Науковий керівник

чл.-кор. НАН України

Крючин А.А.

�підсумковий звіт �за період 01.01.2019р. - 31.12.1222р.� по темі ��«Дослідити та розробити методи аналізу структури нанооб’єктів та відображення інформації когерентними джерелами світла» �(шифр «Нановізор»)�

МЕТА ДОСЛІДЖЕННЯ:�

• Розробка високоефективних методів фокусування лазерного випромінювання з застосуванням принципів інтегральної оптики і методів зменшення спеклових шумів в лазерних проекційних системах на основі дифракційних елементів. Аналіз можливостей застосування отриманих результатів в пристроях реєстрації інформації, в ближньопольових оптичних мікроскопах, в системах контролю та створення нанорозмірних структур, а також в малогабаритних лазерних проекторах і системах ультразвукової діагностики.

​

Актуальність застосування лазерного освітлювання� в системах створення зображень і для аналізу структури нанооб’єктів

• Застосування лазерів в оптичних проекторах обіцяє ряд беззаперечних переваг, а саме: максимальне кольорове охоплення, максимально кольорово насичене і яскраве зображення,і енергетичну економічність та компактність проекторів.
• Застосування лазерного освітлення для аналізу структури нанооб’єктів дозволяє фокусувати світло до нанорозмірних світлових плям, і до фемтоімпульсів в чаcовій області, отримувати колосальну концентрацію енергії, що дозволяє оперативно отримувати спектральні характеристики нанорозмірних областей з малими завадами

​

Згідно робочого плану по НДР “Нанокод” були проведені роботи, що передбачали:

• Розробка компактних методів однорідного безспеклового освітлення прямокутної форми для лазерних проекторів, які б надали лазерним проекторам перевагу перед проекторами на основі світлодіодів.
• Розробка методів аналізу статистики спеклових полів і їх застосування до системах зменшення спеклових шумів
• .Розробка високоефективних методів фокусування лазерного пучків і лазерних фемтоімпульсів для спетроскопії нонообєктів з застосуванням інтегральних технологій.
• Розробка методу електричного модулювання інтенсивності оптичного сигналу

​

Проблеми створення безспеклової лазерної освітлю-вальної системи для лазерних проекторів

Зображення рівномірно-освітленого лазером екрану

Лазерне освітлення екрану при застосуванні стандартного методу однорідного освітлення

Контраст спеклів С=σ/I;

С₀≈0.7 потрібно C<0.04

k= С₀/C ≈18

Пасивний метод зменшення спеклів базований на багатомодовому оптоволокні

Оптична схема методу

Кутові зони декореляції: ідеальна 2D ; 1D створена рухомим 1D ДОЕ

k = С₀/С

Одновимірний

k=корінь(NA_obj/NА_eye)

Двовимірний:

K=NA_obj/NА_eye;

​

Розроблена теорія і показа-но: зони деореляції після багато-модового опто-волокна є 1D радіальними

k=корінь(NA_obj/Na_eye)

Отримано експеримен-тальне підтвердження

Удосконалення методу когерентних матриць для аналізу спеклових полів

Використовуючи ермітовість матриці когерентності виведено просту формулу для розрахунку контрасту спеклів створених системою частково декорельованими лазерними пучками

​

​

і просту наближену формулу для статистики розподілу інтенсивності спеклового поля без розв'язку задачі на власні значення, що дає можливість отримати аналітичні вирази і значно спростити аналіз спеклових полів. Продемонстровано ефективне застосування розробленого методу для аналізу ефективності методів зменшення спеклів

Безспекловий метод освітлення на основі 2D гратки прямокутних призм і мікролінзових 2D�граток

Оптична схема методу

Пасивна ДОЕ

2D гратка прямокутних

призм

2D гратка прямокутних

призм реалізована через

2-і 1D гратки прямокутних

призм

Безспекловий метод освітлення на основі прямокутних призм і мікролінзових 2D граток

Активна ДОЕ

Контраст спеклів при різних умовах освітлення

​

Компактні системи однорідного лазерного освітлення для лазерних проєкторів

• Найпростіша пасивна симтема безспеклового освітлення розробна нами в рамках Нановізор і на яку подано заявку на патент Українт

Застосування лазерного освітлення дозволяє отримати найбільш компактні і енергктично ефективні проєктори що створюють найбільш яскраві, найбільш кольорово насичені і з найбільшим кольоровим охватом зображення. Основна проблема в створені таких систем полягає в інерференції когерентного рсвітлення, що створює глибоку інтерференційну модуляцію освітлення екрану, і гранульовану модуляцію інетенсивності зображення (спеклів).

Проблема яка вимагає вирішення полягає в створені саме простих пасивних і компактної системи (проблема є давно технічно вирішена без обмежень на засоби і розміри системи).

Ми є відомим міжнародним центром по розробці теоретичних методів розрахунку спеклової статистики в таких системах і в розробці створення таких систем освітлення, шо підтверджено публікацією 7 статей за останні 5 років і 21 статей проотягом останніх 21 років у провідних оптичних журналах (Q1, Q2) за цьою тематикою і отриманим грантом компанії Хуавей на розробку рсвітлювальної системи лазерного освітленя на 63000 доларів

ЗАСТОСУВАННЯ ПЛАЗМОНІКИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ НАНОСТУКТУРИ ОБЄКТІВ НА ДЛЯ ПРВЕДЕННЯ СПЕКТРАЛЬНИХ ВИМІРІВ

Сигнал фемтоімпульсу Δt = 0.79 фс, для конфігурації для d = 40 нм, α = 20.7° (червона крива), для d = 600 нм, α = 20.7° (зелена крива) і для d = 100 нм, α = 37.1° (синя крива); :

Сигнал фемтоімпульсу Δt = 0.79 фс) на вході (чорна крива) і на виході НЗ для стартової конфігурації {+tip} (червона крива); модифікованої конфігурації без кінчика {-tip} (рожева крива); модифікованої, абсолютно симетричної конфігурації без кінчика {sym} (синя крива) (напівкут звуження α = 49.0°); і модифікованої конфігурації {long_taper}, у якої довжина частини taper в 2,75 рази довше, ніж у стартової конфігурації (α = 20.9°) (чорна пунктирна крива).

Ближньопольовий діелектричний зонд з плазмоними сферичними наночастинками

Показано, що енергія до вершини передається по діелектричному зонду Отримано великий коефіцієнт підсилення по полю для ультракоротких фемтоімпульсів (~1fs) (k>>100) правда зі значним подовження фемтоімпульсу ‒ 200,%).

Структура діелектричного зонду з

ланцюжками золотих наносфер

Оптимальна конфігурацію золотих плазмоних[ наносфер на діелектричному конусі

Застосування технології інтегральних схем до ближньопольового зонду “метеликова наноантена» �

Графеновий модулятор інтенсивності лазерного пучка (сигналу)

• Структура оптичого модулятора

Коефіцієнт пропускання від частоти при різній напрузі на графені

Дисперсія діелектричної проникливості (ефект, що зумовлює модуляцію)

Наукові публікації і доповіді на конференціях

• Опубліковано 19 наукових статей в спеціалізованих наукових журналах, з них 17 (8-Q1), (3-Q2), що входять в науково-метричну базу Scopus
• За отриманими науковими результатами зроблено >20 доповідей на наукових конференціях, з них 3 на міжнародних.
• За отриманими науковими результатами подано 3 заявки на патент України

​

Дякую за�увагу!

Мультирельєфні призматичні пластини

Світлова пляма у фокусі мультирельєфної призматичної пластини пластини

Опична схема освітлювальної системи

Результати

С=10%

Стаціонарний ДОЕ

С=17%

Активний ДОЕ

С=1,1%

С=1,6%

С=5%

С=0,8%

Моделювання оптичного модулятора на основі графена

Модуляція оптичного сигналу в області близької до нуля діелектриної проникливості графену

Двохкомпонентнии колоїдний розчин малих (5нм) і великих магнітних наночастинок

Моделювання осідання МмНЧ на поверхню ВмНЧ в зовнішньому градієнтному магнітному полі

Головні наукові результати

• Запропоновано нову конструкцію освітлювальної системи лазерного проектора з пасивним ДОЕ, яка забезпечує однорідне освітлення та малий рівень спеклового шуму. Розроблено теоретичну модель для оцінки механізму зменшення спеклів мультипризматичною декорилюючою пластиною, масивом мікролінз і ДОЕ для випадку коли просторові частоти, створені системою з мультипризматичної пластини і масива мікролінз є значно меншими за необхідні для створення ефекту зменшення спеклів
• Проведено моделювання графен-метаматеріалових оптичних модуляторів. При температурах, значно нижчих за кімнатну (<< 293.15 К), у графен-метаматеріалових оптичних модуляторах було виявлено ефект модулювання оптичного сигналу. Спостережувана поведінка була інтерпретована аналітично в межах наближення, коли дійсна частина діелектричної проникності графену вважається зникаюче малою порівняно з уявною частиною (ця умова завжди виконується в точці ENZ у графені).

​

Головні отримані наукові результати

• Проведено моделювання процесу осідання «малих» мНЧ на поверхню «великих» мНЧ у сильному градієнтному магнітному полі без врахування броунінського руху. Результати математичного моделювання показали, певних щільностях потоку зовнішнього магнітного поля та градієнта «малі» мНЧ можуть бути ефективно захоплені («адсорбовані») «великими» мНЧ на відстані до 7,5R (де R — радіус великих мНЧ) для наступної їх концентрації в місті оптичного детектування.

Публікації за результатами досліджень

Результати проведених досліджень опубліковані в 6 статтях в наукових журналах і трудах конференцій, 5 з яких входять в наукометричну базу “Scopus” :

1. Q. Xu, A. Lapchuk, Z Le, D. Cai, J. Zhou, Z. Liu, I. Gorbov, A. Kryuchyn “Coherent Matrix-Based Approach for Evaluation of First-Order Speckle Intensity Statistics and Its Application for Speckle Suppression”, IEEE Photonics Journal 14 (3), 1-9
2. Y.M. Morozov, A.S. Lapchuk, I.V. Gorbov “Discussion of temperature-dependent epsilon-near-zero effect in graphene”, New Journal of Physics 24 (8), 083016, (2022)
3. Y.M. Morozov, A.S. Lapchuk, I.S. Protsak, A.A. Kryuchyn, I.P. Nevirkovets “Temperature-dependent effect of modulation in graphene-supported metamaterials”, New Journal of Physics 24 (4), 043006, (2022)
4. A.S. Lapchuk, I.V. Gorbov, A.V. Prygun, I.V. Balagura, Y.M. Morozov “Combined small and large magnetic nanoparticle extraction and concentration from biofluids for non-toxic detection of biomarkers”, Sensors & Diagnostics 1 (4), 829-840, (2022)
5. A. Lapchuk,  O. Butok, I. Gorbov, A. Prygun, “Analysis of the Fluorescence Intensity Enhancement by Magnetic- Plasmonic Nanoparticles for Biomarkers Detection”//Proceedings of the 2022 IEEE 12th International Conference "Nanomaterials: Applications and Properties", NAP 2022, 2022
6. A.Lapchuk, I.Gorbov, A. Prygun, O.Butok, I.Balagura, “Simulation of Two-Component Magnetic Particles Interaction in Colloidal Liquid”//2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology, ELNANO 2022 - Proceedings, 2022, pp. 414–417

Публікації за результатами досліджень

• Представлено 2 доповіді на міжнародгих конференціях:
• A Lapchuk, O Butok, I Gorbov, A Prygun «Analysis of the Fluorescence Intensity Enhancement by Magnetic-Plasmonic Nanoparticles for Biomarkers Detection», 2022 IEEE 12th International Conference 2022 IEEE 12th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP)
• A Lapchuk, I Gorbov, A Prygun, O Butok, I Balagura “Simulation of Two-Component Magnetic Particles Interaction in Colloidal Liquid”, 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO)
• Представлено 5 доповідей на щорічну конференцію ІПРІ
• Подано три заявки на патент України

​

​

• Дякую за Увагу