Нелинейная модуляционно-поляризационная спектроскопия сред на основе бактериородопсина тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІД ІМ. ІО. ФЕДЬКОВИЧА

" На правах рукопису

КУЛІКОВСЬКА Ольга Андріївна

НЕЛІНІЙНА МОДУЛЯЦІЙНО-ПОЛЯРИЗАЦІЙНА СПЕКТРОСКОПІЯ СЕРЕДОВИЩ НА ОСНОВІ БАКТЕРЮРОДОПСИНУ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернівці-1996

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник кандидат фізнко-магематичіїих наук.

старший науковий співробіїник Тараиеико Віктор Борисович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, завідуючий відділом

Тарасов Георгій Григорович

кандидат фізико-математичних наук, доцент Підкамінь Леонід Йосипович

Провідна організація: Ужгородський державний університет,

м. Ужгород

Захист відбудеться “лС ” 1996 р. о / У годині

на засіданні спеціалізованої Вченої ради К07. 01. 05 при Чернівецькому державному Університеті ім. Ю. Федьковича за адресою: 274012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського. 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Чернівецького державного університету.

Автореферат розісланий “ •¿І " С/ 2'// 1995 р

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Полянськіш П Н.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дана робота належить до розділу нелінійної поляризаційної он гики [1] найважливіших фотоактивних біополімерів [2-4], що на протязі останніх десяти років с сферою інтенсивних наукових досліджень в усьому світі. Вже самі перші дослідження показали, що гігантська анізотропна нелінійність таких біополімерів як бактеріородопсин надзвичайно приваблива для вирішення цілою ряду актуальних завдань прикладної оптики, а саме: оптичної обробки інформації, створення оптичної пам'яті великої місткості, тощо.

Проте подальший розвиток цього напрямку потребує ефективних методів дослідження нелінійних свігдоінд)кованих процесів у бактеріородопсині, механізму його функціонування, що с досить складними і, не зважаючи на значну кількість робіт, остаточно не з’ясованими. Поряд з такими нелінійно-оптичними явищами і методами на їх основі, як генерація 2-ї гармоніки, одно- та двофотоіше поглинання, вироджена чотирихвильова взаємодія, невироджена по частоті двопучкова взаємодія, заслуговує на увагу і векторна двопучкова взаємодія (ДПВ). Поляризаційний аспект ДІШ залишився поза увагою, проте він обіцяє стати достатньо універсальним, точним і простим інструментом дослідження нелінійних середовищ.

Тому вивчення векторної ДПВ та створення на її основі нового методу дослідження оптичної нелінійності є актуальною задачею. З іншого боку актуальним є також його використання для дослідженя БР і його аналогів, як нелінійно-оптичних середовищ, та вивчення фізичних процесів, які лежать в основі функціонування цього унікального світлочутливого білка.

Метою роботи було дослідити перетворення оптичної поляризації при векторній двопучковій взаємодії в ізотропних (цеіпросиметричних) нелінійних середовищах з комплексною тензорною нелінійніспо та розробити на його основі прецизійний метод нелінійної модуляційно-поляризаційної спектроскопії, а також одержати з його допомогою нові відомості про стаціонарні та нестаціонарні світлоіндуковані процеси в середовищах, що містять бактеріородопсин.

Для досягнення цієї мети вирішувались такі конкретні завдання:

• проведено теоретичний аналіз ДПВ з врахуванням поляризації взаємодіючих хвиль у загальному випадку для ізотропних середовищ, що мають комплексну тензорну

1

нелінійність; в результаті проведеною аналізу встановлено залежність нелінійної зміни параметрів поляризації від амплітудної та фазової частин комплексних компонент тензора нелінійності;

• розроблено мегод нелінійної модуляційно-поляризаційної спектроскопії, який дозволяє за станом поляризації двох взаємодіючих пучків визначати комплексні компоненти тензора пелінійпості, вивчати процеси збудження та релаксації нелінійності; створено експеримертальну установку' - прецизійний нелінійний поляризаційно-модуляційний спектрометр;

• розроблений метод застосовано для дослідження суспензій та полімерних плівок природного ВЯцТ та генетично модифікованого ВЛгуил- визначено фази і модулі комплексних компонент тензора нелінійності, час релаксації, коефіцієнт дифузії.

Метоли дослідження. У роботі розроблено і застосовано оригінальний метод нелінійної модуляційно-поляризаційної спектроскопії.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в пій вперше:

- показано, що при взаємодії двох пучків однакової частоти, але різної поляризації, в ізотропних середовищах з комплексною нелінійністю (як ізотропною, так і анізотропною) в загальному випадку відбувається перетворення поляризації взаємодіючих пучків, яке визначається параметрами нелінійності середовища; у випадку слабкої взаємодії встановлено простий зв'язок між зміною стану поляризації пучків та дійсною і уявною частинами компонент тензора нелінійності;

- запропоновано використати векторну ДПВ для дослідження комплексної нелінійності та створено на її основі новий метод нелінійної модуляційно-поляризаційної спектроскопії;

- одержано нові відомості про фоювідгук бактеріородопсину, зокрема: для ВЯпил визначено модулі і фази комплексних компонент тензора нелінійності, час релаксації нелінійності, коефіцієнт дифузії, виявлено нові складові у кінетиці дійсної частини комплексної нелінійності, відсутні в уявній частині, обумовленій поглинанням інтермедіатів, відмінність фазових частіш нелінійності ВЯщ і #Лшр5.\’-

Практична цінність роботи полягає в тому, що в ній:

розроблено новий метод точного вимірювання комплексних компонент тензора нелінійності, який базується на векторній взаємодії двох пучків: одного - з

фіксонапою поляризацією і фазою, іншого - з промодульованою у часі поляризацією і(або) фазою, що призволить до модуляції поляризації обох пучків на виході, яка вимірюється за сигналом биття ортогональних компонент поляризації;

у межах методу нелінійної модуляційно-поляризаційної спектроскопії запропоновано новий спосіб точного вимірювання поляризації оптичних хвиль при їх векторній взаємодії в нелінійних середовищах (0.1-0.3% для амплітуд поля, 2-6" для фаз), який мас самостійне практичне значення;

за допомогою розробленого методу виміряно стаціонарні значення комплексних компонент тензора иелініГшості, а також часову динаміку їх нелінійного збудження і багатоступеневої релаксації, коефіцієнт дифузії, час релаксації.

Положення, що виносяться на захист:

1. При когерентній та некогерентній векторній двопучковій взаємодії у центросиметричних середовищах з комплексною тензорною нелінійшетю в загальному випадку відбувається перетворення оптичної поляризації пучків внаслідок взаємодії ортогональних компонент поляризації на динамічних гратках та анізотропії. У наближенні слабкої взаємодії існує аналітичний зв'язок параметрів поляризації пучків (еліптичності і азимута еліпса поляризації та інтенсивності) з параметрами нел¡ш¡"шості середовища.

2. Визначення стаціонарних значень комплексних компонент тензора нелініїшості досягається при когерентній векторній двопучковій взаємодії шляхом часової модуляції поляризації одного з ітучків на вході, яка призводить до модуляції поляризації обох пучків на виході, та порівняння вихідних і вхідних сигналів биття ортогональних компонент поляризації.

3. Визначення динаміки комплексних компонент тензора нелінійносгі досягається при некогерентній двопучковій взаємодії у нелінійному інтерферометрі шляхом модуляції фази опорного пучка і порівняння вихідних сигналів биття, виміряних у стробоскопічному режимі.

4. Одержані для суспензій і полімерних плівок природного та генетично модифікованого ф96ЬГ) бактеріородопсину експериментальні результати містять нову інформацію про молекулярні процеси функціонування бактеріородопсину, зокрема, засвідчують наявність прямо не пов'язаних з хромофором структурних змін білка

впродовж фотоциклу, наявність у хромофору молекули в основному стані відмінної від нуля поперечної компоненти в поглинанні і зміни його орієнтації в процесі світлоіндукованото переходу з основного стану до іитермедіату М.

Вірогідність наукових результатів забезпечена використанням сучасних вимірювальних приладів та обладнання з відомими характеристиками, керування режимами вимірювань та збору даних за допомогою персонального компьютера, а іакож числової обробки одержаних експериментальних даних.

Особистий внесок автора полягає в проведенні більшості експериментальних досліджень та обробки результатів, участі в теоретичних розрахунках і інтерпретації одержаних даних.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідатись і обговорювались на 1-й і 2-й Міжнародних конференціях з голографії та кореляційної оптики (Чернівці, 1993р., 1995р.), Міжнародній конференції з нелінінно-опгичннх властивостей органічних матеріалів (Сан Дією, США, 1993), Міжнародному семінарі з оптичної діагностики матеріалів та елементів для опто-, мікро- і квантової електроніки (Київ, 1993р., 1995р.), Польсько-Українському семінарі з оптоелектронної метрології (Ланцут, Польша, 1994р.), Міжнародній конференції з фогоактивних органічних матеріалів (Авіньон, Франція, 1995р.), Міжнародній конференції з матеріалів для нелінійної оптики (Валь 'І'оренс, Франція, 1996р.), а також на семінарах Інституту фізики НАН України,

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 9 робіт, перелік яких дасться наприкінці автореферату.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проведених в дисертаційній роботі досліджень, сформульовано мету роботи, визначена наукова новизна а також викладені положення, що виносяться до захисту.

Перший розділ містить відомості про структуру бактеріородопсипу та механізм його функціонування, огляд літературних джерел по ДГІВ у центросиметричних середовищах. Подано ідею векторної ДПВ та проведено аналіз когерентної взаємодії для випадку ізотропної нелінійності.

Виявленим близько двадцяти років тому у так званих пурпурних мембранах галобакісрііі, бактсріородоисин являє собою білок, що складається з 248 амінокислотних залишків, до одного з яких у якості хромофору приєднаний ретиналь [5]. Під дією світла відбувається ізомеризація ретиналю і замкнутий цикл хімічних перетворень, який супроводжується переносом протону через мембрану. Спектральні ііпермедіати циклу мають різці спектри поглинання у всій видимій області спектру і різний час життя. Тому у збудженому стані таке середовшце являє собою суміш спектральних інтермедіатів, представлених зі своєю ватою, а збудження і релаксація є складним багатоступеневим процесом.

Матеріали на основі бактеріородопсину є здебільшого макроскопічно ізотропними середовищами з нелінійними заломленням та поглинанням, які можуть бути як ізотропними, так і анізотропними. Ізотропну нелінійшсть мають суспензії пурпурних мембран, оскільки досить висока обертальна рухливість пурпурних мембран усереднює анізотропні молекули по орієнтаціях. З іншого боку, трансляційна рухливість має бути невеликою, щоб не зашкоджати запису динамічних граток. Полімерні плівки, у яких молекули бактеріородопсину фіксовані в полімерній матриці і тому позбавлені обертальної рухливості, мають анізотропний нелінійний відгук. Проте лінійний показник заломлення залишається статистично ізотропним [2]. В загальному випадку нелінійшсть таких середовищ опнсуєггься тензором кубічної сприйнятливості 4-го рангу, який налічує чотири ненульовнх комплексних компоненти, три з яких - незалежні: Хщ) = Хц22 + ^і22і + ^І212 комплексний характер % враховує нелінійні поглинання і заломлення

V = Ке( V)+/Іт< V,) = |х|ехр(/ф).

Як добре відомо, вироджена когерентна ДПВ в середовищах такого типу не призводить до перекачки енергії з одного пучка в інший, якщо наведена світлом гратка показника заломлення збігається по фазі з інтерференційною картиною, що її записує. Щоб уникнути цього, необхідно забезпечити їх розбіжність у просторі, що найчастіше досягається зняттям виродження по частоті або фазі [7,8]. На цей час невироджена ДПВ вивчена теоретично і реалізована експериментально, більш того, використовується для дослідження комплексної нелінійності, як то Керівської чи

резонансних середовищ з насиченням. Проведений аналіз стосується випадку, коли оба пучки мають однакову поляризацію, а нелінійність середовища ізотропна. Для середовищ з анізотропним фотовідгуком реалізована некогеренгна взаємодія двох пучків з різною поляризацією, коли оптична анізотропія, індукована помпуванням, змінює поляризацію пробного пучка. Можна припустити, що вироджена по частоті, але не вироджена по поляризації ДПЗ, призводить до перетворення поляризації пучків без перекачки енергії між ними. Проте подібного аналізу ДПВ з врахуванням векторної природи взаємодіючих хвиль досі проведено не було.

Взаємодія двох пучків, що мають однакову частоту, але різну поляризацію, описується системою зв'язаних рівнянь, подібною за формою до рівнянь для чотирихвильової взаємодії [9], коли роль хвиль накчки і сигнальних хвиль відіграють ортогональні компоненти поляризації пучків. Розв'язати таку систему рівнянь у загальному випадку можна лише числовими методами. Аналітичний розв'язок одержано в наближенні слабкої взаємодії [1*]. Розглянемо його для найпростішого випадку, коли середовище мас ізотропну нелінійність, а один з пучків на вході поляризований лінійно, наприклад у площині х, інший - довільно. Позначимо їх г та т, відповідно. Тоді в наближенні слабкої взаємодії і за умови /1(0) « Агх(0), Лтх(0), Агу(0) - 0 на виході середовища маємо амплітуди

ортогональних компонент поляризації г-пучка Агх{Ь), А (І*) та різниці фаз між

ними фг: .

= [1 + * Іт(х)Е(і + рстх )/„ ]ехр(- а£/2),

(1)

(в =6- — + ~кЯе(х)ір(с +с -с )/ .

Тг Т 2 2 \ ™ шх ту/ о

с +с -с /

гх шх ту І о

Тут і далі: ф = агсІап[іт(х)/іІе(х)] ±(я/2)(і - Ке(х)/|іЦх)і) - аргумент комплексної нелінійності, І = [і - ехр(- 2каЬ)у2ка - нормована товщина нелінійного

лекс-

середовища, ск = Л*х (0)//О(0) та стх = (0)/^0 (0) - нормовані інтенсивності

ортогональних компонент на вході, І0 - повна інтенсивність пучків, а - інтенсивнісний коефіцієнт поглинання, к - хвильове число. Ці рівняння описують еліпс поляризації. Пучок г, поляризований лінійно на вході, має еліптичну поляризацію на виході. Це нелінійнійне перетворення поляризації визначається нелінійністто середовища та взаємодією усіх 4-х ортогональних компонент поляризації пучків.

У лпугому роїділі запропоновано і реалізовано метод виміру стану поляризації пучків та визначення на його основі таких параметрів нелінійності як модулі і фази комплексних компонент тензора нелінійності, час релаксації нелінійності, коефіцієнт дифузії. Приведено експериментальні дані, одержані за допомогою цього методу, для суспензій та полімерних плівок пурпурних мембран.

Проведений аналіз иевнродженої по поляризації ДПВ виявив досить простий аналітичний зв'язок зміни поляризації пучків з дійсною і уявною частинами £, що дозволяє використати векторну ДПВ для визначення параметрів нелінійності середовищ. Як видно з (1) вклади амплітудної і фазової частин х розділилися, і для їх визначення достатньо порівняти поляризації пучків на вході і виході. Для цього придатний стандартний компенсаційний кутомірний спосіб, проте точність Його невелика. Ми запропонували об'єднати переваги високочутливого інтерференційного та модуляційного методів: промодулювати поляризацію т-пучка на вході, змінюючи різницю фаз між його ортогональними компонентами бт0(/) [ 1 *,5*]. При повільній,

порівняно з часом релаксації нелінійності, модуляції можемо скористатися стаціонарними розв'язками (1), врахувавши, що на виході будуть промодульованими поляризації обох пучків, в тому числі і г: різниця фаз між його ортогональними компонентами Дг(/) = 5т0(г) + фг. Ідею цього методу пояснює Рис.1. Якщо пучок г з промодульованою поляризацією пропустити через аналізатор, вісь якого нахилена під невеликим кутом Т до осі_у, то одержимо сигнал биття, обумовлений інтерференцією ортогональних компонент поляризації:

/Д/.Т) = А^(і)5іп2 4у + А^(1)соз2 4у + (2)

Його амплітуда визначаться амплітудами Ап(І) і А^{Ь), а фаза - різницею фаз

між ними Д (0. Оіжс, за сигналом биття, можна визначиги поляризацію пучка, а, значить, і комплексну нслініґшість середовища.

Позитивною якістю такого методу є можливість пригнічення сильної хвилі нульового порядку при відповідному повороті осі аналізатора, що дозволяє досліджувати малоефективні динамічні гратки [2*].

Експериментальна апробація методу проводилась для дослідження нелінійності ВКНТ і ВЯотн [Ю]. В якості зразків використовувались водно-гліцеринові суспензії пурпурних мембран, як джерело випромінювання - неперервний Не-Ие лазер (бЗЗнм). Один із взаємодіючих пучків (т) проходив через поляризаційний інтерферометр. Його поляризація задавалась положенням дзеркала, встановленого на п'єзокераміку в одному з плеч інтерферометра. Період модуляції поляризації становив бсек. і значно перевищував час релаксації нелінійності. Поляризація пучка г була лінійною. Керування вимірами, збір та обробка експериментальних даних здійснювались за допомогою персонального комп’ютера, з використанням програмного забезпечення, розробленого В.Ю.Баженовим. Виміряні таким чином сигнали биття є результатом усереднення 100 вимірів і при апроксимації їх функцією (2) дають значення амплітуд х- і у-компонент поляризації та різниці фаз між ними. Проводилась серія вимірів для різних значень інтенсивності падаючих пучків. Апроксимація одержаних залежностей параметрів поляризації від інтенсивності виразами (1) дає змогу визначити модуль і

фазу комплексної неліпійності. Для прикладу, на Рис.2 зображені експериментальні та

апроксимашГші (пунктир) крипі для ВД¡тч-

-,0.6

Інтенсивність на пході Іг., мвт/см

Рис. 2.

Результати обчислень модуля комплексної неліншності і її фази ф для BRnт та таблиці

BRtvr DRd96N

Ф.Г 170.8+0.3 160.4±0.2

|/ij, см2/мвт (3.6+0.4)104 (1.6±0.2)-10‘5

Іш(й2) / Re(«2) -0.162±0.05 -0.356M.04

Д см2с' 8 10'9+5 IO’8 7 10'іа+4 Ю ^

BRrm\ подані [1*,2*,5*,9+].

Когерентна векторна ДПВ дозволяє також вивчати пронеси дифузії у нелінійних матеріалах. Оскільки дифузія призводить до стирання динамічних граток, то ефективність когерентної нелінійної взаємодії визначається, крім коефіцієнту неліпійності, коефіцієнтом дифузії D та просторовим періодом гратки А. Змінюючи кут між падаючими пучками і вимірюючи залежності стаціонарного фотовідгуку від періоду гратки Л, можна визначити коефіцієнт дифузії. У таблиці приведені значення D для водно-гліцеролових суспензій в залежності від концентрації гліцеролу.

Наголосимо, шо одержані для суспензій дані - це усереднені по орієнтаціях молекул харашеристики, які не дають відомостей про анізотропію самих молекул. Щоб мати таку інформацію, необхідно дослідити анізотропну нелінійність. Рівняння, що описують векторну ДПВ в середовищі з анізотропною нелінійністю, значно складніші, ніж у випадку ізотропної неліпійності, оскільки включають в себе вже всі чотири комплексних компоненті! тензора неліпійності, і враховують взаємодію як іч динамічних гратках, так і на наведеній анізотропії. На поляризацію пучків накладаються додаткові умови, пов'язані з тим, що при так званих власних

поляризаціях пучки проходять через нелінійне середовище без змін. Тому таких поляризацій пучків на вході потрібно уникати. Виберемо, як і раніше, поляризацію /•пучка лінійною і паралельною х. Щоб розділити вклади чотирьох компонент X • ми запропонували промодулювати поляризацію /л-пучка, окремо змінюючи фаїн х- і у-компонент поляризації [3*, 9*]. Якщо поляризацію модулювати по ступенеіюму закону {5 (/) = 0 при <<0 і 5^(?) = 5^0 при 1>0}, тобто швидко, порівняно з часом

релаксації келінійності, то поляризація пучків на виході буде змінюватись скачком, причому, його величина визначатиметься лише двома з чотирьох компонент х. їх вклад можна розділити, якщо здійснити вимірювання в двох конфігураціях поляризатора: відкритій (паралельно х) та майже закритій (під невеликим кутом до осі у). При цьому ми одержимо чотири сигнали биття, утворені інтерференцією ортогональних компонент поляризації пучка, кожний з яких визначається лише однією комплексною компонентою тензора х. причому, фаза сигналу биття визначається фазою відповідної комплексної компоненти, а амплітуда - відповідним модулем. Огже, вимірюючи чотири сигнали биття, ми можемо визначити модулі і фази чотирьох комплексних компонент тензора келінійності.

Описаний вище метод дослідження середовищ з анізотропною нелінійністю продемонстровано для полімерних плівок Визначено фази та співвідношення

дійсних і уявних частіш компонент тензора нелінійної сприйнятливості: Фцц=-

110.3‘±0.2‘, ф 122)=-108.5‘±0.2°, |х1п1|/|Хі22і|=2-82±0.02. Відповідно маємо:

КК*піі)/Кє(*і22і)=2-76±005 ' Іт(*пп)/1т(*і22і)=31|±005' Ці значення Де'«0 відрізняються від розрахованих в рамках моделі “випалювання дірок” у куговому розподілі фіксованих у жорсткій матриці ідеальних лінійних диполів (Ке(х,ш)/Ке(х,221) = Іт(Хіт)/1т0С|22і)=3)- Різииию можна пояснити тим, що хромофор молекули БР в основному стані має відмінну від нуля поперечну компоненту в поглинанні, а в процесі світлоіндукованого переходу з основного стану до інтермедіату М змінює свою орієнтацію.

Підкреслимо, що одержані результати стосуються фотостаціонарного стану середовища. Однак, для такого складного середовища як бактеріородопсин важливо

10

шати не тільки стаціонарні характеристики, а й прослідкувати динаміку збудження та релаксації нелініііності.

Третій розділ присвячено аналізу иекогерентної векторної ДПВ та розробці на її основі методу дослідження динаміки збудження та релаксації усіх компонент тензора неліншності. Для цього запропоновано об'єднати перевага поляризаційної спектроскопії, нелінійної інтерферометри та стробоскопічної реєстрації в одному методі [8*].

Розглянемо некогереніну взаємодію сильного пучка помпування з фіксованою поляризацією (г) і слабкого пробного пучка (т). Рівняння, що її описують, містять усі чотири комплексних компоненти тензора нелініііності, проте відсутні члени, які відповідають за взаємодію на динамічних гратках. Аналітичні розв'язки знайдено у наближенні слабкої взаємодії для випадків лінійно і циркулярно поляризованого помпування: залежність амплітуд компонент поляризації від інтенсивності

помпування задається уявними частинами Х^, а фаз - дійсними. Таким чином, для

визначення дійсних і уявних частин комплексних компонент тензора нелінійності достатньо виміряти зміни амплітуд і фаз компонент поляризації пробного пучка, індуковані хвилею помпування.

Рис. 3.

Для цього ми запропонували метод, принципова схема якого зображена на Рис.З. У нелінійному інтерферометрі Маха-Ценлера пробний пучок розділяється на дві частини: одна (сигнальна) проходіггь через плече із зразком нелінійного матеріалу, інша (опорна) - через пусте плече із п'єзодзеркалом ПД, що дозволяє змінювані

різницю фаз між ними. На виході вони ііггерферують, утворюючи після біпризми БП синусоїдальні сигнали биття І„, та Іу. Вимірюючи зміни амплітуд і фаз цих сигналів, індуковані помпуванням, можна визначити зміни компонент поляризації пробного пучка, а, отже, і комплексні компоненти тензора нелінійності.

Цей аналіз, строго проведений для стаціонарної взаємодії, можна застосувати і для дослідження динаміки, якщо врахувати співвідношення, які описують збудження і релаксацію нелінійності. У найпростішому випадку, коли імпульс помпування має' прямокутну форму, а нелінійність характеризується однією постійною часу х, збудження нелінійних поглинання і заломлення пропорційне [1 - ехр(-/ / т)], а релаксація - [ехр(-/ / т)].

Щоб точно виміряти динаміку нелінійних змін, ми використали стробоскопічний принцип реєстрації: імпульси помпування періодично (з частотою і!) індукують у середовищі нелінійні зміни, які тестуються значно коротшими за час релаксації пробними імпульсами з частотою Nil Від одного імпульсу помпування до іншого л'єзодзеркало трохи зміщується, вносячи додаткову невелику різницю фаз 5ф між лінійним і нелінійним плечами інтерферометра. Усі пробні імпульси, що мають однакову часову затримку після імпульсу помпування (тобто імпульси з однаковими порядковими номерами), відповідають одній і тій самій стадії нестаціонарного процесу, проте вдрізняються зсувом фаз між сигнальною і опорною хвилями. Зібрані разом, вони являють собою “миттєвий” синусоїдальний сигнал биття. Порівняння N таких сигналів з сигналом биття для незбуреного середовища дозволяє вирахувати N “миттєвих” значень відповідних компонент % і одержати, таким чином, інформацію про динаміку нелінійних змін дійсної і уявної частин компонент тензора нелінійності. Для експериментальної реалізації методу ми використали Аг* лазер неперервної дії (515нм) в якості помпування і He-Ne лазер (бЗЗнм) в якості пробного пучка. Імпульси утворювались за допомогою електро-оптичних та акусто-оптичних модуляторів, керованих комп'ютером. Тривалість пробних імпульсів фіксована і складала 5мкс, а імпульсів помпування - змінювалась у межах 5мкс+10с. Частота імпульсів змінювалась від 0.1 до 1000Гц. За таких умов типова процедура вимірювання

еквівалентна -40000 пооди ноких вимірів, що забезпечує високу точність: для зміни амплітуд вона складає 0.1-0.3%, а для зміни фаз - 2-6 кутових хвилин.

На Рнс.4 приведені одні з перших результатів по динаміці пропускання і зсуву фаз, індукованих лінійно поляризопа-' пою хвилею помпування, одержаних для полімерних плівок Видно, що індукований фазовий зсув досягає свого максимального значення швидше, ніж індуковане пропускання. Можна припустити, що ця розбіжність обумовлена додатковим вкладом у заломлення, спричиненим структурними змінами білка, прямо не пов'язаними з хромофором.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи:

- Показано, що при виродженій по частоті, але не виродженій по поляризації когерентній ДПВ перекачка енергії відбувається не між пучками, а між ортогональними компонентами поляризації пучків. У наближенні слабкої взаємодії знайдено аналітичний зв'язок параметрів поляризації пучків з параметрами нелінійності середовища, зокрема, для середовища з ізотропною нелінійністю зміна азимута еліпса поляризації пропорційна уявній частині комплексної нелінійності, я еліптичності - дійсній.

- При некогерентній векторній взаємодії двох пучків: сильного пучка помпування і слабкого сигнального пучка, відбувається перетворення поляризації сигнального пучка. У наближенні слабкої взаємодії для лінійно або циркулярно поляризованого пучка помпування, зміна амплітуд ортогональних компонент поляризації пропорційна уявній частині . а зміна фаз - дійсній.

- Для визначення стаціонарних значень комплексних компонент тензора нелінійності запропоновано використати когерентну ДПВ. Зміна стану поляризації визначається шляхом часової модуляції поляризації одного з пучків на вході і

Час, мс Рис. 4.

порівняння вихідних та вхідних сигналів биття, утворених інтерференцією проекцій ортогональних компонент поляризації на вісь аналізатора: в середовищах з ізотропною нелінійшетю достатньо Повільної (порівняно з часом фоговідгуку середовища) модуляції різниці фаз ортогональних компонент поляризації; а в середовищах з анізотропною нелппйністю необхідна швидка модуляція фаз обох ортогональних компонент поляризації і вимірювання сигналів бипя у двох конфігураціях аналізатора на виході.

- ГІрн некогерентній векторній ДІІВ перетворення поляризації сигнального пучка визначається за зміною сигналів биття, що утворюються при його інтерференції з опорним пучком з нромодульованою фазою, виміряних до і після дії помпування. Стробоскопічний режим вимірювання та комп'ютерні збір і обробка даних дозволяють визначити динаміку всіх чотирьох комплексних компонент тензора нелінійності.

- Виявлена відмінність співвідношень амплітудної і фазової частин комплексної нелінійності Іш(£)/Ке(х) Для суспензій Дйіп (-0.162Ю.05) і ВЯццеа (-0.356±0.04) свідчить про те, що заміна амінокислоти Л$/>96 на Азп впливає на фотовідгук через структурну зміну білка.

- Визначені для полімерних плівок Вйот\ співвідношення Ке(хии)/Ке(хП22)=2.76±0.05 і ]т(хІт)/іт(хш1)=З.П±0.05 відрізняються від

розрахованих для ідеальних жорстко фіксованих лінійних диполів, що можна поясшгти наявністю у хромофора молекули БР в основному стані відмінної від нуля поперечної компоненти в поглинанні і зміною його орієнтації в процесі світлоіндукованого переходу з основного стану до інтермедіату М.

- Когерентна векторна ДПВ дозволяє досліджувати також процеси дифузії у нелінійних матеріалах, які проявляються у залежності фотовідгуку від періоду наведеної гратки. Коефіцієнти дифузії становлять 8'10'9+5'10‘® см2с'' для ВІЇНТ і 7 10'ІО+4 10'9 см2с' для Вііозт-

- Виявлена відмінність у динаміці індукованих фазового зсуву і пропускання свідчить на користь припущення про вклад у заломлення структурних змін білка, прямо не пов’язаних з хромофором.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

!.* Куликовська О.А., Тараненко В.Б., Шишкалова О.В. Нелінійне перетворення поляризації при виродженій лвопучковій взаємодії як метод діагностики динамічних фотохромних середовищ // УФЖ. 1992. т.37. №4. с.551-557.

2.* Бажспов В.Ю., Куликовська О.А.. Тараненко В.В., Шишкалова О.В. Вимірювання нелішшюсті фотохромних ссредовнщ на основі нестаціонарного перетворення поляризації при дпопучковій взаємодії// УФЖ 1992. т.37. №10. с.1475-1482.

3.* Баженов В.Ю., Куликовська О.А., Тараненко В.Б. Нелінійна модуляційна еліпсометрія анізотропних динамічних фотохромних середовищ//УФЖ 1993. т.38. №1. с.7-9.

4.'1' Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya O.A. Nonlinear modulated ellipsometry for characterization of biopolimers // SPIE proc. 1993. v.2853. p.206.

5.* Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya О.Л., Taranenko V.B. Nonlinear coherent polarimetry for measuring complex nonlinear index // Opt. Lett. 1994. v. 19. №6. p.38I-383.

6.* Taranenko V.B.. Bazhenov V.Yu, Kulikovskaya О.Л. Diagnostics of third-order nonlinear materials by nonlinear coherent polarimetry based on vector two-%vave mixing // SPIE proc. 1994. v.2113. p.146-152.

7.* Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya O.A. Nonlinear polarization-modulated ellipsometry // Proc. Polish-Ukr. Seminar on Opto-electronics Metrology 1994. p. 182-194.

8.* Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya О.Л. Time-resolved nonlinear polarization spectroscopy for measuring transient absorption and refraction in isotropic materials // SPIE proc. 1995. v.2648. p.410-416.

9.* Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya O.A. Nonlinear polarization-modulated spectroscopy of bacteriorodopsin and its analogs // Pure Appl. Opt. 1996. v.5. p.731-745.

Література, що цитувалась.

1.Желудсв Н.И. // Усп. Фнз. Наук. 1989. т.157. №4. с.683-717.

2.Bazhenov V.Yu., Soskin M.S., Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. // Optical Processihg and

Computing / Ed. by H.H.Arsenault et al. Boston: Academic Press, 1989. p. 103-143. 3.0esterhelt D., Brauchle C., HampN. // Quarterly Rev. of Biophys. 1991. v.24. p.425-478.

4.Birge R.R. // Annu. Rev. Phys. Chem. 1990. v.41. p.683-733. '

5.0esterhelt D., Stoeckcnius W. //Nature. 1971. v.233. №3852. p. 149-152.

6.Бломбергеп Н. Нелинейная оптика.: Переводе англ. М.:Мир, 1966. 424с.

7.Kramer М.А., Tompkin W.R., Boyd R.W. // Phys.Rev.A. 1986. v.34. №3. p.2026-2031.

8.McMichael I., Yeh P., Beckwith P. //Opt. Lett. 1988.V.13. №6. p.500-502.

9-Лесник C.A., Хижняк А.И. // УФЖ. 1991. т.36. №10. c.1452-1478. lO.Soppa J., Otto J., Straub J. et al. // J. Biolog. Chem. 1989. v.264. p.13049-13056.

Kulikovska O.A.

Nonlinear polarization-modulated spectroscopy of bacteriorhodopsin-based media.

Thesis for Candidate of Science Degree in Physics and Mathematics.

01.04.05 - Optics, Laser Physics, Chemivtsy University, Chernivtsy, 1996.

The transformation of an optical polarization configuration taking place at a vector two-wave mixing (TWM) in a centrosymmetric medium with complex tensor nonlinearity is studied in this work. Novel precise nonlinear polarization-modulated spectroscopic method based on a vector TWM is proposed. The method is applied for investigation of steady-state and transient nonlinear characteristics of bacteriorhodopsin-based materials. New data on light-induced process in this retinal-protein complex are obtained and discussed. Куликовская O.A. Нелинейная модуляционно-поляризационная спектроскопия сред на основе бактериородопсина.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - Оптика, лазерная физика,

Черновицкий госуниверситет, Черновцы, 1996.

В работе проведено исследование преобразования оптической поляризации при векторном двухпучковом взаимодействии в центросимметричных нелинейных средах с комплексной тензорной нелинейностью. Предложен прецезионный метод нелинейной модуляционно-поляризационной спектроскопии, основанный на векторном взаимодействии двух пучков. Метод применен для исследования стационарных и динамических нелинейных характеристик бактериородопсин-содержащнх сред. Получены и проанализированы новые данные о светоиндуцированных процессах в этом ретиналь-белковом комплексе.

Ключові слова: векторна двопучкова взаємодія, модуляція оптичної поляризації, комплексні компоненти тензора нелінійності, бактеріородопсин.