17-20.

130

15. Мешалкин Ю.П., Алфимов Е.Е., Грошев Д.Е., Макуха

В.К., Сечение двухфотонного поглощения белков с различным количеством ароматических аминокислот в первичной структуре//Мат Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения",

Новосибирск,1994 Т.6. С.3-7.

16. Балакирев М.К., Грошев Д.Е., Макуха В.К. Оптимизация параметров резонатора лазера на АИГ:Ыс1 //Мат Межд. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 1994 Т.6. С.67-73.

17. Meshalkin Yr.P., Alfimov Е.Е., Groshev D.E., Makukha V.K. The two-photon fluorescence excitation spectroscopy of biological molecules. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-95). 1995.

8. Список используемых сокращений

NLL-HI nonlinear luminescence high-intensity

NLL-LI nonlinear luminescence low-intensity

АОЗ акустооптический затвор

ВВСС высоко возбужденные синглетные состояния дкэ метод двухквантового эталона

Дф двухфотонные

ДФВ двухфотонное возбуждение

ДФВЛ двухфотонновозбуждаемая люминесценция

ДФП двухфотонное поглощение ив к измерительно-вычислительный комплекс кл коротковолновая люминесценция кп коэффициент пропускания лнк лазер на красителе

МСБ Бис (о-метилстерилбензол) нлл нелинейная люминесценция

OA оптоакустический

ОФВ однофотонное возбуждение

ОФВЛ однофотонновозбуждаемая люминесценция

СВХ схема выборки и хранения

132

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Грошев, Дмитрий Евгеньевич, Новосибирск

1. Bhawalkar J.D., Kumar N.D., Zhao C.F., Prasad P.N. Two-photon photodynamic therapy. J Clin Laser Med Surg 1997; 15(5) p. 201 -204.

2. Fisher W.G., Partridge W.P. Jr., Dees C., Wachter E.A. Simultaneous two-photon activation of type-I photodynamic therapy agents. Photochem Photobiol 1997 Aug;66(2), p. 141-155.

3. Lenz P. In vivo excitation of photosensitizers by infrared light. Photochem Photobiol 1995 Aug;62(2), p. 333-338.

4. Bodaness R. S., Heller D. F., Krasinski J., King D. S. The two -photon laser induced fluorescence of the tumor - localizing photosensitizer hematoporphyrin derivative. - J. Biol. Chem., 1986, v. 261, N 26. - p.12098-12101.

5. Штокман М.И. Селективная двухквантовая фотомодификация нуклеиновых кислот.//Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения. М. 1988г. 65 стр.

6. Parthenopoulos D.A., Rentzepis Р.М, Three-dimensional optical storage memory. Science, 1989, v. 245, N 4920, 843 - 845.

7. Hunter S., Kiamilev F., Esener S., Parthenopoulos D. A., Rentzepis P. M. Potentials of two-photon based 3-D optical memories for high performance computing. Applied Optics, 1990, v. 29, N 14, p. 2058 - 2066.

8. Koroteev N.I., Magnitskii S.A., Shubin V.V., Sokolyuk N. T. Photochemical and spectroscopic properties of naphthacenequinones as candidates for 3D optical data storage. -Jpn. J Appl Phys Pt 1, 1997, Vol. 36, N IB, p. 424-425.

9. J.E. Ehrlich, X.L. Wu, I.Y.S. Lee, et All. Two-photon absorption and broadband optical limiting with bis-donor stilbenes// Optics Letters, 1997 vol 22, № 24.

10. Goppert-Mayer M. // Annalen der Physik 1931 Y.5 P.273.

11. Hughest V.W., L. Grabner //Physycal review letters 1951 V.79 P.314.

12. Kaiser W., C.G.B. Garrett // Physycal review letters 1961 V.7 P.229.

13. Лакович Д. Основы флуоресцентной спектроскопии М. Мир 1982г.

14. Летохов B.C. Чеботаев В.П. Нелинейная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М. Наука 1990.

15. Catalano I.M.,Cingolani A./Absolute determination of the twophoton cross-section in NADH.//Opt.Commun. 1980. v.32,Nl, P.156-158.

16. Kochevar I.E.,Hefetz Y.,Dunn D.A.,Deutsch T.F.,Bucley L.,Hillinkamp F./DNA photo products formed using high intensity 532-nm laser radiation.//Proceedings.Laser Applications in Life Sciences Part II.SPIE.-1990.-v.1403,P.756-763.

17. Jiang S.-P.,Lian S.-H.,Ruan K.C. et al./Two-photon excitation of proteins.//Chem.Phys.Lett.-1984.-v.104,N1,P.109-111.134

18. Hui L.,Li Q.,Zhang Z. et al./Study of two-photon indused fluorescence of protein.//Chin.J.Lasers.-1984.-v.11,N10,P.611-616.

19. Мешалкин Ю.П. Грошев Д.Е. Лисицын В.Н. и др.//Двухфотонное возбуждение альбумина//Биофизика-1990-т35 N 5 С 739-741.

20. Hopfield J.,Worlock J.,Park K.//Phys.Rev.Lett.-1963.-v.l 1, P.414.

21. Swofford R.L.,McClain W.M./New two-photon absorption spectrometer and its application todiphenylbutadiene.//Rev.Sc.Instrum. -1975.-v.46,N3,P.246-249.

22. Там Э. Фотоакустика: спектроскопия и другие применения//Сверхчувствительная лазерная спектроскопия Под ред. Д. Клайджера М. Мир 1986 С.13-137.

23. Tarn А.С., Patel С.К./Two-photon absorption spectra and crosssection measurements in Iiquids.//Nature.l979. v.280,P.304-306.

24. Бонч-Бруевич A.M. Разумова Т.К. Старобогатов И.О. /Наблюдение поглощения в жидкостях методом поляризованного зондирующего излучения/Юптика и спектроскопия-1974-тЗ6 N4 С.692-695.

25. Бердж Р. Спектроскопия одно- и двухфотонного возбуждения// Сверхчувствительная лазерная спектроскопия Под ред. Д. Клайджера М. Мир-1986 С. 138-213.

26. Mikami N. Ito М. Two-photon exitation spectra of naphthalene and naphthalene-d8.//Chem.Phys.Lett.- 1974. V.31, N3. P.472-478.

27. Bergman A.,Jortner J. Two-photon absorption spectra of crystalline naphtalene and of the naphthalene molecule in solution.//Chem.Phys.Lett.- 1974. V.26, N3. P.323-326.135

28. Dick В. Hohlneicher G. / Two-photon spectroscopy of low-lyingn states of naphtalene and acenaphthene.//Chem.Phys.Lett.-1981. V.84, N3. P.471-478.

29. Anderson B. Jones R. Rehms A. Ilich P.Callis P./Polarized two-photon fluorescence exitation spectra of indole and benzimidazol.// Chem.Phys.Lett.- 1986. V.125,N2. P.106-112.

30. Rehms A. Ilich P. /Resolution of L and L bands in metthil indole by two-photon spectroscopy.// Chem.Phys.Lett.- 1987. V.140, N1. P.83-89.

31. Александров А.П. Генкин В.H. Самылин В.A. /Некоторые вопросы двухквантового поглощения органических молекул//Нелинейная оптика. Новосибирск 1968 С. 14-18.

32. Herman J. P.,Ducuing J./Absolute Measurement of Two-Photon Cross Section.//Physical review A.General physics.- 1972.-v.5, N6,P.2557-2568.

33. Bradley D.J., Hutchinson M.H.R.,Koetser H./Interaction of picosecond laser pulses with organic molecules.II.Two-photon absorption cross-sections.//Proc.R.Soc.Lond.-1972.-A329,P. 105109.

34. Saissy A., Azema A., Botineau J., Gires F. /Appl.Phys.-1978. v.15, P.99. Цит no 24.

35. Catalano I.M.,Cingolani A.,Ferrara M.,Lugara M./Multiphoton cross-section determination by means of luminescence experiments. //Optica acta.-1980.-v.27, N5, P.625-635.

36. Catalano I.M.,Cingolani A./Multiphoton cross-section measurements with low-power CW laser-induced luminescence.//Appl.optics.- 1982.-v.21,N3,P.477-480.

37. Catalano I.M.,Cingolani A./Absolute two-photon fluorescence with low-power CW lasers.//Appl.Phys.Lett.-1981.-v.38,N10,P.745- 747.

38. Kendy S.M. Lytle F.E. /p-Bis(o~metthylstyryl)benzene as a Power-Squared Sensor for Two-Photon Absorption Measurements between 537 and 694 nm.//Anal.Chem.-1986.v.58, p.2643-2647.

39. Xu C., Guild J., Webb W.W., Denk W. Determination of absolute two photon excitation cross sections by in situ second - order autocorrelation. Optics Letters, 1995, V. 20, N 23, p. 2372 - 2374.

40. Giordmine J.A., Rentzepis P.M., Shapiro S.L., Wecht K.W. Two Photon Excitation of Fluorescence by Picosecond Light Pulses. -Appl. Phys. Letters, 1967, V. 11, N 7, 216 - 219

41. Diels J., in Dye Laser Principles, Duarte F.J. and Hillman L.W., eds. (Academic, San Diego, Calif., 1990), p. 104.

42. Webb W.W., Xu c. Measurement of two photon excitation cross sections of molecular fluorophores with data from 690 nm to 990 nm. Biophys. J. 1995, V. 68, p. A197.

43. Peticolas W. Norris R. Rickoff K./Pabrization effects in the Two-photon exitation anthracene fluoriscence.// J.Chem.Phys. 1965. V.42. N13, P.4164-4169.

44. McMahon D. ,Soref R. Franklin A./Quantative measuruments of doubl-photon absorption in policyclic benzene rig compaunds.// Phys.Rev.Lett. 1965. V.14. P.1060-1062.

45. Галанин М.Д. Чижикова З.А. Письма в ЖЭТФ.- 1966. Т.4. С.41

46. Александров А.П. Генкин В.Н. Ефремова Г.Ф. Леонов A.M. Изв.вузов (Радиофизика). 1967. Т.10. С.145.

47. Александров А.П. Бредихин В.И. Оптика и спектроскопия -1971. Т.30. С.72.

48. Herman J.P.,Ducuing J. Dispersion of the two-photon cross section in rodamin dyes.// Opt. Commun. 1972. V.6. P.101137

49. Венкин Г.В., Зубов Б.В., Кузьмин М.Г./ Наблюдение нелиней-ного поглощения в некоторых органических веществах. //Нелинейная оптика. Новосибирск. 1968. С.346-347.

50. Sperber P.,Penzkofer A. So— Sn Two-photon absorption dynamics of rhodamine dyes.//Optical and Quantum.Electr. -1986. V.18. P.381-401.

51. Kennedy S.M.,Lytle F.E. p-bis (O-Methylstyril) benzene as a power-squared sensor for two-photon absorption measurements between 537 and 694 nm.//Anal.Chem. 1986. V.58,N13. P.2643 -2647.

52. Hassinger M.J. Ph.D. Thesis. Purdue University, West Lafayette, IN.- 1983.

53. Birge R.R. Bennett J.A. Pierce B.M. Thomas T.M. J. Am. Chem. Soc. 1978. V.100. P.1533-1539.

54. Monson P.R. Ph.D. dissertation (University of California at Berkley) 1972.

55. Pradere F.,Hanus J.,Schott M. Compt.Rend.Acad.Sci.(Paris) -1966. V.263B. P.372.

56. Penzkofer A.,Faljenstein W.,Kaiser W. Appl.Phys.Lett. 1976. V.28. P.319

57. Lotem H.,DeAranjo C.B. Phys.Rev.B. 1977. V.16. P.1711

58. Kochevar I.E.,Hefetz Y.,Dunn D.A.,Deutsch T.F.,Bucley L., Hillinkamp F. DNA photo products formed using high intensity 532-nm laser radiation.// Proceedings Laser Applications in Life Sciences. Part II. SPIE. 1990. V.1403. P.756-763.

59. Herman J.P.,Ducuing J. Absolute mesurement of two-photon cross section.//Phys.Rev.A.-1972.-v 5,No6, P.2557-2568.

60. Бурштейн Э.А. Люминесценция белковых хромофоров. М. 1976.138

61. Бурштейн Э.А. Собственная люминесценция белка М. 1977г.

62. Kogelnik Н., Shank C.V. J. Appl Phys 43,P 2327.

63. Dey Lasers edited by F.P. Schafer. Springer-Verlay, Berlin 1973.

64. M. Борн M., Вольф Э. Основы оптики.-М.:Наука,1970.-856c.

65. Смирнов A.M. Применение ФЭУ 140 в импульсной спектроскопии плазмы/ //Приборы и техника эксперимента-1987-N3 С.57.

66. Веселов А.К. /Спектральные характеристики некоторых ФЭУ//Приборы и техника эксперимента- 1987-N4 С.63.

67. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.:В 3-х томах. Пер. с англ. 4-е изд. перераб. и доп. М. :Мир, 1993.- т.1 -413 с.

68. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-Л.:Энергоатомиздат, 1988.-304с.

69. Финогенов Г.К. Программирование измерительных систем реального времени. М.:Энергоатомиздат 1990.-256с.

70. Задков В.Н., Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: Архитектура и программные средства автоматизации. М. Наука 1988г.

71. S.De Silvestri, P.Laporta, V. Magni./14-W continuouswave mode-locked Nd:YAG laser.//Opt. Lett. 11, N12, -1986, p785-787.

72. A.P. De Fonso, M. Gitkind, C.R. Luts and T.A. Kucta/ Hight power harmonically mode-locked cw-pumped Nd:YAG laser.// Appl. Opt., 0V27, N17, 1988, p3604-3607.

73. V.Magui./ Resonators for solid state lasers with large - volume fundamental mode and nigh alignment stability./Appl. Opt.,V25, N1, 1986, pl07-l 17.

74. Когельник,Ли "Резонаторы и световые пучки лазеров". ТИИЭР, 1966,t.54,N 10 с.95-113.139

75. Справочник по лазерам. (Под ред. A.M. Прхорова, в 2-х томах, т.1. М., Советское радио, 1978-504с.

76. Лазеры на алюмоитриевом гранате с неодимом. Г.М. Зверев и др. М., Радио и связь, 1985, 144с.

77. Дмитриев В.Г., Уманский Н.В., Шкунов Н.В. Технические напряжения в активных элементах в непрерывном режиме накачки. Квантовая электроника, 1971,N2, с.80-86.

78. Berlman Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecyles. 2nd ed. New York 1971 p.473.

79. Никогосян Д.Н. Действие мощного УФ излучения на основания нуклеиновых кислот./Квантовая электроника т.8 N 12 1981 г. стр.2674-2679.

80. К.Сале, Р.В. Бензассон, P.C. Беккер Свойства возбужденныых состояний компонентов нуклеиновых кислот./Квантовая электроника т.8 N 12 1981 г. стр. 2609-2616.

81. Штокман М.И. Селективная двухквантовая фотомодификация нуклеиновых кислот.//Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения. М. 1988г. 65 стр.

82. Бенинецкая М.И., Козинов А.Л., Новожилов С.Ю., Штокман М.И. Универсальность нелинейного разрезания ДНК по типу красителя. Новосибирск 1984г. с. 134.

83. Бамрук В.В., Камалов В.Ф., Коротеев Н.И., Толеутаев Б.И., /Люминесценция кристаллов аденина и цитозина при двухфотонном возбуждении// Доклады АН СССР 1986т.289, №6, 1497-1500.

84. Левшин Л.В. Салецкий A.M. Люминесценция и ее измерения. М.,1989г.

85. Паркер С Фотолюминесценция растворов М., Мир 1976г.

86. Берковский А.Г. Вакуумные фотоэлектронные приборы. M 1986г.