Влияние показателя преломления, коэффициентов поглощения и рассеяния сред на оптические свойства полых микроструктурных волноводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Малинин, Антон Владимирович

• Малинин, Антон Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Малинин, Антон Владимирович

Оглавление

Введение

Глава 1. Микроструктурные оптические волноводы с полой сердцевиной

1.1 Фотонно-кристаллические волноводы

1.2 Производство микроструктурных оптических волноводов

1.2.1 Обзор материалов, применяемых для производства микроструктурных волноводов

1.2.2 Технология изготовления микро- и наноструктурных волноводов

1.3 Полые микроструктурные оптические волноводы. Микроструктурные волноводы как оптические сенсоры

Глава 2. Исследование оптических свойств микроструктурных волноводов с

полой сердцевиной

2.1 Цели и объекты исследования

2.2 Измерение спектров пропускания полых микроструктурных волноводов

2.3 Определение пространственных характеристик пучка лазерного излучения на выходе из полых микроструктурных волноводов

2.4 Измерение величины оптических потерь в полых микроструктурных волноводах

2.5 Геометрические и оптические параметры исследуемых образцов

полых микроструктурных волноводов

2.6 Выводы

Глава 3. Микроструктурные волоконные датчики. Применение микроструктурных оптических волноводов в фотометрии и рефрактометрии

3.1 Сенсорные свойства микроструктурных волноводов с круглой формой сердцевины и

радиально увеличивающимся диаметром каналов в структурной оболочке

3.2. Материалы и методы экспериментального исследования

3.3 Зависимость положения максимумов в спектре пропускания полого микроструктурного волновода от показателя преломления модельной среды

3.4 Поглощение излучения в полом микроструктурном волноводе. Применение микроструктурных волноводов в качестве протяженной кюветы

3.5 Влияние коэффициента рассеяния инжектируемой среды на проводимость оптического излучения по полому микроструктурному волноводу

3.6 Применение полых микроструктурных волноводов с большим периодом решетки структурной оболочки в качестве микрокювет-датчиков

3.6.1 Протяженная микрокювета для определения концентрации глюкозы на физиологическом уровне в жидких средах

3.6.2 Фотометрическое определение положительной и отрицательной реакций агглютинации эритроцитов с применением полого микроструктурного волновода

3.7 Выводы

Заключение

Список использованной литературы

129

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние показателя преломления, коэффициентов поглощения и рассеяния сред на оптические свойства полых микроструктурных волноводов»

Введение

Процесс поиска возможных применений для микро- и наноструктурных оптических волноводов начался вслед за появлением первых сообщений о создании таких структур. Наноструктурные волноводы, называемые также фотонно-кристаллическими, успешно применяются в нелинейной оптике для генерации когерентного излучения в пределах широкого диапазона (суперконтинуум), а также для гибкой передачи сверхкоротких лазерных импульсов без значительного уширения.

Перспективная область применения микроструктурных волноводов -разработка оптических сенсоров физических и биофизических величин. В наибольшей степени это относится к микроструктурным волноводам с полой сердцевиной. Конструктивные особенности таких волноводов предполагают высокую степень взаимодействия вводимого оптического излучения со средой, заполняющей полые каналы в структуре волновода.

Впервые подобный сенсор был реализован на базе микроструктурного волновода с твердой сердцевиной, в котором излучение, распространяющееся по твердому дефекту за счет полного внутреннего отражения, взаимодействовало в форме экспоненциально затухающей (еванесцентной) волны со средой, заполняющей полые каналы в структурированной оболочке, однако, применение микро- и наноструктурных волноводов с полой сердцевиной позволило значительно увеличить долю излучения, которое взаимодействует с анализируемой средой, так как стала возможной инжекция анализируемой среды непосредственно в световедущий дефект.

С точки зрения применения микро- и наноструктурных волноводов в качестве оптических датчиков, актуальной задачей является разработка новых конструкций волноводов, изучение их оптических свойств и исследование влияния оптических параметров сред на оптические характеристики волноводов.

Использование микро- и наноструктурных волноводов в качестве оптического инструмента исследования биологических объектов предполагает четкое понимание того, каким образом и в какой степени такие эффекты как рассеяние и поглощение оптического излучения в среде, заполняющей каналы волновода, влияют на оптические характеристики волновода (спектральный состав, интенсивность оптического сигнала на выходе).

Целью данной работы является экспериментальное исследование оптических свойств полых микроструктурных волноводов (спектральные характеристики, пространственные характеристики пучка лазерного излучения на выходе, величина оптических потерь) различных геометрических конфигураций, а также исследование влияния оптических параметров сред (показатель преломления, коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния), заполняющих внутреннюю структуру волноводов, на их оптические характеристики -модификацию спектральных свойств излучения на выходе.

В рамках работы решались следующие задачи:

• Разработка и изготовление конструкций микроструктурных волноводов (МСВ) с различной топологией структурной оболочки и полым дефектом.

• Разработка методического обеспечения работ, а именно: техника и методики проведения экспериментов с МСВ: получение спектрального состава излучения, профиля пучка излучения, измерение оптических потерь.

• Определение спектральных характеристик образцов полых микроструктурных волноводов.

• Определение пространственных характеристик пучка лазерного излучения на выходе из образцов МСВ.

• Измерение величины оптических потерь в микроструктурных волноводах на длинах волн 532 нм и 633 нм, в зависимости от положения максимумов в спектрах пропускания образцов.

4 %

• Определение оптимальной внутренней геометрии МСВ для измерения показателя преломления сред по результатам исследования линейных оптических свойств микроструктурных волноводов.

• Теоретический расчет сдвига полос в спектре пропускания микроструктурных кювет-датчиков при изменении показателя преломления среды, заполняющей внутренние каналы датчика.

• Разработка экспериментального оснащения для проверки теоретических расчетов с экспериментом на модельных средах с различными значениями показателя преломления.

• Экспериментальная оценка диапазона значений коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния среды (при заданной мощности источника зондирующего излучения), для измерения которых применима микроструктурная кювета — датчик.

• Апробация методов измерения в эксперименте по определению количества глюкозы (на уровне физиологических концентраций) в модельной жидкости, и методе регистрации положительной/отрицательной реакции агглютинации эритроцитов при определении группы крови человека с использованием специфичных агглютинирующих сывороток.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально показано, что при изменении соотношения показателей преломления материала, из которого изготовлен полый микроструктурный волновод и среды, заполняющей каналы внутренней структуры волновода, происходит смещение максимумов в спектре пропускания волновода, при этом зависимость длин волн максимумов в спектре пропускания микроструктурного волновода от показателя преломления среды, заполняющей каналы волновода, линейная.

2. Получено экспериментальное подтверждение антирезонансного механизма локализации электромагнитных волн в полой сердцевине волновода с большим периодом решетки микроструктурной оболочки.

3. Экспериментально показано, что волноводный эффект в микроструктурных волноводах сохраняется при заполнении их внутренней структуры средой, содержащей рассеиватели оптического излучения.

4. Показано, что увеличение коэффициента поглощения среды, заполняющей полую сердцевину микроструктурного волновода, в некотором диапазоне из спектральной области 400 - 1000 нм инициирует сильное затухание оптического сигнала в волноводе, поэтому полые микроструктурные волноводы могут применятся для измерения низких значений коэффициента поглощения сред в видимом диапазоне спектра.

Полученные в данной работе результаты использовались при выполнении государственных контрактов по ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы № 02.740.11.0770 «Разработка оптических методов исследования и мониторинга изменений параметров биологических тканей и цельной крови при изменении содержания глюкозы в тканях организма человека и животных», №14.В37.21.0728 «Развитие физических основ и приложений высокоразрешающей томографической и поляризационной микроскопии для субмикроннного анализа объемной структуры объектов технического и биологического происхождения», №14.В37.21.0563 «Разработка когерентно-оптических биосенсоров на генетическом, клеточном и организменном уровнях организации», №14.512.11.0022 «Разработка научно-технических основ бесконтактной терагерцовой диагностики распространенных заболеваний человека на основе исследования спектральных характеристик кожной ткани», «Исследование оптических свойств биологических тканей и крови, направленное на создание фундаментальных основ оптической медицинской диагностики и лазерной терапии» (2012 - 2013 гг), гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-1177.2012.2, государственных контрактов № 02.740.11.0770 «Разработка оптических методов исследования и мониторинга изменений параметров биологических тканей и цельной крови при

изменении содержания глюкозы в тканях организма человека и животных», № 11027р/20255 «Разработка наноструктурных халькогенидных волокон», государственного контракта № 6163р/8746 «Новое поколение фотонно-кристаллических волокон с полой сердцевиной для управления фемтосекундным лазерным излучением».

Практическая значимость результатов

1. Разработаны новые типы микроструктурных волноводов с различной топологией структурной оболочки и полым дефектом;

2. Разработана методика получения калибровочных кривых для измерения показателя преломления и коэффициента поглощения среды с помощью полого микроструктурного волновода;

3. Определена нижняя граница чувствительности микроструктурных кювет-датчиков к изменению показателя преломления;

4. Впервые полый микроструктурный волновод применялся в качестве средства регистрации положительной/отрицательной реакции агглютинации эритроцитов.

5. Разработан метод определения низких концентраций глюкозы (единицы ммоль/л) в жидкости с применением полого микроструктурного волновода в качестве протяженной фотометрической кюветы малого объема (50 мкл). Метод позволяет определять концентрацию глюкозы в аналите на физиологическом уровне (концентрация глюкозы в крови здорового человека в среднем составляет величину 4-7 ммоль/л).

Достоверность результатов

Все экспериментальные результаты, представленные в работе, подвергались статистической обработке. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами, все оригинальные результаты воспроизводятся при повторении экспериментов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Полый микроструктурный волновод с круглой формой сердцевины может применяться для измерения показателя преломления среды, заполняющей каналы его внутренней структуры с погрешностью 0,001.

2. При заполнении внутренней структуры полого микроструктурного волновода средой, содержащей частицы, рассеивающие оптическое излучение, волноводный эффект сохраняется, полый микроструктурный волновод может применяться в качестве протяженной фотометрической кюветы малого объема для измерения коэффициентов рассеяния и поглощения сред.

3. Эффективность оксидазного метода определения концентрации глюкозы в биологических жидкостях может быть увеличена при использовании полого микроструктурного волновода вместо стандартной фотометрической кюветы за счет многократного снижения объема пробы, требуемого для получения отклика на присутствие глюкозы в пробе.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:

• Международная школа для молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике (Saratov Fall Meeting 2010), г. Саратов, Россия.

• Optical Sensors and Biophotonics III, Communications and Photonics 2011, Shanghai, China.

• Международная школа для молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике (Saratov Fall Meeting 2011), г. Саратов, Россия.

• The 3 rd Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials (NANOMETA 2011), Seefeld-in-Tirol, Austria.

• Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics VIII, SPIE Photonics West 2011, San-Francisco, USA.

• Photonic Solutions for Better Health Care III, SPIE Photonics Europe 2012, Brussels, Belgium.

• Dynamics Fluctuations in Biomedical Photonics IX, SPIE Photonics West 2012, San-Francisco, USA

• Международная школа для молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике (Saratov Fall Meeting 2012), г. Саратов, Россия.

• Photonic Solutions for Better Health Care III, SPIE Photonics Europe 2012, Brussels, Belgium.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ (из них 1 патент и 8 статей в изданиях, входящих в список ВАК):

1. Малинин А.В., Ю.С. Скибина, Н.А. Михайлова, И.Ю. Силохин, М.В. Чайников. Биологический сенсор на базе фотонно-кристаллического световода с полой сердцевиной // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 8, стр. 33-38.

2. Malinin A.V., A. A. Zanishevskaja, Yu. S. Skibina, I. Yu. Silokhin, V. V. Tuchin, V. A. Dubrovskiy, A. A. Dolmashkin. Determination of blood types using a chirped photonic crystal fiber // Proceedings of SPIE Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics VIII, Vol. 7898, 78981A (2011).

DOI: 10.1117/12.879794

3. Малинин A.B., Ю.С.Скибина, В.В.Тучин, М.В.Чайников, В.И.Белоглазов, И.Ю.Силохин, А.А.Занишевская, В.А.Дубровский, А.А.Долмашкин. Применение фотонно-кристаллических волноводов с

полой сердцевиной в качестве биологических сенсоров // Журнал Квантовая электроника, 2011, 41 (4), стр. 302-307.

4. Valery V. Tuchin, Julia S. Skibina, Malinin A.V.. Photonic crystal fibers in biophotonics // Proc. SPIE, Optical Sensors and Biophotonics III, 8311 ON

(2011); doi: 10.1117/12.902647

5. Malinin A.V., A.A. Zanishevskaja, V. V. Tuchin, Yu. S. Skibina, I. Yu. Silokhin. Oxidase method for glucose determination using long-period grating waveguide // Proceedings of SPIE Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics IX, Vol. 8222, 82221B (2012), DOI: 10.1117/12.914547

6. Malinin A.V., A. A. Zanishevskaja, V. V. Tuchin, Yu. S. Skibina, I. Y. Silokhin. Photonic crystal fibers for food quality analysis // Proceedings of SPIE Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care III, Vol. 8427, 842746

(2012), DOI: 10.1117/12.924096

7. Занишевская А. А., Малинин A.B., Скибина Ю. С., Тучин В. В., Чайников М. В., Белоглазов В. И., Силохин И. Ю., Ермакова А. М. Анализ фруктовых соков при помощи фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной // Известия Саратовского университета. Новая серия. 2012. Т. 12. Сер. Физика, вып. 2, стр. 58-64.

8. Malinin A.V., A. A. Zanishevskaja, V. V. Tuchin, Yu. S. Skibina, I. Yu. Silokhin. Photonic crystal waveguide biosensor // Journal of Innovative Optical Health Sciences, Vol. 6, No. 2 (2013) 1350008, DOI: 10.1142/S1793545813500089

9. Осьмаков М.И., Ермакова A.M., Скибина Ю.С., Белоглазова E.B., Карпова Е.П., Чайников М.В., Малинин А.В., Силохин И.Ю. Фотонно-кристаллический волновод для селективного пропускания оптического излучения // Заявка на патент № 2013101342/20(001698

10. А.А.Занишевская, Малинин А.В., Ю.С. Скибина, В.В. Тучин, М.В. Чайников, В.И. Белоглазов, И.Ю. Силохин, А.М.Ермакова. Определение концентрации глюкозы в биологических жидкостях при

помощи фотонно-кристаллических волноводов // Оптика и спектроскопия,

2013, том 115, №2, с.266-271

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в проведении экспериментов по исследованию оптических и сенсорных свойств микроструктурных волноводов, модификации экспериментальных установок, обработке и интерпретации экспериментальных результатов. Постановка исследовательских задач осуществлялась профессором, д.ф.-м.н. В.В. Тучиным (СГУ им. Чернышевского), старшим научным исследователем, к.ф.-м.н. Скибиной Ю.С. (ООО НПП «Наноструктурные Технологии Стекла», СГУ им. Чернышевского), обсуждение результатов проводилось при участии д.м.н. В.А. Дубровского (СГМУ им. Разумовского), Dr. G. Steinmeyer (Max-Born Institute, Berlin, Germany), Dr A. Bjeoumikhov (Institute for Scientific Instruments, Berlin, Germany), Dr R. Wedell (Institute of Applied Photonics, Berlin, Germany).

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы из 136 наименований. Общий объем диссертации составляет 138 страниц текста, иллюстрированного 31 рисунком.

Во введении дано обоснование актуальности исследования, сформулированы задачи исследования, обсуждается научная новизна работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору работ в области разработки и применения оптических сенсоров на базе микро- и наноструктурных волноводов, показана технология изготовления микро- и наноструктурных волноводов, представлен обзор материалов для их производства.

Вторая глава посвящена методам исследования оптических свойств полых микроструктурных волноводов, приведено описание экспериментальных установок для определения спектральных характеристик волноводов, величины

оптических потерь в волноводах, профиля пучка излучения на выходе, а также поляризационных свойств волноводов.

В третье главе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования сенсорных свойств полых микроструктурных волноводов с радиально увеличивающимся диаметром каналов в структурной оболочке.

Последовательно рассматривается влияние показателя преломления, коэффициента поглощения и коэффициент рассеяния среды, заполняющей внутреннюю структуру волновода, на оптические свойства волновода. Показано, что положение и количество (в определенном спектральном диапазоне) локальных максимумов в спектре пропускания микроструктурных волноводов можно изменять, варьируя показатель преломления среды, заполняющей их внутреннюю структуру. Представлены результаты экспериментов по заполнению полых микроструктурных волноводов модельными жидкостями с известными значениями коэффициентов поглощения и рассеяния, оценивается влияние изменения коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния среды в определенных диапазонах значений на спектральный состав излучения, проходящего через образцы волноводов.

Показаны примеры использования полых микроструктурных волноводов в качестве микрокювет-датчиков для определения концентрации глюкозы в модельной жидкости, а также для регистрации положительной/отрицательной реакции агглютинации эритроцитов человека при смешивании крови со специфичными агглютинирующими сыворотками.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Глава 1. Микроструктурные оптические волноводы с полой сердцевиной 1.1 Фотонно-кристаллические волноводы

В последнее десятилетие микроструктурные и наноструктурные оптические волноводы привлекли внимание экспертов в области нанобиофотоники - научно-технологической области, связанной с разработкой и производством нано- и микроструктурных устройств для генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения с целью их использования в биологии и медицине [1-3].

В отечественной и зарубежной литературе микро- и наноструктурные волноводы обобщенно называют фотонно-кристаллическими волноводами (ФКВ). В 1986 году была высказана идея создания диэлектрических структур, подобных кристаллическим, в которых не могут распространяться электромагнитные волны определенного спектрального диапазона. Подобные структуры получили название фотонных кристаллов с запрещенной зоной. Термин «фотонный кристалл» предложен Эли Яблоновичем [4].

Структура фотонного кристалла имеет пространственную модуляцию диэлектрической постоянной среды, период которой сопоставим с длиной волны взаимодействующего излучения. Создавая периодичность модуляции в одной, двух, или трех пространственных координатах, можно формировать одно-, двух-и трехмерные фотонные кристаллы.

Для понимания природы фотонных кристаллов, их можно рассмотреть как аналог классических кристаллов. Основное их отличие - в физических параметрах, характеризующих их структуру. Классический кристалл - это периодическое распределение атомов, или, другими словами, периодическое изменение потенциала для движущейся по кристаллу частице (электрона). Структура фотонного кристалла предполагает периодическое изменение диэлектрической проницаемости среды. Распространяя такую аналогию, мы можем утверждать, что частицы (фотоны) только с определенными энергиями

могут проходить через структуру фотонного кристалла. Таким образом, для определенной структуры фотонного кристалла существуют фотоны из падающего на кристалл пучка, которые не могут преодолеть границу раздела воздух-кристалл и способны лишь отражаться от нее. Диапазон энергий этих фотонов соответствует так называемой фотонной запрещенной зоне кристалла.

Исходя из характера пространственной периодичности показателя преломления материала, фотонный кристалл (ФК) может быть отнесен к одному из трех классов: одно- двух- и трехмерные ФК. В одномерных фотонных кристаллах показатель преломления периодически изменяется в одном направлении. Такие ФК состоят из плоских слоев диэлектрика с отличным показателем преломления и могут проявлять свои свойства только относительно одной пространственной координаты. Брэгговские структуры, т.е. периодические структуры из диэлектрических слоев толщиной А/4 и значением показателя преломления, повторяющимся через слой (два различных диэлектрика) являются классическим примером одномерного фотонного кристалла (рис. 1.1).

Для двухмерных фотонных кристаллов (рис. 1.2) характерно изменение величины показателя преломления по двум пространственным координатам. Свойства фотонного кристалла такие структуры проявляют также в двух направлениях. Трехмерные фотонные кристаллы характеризуются изменением величины показателя преломления по всем трем пространственным координатам. Такой кристалл можно представить в виде массива объемных тел (сфер, кубиков, и т.п.), размещенных в пространстве в виде трехмерной решетки.

Рис. 1.1 Одномерный фотонный кристалл - структура из чередующихся слоев диэлектрика двух типов с различающимся значением показателя преломления.

Рис. 1.2 Двухмерный фотонный кристалл - воздушные цилиндры в объеме диэлектрика.

По аналогии с материалами для электроники, фотонные кристаллы можно условно разделять на проводники, т.е. среды, способные передавать оптическое излучение на большие расстояния по определенному пути с малыми потерями, диэлектрики, в т.ч. близкие к идеальным зеркала, и полупроводники, т.е. материалы, способные селективно отражать электромагнитные волны с определенными длинами волн, и сверхпроводники, в которых благодаря коллективным эффектам фотоны могут распространяться на практически неограниченные расстояния [5].

Периодические диэлектрические структуры с четко выраженной окраской часто встречаются в природе [6-8]. Примерами одномерных ФК могут служить поверхность крыльев некоторых бабочек, хвост павлина, поверхность некоторых видов ракушек. Роль интерференции в окраске павлиньего хвоста была отмечена еще Исааком Ньютоном в далеком 1730 году. Структуры с двухмерной периодичностью присутствуют и в структуре глаз некоторых насекомых, таких как моль, а также глаз человека и других млекопитающих, а также в структуре некоторых видов морских водорослей [9]. Двухмерная периодичность характерна для структуры натуральной жемчужины, состоящей из плотноупакованных цилиндрических элементов. Трехмерные периодические структуры существуют в природе в виде коллоидных кристаллов [10]. Впервые такие среды были описаны в работе [11]. Полудрагоценный камень опал представляет собой коллоидный кристалл, состоящий из монодисперсных сферических глобул, обеспечивающий его переливающийся окрас, зависящий от угла наблюдения.

Наличие фотонных запрещенных зон делает кристаллы уникальным оптическим материалом. Искусственно созданные фотонные кристаллы могут использоваться в качестве основы устройств, управляющих светом, т.к. фотонные кристаллы позволяют фильтровать и локализовать электромагнитное излучение. Локализация электромагнитного излучения в фотонном кристалле возможно при наличии так называемого дефекта структуры фотонного кристалла. Электромагнитные колебания с длинами волн, соответствующими фотонной запрещенной зоне фотонного кристалла можно заключить в дефекте фотонного кристалла, который по сути является областью локального нарушения периодичности структуры. На данном принципе удержания электромагнитного

N

излучения в точечном дефекте фотонного кристалла созданы проводники оптического излучения - фотонно-кристаллические волноводы.

Термин фотонно-кристаллические волноводы [12-14] (ФКВ), введен впервые английским физиком Филиппом Расселом в 1996г. [15-16]. Понятие обобщает типы оптических волноводов со сложной структурной оболочкой, сечение которой представляет собой двухмерный фотонный кристалл. По

физическому механизму удержания света в сердцевине фотонно-кристаллического волновода их можно разделить на два больших класса: волноводы с твердой сердцевиной и волноводы с полой сердцевиной. Фотонно-кристаллический волновод первого типа похож на стандартное оптическое волокно: сердцевина, как правило, из стекла, имеет более высокий показатель преломления, чем эффективный показатель преломления окружающей ее оболочкой, имеющей структуру двумерного фотонного кристалла. Таким образом, оптическое излучение в сердцевине волновода локализуется по механизму полного внутреннего отражения от оболочки.

Фотонно-кристаллический волновод с полой (воздушной) сердцевиной (рис. 1.3), напротив, имеет низкий показатель преломления сердцевины по отношению к эффективному показателю преломления окружающей ее оболочки, а значит в нем не реализуется эффект полного внутреннего отражения. Направляющие свойства фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной обусловлены фотонными запрещенными зонами, формирующимися периодической структурой оболочки.

В основе механизма отражения света от границы раздела «сердцевина -оболочка» лежит брэгговское отражение от двумерной периодической диэлектрической структуры [17]. Оптическое излучение резонансных частот, лежащих в пределах запрещенной зоны структурной оболочки волновода, не проходит сквозь нее, и распространяется вдоль полой сердцевины [18-19].

Рис. 1.3 (а) Пример фотонно-кристаллического волновода (изготовленный компанией Blaze Photonics Ltd.). Диаметр полой сердцевины 20.4 мкм. (б) Увеличенное изображение окрестности полой сердцевины [20].

1.2 Производство микроструктурных оптических волноводов 1.2.1 Обзор материалов, применяемых для производства микроструктурных

волноводов

Для производства микроструктурных волноводов применяется множество материалов. Среди них: кварцевое стекло (плавленый кварц) 8Ю2, легкоплавкие стекла, легированные стекла, полимеры.

Кварцевое стекло (аморфный кварц) является доминирующим материалом для производства микроструктурных волноводов благодаря его выдающимся оптическим и механическим свойствам, таким как высокая прозрачность в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, а также высокое сопротивление к сжатию и изгибу. Однако, различные типы легкоплавкого стекла таакже могут успешно применяться для изготовления микроструктурных волноводов, т.к. обладают гораздо более низкой температурой плавления (в районе 600 °С) и стоимость их, в основном, ниже.

Еще один тип материала - фторидные стекла, обладают высоким потенциалом для производства волноводов, оперирующих в области среднего ИК, позволяющих передавать оптическое излучение в диапазоне длин волн 2-9 мкм. Такие стекла содержат металлы, например алюминий или цирконий, в форме фторидов (АШз и ZrF4 соответственно). Этот относительно дорогой тип стекла обладает некоторыми преимуществами перед классическим кварцевым стеклом: малое затухание оптического излучения с длинами волн более 2 мкм, а также возможность легирования редкоземельными элементами и, как следствие, значительное снижение вероятности обрыва генерации при использовании в лазерных резонаторах.

Фосфатные стекла, основой для которых является пентоксид фосфора Р205 также обладают высоким потенциалом для легирования редкоземельными элементами. Более того, концентрация примесных ионов в данном случае может быть значительно выше, по сравнению с фторидными стеклами. Фосфатные

стекла, легированные эрбием, неодимом, иттербием являются основой для волоконных лазеров с коротким резонатором, для которых характерно высокая интенсивность поглощения излучения накачки и большой диапазон оперирования. В качестве недостатков стекол такого типа можно отметить немного более узкий диапазон прозрачности по сравнению с кварцевым стеклом и низкую температуру размягчения (370°С), что накладывает ограничения на применимость материала в производстве мощных лазеров.

Халькогенидные стекла, содержащие в составе минимум один (кроме кислорода) халькогенид, например, селен, сера, теллур, обеспечивает широкое окно прозрачности в диапазоне среднего ИК, покрывая два т.н. атмосферных окна от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм, где рассеяние и поглощение инфракрасного излучения в атмосфере не столь велико [21]. Благодаря высокой оптической нелинейности халькогенидные стекла успешно применяются в изготовлении фотонно-кристаллических волноводов для генерации суперконтинуума, т.е. когерентного оптического излучения со сверхшироким спектром в несколько оптических октав. Кроме высокой оптической нелинейности халькогенидные стекла обладают высоким значением показателя преломления п ~ 2,7. Главные недостатки халькогенидных стекол - их хрупкость и токсичность. Однако, недавно на рынке появились не токсичные сорта стекол, содержащих халькогениды, что сделало этот тип материала еще более пригодным для вытяжки волокон.

Полимерные материалы, которые на первый взгляд мало подходят для производства оптических волноводов из-за сильного затухания оптического сигнала, все же применяются при создании прочных и гибких волокон. Не смотря на то что, разработка микроструктурных волокон из полимеров - это абсолютно новое направление, производство классических полимерных световодов уже давно реализовано на практике. Полимерные волокно обладают высокой числовой апертурой, которая обеспечивает их применимость в схемах для передачи данных, включающих светодиоды в качестве источников. Более того, полимерные волокна дешевы, и просты в использовании.

%

Волноводы, свойства которых изучались в рамках данной работы, изготовлены из стекла марки С 89 - легкоплавкого оптического стекла, состоящего из 72% кварца, 16% Na20 и небольшого количества СаО, MgO и ВаО. Это оптическое стекло обладает показателем преломления п - 1.519 на длине волны 550 нм, прозрачно в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

1.2.2 Технология изготовления микро- и наноструктурных волноводов

Производство структурированного стекла базируется на следующих основных технологических процессах:

• Вытяжка стеклоизделий из расплава;

• Перетяжка стеклоизделий;

• Спекание микроструктурного стекла;

Вытяжка стеклоизделий из расплава является наиболее устоявшейся классической технологией получения стеклоизделий в виде трубок и стержней с различной формой и размерами поперечного сечения. Установка для вытяжки из расплава состоит из следующих элементов: печь, фильерный узел и механизм вытяжки.

Блок стекла оборачивают тугоплавкой кремнеземистой тканью, устанавливают на фильерный узел, который находится в печи. Далее блок стекла разогревают до температуры размягчения. Затем через фильерный узел размягченное стекло продавливается под собственным весом и направляется вниз, где зажимается в механизм вытяжки. Таким образом, производится вытягивание либо стержня, либо трубки. Форма поперечного сечения изделия и его размеры определяются геометрией фильерного узла, скоростью вытягивания и температурой размягчения стекла.

Стабильность и точность поддержания температуры в печи и скорости движения привода вытяжки во многом определяют стабильность и точность геометрических размеров поперечных сечений получаемых изделий. Стабилизация заданного температурного режима в печи осуществляется с погрешностью +0.5°С, а скорости движения механизма вытяжки с ±0.5%.

Для обеспечения приведенных выше параметров применяются системы автоматического управления температурой и системы автоматического

управления скоростью движения электропривода механизма вытяжки на основе промышленных компьютеров или контроллеров.

Следует отметить, что часто для изделий с некруглой формой поперечного сечения является недопустимым закручивание изделия относительно его продольной оси. Поэтому в механизмах вытяжки оказывается неприемлемым использование простых роликовых механизмов, а используются шарико-винтовые пары или цепные механизмы со специальными захватами обеспечивающие хорошую равномерность движения и исключающими закручивание изделия относительно продольной оси.

Установки вытяжки стеклоизделий из расплава позволяют получать изделия диаметром 0.5 - 40 мм с точностью ±0.5%. Получаемые изделия могут быть как конечным продуктом, так и промежуточным, использующимся в дальнейшем для получения микроструктурного стекла, например, в виде поликапилярных структур. Кроме того, данный способ, позволяет получать стеклянные стержни бинарной структуры, т.е. изготавливать стеклянные стержни из двух разных типов стекол: из химически устойчивых и растворимых стекол с различным показателем преломления и различных материалов: остеклованную металлическую проволоку или остеклованный графит.

Для получения нано- и микроструктурного материала, кроме вытяжки из расплава используют ленточный способ перетягивания исходной заготовки (трубки, стержня, пакета трубок или стержней) в подобии. Математически это выглядит следующим образом:

В02Уп=<1х2Ув, (1.1)

где исходная геометрия заготовки (может быть диаметр, или диагональ гексагонального пакета или его размер по двойной апофеме); Уп- скорость подачи заготовки в печь; Ув - скорость вытягивания необходимого элемента; с!х -его размер.

Например, трудно укладывать в определенную структуру волокна малого диаметра, они перекручиваются во время укладки, при этом периодичность нарушается. Для получения малых размеров элементов в многокомпонентной ячейке, достаточно укладывать элементы больших размеров, но затем перетянуть их в многожильные элементы промежуточных размеров, перетянуть их второй раз, вновь укладывая промежуточные многожильные элементы в пакет.

Технология многостадийного изготовления многожильных заготовок, содержащих множество одиночных волокон, облегчает регулярность укладки и позволяет получать изделия любых размеров. Перетяжка стеклоизделий позволяет получать из моно- и поликапилярных структур с «большими» поперечными размерами единичного канала структуры с диаметром единичного канала до 0.2 мкм. Установка перетяжки состоит из следующих основных частей: механизм подачи, зажим пучка, нагревательный элемент, система измерения диаметра, механизм вытяжки и механизм резки.

Для получения многожильных структур одножильные элементы сортируются, разбраковываются и собираются в пучок, например, гексагональной формы. Подготовленный пучок зажимают в механизм подачи, который подает пучок в печь. Далее пучок нагревают до температуры размягчения стекла, далее его зажимают в механизм вытягивания.

Необходимый коэффициент изменения размеров поперечного сечения изделия относительно размеров поперечного сечения заготовки, называемый коэффициентом перетяжки, обеспечивается заданием требуемого соотношения скоростей движения приводов подачи заготовки в печь и вытяжки изделия.

Ясно, что стабильность и точность параметров движения этих приводов во многом определяют стабильность и точность геометрических размеров поперечных сечений получаемых структур. Поэтому в установках перетяжки используются высокоточные электроприводы.

Стабилизация заданного температурного режима в печи осуществляется с точностью ±0.5°С с помощью системы автоматического управления.

Спекание микроструктурного стекла - это следующая операция для получения микроструктурного стекла после вытяжки и перетяжки. В основном, спекание применяется в тех случаях, когда необходимо иметь структурный материал большой площади, но не протяженной длины (максимальная длина обуславливается геометрией печи). После операции спекания обычно блок режут на пластины, шлифуют, полируют, химически обрабатывают, для получения каналов в структуре, в случае использования стекол с различной химической стойкостью. Детально процесс выглядит следующим образом.

Многожильные элементы сортируются, разбраковываются и собираются в блок. Чаще всего многожильные элементы имеют гексагональную форму. Форма блока - квадрат, шестигранник или двенадцатигранник, в зависимости от поставленной задачи, форма укладки - любая. Уложенный блок помещают в колбу, материал которой имеет температуру размягчения ниже, чем температуры размягчения используемых стекол. Выбор температуры спекания в основном определяется термопластичными свойствами стекла собранного блока.

Способы спекания многообразны и подбираются в соответствии с геометрией блока. Например, способ изостатического прессования, состоящий в разогреве блока до температуры спекания, подачи давления на колбу с блоком, с одновременным откачиванием выделяемых при спекании газов из блока. Или зонное изостатическое спекание, благодаря которому соединение многожильных элементов происходит по мере передвижения максимума температурной зоны вдоль блока при постоянном давлении, причем газовые пузыри выжимаются в направлении движения температурной зоны и откачиваются вакуумным насосом. Управление формой температурного поля внутри печи во времени и стабилизация параметров поля с точностью ±0.5°С осуществляется системой автоматического управления.

1.3 Полые микроструктурные оптические волноводы. Микроструктурные

волноводы как оптические сенсоры

К широкому классу фотонно-кристаллических волноводов относят также волноводы, у которых период решетки структурной оболочки больше длины волны взаимодействующего электромагнитного излучения. Такой класс волноводов принято называть фотонно-кристаллическими волноводами с большим периодом решетки структурной оболочки (photonic crystal waveguide with big grating period). Строго говоря, такой тип волноводов нельзя относить к классу фотонно-кристаллических волноводов, т.к. в основе механизма локализации электромагнитного излучения лежит не отражение света от структуры с запрещенной зоной, а резонансное отражение от тонких слоев диэлектрика в структурной оболочке (см. главу 4 данной работы).

Для класса волноводов такого типа предложен термин полый микроструктурный волновод (полый микроструктурный световод [22]). Микроструктурным волноводом с большим периодом решетки структурной оболочки является т.н. преформа для изготовления фотонно-кристаллического волновода. Для реализации волноводного эффекта, геометрические параметры микроструктурного волновода должны удовлетворять определенным условиям. На практике диаметр полой сердцевины у таких волноводов составляет от 50 до 300 мкм, толщина резонансных слоев диэлектрика от десятых долей микрона до единиц микрон. Точные геометрические параметры образцов полых микроструктурных волноводов, оптические свойства которых определялись в рамках исследования, приведены в приложении 1.

В настоящий момент фотонно-кристаллические волноводы и полые микроструктурные волноводы все чаще рассматриваются в контексте создания высокочувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических и химических величин, в том числе - чувствительных элементов биосенсоров (табл. 1.1). Основные преимущества таких сенсоров - защищенность от

j ?

1

электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость, широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, малое время отклика на изменение измеряемых величин, малые размеры, возможность комбинирования с устройствами для микрофлуидистики.

Таблица 1.1 Современные оптические сенсоры

Физический/ конструктивный принцип Метод/чувствител ь ный элемент Аналит Граница чувствительности Источник

Поверхностный плазмонный резонанс Поверхностный плазмонный резонанс (ППР) Растворы Ю'МО"6 (показатель преломления) [23-28]

Широкополосный ППР Растворы 10"7-10"8 (показатель преломления) [29-30]

ППР томография Растворы 10"-10"' (показатель преломления) [31-34]

ППР томография Белки 1 нмоль [35]

Оптический гетеродинный ППР Белки 0,2 нмоль [36]

Фазо-чувствительный ППР Белки 1,3 нмоль [37]

Модулируемый по длине волны ППР ДНК Юпмоль [38]

ППР томография ДНК и РНК 10 нмоль [39]

Проточно-инжекционный ППР ДНК 54 фмоль, 1,38 фмоль [40-41]

Модулируемый по Белок (PSA) 0,15 нг/мл [42]

углу ППР

ППР Белок (CA 19-9) 66,7 1/мл [43]

ППР Белок (а-fetoproteiri) 50 нг/мл [44]

ППР на основе призмы Бактерии (Е. coli) 106 КОЕ*/мл [45]

Бактерии {Salmonella typhimurium) 100 КОЕ/мл [46]

ППР Бактерии 25 КОЕ/мл [47]

Интерферометрия Интерферометр Маха-Цендера Растворы 10"1 (показатель преломления) [48]

Белки 20 пг/мм [49]

Интерферометр Юнга Растворы 1 х 10-7 (показатель преломления) [50,51]

Вирусы 1000 БОЕ**/мл [52]

Интерферометр Хартмана ДНК 4 нг/мл [53]

Белки 5 нг/мл 0,1 нг/мл [54]

Вирусы 10'БОЕ/мл [52]

Бактерии 5x108 КОЕ/мл 5x106 КОЕ/мл [52]

Интерферометр обратного рассеяния на пористом силиконе ДНК 2 пмоль [55]

Интерферометр обратного рассеяния Белки 0,1 нг/мл [56]

Микроканальное обратное рассеяние Растворы 7x10-9 (показатель преломления) [57]

Белки фмоль [58]

Белки пмоль [59]

Волноводы Резонансное Белки 0,1 пг/мм [60]

зеркало Клетки 10ь/мл [61]

Волновод с металлической оболочкой Бактериальные споры ~106спор/мл [62]

Клетки -10 клеток/мм [63]

Волновод с обратной симметрией Клетки 60 клеток/мм2 [64]

Волновод с симметричной металлической оболочкой Растворы 2x10-7 (показатель преломления) [65]

Кольцевой резонатор Кольцевой чип Раствор кГ-кг' (показатель преломления) [66-69]

ДНК -100 нмоль [70]

Белки 20-250 пг/мм2 0,1 нг [66,71,72]

Бактерии 10э КОЕ/мл [70]

Диэлектрическая микросфера Растворы 10_/ (показатель преломления) [73]

ДНК 1 пг/мм2 [74]

Белки 10 пг/мм2(трипсин) 1 ед./мл (тромбин) [73,75]

Вирусы -1 пг/мм [76]

Бактерии 100 КОЕ/мм2 [77]

Оптическое капиллярное кольцо с жидкостной сердцевиной Растворы 10^-10"' (показатель преломления) [78]

ДНК 4 пг/мм [79]

Белки 1 пг/мм2 [80]

Вирусы 1000 частиц /мл [81]

Оптические волокна Волоконная Брэгговская Растворы Ю-6 (показатель преломления) [82-87]

решетка ДНК 0,7 мкг/мл [87]

Решетка с большим периодом Растворы 10"4 (показатель преломления) [88]

Белки 2 мкг/мл [89]

Микро - и нановолокна Растворы 10-/ (показатель преломления) [90-91]

Волоконный Фабри-Перо резонатор Растворы Ю-5 (показатель преломления) [92]

ДНК 76 мкмоль [93]

Белки 25 мкг/мл [94]

Фотонные кристаллы 2-х мерный фотонный кристалл Растворы 10~5 (показатель преломления) [95-96]

Белки 0,4 пг/мл [84,90]

2-х мерный фотонно-кристаллический резонатор Растворы Ю-5 (показатель преломления) [97-98]

Белки 1 фг [99]

Волновод на 2-х мерном фотонном кристалле Белки 0,15мкмоль [100]

Одномерный ФКВ массив микрорезонаторов Раствор 7х 10~5(показател ь преломления) [101]

Фотонно -кристаллический волновод Раствор 10-3 (показатель преломления) [87,102]

Белки 0,1 мг/мл [103-104]

*Колониеобразующая единица. **Бляшкообразующая единица.

С момента первой публикации, посвященной фотонно-кристаллическому сенсору в 1996 году, специалисты в области фотоники активно исследуют оптические свойства микроструктурных волноводов и разрабатывают методы

производства новых типов структур. Исследователи из различных научных групп ищут новые области для применения микроструктурных сенсоров. Среди них можно выделить группы из Института Макса Планка (Германия), Центра оптоволоконной технологии (Сиднейский университет, Австралия), Института аналитической химии (Университет Регенсбурга, Германия), Института прикладной физики (Италия), Факультета электротехники и электроники (Общественный университет Наварры, Испания), Международного лазерного центра (Московский государственный университет, Россия), и др.

Прогресс в области оптоволоконных сенсоров проанализирован в нескольких обзорных публикациях. В работах [107-108] описываются достижения исследователей в период с 2000 по 2008 год и приводит примеры множества применений оптических волноводов в анализе газов, паров, бактерий, ДНК, оценке влажности, измерения показателя преломления и рН среды.

Представлен обзор [111], включающий ряд применений микроструктурных волноводов в качестве сенсоров физических и биохимических величин. В статье рассмотрены как волноводы с твердой, так и с полой сердцевиной. Авторы представили обзор различных оптоволоконных сенсоров на основе фотонно-кристаллических волноводов, в частности описаны сенсоры физических величин (температура, смещение объекта, кручение, давление на объект, показатель преломления среды, напряженность электрического поля), а также биохимические сенсоры на различные виды газов (метан, ацетилен и пр.) и их смесей, молекулярные сенсоры, сенсоры ДНК и белков и т.д. Из статьи следует, что микроструктурные волноводы обладают значительным потенциалом к применению в качестве сенсоров, что подтверждается существующими патентами, открывающими путь коммерческим приложениям.

В работе [112] обсуждаются вопросы волоконных биосенсоров, в частности, широкие возможности доставки оптического сигнала в ткани и среды, большая длина взаимодействия света с веществом, низкая стоимость, возможность не только возбуждения флуоресцентного сигнала, но также и его сбора, легкость комбинирования со спектроскопическим оборудованием и спектроскопическими

методами (поглощение, флуоресценция, фосфоресценция, ППР, и др.). В статье рассматриваются сенсоры, позволяющие измерять такие параметры, как поглощение, отражение, флуоресценция, хемилюминесценция,

биолюминесценция, показатель преломления среды. В частности, среди рассмотренных сенсоров - волоконно-оптический датчик рН, основанный на линейно зависящем от рН поглощении соединения-индикатора на длине волны около 625 нм (датчик позволяет измерять рН до второго знака после запятой). В статье представлен широкий обзор волоконно-оптических биосенсоров, основанных на измерении флуоресценции. Авторы делают акцент на возможности создания безреагентных волоконных сенсоров для измерения флуоресценции, которые позволяли бы наблюдать за метаболизмом клеток не подвергая их воздействию токсических агентов.

Авторы статьи [113] обсуждают возможность использования антирезонансных волноводов с полой сердцевиной и Брэгговких решеток для реализации чувствительного и селективного ультракомпактного биосенсора. Авторы заявляют о том, что оптические и электронные микро- и наноструктурные сенсоры заполняют нишу среди устройств, эффективно применяемых в области медицины, микробиологии, физики частиц и экологического контроля. В статье рассмотрены типичные схемы волоконных сенсоров для измерения флуоресценции и рамановской спектроскопии.

Кроме обзорных работ опубликовано множество статей, непосредственно описывающих различные типы микроструктурных волоконных сенсоров. Авторы работы [18] представляют метод исследования газов с использованием фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной, и указывает на преимущества такого вида сенсоров перед датчиками на базе классическим световодов. В отличие от стандартных волоконных световодов распространение света по В работе описан метод анализа скорости диффузии метана, с использованием ФКВ с полой сердцевиной двух типов (отличие в размере сердцевины) длиной 13.7 см; в качестве источника излучения использовался перестраиваемый лазером мощностью 10 мВт. Авторы также ссылаются на работу Ху [17], посвященную

разработке газового сенсора на основе различных типов ФКВ. Другой тип газового сенсора на базе полых фотонно-кристаллических волноводов описан в [114]. Данный датчик основан на принципах спектроскопии поглощения (анализируются колебательные полосы поглощения метана).

Несколько работ посвящены описанию волоконных сенсоров, в которых с анализируемой средой взаимодействует эванесцентная (экспоненциально затухающая вглубь среды) волна [19,115-118]. Кордейро и др. продемонстрировали в [19] новый подход к повышению эффективности эванесцентного поля при использовании оптических волноводов для анализа жидких и газообразных сред. Авторы [115] продемонстрировали высокоэффективный метод эванесцентной детекции биомолекул, помеченных флуорофором в водном растворе, инжектированном в полые каналы структурированной области фотонно-кристалличесского волновода. В статье [116] сообщается об экспериментальной демонстрации детектирования газов эванесцентным полем с помощью кварцевого микроструктурного волновода.

Волоконно-оптические сенсоры, основанные на методах абсорбционной спектроскопии рассматриваются в работах [109,117]. Юа и др. разработали высокочувствительный метод абсорбционной спектроскопии эванесцентным полем в оптимизированной структуре фотонно-кристаллического волновода. Авторами статьи получена четкая линейная зависимость коэффициента поглощения от концентрации аналита в водном растворе.

Эффективный флуоресцентный сенсор на базе микроструктурного волновода описывается в работах [118-119]. Коноров и др. продемонстрировали высокий потенциал микроструктурных волноводов для использования в оптическом анализе и забора образцов. Их концепт дизайна волновода объединяет в себе оптический датчик с микропипеткой, коллектор для образцов и микрофлюидный поликапиллярный массив, который идеально подходит для разработки биочипа (lab-on-chip), биосенсора и in vivo исследований.

Потенциальные приложения для микроструктурных волокон в абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии исследовано авторами работы

[119] на примере инфильтрации раствора красителя в полые каналы волновода. Авторы продемонстрировали возможность анализировать концентрации порядка 10"9М при объеме аналита всего в 1 нл (в эксперименте использовались два вида ФКВ с полой сердцевиной с максимумами пропускания 510 нм и 1550 нм).

Сенсоры показателя преломления рассматриваются в работах [100,118,120]. Пакет программ для вычислений методом конечных элементов и анализа мод фотонно-кристаллических волноводов, применяемых для измерения показателя преломления сред, разработан авторами [120]. Скиверсен и др. представили фотонно-кристаллический волноводный сенсор для измерения показателя преломления и определения концентрации протеинов (порядка 10 мкг/мл) [100]. В качестве модельных жидкостей авторы статьи используют воду и иммерсионные масла. Как показывают авторы, с увеличением показателя преломления модельных сред происходит смещение пиков в спектре пропускания волновода, причем изменение показателя преломления на величину 0.003 вызывает смещение спектра на 0.2 нм.

Свойства микроструктурных волноводов, произведенные не только из кварцевого стекла активно исследуются в последние годы. Кокс и др. показали, что волноводы с полой сердцевиной, изготовленные из полимера могут эффективно использоваться для исследования оптической активности веществ [105]. В своей работе авторы в качестве модельных жидкостей использовали растворы фруктозы. Показано, что спектр пропускания волновода существенно зависит от природы вещества, заполняющего их каналы и сердцевину.

Группа Филипа Рассела из Института Макса Планка предлагает фотонно-кристаллический волновод для перемещения отдельных клеток на расстояния в несколько десятков сантиметров через неподвижную жидкость в микрофлюидном канале волновода [121]. Заполненная жидкостью полая сердцевина ФКВ использовалась в качестве канала для транспортировки эритроцитов. Описанная система рассматривается как новый инструмент для исследования клеточной биомеханики, т.к. она позволяет регистрировать скорость перемещения клетки в микрофлюидном канале одновременно с изменением формы клетки.

Количество публикаций на тему сенсоров на основе микроструктурных и фотонно-кристаллических волноводов свидетельствует об актуальности данного направления исследований. Важной задачей является широкое исследование линейных оптических свойств микроструктурных волноводов, а также влияния изменения конкретных оптических характеристик сред, заполняющих полую сердцевину волноводов на их оптические свойства.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Малинин, Антон Владимирович

3.7 Выводы

В представленной главе обобщены результаты исследования сенсорных свойств полых микроструктурных волноводов с периодом решетки структурной оболочки большим длины волны взаимодействующего электромагнитного излучения. Основным результатом работы с модельными средами с различными показателями преломления в полых микроструктурных волноводах является получение зависимости координат локальных максимумов в спектрах пропускания образцов от показателя преломления заполняющей среды. Результаты эксперимента согласуются с теоретическими расчетами и могут рассматриваться как подтверждение резонансного механизма локализации электромагнитных волн в полой сердцевине волновода с большим периодом решетки микроструктурной оболочки. Экспериментально установлена граница чувствительности волновода с радиально увеличивающимся диаметром каналов в структурной оболочке к изменению показателя преломления среды. Показано, что такой волновод может использоваться в качестве волоконного рефрактометра для измерения показателя преломления сред с погрешностью в одну единицу в третьем знаке.

Преимуществом микроструктурного датчика является возможность его применения какд для измерения показателя преломления, так и измерения коэффициента поглощения среды. Несмотря на сложность обработки регистрируемого сигнала и необходимость калибровки микроструктурного датчика, использование такого оптического инструмента позволяет достигнуть высокой чувствительности к изменению коэффициента поглощения среды 0,001 см'1) и значительно сократить расход исследуемого материала за счет малого внутреннего объема датчика. Малый расход аналита существенен при работе с биоматериалом - препараты ДНК, кровь/плазма человека, слезная жидкость, а также с дорогими реагентами. Возможность измерения показателя преломления и коэффициента поглощения среды лежит в основе разрабатываемого метода измерения содержания глюкозы в диапазоне концентраций от десятков и единиц процентов до физиологических концентраций на уровне нескольких ммоль/л.

В главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных с целью оценить степень влияния рассеивающих свойств среды на пропускание микроструктурного волновода. Основная задача данного исследования - определить насколько сильно негативное влияние рассеяния на волноводный эффект. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что при инжекции рассеивателей в полую сердцевину волновода, волноводный эффект сохраняется. Интенсивность лазерного излучения на выходе из полого микроструктурного волновода снижается с ростом концентрации рассеивателей, однако, ослабление сигнала происходит подобным образом и при прохождении коллимированного лазерного пучка через стандартную протяженную кювету, заполненную модельной средой. Результаты исследования показывают, что полые микроструктурные волноводы могут применяться в качестве протяженных кювет в фотометрии. В ходе выполнения данной работы был разработан метод автоматической регистрации положительной/отрицательной реакции агглютинации эритроцитов при смешивании со специфичными агглютинирующими сыворотками. Метод основан на фотометрии с применением полого микроструктурного волновода в качестве кюветы-реактора и позволяет значительно сократить объем биопробы и объем реагентов, требуемый для проведения анализа.

Заключение

В заключение перечислим основные результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы:

• Разработаны конструкции, технологии и изготовлены полые микроструктурные волноводы с различной топологией внутренней структуры (10 конструкций с дифференцируемой структурой оболочки и типо-размерным набором);

• Проведено исследование оптических свойств МСВ из различных типо-размерных линеек. Определен спектральный состав распространяющегося по волноводам оптического излучения, пространственные характеристики лазерного излучения на выходе, измерена величина оптических потерь;

• Показано, что МСВ с полой сердцевиной круглый формы и толщиной резонансного слоя 1-3 мкм обладает спектром пропускания, схожим со спектром отражения эталона Фабри-Перо, в котором присутствует несколько четко выраженных узких пиков интенсивности. На примере микроструктурных волноводов с различными толщинами резонансного слоя диэлектрика в структурной оболочке экспериментально показано, что количество пиков в заданном спектральном и ширина пиков зависит от толщины резонансного слоя диэлектрика, а также от показателя преломления материала, из которого изготовлен волновод.

• Получены линейные зависимости координат локальных максимумов в спектре пропускания МСВ от показателя преломления среды, заполняющей его внутреннюю структуру (спектральный отклик на изменение показателя преломления). Показано, что полые микроструктурные волноводы могут применяться в качестве датчиков показателя преломления сред.

• Исследовано влияние изменения коэффициента поглощения среды, заполняющей полую сердцевину МСВ, на спектральный состав излучения, проходящего по волноводу.

• Показано, что зависимость интенсивности сигнала в пучке лазерного излучения, прошедшем по сердцевине полого микроструктурного волновода, заполненного рассеивающей средой от коэффициента рассеяния среды и зависимость интенсивности сигнала в пучке лазерного излучения, прошедшем сквозь протяженную кювету, заполненную той же рассеивающей средой, от коэффициента рассеяния среды эквивалентны. Волноводный эффект сохраняется вплоть до достижения значений коэффициента рассеяния среды, заполняющей волновод, при которых интенсивность излучения в коллимированном пучке, проходящем через заполненную средой протяженную кювету, стремится к нулю.

• Полые микроструктурные волноводы впервые применялись в качестве протяженных фотометрических кювет. Получен оптический отклик на изменение концентрации глюкозы на физиологическом уровне при использовании специального буферно-ферментного раствора-индикатора глюкозы и полого микроструктурного волновода.

• Полый микроструктурный волновод применен впервые в качестве микрокюветы-реактора для фотометрического определения положительной/отрицательной реакции агглютинации эритроцитов при определении группы крови человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Малинин, Антон Владимирович, 2013 год

Список использованной литературы

1. Yu.S. Skibina, V.V. Tuchin, V.I. Beloglazov, G. Steinmeyer, J. Bethge, R. Wedell, N. Langhoff. 2011. Photonic crystal fibers in biomedical investigations. Quantum Electron. 41 (4): 284 - 301.

2. V.V. Tuchin. 2007. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis, second edition. SPIE Press.

3. Zheltikov A.M. 2011. Microstructure fibers in biophotonics in Handbook of Biophotonics, ed. Popp J., Tuchin V.V., Chiou A., Heinemann S.H. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

4. Joannopoulos J. D., Meade R. D., Winn J. N., Photonic crystals // UK: Princeton Press, 1995.

5. Наний, О. E., & Павлова, Е. Г. (2004). Фотонно-кристаллические волокна-LIGHTWAVE Russian edition, №3, 47-53.

6. С.В. Гапоненко, Н.Н. Розанов, E.JI. Ивченко и др. Оптика наноструктур. С.-Петербург, гос. ун-т информ. технол., механики и оптики, Гос. оптический ин-т им. С.И. Вавилова. - СПб. : Недра, 2005. - 326 с.

7. Srinivasarao М. 1999. Nano-Optics in the Biological World: Beetles, Butterflies, Birds, and Moths. Chem. Rev.,, 99 (7): 1935-62.

8. Parker A.R. 2000. 515 million years of structural colour. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 6(2): R15.

9. Ameen D. В., Bishop M. F. andMcMullen T. 1998. A Lattice Model for Computing the Transmissivity of the Cornea and Sclera. Biophysical Journal, 75 (5): 2520-31.

10. Pieranski P. 1983. Colloidal crystals. Contemporary Physics,24 (1): 25-73.

11. Williams R.C., Smith K. 1957. A Crystallizable Insect Virus. Nature, 45: 119-20.

12. Cregan, R. F., Mangan, B. J., Knight, J. C., Birks, T. A., Russell, P. S. J., Roberts, P. J., & Allan, D. C. (1999). Single-mode photonic band gap guidance of light in air. Science, 285(5433), 1537-1539.

13. Knight, J. С., Broeng, J., Birks, T. A., & Russell, P. S. J. (1998). Photonic band gap guidance in optical fibers. Science, 282(5393), 1476-1478.

14. Brechet, F., Roy, P., Marcou, J., & Pagnoux, D. (2000). Single-mode propagation into depressed-core-index photonic-bandgap fibre designed for zero-dispersion propagation at short wavelengths. Electronics Letters, 36(6), 514-515.

15. Knight, J. C., Birks, T. A., Russell, P. S. J., & Atkin, D. M. (1996). All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding. Optics letters, 21(19), 1547-1549.

16. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, 2-е изд., М., Физматлит (2010).

17. Ноо Y. L. , Jin W. , Shi С. , Но Н. L. , Wang D. N. , Ruan S. С.

2003. Design and Modeling of a Photonic Crystal Fiber Gas Sensor. Applied Optics, 42 (18): 3509-15.

18. Marques M. В., Magalhaes F., Carvalho J. P., Frazao O., Araujo F. M., Santos J. L., Ferreira L. A. 2008. Recent Advances on Optical Sensing Using Photonic Crystal Fibers. AIP Conf. Proc. 1055: 39-42.

19. Cordeiro С. M. В., Franco M. A. R., Chesini G., Barretto E. C. S., Lwin R., Brito Cruz С. H., Large M. C. J. 2006. Microstructured-core optical fibre for evanescent sensing applications. Opt. Express, 14 (26): 13056-66.

20. Russell P.St.J. 2006. Photonic-Crystal Fibers. Journal of Lightwave Technology, 24 (12): 4729-49.

21. Bureau В., Zhang X. H., Smektala F., Adam J.-L., Troles J. Hong-li Ma, Boussard-Pledel C., Lucas J., Lucas P., Le Coq D., Riley M. R., Simmons J.H.

2004. Recent advances in chalcogenide glasses. Journal of Non-Crystalline Solids 345&346: 276-283

22. Zheltikov A. M. 2008. Colors of thin films, antiresonance phenomena in optical systems, and the limiting loss of modes in hollow optical waveguides. Phys. Usp., 51: 591-600.

23. Tao, N. J., Boussaad, S., Huang, W. L., Arechabaleta, R. A., & DAgnese, J. (1999). High resolution surface plasmon resonance spectroscopy. Review of Scientific Instruments, 70(12), 4656-4660.

24. Slavik, R., Homola, J., & Ctyroky, J. (1999). Single-mode optical fiber surface plasmon resonance sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 54(1), 7422. Jennifer S. Shumaker-Parry, Charles T. Campbell. (2004). Quantitative Methods for Spatially Resolved Adsorption/Desorption Measurements in Real Time by Surface Plasmon Resonance Microscopy. Analytical Chemistry, 76 (4), 907-917.

25. Monzón-Hernández, D., & Villatoro, J. (2006). High-resolution refractive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 115(1), 227-231.

26. Suzuki, A., Kondoh, J„ Matsui, Y., Shiokawa, S., & Suzuki, K. (2005). Development of novel optical waveguide surface plasmon resonance (SPR) sensor with dual light emitting diodes. Sensors and Actuators B: Chemical, 106(1), 383387.

27. Chien, F. C., Lin, C. Y., Yih, J. N., Lee, K. L., Chang, C. W., Wei, P. K., ... & Chen, S. J. (2007). Coupled waveguide-surface plasmon resonance biosensor with subwavelength grating. Biosensors and Bioelectronics, 22(11), 2737-2742.

28. Dostálek, J., Homola, J., & Miler, M. (2005). Rich information format surface plasmon resonance biosensor based on array of diffraction gratings. Sensors and Actuators B: Chemical, 107(1), 154-161.

29. Nenninger, G. G., Tobiska, P., Homola, J., & Yee, S. S. (2001). Longrange surface plasmons for high-resolution surface plasmon resonance sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 74(1), 145-151.

30. Slavik R., Homola J. (2007) Ultrahigh resolution long range surface plasmon-based sensor. Sens. Actuators B: Chemical, 123 (10), 10-12.

31. Shumaker-Parry, J. S., & Campbell, C. T. (2004). Quantitative methods for spatially resolved adsorption/desorption measurements in real time by surface plasmon resonance microscopy. Analytical chemistry, 76(4), 907-917.

32. Zybin, A., Grunwald, C., Mirsky, V. M., Kuhlmann, J., Wolfbeis, O. S., & Niemax, K. (2005). Double-wavelength technique for surface plasmon resonance measurements: Basic concept and applications for single sensors and two-dimensional sensor arrays. Analytical chemistry, 77(8), 2393-2399.

33. Piliarik, M., Vaisocherova, H., & Homola, J. (2005). A new surface plasmon resonance sensor for high-throughput screening applications. Biosensors and Bioelectronics, 20(10), 2104-2110.

34. Chinowsky, T. M., Grow, M. S., Johnston, K. S., Nelson, K., Edwards, T., Fu, E., & Yager, P. (2007). Compact, high performance surface plasmon resonance imaging system. Biosensors and Bioelectronics, 22(9), 2208-2215.

35. Lee, H. J., Nedelkov, D., & Corn, R. M. (2006). Surface plasmon resonance imaging measurements of antibody arrays for the multiplexed detection of low molecular weight protein biomarkers. Analytical chemistry, 78(18), 65046510.

36. Kuo, W. C., Chou, C., & Wu, H. T. (2003). Optical heterodyne surface-plasmon resonance biosensor. Optics letters, 28(15), 1329-1331.

37. Law, W. C., Markowicz, P., Yong, K. T., Roy, I., Baev, A., Patskovsky, S., Prasad, P. N. (2007). Wide dynamic range phase-sensitive surface plasmon resonance biosensor based on measuring the modulation harmonics. Biosensors and Bioelectronics, 23(5), 627-632.

38. He, L., Musick, M. D., Nicewarner, S. R., Salinas, F. G., Benkovic, S. J., Natan, M. J., & Keating, C. D. (2000). Colloidal Au-enhanced surface plasmon resonance for ultrasensitive detection of DNA hybridization. Journal of the American Chemical Society, 122(38), 9071-9077.

39. Nelson, B. P., Grimsrud, T. E., Liles, M. R., Goodman, R. M., & Corn, R. M. (2001). Surface plasmon resonance imaging measurements of DNA and RNA hybridization adsorption onto DNA microarrays. Analytical Chemistry, 73(1), 1-7.

40. Song, F., Zhou, F., Wang, J., Tao, N., Lin, J., Vellanoweth, R. L., ... & Wheeler-Laidman, J. (2002). Detection of oligonucleotide hybridization at femtomolar level and sequence specific gene analysis of the Arabidopsis thaliana

leaf extract with an ultrasensitive surface plasmon resonance spectrometer. Nucleic acids research, 30(14), e72-e72.

41. Yua X., Zhanga Y., Kwokb Y. C., Shumc P. 2010. Highly sensitive photonic crystal fiber based absorption spectroscopy. Sensors and Actuators B: Chemical, 145: 110-3.

42. Besselink, G. A., Kooyman, R. P., van Os, P. J., Engbers, G. H., & Schasfoort, R. (2004). Signal amplification on planar and gel-type sensor surfaces in surface plasmon resonance-based detection of prostate-specific antigen. Analytical biochemistry, 333(1), 165-173.

43. Chung, J. W., Bernhardt, R., & Pyun, J. C. (2006). Additive assay of cancer marker CA 19-9 by SPR biosensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 118(1), 28-32.

44. Teramura, Y., & Iwata, H. (2007). Label-free immunosensing for a-fetoprotein in human plasma using surface plasmon resonance. Analytical biochemistry, 365(2), 201-207.

45. Taylor, A. D., Yu, Q., Chen, S., Homola, J., & Jiang, S. (2005). Comparison of E-coli 0157: H7 preparation methods used for detection with surface plasmon resonance sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 107(1), 202-208.

46. Oh, B. K., Kim, Y. K., Park, K. W., Lee, W. H., & Choi, J. W. (2004). Surface plasmon resonance immunosensor for the detection of Salmonella typhimurium. Biosensors and Bioelectronics, 19(11), 1497-1504.

47. Waswa, J. W., Debroy, C., & Irudayaraj, J. (2006). Rapid detection of Salmonella enteritidis and Escherichia coli using surface plasmon resonance biosensor.Journal of food process engineering, 29(4), 373-385.

48. Heideman, R. G., & Lambeck, P. V. (1999). Remote opto-chemical sensing with extreme sensitivity: design, fabrication and performance of a pigtailed integrated optical phase-modulated Mach-Zehnder interferometer system. Sensors and Actuators B: Chemical, 61(1), 100-127.

49. Weisser, M., Tovar, G., Mittler-Neher, S., Knoll, W., Brosinger, F., Freimuth, H., M. Lacher, Ehrfeld, W. (1999). Specific bio-recognition reactions observed with an integrated Mach-Zehnder interferometer. Biosensors and Bioelectronics, 14(4), 405-411.

50. Brandenburg, A. (1997). Differential refractometry by an integrated-optical Young interferometer. Sensors and Actuators B: Chemical, 39(1), 266-271.

51. Ymeti, A., Kanger, J. S., Greve, J., Lambeck, P. V., Wijn, R., & Heideman, R. G. (2003). Realization of a multichannel integrated Young interferometer chemical sensor. Applied optics, 42(28), 5649-5660.

52. Ymeti A., Greve J., Lambeck P.V., Wink T., vanHovell S., Beumer T.A.M., Wijn R.R., Heideman R.G., Subramaniam V. (2007). Fast, ultrasensitive virus detection using a Young interferometer sensor. Nano letters, 7(2), 394-397.

53. Schneider, B. H., Edwards, J. G., Hartman, N. F. (1997). Hartman interferometer: versatile integrated optic sensor for label-free, real-time quantification of nucleic acids, proteins, and pathogens. Clinical chemistry, 43(9), 1757-1763.

54. Schneider, B. H., Dickinson, E. L., Vach, M. D., Hoijer, J. V., & Howard, L. V. (2000). Highly sensitive optical chip immunoassays in human serum. Biosensors and Bioelectronics, 15(1), 13-22.

55. Lin, V. S. Y., Motesharei, K., Dancil, K. P. S., Sailor, M. J., & Ghadiri, M. R. (1997). A porous silicon-based optical interferometric biosensor. Science,278(5339), 840-843.

56. Zhao, M., Nolte, D., Cho, W., Regnier, F., Varma, M., Lawrence, G., & Pasqua, J. (2006). High-speed interferometric detection of label-free immunoassays on the biological compact disc. Clinical chemistry, 52(11), 21352140.

57. Wang, Z., & Bornhop, D. J. (2005). Dual-capillary backscatter interferometry for high-sensitivity nanoliter-volume refractive index detection with density gradient compensation. Analytical chemistry, 77(24), 7872-7877.

58. Markov, D. A., Swinney, K., & Bornhop, D. J. (2004). Label-free molecular interaction determinations with nanoscale interferometry. Journal of the American Chemical Society, 126(50), 16659-16664.

59. Bornhop, D. J., Latham, J. C., Kussrow, A., Markov, D. A., Jones, R. D., & Sorensen, H. S. (2007). Free-solution, label-free molecular interactions studied by back-scattering interferometry. Science Signaling, 317(5845), 1732.

60. http://www.neosensors.com.

61. Watts, H. J., Lowe, C. R., & Pollard-Knight, D. V. (1994). Optical biosensor for monitoring microbial cells. Analytical chemistry, 66(15), 24652470.

62. Zourob, M., Mohr, S., Treves Brown, B. J., Fielden, P. R., McDonnell, M. B., & Goddard, N. J. (2005). An integrated metal clad leaky waveguide sensor for detection of bacteria. Analytical chemistry, 77(1), 232-242.

63. Skivesen, N., Horvath, R., Thinggaard, S., Larsen, N. B., & Pedersen, H. C. (2007). Deep-probe metal-clad waveguide biosensors. Biosensors and Bioelectronics, 22(7), 1282-1288.

64. Horvath, R., Pedersen, H. C., Skivesen, N., Selmeczi, D., & Larsen, N. B. (2003). Optical waveguide sensor for on-line monitoring of bacteria. Optics letters, 28(14), 1233-1235.

65. Y. Wang, H. Li, Zp. Cao, T.i Yu, Q. Shen, and Y. He (2008) Oscillating wave sensor based on the Goos-Hänchen effect. Appl. Phys. Lett., 92, 061117.

66. Chao, C. Y., Fung, W., & Guo, L. J. (2006). Polymer microring resonators for biochemical sensing applications. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 12(1), 134-142.

67. Yalcin, A., Popat, K. C., Aldridge, J. C., Desai, T. A., Hryniewicz, J., Chbouki, N., Little, B.E.; King, O. ;Van, V. ;Sai Chu ; Gill, D.; Anthes-Washburn, M. ; Unlu, M.S.; Goldberg, B. B. (2006). Optical sensing of biomolecules using microring resonators. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 12(1), 148-155.

68. De Vos, K., Bartolozzi, I., Schacht, E., Bienstman, P., & Baets, R. (2007). Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing.Opt. Express, 15(12), 7610-7615.

69. Barrios, C. A., Gylfason, K. B., Sánchez, B., Griol, A., Sohlstrom, H., Holgado, M., & Casquel, R. (2007). Slot-waveguide biochemical sensor. Optics letters,32(21), 3080-3082.

70. Ramachandran, A., Wang, S., Clarke, J., Ja, S. J., Goad, D., Wald, L., ... & Little, B. E. (2008). A universal biosensing platform based on optical micro-ring resonators. Biosensors and Bioelectronics, 23(7), 939-944.

71. Ksendzov, A., & Lin, Y. (2005). Integrated optics ring-resonator sensors for protein detection. Optics letters, 30(24), 3344-3346.

72. Barrios, C. A., Bañuls, M. J., González-Pedro, V., Gylfason, K. B., Sánchez, B., Griol, A.,... & Casquel, R. (2008). Label-free optical biosensing with slot-waveguides. Optics letters, 33(7), 708-710.

73. Hanumegowda, N. M., Stica, C. J., Patel, B. C., White, I., & Fan, X. (2005). Refractometric sensors based on microsphere resonators. Applied Physics Letters, 87(20), 201107-201107.

74. Vollmer, F., Arnold, S., Braun, D., Teraoka, I., & Libchaber, A. (2003). Multiplexed DNA quantification by spectroscopic shift of two microsphere cavities. Biophysical Journal, 85(3), 1974-1979.

75. Zhu, H., Suter, J. D., White, I. M., & Fan, X. (2006). Aptamer based microsphere biosensor for thrombin detection. Sensors, 6(8), 785-795.

76. Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., & Teraoka, I. (2008). Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday discussions,137 (0), 65-83.

77. Ren, H. C., Vollmer, F., Arnold, S., & Libchaber, A. (2007). High-Q microsphere biosensor-analysis for adsorption of rodlike bacteria. Opt. Express, 15(25), 17410-17423.

78. Fan, X., White, I. M., Zhu, H., Suter, J. D., & Oveys, H. (2007, February). Overview of novel integrated optical ring resonator bio/chemical sensors. In Proc. SPIE (Vol. 6452, p. 64520M).

79. Suter, J. D., White, I. M., Zhu, H., Shi, H., Caldwell, C. W., & Fan, X. (2008). Label-free quantitative DNA detection using the liquid core optical ring resonator.Biosensors and Bioelectronics, 23(7), 1003-1009.

80. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Dale, P. S., & Fan, X. (2007). Analysis of biomolecule detection with optofluidic ring resonator sensors. Opt. Express, 15(15), 9139-9146.

81. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., & Fan, X. (2008). Optofluidic micro-ring resonator for sensitive label-free viral detection. Analyst, 133(3), 356-360.

82. Schroeder, K., Ecke, W., Mueller, R., Willsch, R., & Andreev, A. (2001). A fibre Bragg grating refractometer. Measurement Science and technology, 12(7), 757.

83. Smith, K. H., Ipson, B. L., Lowder, T. L., Hawkins, A. R., Selfridge, R. H., & Schultz, S. M. (2006). Surface-relief fiber Bragg gratings for sensing applications.Applied optics, 45(8), 1669-1675.

84. Lowder, T. L., Gordon, J. D., Schultz, S. M., & Selfridge, R. H. (2007). Volatile organic compound sensing using a surface-relief D-shaped fiber Bragg grating and a polydimethylsiloxane layer. Optics letters, 32(17), 2523-2525.

85. Liang, W., Huang, Y., Xu, Y., Lee, R. K., & Yariv, A. (2005). Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors. Applied Physics Letters, 86(15), 151122-151122.

86. Chryssis, A. N., Lee, S. M., Lee, S. B., Saini, S. S., & Dagenais, M. (2005). High sensitivity evanescent field fiber Bragg grating sensor. Photonics Technology Letters, IEEE, 17(6), 1253-1255.

87. Chryssis, A. N., Saini, S. S., Lee, S. M., Yi, H., Bentley, W. E., & Dagenais, M. (2005). Detecting hybridization of DNA by highly sensitive

evanescent field etched core fiber Bragg grating sensors. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 11(4), 864-872.

88. Rindorf, L. H., Jensen, J. B., Dufva, H. M., Pedersen, L. H., Hoiby, P. E., & Bang, O. (2006). Photonic crystal fiber long-period gratings for biochemical sensing.Optics Express, 14(18), 8224-8231.

89. Delisa, M. P., Zhang, Z., Shiloach, M., Pilevar, S., Davis, C. C., Sirkis, J. S., & Bentley, W. E. (2000). Evanescent wave long-period fiber bragg grating as an immobilized antibody biosensor. Analytical chemistry, 72(13), 2895-2900.

90. Xu, F., Horak, P., & Brambilla, G. (2007). Optical microfiber coil resonator refractometric sensor: erratum. Optics Express, 15(15), 9385-9385.

91. Tazawa, H., Kanie, T., & Katayama, M. (2007). Fiber-optic coupler based refractive index sensor and its application to biosensing. Applied Physics Letters,91(11), 113901-113901.

92. Wei, T., Han, Y., Tsai, H. L., & Xiao, H. (2008). Miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer fabricated with a femtosecond laser. Optics letters, 33(6), 536-538.

93. Wang, X., Cooper, K. L., Wang, A., Xu, J., Wang, Z., Zhang, Y., & Tu, Z. (2006). Label-free DNA sequence detection using oligonucleotide functionalized optical fiber. Applied physics letters, 89(16), 163901-163901.

94. Zhang, Y., Shibru, H., Cooper, K. L., & Wang, A. (2005). Miniature fiberoptic multicavity Fabry-Perot interferometric biosensor. Optics letters, 30(9), 1021-1023.

95. Cunningham, B., Li, P., Lin, B., & Pepper, J. (2002). Colorimetric resonant reflection as a direct biochemical assay technique. Sensors and Actuators B: Chemical, 81(2), 316-328.

96. Li, P. Y., Lin, B., Gerstenmaier, J., & Cunningham, B. T. (2004). A new method for label-free imaging of biomolecular interactions. Sensors and Actuators B: Chemical, 99(1), 6-13.

97. Loncar, M., Scherer, A., & Qiu, Y. (2003). Photonic crystal laser sources for chemical detection. Applied Physics Letters, 82(26), 4648-4650.

98. Chow, E., Grot, A., Mirkarimi, L. W., Sigalas, M., & Girolami, G. (2004). Ultracompact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity. Optics letters, 29(10), 1093-1095.

99. Lee, M., Fauchet, P. M. (2007). Two-dimensional silicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection. Opt. Express, 15(8), 4530-4535.

100. Skivesen N., Têtu A., Kristensen M., Kjems J., Frandsen L. H., Borel P. I. (2007). Photonic-ciystal waveguide biosensor. Opt. Express, 15 (6): 3169-76.

101. Mandai, S., & Erickson, D. (2008). Nanoscale optofluidic sensor arrays. Optics express, 16(3), 1623.

102. Malinin A.V., A. A. Zanishevskaja, Yu. S. Skibina, I. Yu. Silokhin, V. V. Tuchin, V. A. Dubrovskiy, A. A. Dolmashkin. (2011). Determination of blood types using a chirped photonic crystal fiber // Proceedings of SPIE Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics VIII, Vol. 7898, 78981 A.

103. Тучин B.B., Скибина Ю.С., Белоглазов В.И, Чайников М.В., Скибина Н.Б., Михайлова Н.А, Жестков П.М., Силохин И.Ю. Сенсорные свойства фотонно-кристаллического волновода с полой сердцевиной. Письма в ЖТФ, 34 (15), 63 (2008).

104. Малинин А.В., Ю.С. Скибина, Н.А. Михайлова, И.Ю. Силохин, М.В. Чайников. (2010) Биологический сенсор на базе фотонно-кристаллического световода с полой сердцевиной // Письма в ЖТФ, том 36, вып. 8, стр. 33-38.

105. Сох F. M., Argyros A., Large M. С. J. 2006. Liquid-filled hollow core microstructured polymer optical fiber. Opt. Express, 14 (9): 4135-40.

106. Cox F. M., Lwin R., Large M. C. J., Cordeiro C. M. B. 2007. Opening up optical fibres. Opt. Express, 15 (19): 11843-8.

107. Wolfbeis O. S. 2004. Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors. Anal. Chem., 76: 3269-84.

108. Wolfbeis O. S. 2008. Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors. Anal. Chem., 80: 4269-83.

109. Mignani A.G., Ciaccheri L., Ottevaere H., Thienpont H., Conte L., Marega M., Cichelli A., Attilio C., Cimato A. 2010. Diffuse-light absorption spectroscopy

by fiber optics for detecting and quantifying the adulteration of extra virgin olive oil. Proc. of SPIE, 7653: 76531C-1-4.

110. Righini G. C., Mignani A. G., Cacciari I., Brenci M. 2009. Fiber and integrated optics sensors: fundamentals and applications. An introduction to optoelectronic sensors, 7: 1-33.

111. Pinto A.M. R., Lopez-Amo M. 2012. Photonic Crystal Fibers for Sensing Applications. Hindawi Publishing Corporation Journal of Sensors, 1:1-21.

112. Bosch M. E., Sanchez A. J. R., Rojas F. S., Ojeda C. B. 2007. Recent Development in Optical Fiber Biosensors. Sensors, 7: 797-859.

113. Passaro V. M. N., Dell'Olio F., Casamassima B., Leonardis F. 2007. Guided-Wave Optical Biosensors. Sensors, 7: 508-36.

114. Cubillas A. M., Lazaro J. M., Conde O. M., Petrovich M. N., Lopez-Higuera J. M. 2009. Gas Sensor Based on Photonic Crystal Fibres in the 2x>3 and v2 + 2u3 Vibrational Bands of Methane. Sensors, 9: 6261-72.

115. Jensen J. B., Pedersen L. H., Hoiby P. E., Nielsen L. B., Hansen T. P., Folkenberg J. R., Riishede J., Noordegraaf D., Nielsen K., Carlsen A., Bjarklev A. (2004). Photonic crystal fiber based evanescent-wave sensor for detection of biomolecules in aqueous solutions. Optics Letters, 29 (17): 1974-6.

116. Hoo Y.L., Jin W., Ho H.L., Wang D.N., Windeler R.S. 2002. Evanescent-wave gas sensing using microstructure fiber. Opt. Eng., 41(l):8-9.

117. Yua X., Zhanga Y., Kwokb Y. C., Shumc P. 2010. Highly sensitive photonic crystal fiber based absorption spectroscopy. Sensors and Actuators B: Chemical, 145: 110-3.

118. Konorov S. O., Zheltikov A. M., Scalora M. 2005. Photonic-crystal fiber as a multifunctional optical sensor and sample collector. Opt. Express, 13 (9): 34549.

119. Smolka S., Barth M., Benson O. 2007. Highly efficient fluorescence sensing with hollow core photonic crystal fibers. Opt. Express, 15 (20): 12783-91.

120. Nguyen К. N., Alameh L. V., Chung Y. 2010. Cladding modes analysis of photonics crystal fiber for refractive index sensors using Finite Element method. Proc.CLEO, JWA59 - JWA60.

121. Unterkofler S., Garbos M., Euser T. and Russell P. 2012. Long-distance laser propulsion and deformation monitoring of cells in optofluidic photonic crystal fiber. J. Biophotonics, 1-10.

122. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. Под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. М.: Техносфера, 2010. 608 с.

123. Skibina J.S., Iliew R., Bethge J., Bock M., Ficher D., Beloglazov V. I., Wedell R. and Scheinmeyer G. 2008. A chirped photonic crystal fiber. Nature Photonics, 2: 679-83.

124. Jensen J., Hoiby P., Emiliyanov G., Bang O., Pedersen L., Bjarklev A. 2005. Selective detection of antibodies in microstructured polymer optical fibers. Opt. Express, 13 (15): 5883-9.

125. Fedotov А. В., Beloglazov V. I., Zheltikov A. M. 2012. Structure-integrated arrays of hollow waveguides for sensor devices. Nanotechnologies in Russia, 3(l):58-63.

126. N. M. Litchinitser, A. K. Abeeluck, C. Headley, and B. J. Eggleton. Antiresonant reflecting photonic crystal optical waveguides. (2002). OPTICS LETTERS, Vol. 27, No. 18, 1592 - 1594.

127. Рефрактометрия в анализе лекарственных средств аптечного изготовления. Контроль качества лекарственных средств, изготовляемых в аптеках: учеб. пособие для студентов фарм. фак. / ГОУ ВПО Ниж. Гос. Мед. академия Рос. фед. агентства и соц. развития. Каф. фарм. химии и фармакогнозии. Нижний Новгород, 2008. 19 с.

128. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1983. 352 с.

129. Мелентьева Г.А. Антонова Л.А. Фармацевтическая химия. М.: Медицина, 1985. 480 с.

®

130. Zheng Н. J. 2009. Photodynamic therapy - an update on clinical applications. J. Innov. Opt. Health Sei., 2 (1): 73.

131. Pravdin A.B., Chernova S.P., Papazoglou T.G., Tuchin V.V. (2002). Tissue phantoms // Handbook of Optical Biomedical Diagnostics / V.V.Tuchin, editor. Bellingham: SPIE Press,. - P.311-352.

132. Borovoi A.G., Naats E.I., Oppel U.G. (1988). Scattering of Light by a Red Blood Cell. J. Biomed. Opt. 3(3), 364-372.

133. М.Ю. Кириллин, A.B. Приезжев. Моделирование распространения лазерного пучка в плоском слое суспензии эритроцитов методом Монте-Карло: сравнение вкладов рассеяния с различными кратностями в угловое распределение света. (2002). Квантовая Электроника, 32 (10), 883-887.

134. Тучин В.В. (1997). Исследование биотканей методами светорассеяния. Успехи физических наук, 167, 517-539.

135. Joseph М. Schmitt and Gitesh Kumar. (1988). Applied Optics, 37 (13),2788-2797.

136. M. Meinke, G. Müller, J. Helfmann, M. Friebel. (2007). Empirical model functions to calculate hematocrit-dependent optical properties of human blood. Applied Optics, 46 (10), 1742-1753.