Том 117, № 1 (2023): ТЕМАТИЧЕСКИЙ БЛОК: СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФОТОНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Инфракрасная оптика крайне широко распространена в современной науке и технике. Именно в инфракрасном диапазоне работает практически всё телекоммуникационное оборудование, тепловое излучение наиболее ярко выражено также в инфракрасной области спектра, а приборы ночного видения, в свою очередь, основаны на его детектировании. Инфракрасное излучение играет важную роль в ближнепольном радиационном теплопереносе, а также используется в спектроскопии и многих других научных задачах. В последние годы получили широкое распространение передовые методы наноструктурирования, направленные на управление светом на наномасштабах. В частности, активно применяются фотонные кристаллы, метаповерхности и нанорезонаторы. В этой работе мы рассматриваем возможности использования двумерных слоисто-упорядоченных структур в оптическом и инфракрасном диапазонах. В частности, мы рассматриваем возможность применения поверхностных волн Дьяконова в ограниченных средах, а также коллективных резонансов в решетках плазмонных наночастиц. Оба типа структур позволяют локализовать свет на субмикрометровых масштабах, усиливать взаимодействия света с веществом и эффективно управлять распространением электромагнитных волн.

Изучены процессы миграции энергии в апконвертирующих нанокристаллах (АНК) при импульсном возбуждении на длине волны 975 нм, определяющие их квантовую эффективность, что является решающим фактором для широкого применения АНК. При воздействии пикосекундного лазерного излучения проведена контролируемая нанотрансформация трехмерной люминесцентной структуры в одномерную через образование частиц со структурой, напоминающей «медузу». Показано, что в одномерной структуре за процесс апконверсии отвечает миграция энергии между Yb3+, как и в случае наночастиц.
Получены спектры фотолюминесценции от одиночных АНК. Предложен подход для оценки эффективности безызлучательной передачи энергии в комплексе АНК с флуорофором, учитывающий вклад миграции энергии между ионами сенсибилизатора.
Показана перспективность применения АНК в фототермической терапии благодаря поглощению ионов сенсибилизатора Yb3+.
Продемонстрирован клеточный ответ на гипертермию при участии АНК путем измерения экспрессии белка теплового шока.

Описаны устройство и основные параметры фотосенсорных структур на основе квазидвумерых слоев из элементов IV, V, VI и VIII групп Периодической таблицы Д.И. Менделеева, таких как: восстановленный оксид графена (rGO), теллурид олова (SnTe), теллурид висмута (Bi2Te3), селенид платины (PtSe2), материал на основе азотзамещенного графена (C3N). Впервые синтезированы новые фоточувствительные элементы на основе массивов произвольно ориентированных 2D-нанослоев Bi2Te3 и восстановленного оксида графена, гетероструктур из композиционных двумерных наночастиц SnTe/rGO, гетероструктур rGO/(SnTe+rGO) и rGO/Bi2Te3. На синтезированных элементах без охлаждения реализована фоточувствительность в различных областях электромагнитного излучения. На основе rGO и 2D-Bi2Te3 изготовлены полевые фототранзисторы, в которых впервые обнаружены эффекты зависимости формы кривых Ids(Vg) от засветки различными источниками излучения, что открывает
перспективы создания фотосенсоров с управляемой напряжением спектральной чувствительностью.

Исследован новый физический эффект сильной низкотемпературной широкополосной (2–40 мкм) ИК-фотопроводимости в p-n переходе кремния, сформированном n-сверхлегированным слоем на p-легированной подложке. Широкополосную ИК- фотопроводимость обеспечивает ясно выраженный дискретный спектр нейтральных и однократно ионизованных донорных состояний атомной примеси замещения и кластеров серы вблизи дна зоны проводимости (так называемая «промежуточная» зона шириной до 0.6 эВ), распределение населенностей внутри которой плавно по спектру, хорошо выражено и управляется по амплитуде тепловым возбуждением в диапазоне 5–250 К. В результате на базе одного кремниевого фотоэлемента выбором температурного режима реализуется регистрация излучения дальнего-ближнего ИК-диапазона для широкого круга разноплановых практических задач – солнечной энергетики, тепловидения и биовизуализации.

Представлен обзор основных результатов работ в рамках междисциплинарного проекта РФФИ по созданию лазеров на халькогенидных стеклах, работающих при комнатной температуре в ранее недоступной для лазеров на стеклах области длин волн свыше 4 мкм. Синтезированы образцы халькогенидных стекол, легированные редкоземельными ионами (РЗИ) Pr3+, Tb3+, Ce3+, Nd3+ рекордного уровня химической чистоты и высокого оптического качества, и исследованы их спектрально-люминесцентные свойства. Выбраны перспективные для лазерной генерации переходы РЗИ и схемы их возбуждения. Продемонстрирована лазерная генерация в области спектра 4.5–6 мкм на ранее не генерировавших переходах церия, празеодима и тербия. В объемном образце легированного церием селенидного стекла получены выходная энергия до 43 мДж в импульсе и спектральная перестройка в полосе 4.5–5.6 мкм. В композитном волоконном световоде (с легированной тербием селенидной сердцевиной в нелегированной сульфидной оболочке) при непрерывной накачке получена выходная мощность до 100 мВт на длине волны ~ 5.25 мкм.

Отношение скорости движения электронов, индуцированных туннельной ионизацией и разогнанных мощным лазерным полем, к скорости света выступает одним из ключевых физических факторов, определяющих эффективность нелинейно-оптических процессов в плазменных средах. В настоящей работе впервые продемонстрировано, что мощные сверхкороткие импульсы с центральной длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне усиливают плазменные нелинейности, связанные в первую очередь с индуцируемыми мощным лазерным полем в воздухе внутриплазменными токами. На этой основе удается реализовать лазерно-плазменные схемы эффективной генерации когерентного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого и микроволнового диапазонов – микроволнового–терагерцевого суперконтинуума в газовых средах.