ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-04-26-39

УДК: 535-4;32.517.4; 551.501.816; 551.510.411

Высокочувствительное лазерное зондирование и структурная диагностика упорядоченных веществ, материалов, микро- и наносистем. Обзор

Фофанов Я.А., Манойлов В.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Фофанов Я.А., Манойлов В.В. Высокочувствительное лазерное зондирование и структурная диагностика упорядоченных веществ, материалов, микро- и наносистем. Обзор // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 26–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-26-39

 

Fofanov Ya.A., Manoilov V.V. High-sensitive laser probing and structural diagnostics of ordered substances, materials, micro- and nanosystems. Review [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 4. P. 26–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-26-39

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Лазерные поляризационно-оптические методы зондирования вещества. Актуальность этого направления исследований определяется необходимостью разработки и дальнейшего улучшения методов и средств для прецизионной диагностики материалов. Цель работы. Анализ возможностей и перспектив развития высокочувствительной лазерной поляризационно-оптической и структурной диагностики упорядоченных веществ, функциональных материалов, микро- и наносистем. Методология работы. Рассмотрено сканирующее просвечивание исследуемых объектов модулированным по поляризации лазерным излучением. Значительное внимание уделено при этом систематизации и обобщению представленных в работе результатов исследований. Описание экспериментальных данных для актуальных объектов и систем дополнено их сравнительным теоретическим анализом. Основные результаты. Исследована иерархия критериев сильных и слабых поляризационных откликов, которая охватывает весьма широкий и практически очень удобный диапазон измеряемого двулучепреломления от 1х103 до 1х10–4 угл. мин. Показано, что в этом диапазоне аналитическая шкала является линейной (пропорциональной), естественные шумы лазерного излучения не вносят существенных помех, а наблюдаемые поляризационно-оптические отклики обладают полезным для их анализа свойством аддитивности. Продемонстрировано эффективное применение развиваемых подходов для лазерного зондирования и диагностики широкого класса объектов и сред, например, оптических и лазерных материалов и элементов с повышенной оптической и структурной однородностью, кристаллических магнетиков, магнитных наножидкостей низких концентраций и т.д. Для магнитной наножидкости на основе магнетита в керосине поляризационные отклики зарегистрированы при рекордно малой минимальной объёмной концентрации 1х10–7. Реализована принципиальная возможность разделения и сравнительного изучения быстрых случайных и относительно медленных технологических вариаций (приращений) поляризационных откликов исследуемых материалов и наносистем. Практическая значимость. Полученные результаты характеризуют высокую чувствительность и вполне приемлемую информативность рассмотренных методов лазерного зондирования вещества. Развиваемые подходы могут дать много новой информации о структурных особенностях и связанных с ними флуктуациях параметров веществ и функциональных материалов самого широкого применения. Они могут быть значительно расширены и далее, например, на исследования и диагностику биополимеров, биологических жидкостей, объектов иной природы и состава.

Ключевые слова:

лазерное зондирование вещества, иерархия поляризационных откликов, оптоэлектроника, оптическое материаловедение, магнитооптика, магнитные наножидкости

Благодарность:

работа выполнена по государственному заданию Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-01157-23-00 в рамках темы FFZM-2022-0008 (номер гос. регистрации 122032300138-7)

Коды OCIS: 300, 200.3050, 260.0260, 250.0250, 120.0120, 230.0230, 230.0250, 210.0210, 140.0140, 260.5430, 120.4290, 160.4236, 210.3820, 280.4788

Список источников:
  1. Аззам Р.М.А., Башара Н.М. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981. 583 с.
  2. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. 576 с.
  3. Александров E.Б., Запасский В.С. Лазерная магнитная спектроскопия. Ленинград: Наука. Ленинградское отделение, 1986. 280 с.
  4. Schellman J., Jensen H. P. Optical spectroscopy of oriented molecules // Chem. Rev. 1987. V. 87. P. 1359–1399. https://doi.org/10.1021/cr00082a004
  5. Fofanov Ya.A. Threshold sensitivity in optical measurements with phase modulation // The Report of X Union Symposium and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy. Proc. SPIE. 1992. V. 1811. P. 413–414.
  6. Запасский В.С. Поляриметрия регулярных и стохастических сигналов в магнитооптике // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. Вып. 5. С. 946–951.
  7. Юшкин Н.П., Волкова Н.В., Маркова Г.А. Оптический флюорит. М.: Наука, 1983. 134 c.
  8. Фофанов Я.А., Афанасьев И.И., Бороздин С.Н. Структурное двупреломление в кристаллах оптического флюорита // Оптический журнал. 1998. Т. 60. № 9. С. 22–25.
  9. Фофанов Я.А., Плешаков И. В., Кузьмин Ю.И. Лазерное поляризационно-оптическое детектирование процесса намагничивания магнитоупорядоченного кристалла // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 1. С. 88–93.
  10. Грищенко А.Е., Черкасов А.Н. Ориентационный порядок в поверхностных слоях полимерных материалов // УФН. 1997. Т. 167. № 3. С. 269–285.
  11. Меркулов B.C. К обобщенной эллипсометрии сред // Оптика и спектроскопия. 2007. Т. 103. № 4. С. 646–648.
  12. Acher O., Bigan E., Drevillon B. Improvements of phase-modulated ellipsometry // Rev. Sci. Instrum. 1989. V. 60(1). P. 65–77. https://doi.org/10.1063/1.1140580
  13. Gupta V.K., Kornfield J.A., Ferencz A., Wegner G. Controlling molecular order in "Hairy-rod" Langmuir-Blodgett films: A polarization-modulation microscopy study // Science. 1994. V. 265(5174). P. 940–942. https://doi.org/10.1126/science.265.5174.940
  14. Shindo Y., Kani K., Horinaka J., Kuroda R., Harada T. The application of polarization modulation method to investigate the optical homogeneity of polymer films // J. Plast. Film Sheeting. 2001. V. 17(2). P. 164–183. https://doi.org/10.1106/1VGU-5D4Y-2KON-RBQF
  15. Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Investigations of the small birefringence of transparent objects by strong phase modulation of probing laser radiation // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. V. 12. № 7. P. 1579–1588. https://doi.org/10.1364/JOSAA.12.001579
  16. Bitar A., Kaewsaneha C., Eissa M., Jamshaid T., Tangboriboonrat P., Polpanich D., Elaissari A. Ferrofluids: From preparation to biomedical applications // Journal of Colloid Science and Biotechnology. 2014. V. 3. № 1. P. 3–18. https://doi.org/10.1166/jcsb.2014.1080
  17. Фофанов Я.А., Бардин Б.В. О поляризационных откликах объектов с малой оптической анизотропией // Научное приборостроение. 2016. Т. 26. № 1. С. 58–61. https://doi.org/10.18358/np-26-1-i5861
  18. Badoz J., Billardon M., Canit J.C., Russel M.F.J. Sensitive devices to determine the state and degree of polarization of a light beam using a birefringence modulator // Journal of Optics. 1977. V. 8. № 6. P. 373–384. https://doi.org/10.1088/0150-536X/8/6/003
  19. Клышко Д. Н., Масалов А. В. Фотонный шум: наблюдение, подавление, регистрация // УФН. 1995. Т. 165. № 11. С. 1249–1278.
  20. Kuraptsev A.S., Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Coherent specular reflection of resonant light from a dense ensemble of motionless point-like scatters in a slab geometry // Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 2016. V. 41. P. 1660141. https://doi.org/10.1142/S2010194516601411
  21. Fofanov Ya., Vetrov V., Ignatenkov B. Laser polarization-optical sounding of optical crystals and ceramics // IEEE Xplore Digital Library. ICLO. 2018. P. 406. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435268
  22. Diehl R., Jantz W., Nolang B.I., Wettling W. Growth and properties of iron borate FeBO3 // Current Topics in Material Science. V. 11 / Ed. by Kaldis E. Amsterdam: Elsevier Science Publishers B.V., 1984. P. 241–387.
  23. Kurtzig A.J.J. Faraday rotation in birefringent crystals // Appl. Phys. 1971. V. 42. № 9. P. 3494–3498. https://doi.org/10.1063/1.1660759
  24. Саланский Н.М., Глозман Е.А., Селезнев В.Н. ЯМР и доменная структура в монокристалле FeBO3 // ЖЭТФ. 1975. Т. 68. № 4. С. 1413–1417.
  25. Scott G.B. Magnetic domain properties of FeBO3 // J. Phys. D: Appl. Phys. 1974. V. 7. P. 1574–1587. https://doi.org/10.1088/0022-3727/7/11/320
  26. Рудяк В.М. Эффект Баркгаузена // УФН. 1970. Т. 101. № 3. С. 429–462.
  27. Scherer C., Figueiredo Neto A.M. Ferrofluids: Properties and applications // Braz. J. Phys. 2005. V. 35(3A). P. 718–727. https://doi.org/10.1590/S0103-97332005000400018
  28. Zhao Y., Lv R., Zhang Y., Wang Q. Novel optical devices based on the transmission properties of magnetic fluid and their characteristics // Opt. Lasers Eng. 2012. V. 50(9). P. 1177–1184. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2012.03.012
  29. Agruzov P.M., Pleshakov I.V., Bibik E.E., Shamray A.V. Magneto-optic effects in silica core microstructured fibers with a ferrofluidic cladding // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. № 7. P. 071108-4. https://doi.org/10.1063/1.4866165
  30. Zakinyan A.R., Dikansky Yu.I. Effect of microdrops deformation on electrical and rheological properties of magnetic fluid emulsion // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V. 431. P. 103–106. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.057
  31. Фофанов Я.А., Плешаков И.В., Прокофьев А.В. Исследование поляризационных магнитооптических откликов слабо концентрированной феррожидкости // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 20. C. 66–72.
  32. Fofanov Ya.A., Pleshakov I.V., Prokof'ev A.V., Bibik E.E. Weak polarization-optical responses of diluted magnetic nanofluid probed by laser radiation with polarization modulation // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2021. V. 12 (1). P. 60–64. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2021-12-1-60-64
  33. Nepomnyashchaya E.K., Prokofiev A.V., Velichko E.N., Pleshakov I.V. Investigation of magneto-optical properties of ferrofluids by laser light scattering techniques // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V. 431. P. 24–26. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.002
  34. Philip J., Laskar J.M. Optical properties and applications of ferrofluids — a review // Journal of Nanofluids. 2012. V. 1. № 1. P. 3–20. https://doi.org/doi:10.1166/jon.2012.1002
  35. Candiani A., Konstantaki M., Margulis W., Pissadakis S. Optofluidic magnetometer developed in a microstructured optical fiber // Optics letters. 2012. V. 37. № 21. P. 4467–4469. https://doi.org/10.1364/OL.37.004467
  36. Chi Chiu Chan, Peng Zu, Wen Siang Lew, Yongxing Jin, Yifan Zhang, Hwi Fen Liew, Li Han Chen, Wei Chang Wong, Xinyong Dong. Magneto-optical fiber sensor based on magnetic fluid // Optics letters. 2012. V. 37. № 3. P. 398–399. https://doi.org/10.1364/OL.37.000398
  37. Davis H.W., Llewellyn J.P. Magnetic birefringence of ferrofluids: I. Estimation of particle size // J. Phys. D: Appl. Phys. 1979. V. 12(2). P. 311–319. https://doi.org/10.1088/0022-3727/12/2/018
  38. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Статистический анализ данных высокочувствительного поляризационно-оптического зондирования магнитных наножидкостей // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 2. С. 36–43. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-02-36-43
  39. Скибин Ю.Н., Чеканов В.В., Райхер Ю.Л. Двойное лучепреломление в магнитной жидкости // ЖЭТФ. 1977. Т. 72. В. 3. С. 949–955.
  40. Scholten P.C. The origin of magnetic birefringence and dichroism in magnetic field // IEEE Trans. Magn. 1980. V. 16(2). P. 221–225. https://doi.org/10.1109/TMAG.1980.1060595
  41. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Лазерная диагностика слабых поляризационных откликов ансамблей наночастиц // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Т. 86. № 6. С. 812–816. https://doi.org/10.31857/S0367676522060126
  42. Weiss P., Cipris A., Kaiser R., Sokolov I.M., Guerin W. Superradiance as single scattering embedded in an effective medium // Phys. Rev. A. 2021. V. 103. № 2. P. 023702. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.023702