Оптическое управление и диагностика нелинейного реверсивного фотоотклика бактериородопсина тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правахрукописи

КОКЛЮШКИН Александр Владимирович

ОПТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И ДИАГНОСТИКА НЕЛИНЕЙНОГО РЕВЕРСИВНОГО ФОТООТКЛИКА БАКТЕРИОРОДОПСИНА

Специальность01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2004 г.

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Кожевников Н.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Котов О.И. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Брюшинин М А

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"

Защита состоится 21 октября 2004 года, в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.229.01 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, дом 29, 2-ой учебный корпус, ауд.470.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан сентября 2004 года Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.229.01

доктор физико-математических наук, профессор Водоватов И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одним из актуальных направлений современной оптоэлектроники является совершенствование оптических интерферометров, осуществляющих регистрацию сигналов фазовой, поляризационной или частотной модуляции. Серьезной проблемой при создании чувствительных интерферометров такого типа является обеспечение надежной работы интерферометра в условиях неизбежных помех, приводящих к нестабильности положения рабочей точки интерферометра, определяемой средней разностью фаз между пучками [1]. Подавление таких помех может быть осуществлено с помощью адаптивных электромеханических систем, однако, несмотря на значительный прогресс в создании подобных интерферометров, такой способ фильтрации низкочастотных помех характеризуется сложностью систем электронной автоподстройки и ограниченным динамическим диапазоном.

Альтернативным способом адаптивной стабилизации рабочей точки интерферометра является использование динамических голографических решеток в качестве смесителей пучков [2,3]. Нелинейные оптические материалы, используемые в таких адаптивных голографи-ческих интерферометрах, должны обладать высокой световой чувствительностью и разрешающей способностью, малой инерционностью реверсивного фотоотклика, и т.п. Разнообразие нелинейных материалов, пригодных для использования в когерентных оптических информационных системах, инициировало поиск и разработку таких методов диагностики и управления параметрами нелинейных сред, которые позволили бы прогнозировать и оптимизировать работу адаптивных лазерных интерферометров.

В настоящей диссертации исследуются две методики диагностики нелинейных сред. Первая основана на регистрации дифференциальных (разностных) спектров поглощения (ДСП), позволяющих рассчитать спектральные распределения дифракционной эффективности динамических решеток и их амплитудно-фазовых компонентов. В основе второй методики диагностики нелинейной среды лежит использование оптического интерферометра, который фактически решает обратную задачу - определения параметров среды по результату самодифракции фазомодулированных световых пучков.

Указанные методы диагностики использовались в настоящей диссертации применительно к средам, содержащим бактериородопсин (БР). Являясь типичным реверсивным фоточувствительным материалом со спектрально разделенными полосами поглощения, БР позволяет реализовать чисто оптическое управление голографической записью. Однако вопрос о возможности прогнозирования голографических характерисрпс_БЕ-ЛО. его ДСП до сих пор оставался открытым, прежде всего, из-за достаточно сложно ют-

ОЭ 200 ^«т^

ро достигаемого насыщения среды. Кроме того, работы, посвященные оптическому управлению голографической записью в БР фазомодулированными пучками, выполнялись в основном для случая объемной самодифракции световых пучков [4]. В то же время актуальным с научной и практической точек зрения является самодифракция каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с фоторефрактивными покрытиями. Исследование этой геометрии оптического смешения, проведенное в диссертации, демонстрирует новые потенциальные возможности применения сред, содержащих БР, в динамической голографи-ческой интерферометрии. Цель работы

Исследование физических процессов, определяющих возможность прогнозирования, диагностики и управления параметрами динамических голографических решеток, формируемых в процессе самодифракции световых пучков в реверсивной фоточувствительной среде на основе БР, в том числе используемой в качестве покрытия планарного оптического волновода. Задачи исследования

1. Экспериментальное исследование ДСП нелинейных материалов на основе БР с различным соотношением концентраций молекул в trans- и си-состояниях.

2. Сопоставление расчетных (по данным ДСП) и экспериментальных значений дифракционной эффективности амплитудно-фазовых решеток в нелинейных средах, содержащих БР, в широком диапазоне интенсивностей записывающих и управляющих световых пучков.

3. Теоретический расчет и экспериментальное исследование эффектов самодифракции каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с реверсивными фоточувствительными покрытиями.

4. Изучение эффективности оптического управления параметрами динамических голо-графических решеток, формируемых в реверсивном светочувствительном покрытии на основе БР.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Дифференциальные спектры поглощения нелинейных реверсивных материалов на основе бактериородопсина позволяют рассчитать спектральные распределения дифракционной эффективности динамических голографических решеток в длинноволновом диапазоне /году-полосы поглощения.

2. Насыщение фотоотклика материалов на основе бактериородопсина и его синтетических аналогов удовлетворительно интерпретируются в рамках схемы фотоцикла,

включающей в себя исходное trans- и возбужденное eis- состояния, что в свою очередь, обусловливает применимость соотношений Крамсрса-Кронига для расчета све-тоиндуцированных оптических характеристик среды.

3. Использование бактериородопсина в качестве покрытия пленарного волновода позволяет реализовать эффективную самодифракцию каналируемых фазомодулированных пучков, таким образом, реализуя адаптивный оптический интерферометр.

4. Самодифракция фазомодулированных каналируемых пучков в планарных волноводах с фоторефрактивным покрытием на основе генетически модифицированного бактериородопсина D96N, приводит к оптически управляемому энергообмену с эффективностью, сопоставимой с объемной самодифракцией в аналогичной нелинейной среде.

Научная новизна диссертации

1. В диссертации впервые детально исследованы дифференциальные спектры поглощения (ДСП) нелинейных реверсивных сред, содержащих БР, в условиях интенсивной подсветки этой среды когерентным излучением из полос поглощения состояний молекул БР. Показано, что информация, содержащаяся в ДСП, позволяет рассчитать спектральное распределение дифракционной эффективности амплитудно-фазовых решеток, формируемых в этих средах.

2. В отличие от известных публикаций, впервые получено удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных по энергообмену фазомодулированных пучков в нелинейных средах, содержащих БР, в широком диапазоне интенсивностей записывающих пучков.

3. Впервые продемонстрировал эффективный энергообмен фазомодулированных пучков в планарном оптическом волноводе с фоторефрактивным покрытием на основе БР.

4. Впервые изучено влияние внешней подсветки на эффективность самодифракции ка-налируемых мод в планарном оптическом волноводе с фоточувствительным покрытием на основе БР. В результате этого показано, что управляющее воздействие внешней подсветки может иметь противоположный характер в зависимости от степени насыщения среды.

Практическая значимость результатов работы

Сформулированная выше цель диссертационной работы, определившая направление

и характер проводимых исследований, тесно езязана с совершенствованием адаптивных го-

лографических интерферометров и расширением области их практического использования.

Установленная в диссертации связь спектроскопических и голографических характеристик

фоточувствительных сред, содержащих БР, позволяет оперативно, основываясь только на

данных ДСП, прогнозировать чувствительность голографического интерферометра в широком спектральпом диапазоне, целенаправленно управлять этой чувствительностью, оптически воздействуя на концентрацию БР в trans- и cis- состояниях.

Изученный в диссертации адаптивный интегрально-оптический голографический интерферометр на основе планарного оптического волновода с фоточувствительным покрытием представляет несомненную практическую ценность, так как впервые демонстрирует возможность использования фоточувствительных сред в качестве управляющей структуры, пространственно отделенной от среды, где распространяется основная часть излучения. Полученные в результате численные значения параметров модуляции выходного сигнала позволяют ожидать чувствительность регистрации сигнала фазовой модуляции, сравнимую с чувствительностью адаптивного интерферометра на основе объемной самодифракции.

Наконец, рассмотренные схемы управления голографическими характеристиками интерферометра, могут стать прототипом различных устройств оптической обработки информации, таких как оптические переключатели, корреляторы и т.п. Апробация работы

Результаты проведенных в работе исследований докладывались на международных конференциях: «VII республиканская научная конференция студентов и аспирантов» (Грод-по, 1999), «International Quantum Electronic Conference» (Москва, 2002), «CLEO/Europe 2003» (Мюнхен, 2003), «Лазеры, Измерения, Информация» (Санкт-Петербург, 2003, 2004), «XI Conference on Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2003), «Оптика 2003» (Санкт-Петербург, 2003), «Современные проблемы физики» (Минск, 2004). Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 8 печатных работах. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 180 наименований, содержит 185 страниц основного текста, включая 54 рисунка. Личный вклад автора

Все эксперименты, численные расчеты и их анализ выполнены лично автором, за исключением расчетов параметров каналируемых мод и экспериментов, связанных с оптически управляемым энергообменом в нелинейном покрытии планарного волновода, которые проводились совместно с к.ф.-м.н. Липовской М.Ю. Анализ спектрального распределения дифракционной эффективности динамических решеток на основе ДСП и оптически управляемая запись решеток в БР были выполнены под руководством к.ф.-м.н. Королева А.Е. Часть экспериментальных исследований, связанных с записью решеток в фоточувствительном по-

крытии планарных оптических волноводов, вьшолнялись в 2000 - 2002 г.г. в научно-исследовательском центре «Корнинг» в Санкт-Петербурге.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Дана общая характеристика диссертационной работы и обоснована ее актуальность. Поставлены цели работы, задачи, приведено краткое содержание глав диссертационной работы, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы защищаемые положения.

Первая глава представляет собой обзор литературы. В ней кратко рассматриваются вопросы определения чувствительности оптических интерферометров, стабилизации их рабочей точки, фильтрации низкочастотных помех. Отмечается перспективный метод стабилизации рабочей точки, в котором нелинейные светочувствительные среды используются в качестве смесителей фазомодулированных пучков. Проводится сопоставительный анализ современных методик диагностики нелинейных сред. Рассмотрен нелинейный фотоотклик материалов на основе БР и его аналогов.

Во второй главе представлены результаты измерений светоиндуцированных изменений в спектре поглощения суспензии БР D96N в глицерине. Молекулы БР под действием света могут накапливаться в двух состояниях — основном (trans-) и возбужденном (c/J-)i, с широкими (~100нм) полосами поглощения, имеющими максимумы на 570нм и 412нм соответственно [5,6]. Результирующий спектр поглощения определяется концентрациями молекул БР в этих состояниях. По спектру поглощения с помощью известных линейных дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига можно рассчитать спектральное распределение показателя преломления БР. Однако для прогнозирования топографических экспериментов знание спектра поглощения оказывается недостаточным, так как запись динамических решеток в нелинейной среде, содержащей БР, связана, прежде всего, с пространственной модуляцией соотношения концентраций молекул в указанных состояниях. Именно поэтому для диагностики нелинейного фотоотклика БР необходимо измерение спектров поглощения для разных концентраций молекул БР в двух состояниях, которые варьируются путем изменения интенсивности когерентной засветки среды излучением с длинами волн из полос поглощения trans- состояния (В-полоса) и/или eis - состояния (М-полоса). Вычитая из измеренных таким образом спектров поглощения исходный спектр, получаем так называемые дифференциальные спектры поглощения (ДСП), на основании которых и рассчитывается спектральное

распределение дифракционной эффективности голографических решеток и их амплитудно-фазовых компонентов.

В §2.1 описывается методика регистрации ДСП при засветке суспензии БР D96N пучками монохроматического излучения из В-полосы (бЗЗнм, He-Ne лазер Spectra Physics) и/или из М-полосы (441нм, He-Cd лазер Kimmon Electric), интенсивности которых сопоставимы с интенсивностью насыщения В-полосы поглощения. Спектры поглощения регистрировались с помощью спектрофотометра Carry 500 Scan (Vaiian) с последующей компьютерной обработкой полученных результатов. Засвечивающие пучки вводились в спектрофотометр с помощью световодного жгута с коллимирующей линзой на выходе. Исходным спектром поглощения для ДСП считался спектр поглощения среды при комнатном освещении, что в большинстве случаев соответствует начальным условиям голографических экспериментов.

В §2.2 анализируются светоиндуцированные изменепия в спектре поглощения БР D96N при воздействии либо только красного (бЗЗнм), либо только синего (441 им) излучений. Характерное семейство полученных таким образом ДСП показано на рис.1. При засветке среды излучением из М-полосы надежно обнаружено смещение максимума В-полосы в длинноволновую область и «раздвоение» М-молосы, которые иногда в литературе объясняют появлением двух различных cis- состояний молекулы БР [6].

В §2.3 изучены вопросы, связанные с релаксацией БР и точностью воспроизведения исходного спектра поглощения после возбуждения среды дополнительной засветкой. Эти результаты имели большое значение для отработки методики спектрофотометрических измерений ДСП. Было обнаружено, что после прекращения действия как синего (441нм), так и красного света (бЗЗнм) повторное спектрофотометрирование регистрирует небольшой рост поглощения в В-полосе относительно исходного спектра поглощения и смещение ее максимума. Время восстановления формы исходного спектра поглощения после прекращения возбуждения синим светом (441нм), достигало 150 мин независимо от интенсивности освещения, что учитывалось при регистрации этой серии ДСП.

В §2.4 приводятся результаты измерения ДСП при одновременном возбуждении суспензии БР D96N излучением с Хв =633нм и с Хм =441нм. Было установлено, что суммарное действие указанных излучений может оказаться не равным сумме воздействий, полученных в результате их независимого возбуждения среды. Определены спектральные области, где аддитивность двухдлинноволнового возбуждения не выполняется, а также такие соотношения интенсивностей, при котором действие синего света i(X.M =441нм) увеличивает, уменьшает или не изменяет поглощения, вызванного красным излучением ( бЗЗим).

Третья глава посвящена расчету по измеренным ДСП спектрального распределения дифракционной эффективности динамических амплитудно-фазовых решеток в БР D96N с учетом насыщения и сопоставлению результатов этого расчета с экспериментальными данными, полученными методами зондирования (считывания) решетки слабым пучком и методом, основанном на самодифракции фазомодулированных пучков.

В §3.1 кратко рассматриваются особенности применения соотношений Крамерса-Кронига для расчета светоиндуцированных изменений поглощения Да и преломления среды An. В основе расчета лежит полученное в [7] интегральное соотношение

где Xq и X/ граничные длины волн изменений спектра поглощения (СП), / - интенсивность, Принципиальное отличие этого равенства от линейного соотношения Крамерса-Кронига состоит в том, что интегрирование в (1) ведется на ограниченном спектральном интервале [Хо, Xj\. При этом предполагается, что зависимости и для любых интенсивностей / связаны линейными дисперсионными соотношениями Крамерса-Кронига. Следующим шагом в определении спектрального распределения дифракционной

эффективности динамических решеток по ДСП является учет эффекта насыщения фотоотклика среды, который проявляется в искажении профиля решетки при синусоидальной засветке среды интерференционной картиной двух когерентных пучков. В нашем конкретном случае возбуждения В-полосы поглощения молекул БР, светоиндуцированные изменения оптических свойств БР определяются соотношением концентраций молекул БР в двух состояниях, что позволило нам определить интенсивность насыщения, не выходя за рамки модели двухуровневой среды [8].

В §3.2 приводится расчет спектрального распределения дифракционной эффективности динамической амплитудно-фазовой решетки, формируемой в БР Б96К, который обнаруживает максимум в области 650нм. Для определения нелинейных спектральных изменений показателя преломления суспензии БР при ее возбуждении красным светом (бЗЗнм) и последующей оценки спектрального распределения дифракционной эффективности динамической решетки проводилось численное интегрирование соответствующих ДСП. Было обнаружено, что в диапазонах 350-410нм и 550-60Онм преобладает амплитудный вклад, а в диапазонах 450-500нм, 650-1 ОООнм - фазовый вклад в дифракционную эффективность динамической решетки. Оцениваются спектральные распределения дифракционной эффективности при учете нелинейного изменения прозрачности среды на длине волны записи. Исследуется зависимость рассчитанного соотношения Ап/Да от интенсивности. Показано, что это отношение не зависит от интенсивности, что и должно быть в рамках принятой модели среды.

В §3.3 приводится описание экспериментальной установки для записи и одновременного считывания динамических решеток в бактериородопсине Б96К. Запись-считывание решетки осуществлялось непрерывным лазерным излучениям на длине волны бЗЗнм, считывание - на длинах волн 532нм, бЗЗнм, 780нм, 852нм. Приводятся результаты измерения дифракционной эффективности при считывании решетки на указанных длинах волн в зависимости от интенсивности считывающих пучков. Для сравнения экспериментальных результатов с результатами, расчета на основе ДСП, измеренные значения дифракционной эффективности редуцировались к нулевой интенсивности считывающего пучка (рис. 2). На этом рисунке спектральное распределение дифракционной эффективности рассчитано по ДСП, полученному при возбуждении БР красным светом (бЗЗнм) с интенсивностью 13.5мВт/см^. Максимальное значение дифракционной эффективности лежит в области 650нм и составляет -2.2х10"3 %.

В §3.4 методом фазомодулированных пучков измерена дифракционная эффективность амплитудной и фазовой компоненты динамической решетки. Показано, что полученное значение удовлетворительно соответствует рассчитанному по ДСП. Приводятся результаты

прямого измерения амлитудно-фазового вклада в дифракционную эффективность на длине волны бЗЗнм в зависимости от интенсивности записывающих пучков. Зависимости глубин модуляции фотоотклика на первой и второй гармониках от интенсивности (рис. 3) показывают, что насыщение амплитудной и фазовой составляющих происходит одинаково (1нас ~ 3 мВт/см2), что совпадает с результатами расчетов, проводимых на основе спектрофотомет-рических измерений. Непрерывные линии на рис.3 - результат расчета глубины модуляции выходного сигнала согласно [8]. Из полученных зависимостей, приведенных на рис.3 следует, что прогнозирование голографических характеристик динамических решеток, формируемых в БР возможно в достаточно широком диапазоне интенсивности записывающих пучков.

В §3.5 приведены результаты экспериментального исследования эффектов насыщения в фоточувствительных средах на основе синтетических аналогов БР: 4-keto-BP, «тИ-БР, 3,4-didehydгo-BP, В-полосы поглощения первых двух сдвинуты относительно 570нм (БР Б96М) в коротковолновую область (4-кеЬэ-ВР, 510нм и «тЫ-БР, 550нм). Положение В-полосы поглощения 3,4-didehydгo-BP, также как и БР Б96М, расположен в области 570нм. Сопоставление результатов полученных методом ФМП, и спектров поглощения этих сред показывает, что изученная в диссертации связь спектроскопических и голографических характеристик имеет место и в этом случае.

В четвертой главе продемонстрирована возможность записи динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода. В параграфе 4.1 приводятся ре-

зультаты численного расчета профиля показателя преломления пленарного волновода, изготовляемого из стекол различных составов, а также модовой структуры такого волновода. Сравниваются различные технологии изготовления планарных волноводов иа предмет увеличения доли мощности каналируемого излучения, проникающего в покрытие. Приводятся данные о рассеянии в различных типах волноводов. Отмечается преимущество стекла К8 в качестве подложки одномодовых волноводов с наилучшим оптическим качеством поверхности.

§ 4.2 посвящен записи решеток возбуждения (излучением с длиной волны бЗЗпм) и решеток релаксации (излучением с длиной волны 441нм при одновременной подсветке излучением с длиной волны бЗЗнм) в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащего БР Описывается экспериментальная установка, и приводятся результаты

эксперимента по записи динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планар-ного волновода. Покрытие поверхности планарного волновода осуществлялось путем равномерного нанесения тонкого слоя суспепзии молекул БР. Показатель преломления суспензии п= 1.467 был близок к показателю преломления волновода пв=1.516, что способствовало более эффективному проникновению волноводной моды в покрытие. При этом решетки формировались в покрытии «хвостами» волноводных мод, интерферирующих в покрытии. Для детектирования энергообмена волноводных мод применялся метод фазомодулирован-ных пучков. Показана возможность записи как решеток возбуждения (¡гат-ск переход), так и решеток релаксации {cis-trans переход) в нелинейном покрытии планарного волновода с эффективностью энергообмепа, порядка процента, которая сравнима с эффективностью объемной самодифракции. При этом для формирования решеток релаксации область интерференции двух мод с длинами волн 441нм подсвечивалась сверху (перпендикулярно поверхности волновода) излучением с длиной волны бЗЗнм, насыщающим /7№и-С1$ переход. Поскольку действие излучения с длиной волны 441нм значительно ускоряет релаксационные процессы в БР [6], то их интерференция в присутствии излучения с длиной волны бЗЗнм также приводит к формированию решетки. В результате записи решеток возбуждения и решеток релаксации при различных интенсивностях записывающего света было установлено, что насыщение эффективности энергообмена, идентично наблюдаемому при записи этих решеток в объеме аналогичной среды [4].

В § 4.3 анализируются возможности управляемого энергообмена интерферирующих волноводных мод в одномодовом планарном волноводе с нелинейно-оптическим покрытием. Для реализации и измерения эффективности управления энергообменом применяется методика фазомодулированпых пучков. Запись динамических решеток осуществляется в покры-

тии как излучением с длиной волны из полосы поглощения trans- состояния (бЗЗнм), так и с длиной волны из полосы поглощения eis - состояния (441нм). Наблюдается эффективное управление энергообменом волноводных мод, с помощью однородной внешней засветки области их интерференции. Реализуется полностью интегральная геометрия оптически управляемого энергообмена (рис. 4,5).

Как в объемном, так и в интегральном варианте наблюдалось, эффективное управление энергообменом (как усиление, так и ослабление) с помощью засветки области интерференции излучением другой длины волны, зависящее от степени насыщения среды взаимодействующими пучками и достигающее трех раз. Количественные оценки величины управляемого энергообмена волноводных пучков и пучков, записывающих решетку в объеме суспензии, удовлетворительно согласуются друг с другом. В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Экспериментально исследованы дифференциальные спектры поглощения (ДСП) суспензии БР Б96К при возбуждении красным (бЗЗнм) и/или синим (441нм) светом в широком диапазоне интепсивностей. Показано, что одновременное воздействие этих пучков приводит к их неаддитивному вкладу в светоиндуцированные изменения поглощения и обусловливает возможность чисто оптического управления голографическими процессами.

2. На основе ДСП рассчитаны спектральные распределения светоиндуцированных изменений показателя преломления и дифракционной эффективности динамических амплитудно-фазовых голографических решеток, формируемых в БР Э96М и синтетических аналогах БР.

3. Методом фазомодулированных пучков показано, что зависимости амплитудных и фазовых вкладов от интенсивности записывающих пучков на длине волны бЗЗнм удовлетворительно прогнозируются универсальной функцией, описывающей энергообмен фазомодулированных пучков в двухуровневой среде, а соотношение указанных вкладов на этой длине волны (1:15) удовлетворительно совпадает с оценками, полученными по ДСП (1:10).

4. Экспериментально реализована эффективная самодифракция каналируемых мод на динамических решетках, формируемых в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода, содержащем БР Э96М.

5. Экспериментально достигнуто оптическое управление энергообменом двух кана-лируемых мод, формирующих решетки возбуждения и релаксации в нелинейном покрытии планарного волновода, с помощью излучения волноводной моды на длине волны 441нм (или бЗЗнм) с эффективностью, сопоставимой с эффективностью оптически управляемой записи в объеме аналогичной среды.

6. Экспериментально показано, что насыщение амплитудных и фазовых компонент динамических решеток, формируемых в средах, содержащих генетически модифицированный БР Э96М, а также его синтетические аналоги, происходит одинаковым образом, что свидетельствует об отсутствии вклада в фотоотклик промежуточных интермедиатов фотоцикла БР.

7. Максимальная чувствительность диагностики фотоотклика методом фазомодулированных пучков достигается при амплитудах а фазовой модуляции, соответствующих первому максимуму функции и второму максимуму где Ж(а)- функции Бесселя 1-го порядка.

Цитируемая литература:

1. Воронцов М.А, Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М.: Наука, 1985.

2. Андронова И.А, Бернштейн И.Л., Зайцев Ю.И. Предельные возможности лазерной микрофазометрии. - Изв. АН СССР, сер.физ. -1982.- Т.46.- С.1590-1593.

3. Барменков Ю.О., Зосимов В.В, Кожевников Н.М и др. Исследование малых ультразвуковых колебаний методом динамической голографии. - ДАН СССР, сер. физика. -1986. - Т.290, №5. - С. 1095-1098.

ЫаЩа),

4. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Липовская М.Ю., Назаров ВЛ. Голографическая запись в суспензии бактериородопсина D96N с оптически управляемой инерционностью. - Оптический журнал. - 2000. - Т.67, № 8. - С.27 - 30.

5. Hampp N., Brauchle Ch., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin wildtype and variant aspartate-96 asparagine as reversible holographic media.- Biophys. J. - 1990. - V.58, №1.- P.83-93.

6. Всеволодов Н.Н. Биопигменты-фоторегистраторы: Фотоматериал на бактериородоп-сине. - М.: Наука, 1988. - 224 с.

7. Hutchings D.C, Sheik-Banae M., Hagan D., Van Stryland E. Kramers-Kronig relations in nonlinear optics. - Optical and Quantum Electronics. - 1992. - V.24. - P.l-30.

8. Кожевников Н.М., Королев А.Е. Связь голографических и спектроскопических характеристик реверсивных фоточувствительных сред, содержащих - бактериородопсин. - Оптика и спектроскопия. - 2002. - Т.93, № 4. - С.691-695.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Коклюшкин Л.В., Липовская М.Ю., Назаров В.Н. Запись динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода. Оптика и спектроскопия. - 2003. - Т.94, №4. - С.841-847.

2. Korolev A., Koklushkin A., Nazarov V., Kozhevnikov N., Lipovskaya M. Controlled two-wave mixing in nonlinear coating of planar waveguide. CLEO/Europe 2003. - Europhysics Conference Abstracts. - 2003, V. 27E. - P. CF1T.

3. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Спектральные распределения дифракционной эффективности светоиндуциорованных решеток в фотосинтетических реакционных центрах. VII республиканская научная конференция студентов и аспирантов. Физика конденсированных сред. Тезисы докладов. - Гродно: ГрГУ. -1999. - С.112-113.

4. Korolev A., Kozhevnikov N, Koklushkin A., Lipovskaya M., Nazarov V. Real-time grating recording in nonlinear coating of planar waveguide. International Quantum Electronic Conference. Technical Digest. -Moscow: RAS. - 2002.- P.313-314.

5. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Применение дифференциальных дисперсионных соотношений для предсказания параметров динамических голограмм. Научно-практическая конференция «Лазеры, Измерения, Информация 2003», Санкт-Петербург. - 2003. - С.60-62.

6. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Светоиндуцированные изменения в спектре поглощения бактериородопсина при двухдлиноволновом возбуждении. Оптика и спектроскопия. - 2004. - Т. 97, №3. - С.393-398.

7. Кожевников Н.М., Коклюшкин А.В., Королев А.Е., Липовская М.Ю. Оптическое управление записью светоиндуцированных решеток в бактериородопсине. Научно-практическая конференция «Лазеры, Измерения, Информация 2004», Санкт-Петербург. - 2004. - С.48-49.

8. Коклюшкин А.В. Особенности использования дисперсионных соотношений для оценки эффективности четырехволнового смешения. Школа-семинар «Современные проблемы в физике 2004», Минск. - 2004. - С. 165-169.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать . Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Усл. печ. л /,<? Тираж /И? . Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

I 16912

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обзор литературы.

1.1 Оптические голографические интерферометры.

1.2 Связь голографических и спектроскопических характеристик нелинейных сред.

1.3 Связь наводимых изменений в показателе преломления с изменениями в спектре поглощения.

1.4 Структура и функции бактериородопсина.

1.5 Использование бактериородопсина в науке и технике.

1.6 Методы диагностики нелинейных сред.

1.7 Запись динамических решеток в нелинейном покрытии планарного волновода.

2. Экспериментальное исследование светоиндуцированных изменений в спектре поглощения бактериородопсина D96N.

2.1 Регистрация изменений в спектре поглощения бактериородопсина, при последовательном действии излучений на длинах волн 633 и 441нм.

2.2 Изменения в поглощении и в полуширинах полос поглощения, в зависимости от интенсивности возбуждающих излучений.

2.3 Релаксация молекул БР D96N и точность воспроизведения исходного спектра поглощения после возбуждения.

2.4 Регистрация изменений в спектре поглощения БР D96N, при одновременном действии излучений на длинах волн

633 и441нм.

Выводы по главе 2.

3. Анализ дифракционной эффективности динамических решеток, формируемых в бактериородопсине.

3.1 Использование дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига в голографии.

3.2 Расчет спектрального распределения дифракционной эффективности динамической решетки, формируемой в БР D96N.

3.3 Запись-считывание динамических решеток в БР D96N.

3.4 Определение соотношения амплитудного и фазового вкладов в дифракционную эффективность методом фазомодулированных пучков.

3.5 Синтетические аналоги бактериородопсина.

Выводы по главе 3.

4. Оптически управляемая запись динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода.

4.1 Расчет профиля показателя преломления планарного волновода.

4.2 Запись голограмм В и М-типа в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащем бактериородопсин.

4.3 Оптически управляемый энергообмен интерферирующих волноводных мод.

Выводы по главе 4.

т

Развитие когерентных оптических систем связи и обработки оптической информации является бурно развивающейся областью современной оптоэлектроники. Использование в таких системах оптических голографи-ческих интерферометров (ГИ) в сочетании с методами динамической голо-графической интерферометрии представляет собой весьма перспективное направление. Принципы работы голографических интерферометров, используемых в системах связи и обработки информации, связаны в основном с оптическим гетеродинированием сигнального и опорного световых пучков и последующим преобразованием фазовой, частотной или поляри-Ф зационной модуляции в модуляцию интенсивностей на входе фотоприемника.

Серьезной проблемой при создании чувствительных интерферометров для регистрации высокочастотных сигналов фазовой модуляции (ФМ) световых пучков является обеспечение надежной работы интерферометра в реальных условиях, то есть в условиях неизбежных помех, приводящих к флуктуациям выходного сигнала. Источниками таких помех могут быть колебания оптических параметров среды на трассе распространения зондирующего пучка, медленные смещения механических элементов конструкции интерферометра - все, что обусловливает нестабильность положения рабочей точки интерферометра, определяемой средней разностью фаз между пучками [1]. Подавление таких помех может быть осуществлено с помощью адаптивных электромеханических систем стабилизации оптических длин плечей интерферометра [2]. Несмотря на значительный прогресс в создании подобных адаптивных интерферометров, позволяющих реализовать высокую чувствительность измерений малых амплитуд ультразву-^ ковых вибраций, такой способ фильтрации низкочастотных помех выходного сигнала характеризуется сложностью систем электронной автоподстройки, их ограниченным динамическим диапазоном, необходимостью применения многоканальных систем при работе со спекл-неоднородными световыми пучками, обладающими большим пространственно-временным спектром фазовых флуктуаций.

Альтернативным способом адаптивной стабилизации рабочей точки интерферометра является использование динамических голографических решеток в качестве смесителей пучков [3,4,5]. Основное преимущество таких решеток для регистрации сигналов ФМ состоит в том, что медленные смещения интерференционной картины пучков, обусловленные случайными флуктуациями оптической разности фаз, сопровождаются перезаписью динамической решетки, обеспечивая адаптивную фильтрацию низкочастотных помех.

Нелинейные оптические материалы, используемые в адаптивных голографических интерферометрах, должны обладать высокой световой чувствительностью и разрешающей способностью, малой инерционностью реверсивного фотоотклика, стабильностью оптических свойств, низкой себестоимостью. В настоящее время известно много сред различной природы, в той или иной степени удовлетворяющих указанным требованиям. Это фоторефрактивные кристаллы, органические красители, стекла, био-фотополимеры (фотосинтетические реакционные центры, ДНК, белки) и т. д. Широкий выбор материалов пригодных для использования в когерентных оптических информационных системах, инициировал поиск и разработку таких методов диагностики и управления параметрами нелинейных сред, которые позволили бы прогнозировать и оптимизировать работу лазерных интерферометров.

В настоящей диссертации рассматриваются две методики диагностики нелинейных сред. Первая основана на регистрации дифференциальных (разностных) спектров поглощения (ДСП), которые позволяют рассчитать спектральные распределения дифракционной эффективности динамических решеток и ее амплитудно-фазовые составляющие, параметры насыщения, чувствительность и т.п. В основе второй методики диагностики лежит оптический голографический интерферометр, который фактически решает обратную задачу — определения параметров среды по результатам самодифракции фазомодулированных световых пучков.

Эти методы рассматривались в диссертации на примере модельной нелинейной светочувствительной среды, содержащей молекулы бактерио-родопсина (БР) [6,7]. На сегодняшний день БР представляет собой хорошо изученный материал для голографической записи в видимом диапазоне спектра. Являясь типичным реверсивным фоточувствительным материалом со спектрально разделенными полосами поглощения, БР позволяет реализовать чисто оптическое управление голографической записью. Однако вопрос о возможности прогнозирования голографических характеристик БР по его ДСП до сих пор оставался открытым, прежде всего, из-за достаточно сложного характера фотоцикла и быстро достигаемого насыщения среды. Кроме того, работы, посвященные оптическому управлению голографической записью в БР фазомодулированными пучками, выполнялись преимущественно для случая объемной самодифракции световых пучков. В то же время актуальным с научной и практической точек зрения является самодифракция каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с фоторефрактивными покрытиями. Исследование такой геометрии оптического смешения каналируемых мод, проведенное в диссертации, демонстрирует новые потенциальные возможности применения сред, содержащих БР, в динамической голографической интерферометрии.

В связи с этим целью настоящей работы являлось исследование физических процессов, определяющих возможность прогнозирования, диагностики и управления параметрами динамических голографических решеток, формируемых в процессе самодифракции световых пучков в реверсивной фоточувствительной среде на основе БР, в том числе используемой в качестве покрытия планарного оптического волновода.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд экспериментальных и теоретических задач:

1. Экспериментальное исследование ДСП нелинейных материалов на основе БР с различным соотношением концентраций молекул в trans- и с/5-состояниях.

2. Сопоставление расчетных (по данным ДСП) и экспериментальных значений дифракционной эффективности амплитудно-фазовых решеток в нелинейных средах, содержащих БР, в широком диапазоне интенсивно-стей записывающих и управляющих световых пучков.

3. Теоретический анализ и экспериментальное исследование эффектов самодифракции каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с реверсивными фоточувствительными покрытиями.

4. Изучение эффективности оптического управления параметрами динамических голографических решеток, формируемых в реверсивном светочувствительном покрытии на основе БР.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Выводы по главе 4

В результате проведенного исследования была установлена возможность использования реверсивных фоточувствительных сред в качестве покрытия планарных волноводов для реализации управляемого энергообмена волноводных мод при их самодифракции на динамических фазовых решетках, записанных в этом покрытии картиной интерференции волноводных мод. Фотохромизм модифицированных молекул БР D96N, нанесенных на поверхность волновода в виде суспензии в глицерине, позволил экспериментально реализовать самодифракцию фазомодулированных пучков как на решетках возбуждения, формируемых в покрытии излучением с длиной волны из полосы поглощения trans -состояния БР, так и на решетках релаксации, когда длина волны записывающих пучков попадает в полосу поглощения cis - состояния БР. В обоих случаях наблюдалось эффективное управление энергообменом с помощью пространственно однородной засветки области интерференции излучением другой длины волны. Реализована полностью интегральная геометрия оптически управляемого энергообмена волноводных мод. Количественные оценки энергообмена фазомодулированных волноводных пучков находятся в удовлетворительном согласии с данными, полученными в экспериментах по двух-пучковому смешению плоских волн в объеме суспензии БР D96N в глицерине.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. Экспериментально исследованы дифференциальные спектры поглощения (ДСП) суспензии БР D96N при возбуждении красным (бЗЗнм) и/или синим (441нм) светом в широком диапазоне интен-сивностей. Показано, что одновременное воздействие этих пучков приводит к их неаддитивному вкладу в светоиндуцированные изменения поглощения и обусловливает возможность чисто оптического управления голографическими процессами.

2. На основе ДСП рассчитаны спектральные распределения свето-индуцированных изменений показателя преломления и дифракционной эффективности динамических амплитудно-фазовых го-лографических решеток, формируемых в БР D96N и синтетических аналогах БР.

3. Методом фазомодулированных пучков показано, что зависимости амплитудных и фазовых вкладов от интенсивности записывающих пучков на длине волны бЗЗнм удовлетворительно прогнозируются универсальной функцией, описывающей энергообмен фазомодулированных пучков в двухуровневой среде, а соотношение указанных вкладов на этой длине волны (1:15) удовлетворительно совпадает с оценками, полученными по ДСП (1:10).

4. Экспериментально реализована эффективная самодифракция каналируемых мод на динамических решетках, формируемых в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода, содержащем БР D96N.

5. Экспериментально достигнуто оптическое управление энергообменом двух каналируемых мод, формирующих решетки возбуждения и релаксации в нелинейном покрытии планарного волновода, с помощью излучения волноводной моды на длине волны 441нм (или бЗЗнм) с эффективностью, сопоставимой с эффективностью оптически управляемой записи в объеме аналогичной среды.

Экспериментально показано, что насыщение амплитудных и фазовых компонент динамических решеток, формируемых в средах, содержащих генетически модифицированный БР D96N, а также его синтетические аналоги, происходит одинаковым образом, что свидетельствует об отсутствии вклада в фотоотклик промежуточных интермедиатов фотоцикла БР.

Максимальная чувствительность диагностики фотоотклика методом фазомодулированных пучков достигается при амплитудах а фазовой модуляции, соответствующих первому максимуму функции J0(a)Ji(a) и второму максимуму J0(a)J2(a), где Ji(a)— функции Бесселя i-го порядка.

1. Воронцов М.А, Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. М.: Наука, 1985.- 336 с.

2. Шмальгаузен В.И. Интерферометры для изучения малых колебаний. — УФН. 1980, Т. 132. - С.679-684.

3. Барменков Ю.О., Зосимов В.В., Кожевников Н.М., Лямшев J1.M., Сер-гущенко С.А. Исследование малых ультразвуковых колебаний методами оптической динамической голографии // Доклады Академии наук СССР. 1986. - Т.290, №5. - С. 1095-1098.

4. Hall T.J., Fiddy М.А., Ner M.S. Detector for an optical-fiber acoustic sensor using dynamic holographic interferometry. — Optics Letters. 1980, V.5, №11. - P.485-487.

5. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко A.B. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и оптической обработке информации. Д.: Наука, 1983.- 270 с.

6. Всеволодов Н.Н. Биопигменты-фоторегистраторы: Фотоматериал на бактериородопсине. М.: Наука, 1988. - 224 с.

7. Всеволодов Н.Н., Костиков А.П., Рихирева Г.Т. Изучение фотоиндуци-рованных превращений в бактериородопсиновом мембранном комплексе // Биофизика. 1974. - Т. 19. - С.942-946.

8. Горелик С.Г. О применении модуляционного метода в оптической интерферометрии. Доклады Академии наук СССР. — 1952. — Т.83, вып. 4. - С.549-552.

9. Бернштейн И.Л. Об измерении весьма малых изменений разности хода двух световых колебаний. — Доклады Академии наук СССР. — 1954. — Т.94, вып. 4. С.655-658.

10. О.Степанов С.И Фоторефрактивные кристаллы для адаптивной интерферометрии. — В кн.: Оптическая голография с записью в трехмерных средах. Л.: Наука. -1989. - С.64-74.

11. П.Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1986. - 688 с.

12. Алфимов М.В., Назаров В.Б., Якушева О.Б. Связь некоторых фотографических параметров бессеребряных материалов с фотохими- ческими и спектроскопическими свойствами светочувствительных веществ // Успехи научной фотографии. 1978. - Т. 19. - С.229-238.

13. Kogelnik Н. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. 1969. - V.48, № 9. - P.2909-2947.

14. Н.Кожевников H.M., Королев A.E. Связь голографических и спектроскопических характеристик реверсивных фоточувствительных сред, содержащих бактериородопсин // Оптика и спектроскопия. — 2002. — Т.93, № 4. — С.691-695.

15. Burland D.M., Brauchle Chr. The use of holography to investigate complex photochemical reactions // J. of Chem. Phys. 1982. - V.76, № 9. — P.4502-4512.

16. Kramers H.A. // Estratto dagli Atti del Congresso Internazional de Fisici Como (Nicolo Zonichelli, Bolonga). 1927. - V.2. - P.545-557.

17. Toll J. Causality and the dispersion relation // Phys. Rev. 1956. - V.104, №6. -P. 1760-1770.

18. Аркатова Т.Г., Гопштейн H.M., Макарова Е.Г., Михайлов Б.А. Определение оптических постоянных материала с помощью соотношений Крамерса-Кронига // ОМП. 1981. - № 9. - С.44-53.

19. Beerman D.W. Kramers-Kronig analysis of reflectance measured at oblique incidence // Applied Optics. 1967. - V.6, №9. - P. 1519-1521.

20. Kachare A., Soriaga M.P., Andermann G. Kramers-Kronig dispersion analysis of LiF reflectance data obtained at ambient and low temperatures // JOS A. 1974. - V.64, №1К p. 1450-1455.

21. Ku J.C., Felske J.D. Determination of refractive indices of Mie scatterers from Kramers-Kronig analysis of spectral extinction data // JOS A A — 1986 — V.3, №5.-P.617-623.

22. Rasigni M., Rasigni G. Optical constants of lithium deposits as determined from the Kramers-Kronig analysis // JOS A. 1977. - V.67, №1. - P.54-59.

23. Wu C.-K., Andermann G. Improved Kramers-Kronig dispersion analysis of infrared reflectance data for lithium fluoride // JOSA. 1968. — V.58, №4. — P.519-525.

24. Kozima K., Suetaka W., Schatz P. Optical constants of thin films by a Kramers-Kronig method // JOSA. 1966. - V.56, №2. - P. 181-184.

25. Andermann G., Caron A., Dows D. Kramers-Kronig analysis of infrared reflectance bands // JOSA. 1965. - V.55, №10. - P. 1210-1216.

26. Ahrenkiel R.K. Modified Kramers-Kronig analysis of optical spectra // JOSA. 1971. - V.61, №12. - P.1651-1655.

27. Hulthen R. Kramers-Kronig relations generalized: on dispersion relations for finite frequency intervals. A spectrum-restoring filter // JOSA. 1982. — V.72, №6. — P.794-803.

28. Balzarotti A., Colavita E., Gentile S., Rosei R. Kramers-Kronig analysis of moulated reflectance data investigation of errors // Applied Optics. 1975. — V.14, №10. - P.2412-2417.

29. Jezierski K., Misiewicz J. Surface roughness as a physical cause of the dip in the results of a Kramers-Kronig analysis of Zn3P2 // JOSA B. 1984. — V.l, №6, P.850-852.

30. Young R.H. Validity of the Kramers-Kronig transformation used in reflection spectroscopy // JOS A. 1977. - V.67, №4. - P.520-523.

31. Belogorokhov A.I., Zakharov I.S., Kochura A.V., Knjazev A.F. Far-infrared reflectivity of Cd3xZnxAs2 monocrystals // Applied Physics Letters. — 2000. — V.77, №14. P.2121-2123.

32. Palmer K.F., Williams M.Z., Budde B.A. Multiply subtractive Kramers-Kronig analysis of optical data // Applied Optics. 1998. - V.37, №13. — P.2660-2673.

33. Deilbler L.L., Smith M.H. Measurement of the complex refractive index of isotropic material with Mueller matrix polarimetry // Applied Optics. — 2001.- V.40, №22. P.3659-3667.

34. Caspers W.J. Dispersion relations for nonlinear response // Physical Review.- 1964. V.133, №5 A. - P.A1249-A1251.

35. Bertie J.E., Zhang S.L. Infrared intensities of liquids. IX, The Kramers-Kronig transform, and its approximation by the finite Hilbert transform via fast Fourier transforms // Canadian Journal of Chemistry. 1992. — V.70. — P.520-531.

36. Bean B.L., Izatt J.R. Verification of the Kramers-Kronig relations in optically pumped ruby // JOSA. 1973. - V.63, №7. - P.832-839.

37. Neufeld J., Andermann G. Kramers-Kronig dispersion-analysis method for treating infrared transmittance data // JOSA. 1972. - V.62, №10.- P.l 1561162.

38. Querry M.R., Holland W.E. Kramers-Kronig analysis of ratio reflectance spectra measured at an oblique angle // Applied Optics. 1974. - V.13, №3.- P.595-598.

39. Roessler D.M. Kramers-Kronig analysis of reflection data // British Journal of Applied Physics. 1965. - V.16, P.l 119-1123.

40. Boukamp В.A. Practical application of the Kramers-Kronig transformation on impedance measurements in solid state electrochemistry // Solid State Ionics, 1993, v.62, p.131-141.

41. Milton G.W., Eyre D.J., Mantese J.V. Finite frequency range Kramers-Kronig relations: bounds on the dispersion // Physical Review Letters. — 1997. V.79, №16. - P.3062-3065.

42. Delin A. Relation between broadening and Kramers-Kronig transformation of calculated optical spectra // Optics Communications. 1999. - V.167. -P. 105-109.

43. Yamamoto K., Ishida H. Complex refractive index determination for uniaxial anisotropy with use of Kramers-Kronig analysis // Applied Spectroscopy. — 1997. V.51, №9. - P.1287-1293.

44. Kishida H., Hasegawa Т., Iwasa Y., Koda T. Dispersion relation in the third-order electric susceptibility for polysilane film // Phys. Rev. Lett. 1993. -V.70, №24. - P.3724-3727.

45. Якубович Е.И. О связи между вещественной и мнимой частями поляризуемости нелинейной резонансной среды // ЖЭТФ. 1969. — Т.57, № 6(12). — С.2120-2124.

46. Страшникова М.И., Моздор Е.В. О границах применения соотношений Крамерса-Кронига в присутствии добавочной световой волны // ЖЭТФ. 1998. - Т.114. - № 4(10) . - С.1393-1406.

47. Бункин Ф.В. К теории спектроскопического эффекта насыщения // Радиофизика. 1962. - Т.5, №4. - С.687-696.

48. Коган Ш.М. К электродинамике слабо нелинейных сред // ЖЭТФ. -1962. Т.43, № 1(17) . - С.304-307.

49. Peterson C.W. Causality calculations in the time domain: An efficient alternative to the Kramers-Kronig method // JOS A- 1973. V.63, №10. -P. 1238-1242.

50. Bauer R.S., Spicer W.E., White J J. Investigation of the Kramers-Kronig analysis: revised optical constants of AgCl // JOS A. — 1974. — V.64, №6. -P.830-833.

51. Hale G.M., Holland W.E., Querry M.R. Kramers-Kronig analysis of relative reflectance spectra measured at an oblique angle // Applied Optics. — 1973. -V.12, №1. — P.48-51.

52. Tayeb Anki M.M., Lefez B. Optical constants of various chromites as determined by Kramers-Kronig analysis // Applied Optics. 1996. - V.35, №9. — P. 1399-1403.

53. Nussenzweig H.M. Causality and dispersion relations. — Academic, New York.-1972.-p.430.

54. Hutchings D., Sheik-Bahae M., Hagan D., Van Stryland E. Kramers-Kronig relations in nonlinear optics // Optical and Quantum Electronics. — 1992. — V.24. — P.l-30.

55. Sheik-Bahae M., Hasselbeck M. // HandBook of Optics. 1900. - V.4. -chapter 17.-P.17.3-17.38.

56. Kador L. Kramers-Kronig relations in nonlinear optics // Applied Physics Letters. 1995. - V.66, №22. - P.2938-2939.

57. Brauchle C., Burland D. Holographic methods for the investigation of photochemical and photophysical properties of molecules // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1983. - v.22. - P.582-598.

58. Bassani F., Scandolo S. Dispersion relations and sum rules in nonlinear optics II Phys. Rev. B. 1991. - V.44, №.16. - P.8446-8453.

59. Капои H. Kobayashi T. Simultaneous measurement of real and imaginary parts of nonlinear susceptibility for the verification of the Kramers-Kronig relations in femtosecond spectroscopy // Optics Communications. 2000. — V.178. - P.133-139.

60. Васильева М., Гульбинас В., Кабелка В., Масалов А., Сырус В. Дисперсия фазового отклика растворов красителей при пикосекундном возбуждении // Квантовая электроника. — 1984. — T.l 1, № 7. — С.1431-1436.

61. Васильева М., Вищакас Ю., Гульбинас В., Кабелка В., Малышев В. Масалов А., Сырус В. Амплитудная и фазовая части нелинейного отклика красителей // Квантовая электроника. — 1984. Т. 11, № 1. — С.90-97.

62. Myers R., Helg Т., Barnes Т., Woolhouse A., Haskell Т. Characterization of dye-doped media for real-time holography // Optics Communications.1997.-V. 137, P.223-228.

63. Weiner J.S., Miller D.A.B., Chemla D.S. Quadratic electro-optic effect due to the quantum confined Stark effect in quantum wells // Applied Physics Letters. 1987. - V.50, №13. - P.842-844.

64. Ryskin A.I., Shcheulin A.S., Miloglyadov E.V., Linke R.A., Redmonel I., Buchinskaya I.I., Fedorov P.P., Sobdev B.P. Mechanisms of writing and decay of holographic gratings in semiconducting CdF2i Ga // J. of Appl. Phys.1998. V.83, №4. - P.2215-2221.

65. Lee Y., Chavez-Pirson A., Koch S., Gibbs H., Park S., Morhange J., Jeffery A., Peyghambarian N., Banayi L., Gossard A., Wiegmann W. Room-temperature optical nonlinearities in GaAs // Phys. Rev. Lett. — 1986. — V.57, №.19. — P.2446-2449.

66. Zhang X., Chen Z., Cui D., Yang G., Wang R. Observation of a large dc Kerr effect in the intervalence subband of SiixGex/Si multiple quantum wells // Applied Physics Letters. 1996. - V.69, №21. - P.3164-3166.

67. Zeisel D., Hampp N. Spectral relationship of light-induced refractive index and absorption changes in bacteriorodopsin film containing wild type BRwx and the variant BRD96N // J. Phys. Chem. 1992. - V.96. - P.7788-7792.

68. Renesse R., Bouts F. Efficiency of bleaching agents for holography // Optik. 1973. - V.38, №2. - P.156-168.

69. Tokunaga E., Terasaki A., Kobayashi T. Femtosecond time-resolved dispersion relations studied with a frequency-domain interferometer // Physical Review A. 1993. - V.47, №6. - P.R4581-R4584.

70. Ridener F.L., Good R.H. Dispersion relations for nonlinear systems of arbitrary degree // Phys. Rev. B. 1975. - V.l 1, №8. - P.2768-2772.

71. Peiponen K.E. Nonlinear susceptibilities as a function of several complex angular-frequency variables // Phys. Rev. В.- 1988.-V.37, №11. -P.6463-6467.

72. Hampp N., Popp A., Braeuchle C. Diffraction efficiency of bacteriorhodop-sin films for holography containing bacteriorhodopsin wild type BRwt and its BRD85E and BRD96n // J• Phys. Chem. 1992. - V.96, №11.- P.4679-4685.

73. Ярив А. Квантовая электроника и нелинейная оптика- М.: Советское радио, 1973.- 455 е.80.0esterhelt., Stoeckenius W. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium II Nature (New Biol.)- — 1971. — V.233, №39. — P. 149-152.

74. Скулачев В.П. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии // М.: Высшая школа, 1989. -€.102-117.

75. Stoeckenius W Bacterial rhodopsins: evolution of a mechanistic model for the ion pumps // Protein Science. 1999. - V.8, №2. - P.447-459.

76. Birge R.R. Nature of the primary photochemical events in rhodopsin and bacteriorhodopsin // Biochem.Biophys. Acta. 1990. - V.1016, №3. -P.293-327.

77. Zaitsev S. Yu., Kozhevnikov N. M., Barmenkov Yu. O., Lipovskaya M. Yu. Kinetics of dynamic holograms recording in polymer films with immobilized bacteriorhodopsin // Photochemistry and Photobiology. 1992. - V.55. -P.851-856.

78. Birge R.R. Protein based computers // Scientific American. 1995. — №3. -P.90-95.

79. Hampp N., Brauchle Chr., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin wildtype and variant aspartate-96-asparagine as reversible holographic media // Biophys. J. 1990. - V.58, №1. - P.83-93.

80. Seitz A., Hampp N. Kinetic optimization of bacteriorhodopsin films for holographic interferometry // J.Phys.Chem. B. -2000. -V.104, № 30. -P.7183-7192.

81. Gehrtz M., Pinsl J., Brauchle Ch. Sensitive detection of phase and absorption gratings: phase-modulated, homodyne detected holography // Appl. Phys. — 1987.-V.43.-P.61-77.

82. Kozhevnikov N.M. Dynamic holographic microphasometry // Proc. SPIE. -1991. V.1507. -P.509-516.

83. Барменков Ю.О., Кожевников H.M. Запись бегущих голограмм в суспензиях, содержащих бактериородопсин // ЖТФ. — 1991. Т.61, №.7. — С.121-125.

84. Wei Т., Hagan D., Sense М., Van Stryland Е., Perry J., Coulter D. Direct measurements of nonlinear absorption and refraction in solutions of phthalo-cyanines // Applied Physics B. 1992. - V.54. - P.46-51.

85. Sifuents C., Barmenkov Yu., Kir'yanov A. The intensity dependent refractive index change of bacteriorhodopsin measured by the Z-scan and phase-modulated beams techniques // Optical Material 2002. - V.19. - P.433-442.

86. М.дель Райо, Барменков Ю., Кирьянов А., Сифуэнтес К., Кожевников Н. Исследование оптической нелинейности полимерных пленок, содержащих органические материалы // Оптический журнал. — 2001. — Т.68, №11.- С.26-32.

87. Никоноров Н.В., Петровский Г.Т. Стекла для ионного обмена в интегральной оптике: современное состояние и тенденции дальнейшего развития // Физика и химия стекла. 1999. - Т.25, №1. — С.21-69.

88. Глебов Л.Б., Докучаев В.Г., Евстропьев С.К., Морозова И.С. Исследование заглубленных планарных градиентных волноводов методом волно-водного секционирования. — Оптика и спектроскопия. -1985. — Т.65, №3, С.737-741.

89. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. — М.: Энергоатомиздат. -1990. 256 с.

90. Андриеш A.M., Кульчин Ю.Н., Пономарев В.В., Смирнова А.С. Запись и считывание голограмм в планарном волноводе // Оптика и спектроскопия.- 1983.-Т.55, №2.-С. 331-333.

91. Винецкий В.Л., Кухтарев Н.В., Одулов С.Г., Соскин М.С. Динамическая самодифракция когерентных световых пучков // УФН. — 1979. — Т. 129. — С.113-137.

92. Винецкий В.Л., Кухтарев Н.В. Кинетика перекачки энергии световых пучков динамической голографической решеткой // Письма в ЖТФ. — 1976. Т.2, №20. - С.928-932.

93. Gunter P. Holography, coherent light amplification and optical phase conjugation with photorefractive materials // Physics Reports. 1982. — V.93, №4. -P.l99-299.

94. Корчемская Е.Я., Соскин M.C., Тараненко В.Б. Пространственно — поляризационное ОВФ при четырехволновом смешении в пленках биохром // Квантовая электроника. 1987. - Т. 14, №4. - С.714-721.

95. Werner О., Fisher В., Lewis A., Nebenzahl I. Saturable absorption, wave mixing and phase conjugation with bacteriorhodopsin // Optics Letters. — 1990. V.15, №20. - P.l 117-1119.

96. Zeisel D., Hampp N. Dynamic self-pumped phase-conjugating mirror based on the bacteriorhodopsin variant D96N // Optics Letters. — 1994. — V.19. — P.1412-1414.

97. Werner O., Daisy R., Fisher В. Forward phase conjugation by three-wave mixing with bacteriorhodopsin // Optics Communications. 1992. — V.92, №1.-P.108 -110.

98. Takei H., Shimuzu N. Nonlinear optical properties of a bacteriorhodopsin films in a Fabri-Perot cavity // Optics Letters. 1994. - V.19, № 4. - P.248-250.

99. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Коклюшкин А.В., Липовская М.Ю., Назаров В.Н. Запись динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода // Оптика и спектроскопия. — 2003. — Т.94, № 4. С.841-847.

100. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Липовская М.Ю., Назаров В.Н. Голо-графическая запись в суспензии бактериородопсина D96N с оптически управляемой инерционностью // Оптический журнал. — 2000. — Т.67, № 8. С.27 - 30.

101. Барменков Ю.О., Кожевников Н.М. Насыщение фотоотклика при голо-графической записи в бактериородопсине // ЖТФ. 1991. — Т.61, №7. — С.121-125.

102. Wang C.H., Bacon M., Kar A., Wherrett В., Baxter R. Read times for bacte-riorhodopsin-film optical cache memory // JOSA B. -1997. V.14, № 9. -P.2304-2309.

103. Chen F., Hou X., Li B.F., Jiang L., Hammp N. Optical information storage of bacteriorhodopsin molecule film: experimental study // Materials Science and Engineering B. 2000. - V.B76, №1. - P.76-78.

104. Stiart J.A., Marcy D.L., Wise K.J., Birge R.R. Volumetric optical memory based on bacteriorhodopsin // Synthetic Metals.-2002.-V.127,№l-3.-P.3-15.

105. Grout M.J. Application of bacteriorhodopsin for optical limiting eye protection filters // Optical Materials. 2000. - V.14, №2. - P.155-160.

106. Балашов С.П. Фотохромные превращения бактериородопсина при низких температурах // В сб.: Светочувствительные биологические комплексы и оптическая обработка информации, Пущино. — 1985, С.49-67.

107. Балашов С.П., Литвин Ф.Ф. Фотохимические превращения бактериородопсина. М.: МГУ, 1985. - 165 с.

108. Korolev A., Koklushkin A., Nazarov V., Kozhevnikov N., Lipovskaya M. Controlled two-wave mixing in nonlinear coating of planar waveguide // CLEO/Europe 2003, Europhysics Conference Abstracts. 2003. - V.27E. -paper CF1T.

109. Koklushkin A., Korolev A., Kozhevnikov N. Photoinduced changes in absorption spectrum of bacteriorhodopsin under two-wavelength excitation // XI Laser Optics Conference, Saint-Petersburg. 2003. — paper TuR4-p09.

110. Коклюшкин A.B., Королев A.E. Светоиндуцированные изменения в спектре поглощения бактериородопсина при двухдлиноволновом возбуждении. Оптика и спектроскопия. — 2004. Т. 97 , №3. - С.393-398.

111. Ландау Л., Лифшиц Е. Электродинамика сплошных сред т.VIII. М.: Наука, 1992. - 661 с.

112. Королев А.Е., Стаселько Д.И. Экспериментальное исследование записи динамических голограмм в пределах контура поглощения резонансной атомной среды // Оптика и спектроскопия 1985.-Т.58, №1— С.147-152.

113. Королев А.Е., Назаров В.Н., Стаселько Д.И. Исследование чувствительности и разрешающей способности резонансных атомных сред с однородно-уширенными линиями поголощения // ЖТФ. 1985. - Т.55, №1. — С-111-118.

114. Королев А.Е., Стаселько Д.И. Стационарная запись динамических голограмм в насыщающихся амплитудно-фазовых средах // ЖТФ. — 1984. — Т.54, №2.-С.314-322.

115. Пантел Р., Путхов Г. Основы квантовой электроники. — М.: МГУ, 1972. -384 с.

116. Jaaskelainen Т., Leppanen V., Parkkinen S., Khodonov A. The photochromic properties of 4-keto bacteriorhodopsin // Optical Materials. 1996. — V.6. — P.339-345.

117. Vanhanen J., Leppanen V., Jaaskelainen Т., Parkkinen J., Parkkinen S. Nonlinear transmittans of the 4-keto bacteriorhodopsin // Optical Materials. — 1999.-V.12.-P.473-480.

118. Jussila Т., Tkachenko N., Parkkinen S., Lemmetyinen H. Kinetics of photoactive bacteriorhodopsin analog 3,4-didehydroretinal // J. of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2001. - V.62. -P. 128-132.

119. Suhara Т., Nishihara H., Koyama J. Waveguide hologram: a new approach to hologram integration // Optics Communications. — 1979. V.19, №3. — P. 353-358.

120. Мировицкий Д.И., Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф. Микроволновая оптика и голография. М.: Наука, 1983. - 315 с.

121. Баблумян А.С., Морозов В.Н., Путилин А.Н., Шермергор Т.Д. Волно-водные голограммы в системах передачи, хранения и обработки информации II Труды ФИАН: Инжекционные лазеры в системах передачи и обработки информации. 1987. - Т. 185. - С. 164-190.

122. Каргин Ю.Ф., Саликаев Ю.Р., Шандаров С.М., Цисарь И.В. Двухпучко-вое взаимодействие на фоторефрактивных решетках в планарных волноводах Bi12Ti02o/BiI202o Н Письма в ЖТФ. 1994. - Т.20, №24. -С.55-58.

123. Song Q.W., Zhang С., Ku C.-Y., Huang M.-C., Gross R., Birge R. Determination of the thermal expansion and thermo-optic coefficients of a bacteriorhodopsin film // Optics Communications. 1995. -V.l 15.- P.471-474.

124. Song Q.W., Wang X.-M., Birge R.R., Downie J.D., Timucin D., Gary C. Propagation of a Gaussian beam in a bacteriorhodopsin film // JOSA B. — 1998. V. 15, №5. - P. 1602-1609.

125. Song Q.W., Zhang C., Gross R., Birge R. The intensity-dependent refractive index of chemically enhanced bacteriorhodopsin // Optics Communications. 1994. - V.l 12. - P.296-301.

126. Tkachenko N., Savransky V., Sharonov A. Time-resolved refractive index changes during the BR photocycle // Eur. Biophys. J 1989. - V.l7. — P.131-136.

127. Govindjee R., Balashov S.P., Ebrey T.G. Quantum efficiency of the photochemical cycle of bacteriorhodopsin // Biophys. J. 1990. — V.58. — P.597-608.

128. Downie J.D., Smithy D.T., Measurements of holographic properties of bacteriorhodopsin films // Applied Optics. -1996. V.35, №29. - P.5780-5789.

129. Абдулаев Н.Г., Барменков Ю.О., Кожевников H.M. Динамические М-голограммы в бактериородопсине, записанные фазомодулированными пучками // Письма в ЖТФ. 1991. - Т. 17, №18. - С.5-9.

130. Барменков Ю.О., Кожевников Н.М., Липовская М.Ю. Измерение параметров фоторефрактивных сред для записи динамических голограмм // Оптика и спектроскопия. 1988. - Т.64, №1. - С.225-228.

131. Henderson R. The purple membrane from Halobacterium halobium II Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 1977. - V.6. - P.87-109.

132. Ludmann K., Ganea C., Varo G. Back photoreaction from intermediate M of bacteriorhodopsin photocycle // J. Photochem. Photobiol. B: Biology. — 1999. V.49. - P.23-28.

133. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Dyukova T. Photoinduced anisotropy in chemically-modified films of bacteriorhodopsin and its genetic mutants // Optical materials. 2000. - V.14. - P.l85-191.

134. Драчев JI., Каулен А., Скулачев В., Хитрина JL, Чекулаева J1. Особенности фотохимических превращений бактериородопсина при низких значениях рН // Биохимия. 1981. - Т.46, №5. - С.897-903.

135. Савранский В., Ткаченко Н., Чухарев В. Изменение показателя преломления в фотоцикле бактериородопсина // Биологические материалы. — 1987. Т.4, № 5. - С.479-485.

136. Bacon М., Wang С., Kar A., Baxter R., Wherrett В. Nanosecond optical excitation dynamics of long M-state lifetime bacteriorhodopsin films // Optics Communications. 1996. - V.124. - P. 175-183.

137. Varo G., Lanyi J. Pathways of the rise and decay of the M photointermedi-ate(s) of bacteriorhodopsin // Biochemistry. 1990. - V.29. - P.2241-2250.

138. Шкроб А., Родионов А. Множественность форм релаксирующих молекул бактериородопсина // Биоорганическая химия. —1978.-Т.4, №4 — С.500-512.

139. Hampp N., Thoma R., Oesterhelt D, Brauchle Chr. Biological photochrome bacteriorhodopsin and its genetic variant Asp96—>Asn as media for optical pattern recognition // Applied Optics. 1992. - V.31, № 11. - P. 1834-1841.

140. Thoma R., Hampp N., Brauchle C., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin films as spatial light modulators for nonlinear-optical filtering // Optics Letters. — 1991. V.16, №9. - P.651-653.

141. Sanchez-de-la-Llave D., Fiddy M. Incoherent-to-coherent conversion and square-law transmission based on photoinduced birefringence in bacteriorhodopsin // Applied Optics. 1999. - V.38, № 5. - P.815-821.

142. Sanio M., Settele U., Anderle K., Hampp N. Optically addressed direct-view display based on bacteriorhodopsin // Optics Letters. 1999. — V.24, № 6. -P.379-381.

143. Clays K., Elshocht S., Persoons A. Bacteriorhodopsin: a natural (nonlinear) photonic bandgap material // Optics Letters. 2000. - V.25, № 18. — P.1391-1393.

144. Oesterhelt D., Hess B. Reversible photolysis of the purple complex in the purple membrane of Halobacterium halobium II Eur. J. Biochem. 1973. — V.37.- P.316-326.

145. Oesterhelt D., Meentzen M., Schuhmann L. Reversible dissociation of the purple complex in bacteriorhodopsin and identification of 13-cis and all-trans-retinal as its chromophores // Eur. J.Biochem.-1973.-V.40.-P.453-463.

146. He B.J-A., Samuelson L., Li L., Kumar J, Tripathy S.K. Bacteriorhodopsin thin film assemblies — immobilization, properties and applications // Advance Materials. 1999. - V.l 1, №6. - P.435-446.

147. Li B.-F., Li J.-R., Song Y.-C., Jiang L. A study of the improvement of photoelectric responses on a Langmuir-Blodgett films containing bacteriorhodopsin // Materials Science and Engineering: C. 1995. - V.3. - P.219-222.

148. Houjou H., Koyama K., Wada M., Sameshima K., Inoue Y., Sakurai M. Effects of the protein electrostatic environment on the absorption maximum of bacteriorhodopsin // Chemical Physics Letters. 1998. - V.294. - P. 162-166.

149. Kitagawa Т., Maeda A. Vibrational spectra of rhodopsin and bacteriorhodopsin // Photochemistry and Photobiology. 1989. - V.50, №6. - P.883-894.

150. Millerd J., Rohrbacher A., Brock N., Chau C.-K., Smith P., Needleman R. Improved sensitivity in blue-membrane bacteriorhodopsin films // Optics Letters. 1999.-V.24, №19.-P. 1355-1357.

151. Gartner W., Oesterhelt D. Methoxyretinals in bacteriorhodopsin. // J. Bio-chem. 1988. —V.176.-P.641-648.

152. Wang C.H., Bacon M., Kar A.K., Wherett B.S., Baxter R.L. Read times for bacteriorhodopsin film optical cache memory // JOS A B. - 1997. — V.14, №9. — P.2304-2309.

153. Leppanen V., Haring Т., Jaaskelainen Т., Vartianen E., Parkkinen S., Parkki-nen J. The intensity dependent refractive index change of photochromic proteins // Optics Communications. 1999. - V.l63. -P.l89-192.

154. Микаэлян A.JL, Никанорова E.A., Салахутдинов B.K. Динамика дифракционной эффективности периодически регенерируемых голограмм в бактериородопсине // Квантовая электроника. — 1994- Т.21, №8. — С.781-784.

155. Бункин Ф.В., Всеволодов Н.Н., Дружко А.Б., Мицнер Б.И., Прохоров A.M., Савранский В.В., Ткаченко Н.В., Шевченко Т.Б. Дифракционная эффективность бактериородопсина и его аналогов // Письма в ЖТФ. — 1981. Т.7, №.24. - С. 1471-1479.

156. Дружко А.Б., Шахбазян В.Ю., Бактериородопсин и его производные как материал для оптической записи: фотохромизм 14-F бактериородопсина // Журнал научной и прикладной голографии. — 2002. — Т.47. — С.61-67

157. Коклюшкин А.В., Королев А.Е. Применение дифференциальных дисперсионных соотношений для предсказания параметров динамических голограмм. Научно-практическая конференция «Лазеры, Измерения, Информация 2003», Санкт-Петербург. — 2003. С.60-62.

158. Коклюшкин А.В. Особенности использования дисперсионных соотношений для оценки эффективности четырехволнового смешения. Школа-семинар «Современные проблемы в физике 2004», Минск. — 2004. -С. 165-169.

159. Korolev A., Kozhevnikov N., Koklushkin A., Lipovskaya М., Nazarov V. Real-time grating recording in nonlinear coating of planar waveguide. International Quantum Electronics Conference IQEC 2002, Technical Digest, Moscow. 2002. - paper Q Tu05. - P.313.

160. Bolger B. CW parametric wave- front conjugation and reproduction in sodium vapor by evanescent pump fields // JOS A. 1978. - V.68, №11 — P. 1622-1623.

161. Malouin C., Villeneuve A., Vitrant G., Lessard R.A. Degenerate four-wave mixing geometry in thin-film waveguides for non-linear material characterization // Optics Letters. 1996. - V.21, №1. - P.21-23.

162. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. — М.: Мир, 1980.-656 с.

163. Кожевников Н.М., Королев А.Е., Липовская М.Ю. Спекл-интерферометрия фазомодулированных пучков // Оптика и спектроскопия. 2001. - Т.90, № 3. - С.487-489.

164. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология. М.: Мир. - 1985.-379 с.

165. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1974. 832 с.1. Благодарности