Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Шабанов А.В. Оптика реальных фотонных кристаллов. Жидкокристаллические дефекты, неоднородности

Подождите немного. Документ загружается.

111

стороны становится все более доминирующим. Увеличение толщины пленки

приводит к улучшенному качеству резонанса пленки и к более острым пикам

интенсивности.

N=10 N=20 N=30

|λ′|

Рис. 4.7. Зависимость относительных интенсивностей I

от приведенной длины

волны, толщины пленки N|p| и параметра порядка

=0,1.

Широко используемый для характеристики поляризации флюоресцен-

ции – коэффициент асимметрии q

−

, (4.87)

где I

, I

обозначают лево- и правовинтовые поляризованные интенсивности.

Возможные значения q

лежат в области от –2 до +2.

На рис. 4.8, а, б приведены экспериментальные и теоретические кривые

отражения и пропускания света ХЖК с левой спиральной структурой. В

спектрах отчетливо проявляются запрещенная зона и интерференционные

полосы. Снижение пропускания на коротких длинах волн происходит из-за

поглощения света краситетем. Как и ожидалось, со средой взаимодействует

только свет круговой поляризации, совпадающей со знаком холестерической

спирали. Экспериментальные кривые интенсивностей флуоресценции приве-

дены на рис. 4.8, в, г, д.

Интенсивность флуоресценции, почти нулевая внутри запрещенной зо-

ны, усиливается на границах и испытывает сильные колебания вблизи стоп-

зоны (см. рис. 4.8, в). Для света с правой поляризацией спектр аналогичен

спектру флуоресценции ХЖК

в изотропной фазе (см. рис. 4.8, г, д).

112

Рис. 4.8. Оптические характеристики и флуоресценция допированного красителем

холестерического жидкого кристалла в области запрещенной зоны [3]. Отражение (а) и

пропускание (б); точки и сплошные кривые представляют экспериментальные и теорети-

ческие результаты соответственно; спектр флуоресценции в произвольных единицах: ле-

вополяризованная интенсивность (в); правополяризованная интенсивность (г); интенсив-

ность в изотропной фазе (д);

§ 4.3. Спектр отражения холестерического жидкого кристалла с

дефектами структуры

Холестерические жидкие кристаллы являются одномерными ФК с фо-

тонной запрещенной зоной для света, распространяющегося вдоль оптиче-

ской оси ХЖК с круговой поляризацией, совпадающей со знаком холестери-

ческой спирали [13, 26]. Световые волны с противоположной круговой поля-

λ, нм

113

ризацией проходят через среду холестерика почти без изменения. Для ХЖК

предложены два способа введения дефекта: тонкий слой изотропного веще-

ства, внедренный между двумя слоями холестерика [27], и дефект, вызван-

ный фазовым скачком холестерической спирали на границе раздела двух

слоев пленки холестерического полимера [28]. Экспериментальное доказа-

тельство того, что в ХЖК дефектная мода может

быть индуцирована введе-

нием фазового скачка спирали, приведено в [29]. Авторы [29] наблюдали

увеличенную флуоресценцию и лазерную эмиссию из-за дефекта в легиро-

ванном красителем холестерическом полимере. Спектры флуоресценции по-

казывают дополнительную резонансную моду внутри фотонной запрещенной

зоны. Импульсное возбуждение вызывает лазерную эмиссию дефектной мо-

ды с исключительно низким порогом. Эмиссия дефектной

моды имеет круго-

вую поляризацию с направлением вращения против холестерической спира-

ли. Очевидно, низкопороговая лазерная эмиссия обусловлена высокой плот-

ностью фотонных состояний дефектной моды. Эффект усиления ПФС де-

фектной моды по сравнению с плотностью состояний на границах запрещен-

ной зоны ФК с дефектом структуры отмечен в § 4.1 (см. рис. 4.2).

Ниже исследуется спектр отражения ХЖК с дефектом нового типа –

локальным изменением шага спирали [30]. Изучены также особенности в

спектре отражения холестерика с двумя дефектами структуры в зависимости

от расстояния между ними. Рассматриваемая структура представляет собой

пленку ХЖК, на толщине которой укладывается N шагов спирали, а внешняя

среда изотропна и характеризуется усредненным показателем

преломления

для исследуемого холестерика n=(n

⊥

)/2. Предполагается, что локально

шаг спирали может отличаться от шага идеального ХЖК P, соразмерного с

длиной волны света. Будем считать структуру правовращающей, а свет, по-

ляризованный по кругу вправо, нормально падает на пленку и распространя-

ется вдоль оптической оси спирали. Геометрия задачи, заданная выше, по-

зволяет адаптировать для наших целей метод

исследования, развитый для

дифракции рентгеновских лучей в идеальных кристаллах, который с успехом

использовался для описания спектра отражения идеально организованного

ХЖК [31]. В общем случае поставленная задача имеет решение в рамках

строгого подхода, основанного на теории электромагнетизма с использова-

нием метода, развитого для описания оптических свойств неоднородных ани-

зотропных слоистых сред [32]. Однако в

рассматриваемом случае, когда свет

114

падает нормально к поверхности пленки и распространяется вдоль оси спи-

рали, решение задачи упрощается. Результаты же расчетов коэффициента от-

ражения, выполненные для идеального холестерика, в случае отсутствия ди-

электрических границ, по динамической теории дифракции (см. рис. 4.9) и в

рамках строгого подхода, основанного на теории электромагнетизма практи-

чески совпадают [26, 31]. Кроме того, когда

внешняя среда вне холестерика

изотропна с показателем преломления для исследуемого холестерика

n=(n

⊥

)/2, Френелевское отражение от поверхности пленки и интерферен-

ционные полосы от граничных поверхностей слабые. Экспериментально та-

кие условия осуществить легко. В рамках динамической модели отражение

света от холестерика определяется только дифракцией на его структуре, что

позволяет корректно исследовать влияние дефектов на спектры отражения.

Динамическая теория не применима для очень малых толщин

пленки или ес-

ли расстояние, на котором амплитуда падающей волны уменьшается в е раз,

l = Pn/(π

n), где

n=n

⊥

– двулучепреломление квазинематического слоя,

сравнимо с шагом спирали.

Будем считать, что ХЖК состоит из неэквидистантных параллельных

плоскостей, отстоящих одна от другой на расстояние, равное шагу спирали,

изменяющемуся вдоль оптической оси. Т. е. каждая плоскость заменяет со-

бой m слоев, амплитудный коэффициент отражения плоскости имеет вид [31]

/riQinn

−=− . (4.88)

Для учета эффекта многократных отражений от плоскостей необходимо за-

писать разностные уравнения. Пусть A

и B

– комплексные амплитуды па-

дающей и отраженной волн в точке непосредственно над n-й плоскостью, то-

гда разностные уравнения в случае холестерика с непостоянным шагом спи-

рали имеют вид

,1,...,1,0

,)2exp()exp(

,)exp(

−=

−−−=

−

−=

BiiQAiA

BiiQAB

lllll

llll

ϕϕ

(4.89)

где разность фаз

, которая возникает при прохождении расстояния между

плоскостями, имеет вид

= 2

/ λ [31]; здесь λ – длина волны света в ва-

115

кууме, P

– шаг спирали, соответствующий l-й плоскости. Заметим, что (4.89)

сводится к разностным уравнениям идеального ХЖК [31], если опустить ин-

декс l в выражении для разности фаз

. При выводе (4.89) мы считали коэф-

фициент отражения одинаковым с обеих сторон плоскости.

Система уравнений (4.89) может быть представлена как матричное

уравнение

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(4.90)

здесь трансфер-матрица имеет вид

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

eiQe

iQee

ϕϕ

(4.91)

Из (4.90) следует, что амплитуды A

, B

связаны с A

и B

следующим

образом:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(4.92)

где

,...,

ˆˆ

110 −

TTTM (4.93)

Энергетический коэффициент отражения R(λ) определяется при усло-

вии, что отсутствует отражение с правой стороны образца ХЖК, выражением

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (4.94).

Используя (4.92), получаем:

()

R =

, (4.95)

где

2212

,MM – элементы матрицы

116

Исследуем теперь особенности спектра отражения ХЖК с одним и

двумя дефектами структуры с помощью численного решения уравнения для

коэффициента отражения (4.95) при вариации параметров ФК. В дальнейшем

полагаем параметры затравочной структуры такими же, как и в [31] при ис-

следовании идеальной пленки ХЖК толщиной 25P: n=1,5,

n=0,07,

=nP=0,5 мкм.

На рис. 4.9 приведена зависимость коэффициента отражения ХЖК

пленки от длины волны, изменяющейся в диапазоне существования запре-

щенной зоны, в случае, если шаг спирали в центре пленки уменьшен по

сравнению с шагом идеальной структуры и равен 0.8P. Границы спектраль-

ного диапазона запрещенной зоны идеального холестерика определяют дли-

ны волн

= 485 нм и λ

= 515 нм. Значение коэффициента отражения для

ХЖК без дефекта в полосе селективного отражения достигает единицы и

уменьшается с уменьшением как толщины пленки, так и анизотропии холе-

стерика

n. Как видно из рисунка, в центре запрещенной зоны возникает

провал, обусловленный дефектом структуры, а ширина запрещенной зоны

ХЖК с дефектом возросла по сравнению с шириной зоны идеального холе-

стерика. Осцилляции коэффициента отражения по мере удаления длины вол-

ны от области селективного отражения обусловлены дифракцией света на ог-

раниченном объеме, и

для полуограниченного пространства, занятого холе-

стериком, такие осцилляции коэффициента отражения отсутствуют [31].

450 475 500 525 550

0.2

0.4

0.6

0.8

(

)

Рис. 4.9. Зависимость коэффициента отражения от длины волны при нормальном

падении света на ХЖК. Пунктирная кривая соответствует идеальной структуре, сплошная

– структуре с дефектом. Параметры идеального ХЖК: n=1,5,

n=0,07, λ

=nP=500 нм, тол-

щина пленки 25P. Толщина дефектного шага спирали, расположенного в центре среды,

=0,8P.

нм

117

450 475 500 525 550

0.2

0.4

0.6

0.8

(

)

450 475 500 525 550

0.2

0.4

0.6

0.8

(

)

450 475 500 525 550

0.2

0.4

0.6

0.8

(

)

Рис. 4.10. Зависимость коэффициента отражения от длины волны при нормальном

падении света на ХЖК с двумя дефектами структуры. Значения параметров идеальной

структуры те же, что для рис. 4.9; расстояние между дефектами, симметрично располо-

женными относительно центра пленки: a – 13P, б – 9P, в – 5P.

нм

118

Рис. 4.11. Зависимость коэффициента отражения от длины волны при нормальном

падении света на ХЖК с двумя разными дефектами структуры:

0,8P, 0,9P. Значения ос-

тальных параметров те же, что для рис. 4.10.

нм

119

Спектр отражения ХЖК с двумя одинаковыми дефектами структуры

при различных расстояниях между ними приведен на рис. 4.10. Рисунок де-

монстрирует, что по мере увеличения расстояния между дефектами или, ина-

че, при уменьшении взаимного влияния электромагнитных мод, локализо-

ванных на дефектах, спектр отражения качественно меняется. В области се-

лективного отражения два провала, индуцируемые

дефектами, сливаются в

один, т. е. возникает вырождение частот электромагнитных мод локализо-

ванных на дефектах, меняются положения границ спектрального диапазона

запрещенной зоны. Существенное изменение претерпевают осцилляции ко-

эффициента отражения для длин волн вблизи области селективного отраже-

ния, например, для длин волн, меньших 480 нм и больших 525 нм (см.

рис. 4.10, а).

На

рисунке 4.11 приведен спектр отражения ХЖК с двумя различными

дефектами с шагами спирали 0,8P и 0,9P. Дефекты относительно центра

пленки удалены на практически равные расстояния, такие же как и в случае

двух одинаковых дефектов (см. рис. 4.10). Из рисунка видно, что провалы в

полосе селективного отражения не сливаются при разнесении дефектов

вплоть до

расстояния равного 13P (см. рис. 4.11, а), т. е. не возникает вырож-

дение частот дефектных мод. Кроме того, как видно из сравнения рисунков

4.11, б, в и 4.10, б, в, глубины провалов меньше для ХЖК с разными дефек-

тами. Это основные особенности, которые отличают эти спектры от спектров

отражения, приведенных на рис. 4.10, указывающих

на резонансный харак-

тер взаимного влияния электромагнитных дефектных мод в холестерике с

одинаковыми дефектами.

§ 4.4. Биосенсоры на фотонно-кристаллических структурах

Современные спектральные методы (ИК-, лазерной КР-спектроскопии,

УФ-поглощения, люминесценции) позволяют провести сложный биохимиче-

ский анализ. Между тем, несмотря на высокий уровень автоматизации экспе-

римента и обработки полученных результатов, интерпретация спектров

сложных молекулярных соединений затруднительна как по существу, так и

по длительности времени обработки спектральной информации.

Прорывом в проведении экспресс-

анализа послужила идея использова-

ния биохимических реакций, в результате которых образуются новые специ-

120

фические соединения с другими физическими характеристиками, в том числе

оптическими и спектральными.

Например, молекулы обелина, адсорбированные на частицах наноалма-

за, при взаимодействии с ионами кальция люминесцируют [33]. Интенсив-

ность этой биолюминесценции пропорциональна концентрации молекул обе-

лина и ионов кальция. Проградуировав такую биолюминесцентную тест-

систему, можно за несколько минут определять концентрации биолюминес-

цирующих

молекул обелина либо ионов кальция, если концентрация одной

из компонент системы известна, что легко осуществить при приготовлении

образцов.

Получили распространение биодатчики на основе лигандов нуклеино-

вой кислоты [34]. При взаимодействии лигандов с белками, гормонами, ток-

синами возникают биохимические комплексы с характерными для каждого

из них полосами флуоресценции. По положению полос и

интенсивности

флуоресценции можно быстро определить наличие и концентрацию анализи-

руемых молекул. Сотрудниками Института молекулярной биологии

им. Энгельгард Российской академии наук впервые был создан биочип.

Они разместили биодатчики в определенной последовательности на

стеклянной поверхности. Каждый биодатчик представлял собой гелевую час-

тичку с молекулой-детектором в центре. Эти молекулы различались тем, что

каждая

их них взаимодействовала только с одним штаммом какой-либо бо-

лезни. В этом случае ячейки, к которым «прилипли» молекулы вируса или

клетки бактерий, флуоресцируют при облучении их ультрафиолетовым све-

том. Зная положение ячейки и ее способность взаимодействия с биологиче-

скими молекулами, становится возможным провести анализ нескольких со-

единений на одной

пластине. Действительно, сканируя микроскопом по пла-

стине и регистрируя яркость флуоресценции каждой ячейки, молекула кото-

рой взаимодействует лишь с одним вирусом или штаммом, можно по интен-

сивности определять концентрацию, а по положению ячейки-штамм или ви-

рус. Устройство, состоящее из биодатчика и блока регистрации его сигнала,

называется биосенсором.

В работе [35] описан

оригинальный оптический биосенсор на основе

холестерических жидких кристаллов молекул ДНК. Двухцепочечная ДНК

может взаимодействовать с различными группами веществ за счет разветв-

ленных центров взаимодействия [36, 37]. Так, несложные группировки неко-

торых молекул взаимодействуют с азотистыми основаниями ДНК, вытяну-