eng
Выпуск #5/2017
Т.Утикал, Н.Ваасем
Использование перестраиваемого лазера C-WAVE в спектроскопии одиночных молекул
Использование перестраиваемого лазера C-WAVE в спектроскопии одиночных молекул
Просмотры: 2822
Обсуждается возможность использования перестраиваемого лазерного источника для спектроскопии высокого разрешения. Представлены спектры возбуждения флуоресценции одиночных органических молекул кристаллов, измеренные при сверхнизких температурах.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.52.55
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.52.55
ВВЕДЕНИЕ
Исследования молекулярных процессов и их особенностей играют важную роль во многих областях науки, таких как медицина, биология, химия и физика. Флуоресцентная спектроскопия одиночных молекул позволяет расширить понимание их свойств и воздействий, которые оказывает на них среда. Однако изучение свойств одиночных молекул в веществе является сложной задачей с высокими требованиями к используемым детекторам и источникам лазерного излучения [1]. В данной статье обсуждается возможность применения перестраиваемых непрерывных источников лазерного излучения для различных методов спектроскопии.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальная установка изображена на рис.1. Пучок перестраиваемого источника фокусируется на образце кристалла нафталина, содержащем молекулы красителя DBATT (dibenzanthanthrene). Лазерное излучение настроено в резонанс с молекулярными колебаниями молекул DBATT, что приводит к их возбуждению и последующей флуоресценции. Излучение флуоресценции проходит через фильтр и регистрируется с помощью детектора одиночных фотонов (SPCM-AQR от Perkin Elmer). Контроль частоты лазерного излучения осуществляется с помощью высокоточного волномера WS/6-200. Более подробное описание эксперимента приведено в работе [1].
ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ВОЗБУЖДЕНИЯ
Одиночные молекулы в кристалле можно рассматривать как идеальные двухуровневые системы с естественной шириной спектральной линии в диапазоне от 10–50 МГц. Из-за дефектов кристалла переходы отдельных молекул неоднородно распределены в области выше 1 ТГц. С помощью узкополосного лазера, настроенного на частоту конкретного перехода, одиночные молекулы можно выделить из ансамбля. Таким образом, лазер для возбуждения одиночных молекул должен обладать шириной спектральной линии уже естественной ширины спектральной линии молекул и перестраиваться в широком спектральном диапазоне без перескока моды. Другими важными требованиями к источнику лазерного излучения являются: свобода в выборе центральной длины волны (для различных молекулярных соединений), мощность выходного излучения более 200 мВт и низкий уровень шума.
Как правило, для подобных экспериментов используются лазеры на красителях, Ti:Sa лазеры или перестраиваемые диодные лазеры. Титан-сапфировые лазеры ограничены диапазонами длин волн 700–1000 нм и 350–500 нм (вторая гармоника). Лазеры на красителях требуют замены красителя или даже лазера накачки для перестройки длины волны излучения. Диодные лазеры, как правило, ограничены небольшим диапазоном перестройки и обладают низкой выходной мощностью в видимом диапазоне. В связи с этим оптические параметрические генераторы (ОПГ) являются перспективной альтернативой этих источников: диапазон перестройки длины волны излучения ОПГ может быть подобран специально под нужды конкретного эксперимента, они представляют собой твердотельные системы, которые не зависят от расходных материалов, таких как красители, а также обладают довольно высокой мощностью излучения.
Представленные измерения были проведены с помощью ОПГ C-WAVE, работающего в непрерывном режиме. Этот ОПГ с блоком для генерации второй гармоники излучает в диапазонах 450–650 нм и 900–1300 нм. Выходная мощность излучения находится в диапазоне до 500 мВт, ширина спектральной линии составляет менее 1 МГц. Перестройка частоты может осуществляться без перескока моды в диапазоне более 25 ГГц. Изменения центральной частоты на несколько ГГц, так же как и длины волны излучения, полностью управляются компьютером. Превосходное качество пучка обеспечивает высокую эффективность соединения ОПГ с оптоволокном, а следовательно, позволяет легко интегрировать источник в существующую экспериментальную схему.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Спектры флуоресценции молекул DBATT были измерены на длине волны 618 нм в диапазоне 1 ТГц путем сшивания нескольких разверток по частоте, полученных в режиме без перескока моды. На рис.2 в увеличенном масштабе представлена одна из таких разверток. Сигнал флуоресценции молекул, смещенный в длинноволновую область, измерялся с помощью лавинного фотодиода в процессе перестройки частоты лазера. Измеренные спектры обладают несколькими узкими спектральными линиями, которые соответствуют отдельным молекулам DBATT [2]. Используемый источник лазерного излучения C-WAVE позволяет зафиксировать частоту лазера с высокой точностью (определяется точностью волномера) таким образом, чтобы попасть в резонанс с колебаниями одной молекулы для изучения ее фотофизических свойств и динамики фотонов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная установка позволяет измерять спектры возбуждения флуоресценции одиночных молекул в прозрачных средах. Такие источники лазерного излучения, как титан-сапфировый лазер и ОПГ C-WAVE, отлично подходят для измерения узких линий спектра в широком диапазоне частот. Сочетание этих лазерных источников позволяет почти полностью охватить диапазон длин волн от 450 до 1300 нм с автоматическим управлением длиной волны и без необходимости замены лазерных сред или дополнительной юстировки системы. Все это делает представленную схему эксперимента удобным, легко поддающимся изменениям и чувствительным спектрометром для измерения характеристик одиночных молекул, центров окраски и полупроводниковых квантовых точек.
ЛИТЕРАТУРА
1. G.Wrigge et al. Efficient coupling of photons to a single molecule and the observation of its resonance fluorescence. – Nature Phys. 4, 60 (2008).
2. F.B.Zhelezko et al. Spectroscopic characteristics of single dibenzanthanthrene molecules isolated in a low-temperature naphthalene matrix. – Appl.Spectrosc. 66, 334 (1999).
Исследования молекулярных процессов и их особенностей играют важную роль во многих областях науки, таких как медицина, биология, химия и физика. Флуоресцентная спектроскопия одиночных молекул позволяет расширить понимание их свойств и воздействий, которые оказывает на них среда. Однако изучение свойств одиночных молекул в веществе является сложной задачей с высокими требованиями к используемым детекторам и источникам лазерного излучения [1]. В данной статье обсуждается возможность применения перестраиваемых непрерывных источников лазерного излучения для различных методов спектроскопии.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальная установка изображена на рис.1. Пучок перестраиваемого источника фокусируется на образце кристалла нафталина, содержащем молекулы красителя DBATT (dibenzanthanthrene). Лазерное излучение настроено в резонанс с молекулярными колебаниями молекул DBATT, что приводит к их возбуждению и последующей флуоресценции. Излучение флуоресценции проходит через фильтр и регистрируется с помощью детектора одиночных фотонов (SPCM-AQR от Perkin Elmer). Контроль частоты лазерного излучения осуществляется с помощью высокоточного волномера WS/6-200. Более подробное описание эксперимента приведено в работе [1].
ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ВОЗБУЖДЕНИЯ
Одиночные молекулы в кристалле можно рассматривать как идеальные двухуровневые системы с естественной шириной спектральной линии в диапазоне от 10–50 МГц. Из-за дефектов кристалла переходы отдельных молекул неоднородно распределены в области выше 1 ТГц. С помощью узкополосного лазера, настроенного на частоту конкретного перехода, одиночные молекулы можно выделить из ансамбля. Таким образом, лазер для возбуждения одиночных молекул должен обладать шириной спектральной линии уже естественной ширины спектральной линии молекул и перестраиваться в широком спектральном диапазоне без перескока моды. Другими важными требованиями к источнику лазерного излучения являются: свобода в выборе центральной длины волны (для различных молекулярных соединений), мощность выходного излучения более 200 мВт и низкий уровень шума.
Как правило, для подобных экспериментов используются лазеры на красителях, Ti:Sa лазеры или перестраиваемые диодные лазеры. Титан-сапфировые лазеры ограничены диапазонами длин волн 700–1000 нм и 350–500 нм (вторая гармоника). Лазеры на красителях требуют замены красителя или даже лазера накачки для перестройки длины волны излучения. Диодные лазеры, как правило, ограничены небольшим диапазоном перестройки и обладают низкой выходной мощностью в видимом диапазоне. В связи с этим оптические параметрические генераторы (ОПГ) являются перспективной альтернативой этих источников: диапазон перестройки длины волны излучения ОПГ может быть подобран специально под нужды конкретного эксперимента, они представляют собой твердотельные системы, которые не зависят от расходных материалов, таких как красители, а также обладают довольно высокой мощностью излучения.
Представленные измерения были проведены с помощью ОПГ C-WAVE, работающего в непрерывном режиме. Этот ОПГ с блоком для генерации второй гармоники излучает в диапазонах 450–650 нм и 900–1300 нм. Выходная мощность излучения находится в диапазоне до 500 мВт, ширина спектральной линии составляет менее 1 МГц. Перестройка частоты может осуществляться без перескока моды в диапазоне более 25 ГГц. Изменения центральной частоты на несколько ГГц, так же как и длины волны излучения, полностью управляются компьютером. Превосходное качество пучка обеспечивает высокую эффективность соединения ОПГ с оптоволокном, а следовательно, позволяет легко интегрировать источник в существующую экспериментальную схему.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Спектры флуоресценции молекул DBATT были измерены на длине волны 618 нм в диапазоне 1 ТГц путем сшивания нескольких разверток по частоте, полученных в режиме без перескока моды. На рис.2 в увеличенном масштабе представлена одна из таких разверток. Сигнал флуоресценции молекул, смещенный в длинноволновую область, измерялся с помощью лавинного фотодиода в процессе перестройки частоты лазера. Измеренные спектры обладают несколькими узкими спектральными линиями, которые соответствуют отдельным молекулам DBATT [2]. Используемый источник лазерного излучения C-WAVE позволяет зафиксировать частоту лазера с высокой точностью (определяется точностью волномера) таким образом, чтобы попасть в резонанс с колебаниями одной молекулы для изучения ее фотофизических свойств и динамики фотонов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная установка позволяет измерять спектры возбуждения флуоресценции одиночных молекул в прозрачных средах. Такие источники лазерного излучения, как титан-сапфировый лазер и ОПГ C-WAVE, отлично подходят для измерения узких линий спектра в широком диапазоне частот. Сочетание этих лазерных источников позволяет почти полностью охватить диапазон длин волн от 450 до 1300 нм с автоматическим управлением длиной волны и без необходимости замены лазерных сред или дополнительной юстировки системы. Все это делает представленную схему эксперимента удобным, легко поддающимся изменениям и чувствительным спектрометром для измерения характеристик одиночных молекул, центров окраски и полупроводниковых квантовых точек.
ЛИТЕРАТУРА
1. G.Wrigge et al. Efficient coupling of photons to a single molecule and the observation of its resonance fluorescence. – Nature Phys. 4, 60 (2008).
2. F.B.Zhelezko et al. Spectroscopic characteristics of single dibenzanthanthrene molecules isolated in a low-temperature naphthalene matrix. – Appl.Spectrosc. 66, 334 (1999).
Отзывы читателей
