Управление спектральными свойствами фотонных кристаллов с дефектом для создания оптических сенсоров количественного анализа жидких и газообразных сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ефимов Илья Михайлович

• Ефимов Илья Михайлович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Ефимов Илья Михайлович

Введение

Глава 1. Анализ современных видов оптических сенсоров

1.1 Классификация оптических сенсоров

Глава 2. Модель оптического сенсора на основе фотонного кристалла с дефектом в структуре

2.1 Фотонные кристаллы и фотонная запрещенная зона

2.2 Метод трансфер-матрицы

2.3 Принцип работы модели оптического сенсора

2.4 Сравнение абсолютной и нормированной чувствительностей

Глава 3. Оптимизация сенсора на основе фотонного кристалла с дефектом в структуре

3.1 Поведение ДМ при изменении параметров дефектного ФК

3.2 Оптимизация параметров структуры, типы симметрии ФК

3.3 Оптимизация параметров структуры, толщины дефекта

3.4 Оптимизация сенсора, ширина ФЗЗ

3.5 Оптимизация сенсора, решение проблемы селективности

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление спектральными свойствами фотонных кристаллов с дефектом для создания оптических сенсоров количественного анализа жидких и газообразных сред»

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире развитие химической и биологической промышленности находится на чрезвычайно высоком уровне, и с каждым годом появляются всё новые соединения. Это связано с тенденциями развития промышленного сектора, но не стоит забывать о токсичности некоторых из этих соединений. Существуют химические вещества, которые смертельно опасны для человека даже в самых малых концентрациях. Эти проблемы диктуют необходимость разработки методов и приборов для высокоточного обнаружения различных загрязняющих веществ даже в самых малых концентрациях. Для этого разрабатываются различные методы обнаружения веществ, в частности, активно развиваются оптические методы исследования и оптические сенсоры. Оптические сенсоры (ОС) — это устройства, которые используют оптические свойства материалов для измерения различных параметров или взаимодействия с окружающей средой. ОС могут работать на различных принципах, включая измерение изменений светового потока, отраженного или прошедшего через объект, изменение свойств света при прохождении через среду, использование эффектов рассеяния света и другие. Они находят широкое применение в различных областях, таких как медицина, автомобильная промышленность, производство, биотехнологии и другие. В медицине, например, оптические сенсоры могут использоваться для мониторинга состояния тканей, измерения уровня глюкозы в крови и других биохимических параметров. Кроме того, ОС часто более компактны, чувствительны и быстры в сравнении с традиционными электронными сенсорами, что делает их привлекательным выбором для многих отраслей.

Существует множество видов ОС. Среди них инфракрасные, фотодиодные, фототранзисторные датчики, а также фотокамеры и другие. В их число входят биосенсоры, основанные на спектроскопии плазмонного резонанса. Плазмоны представляют собой коллективные колебания плотности заряда свободного электронного газа. Простейшей системой, в которой можно

возбудить поверхностные плазмоны, является граница металл-диэлектрик. Существуют также биосенсоры на эффекте Рамана, неупругого рассеяния оптического излучения на молекулах вещества, сопровождающегося заметным изменением частоты излучения. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества. Ещё одним типом являются сенсоры на основе флюоресценции. Механизм работы флуоресцентных сенсоров может быть основан на тушении флуоресценции, усилении флуоресценции или резонансном переносе энергии.

В последние годы большой интерес представляют сенсоры, основанные на фотонных кристаллах (ФК), в том числе с дефектом в структуре. Одномерные ФК представляют собой периодические структуры из слоёв с различным коэффициентом преломления. Они обладают уникальным свойством, заключающимся в наличии определенного диапазон частот, называемого фотонной запрещённой зоной (ФЗЗ), в котором электромагнитная волна (ЭМВ) не может распространяться через кристалл. На практике это означает, что если на ФК падает излучение с длиной волны внутри ФЗЗ, то оно испытывает сильное отражение от кристалла. Таким образом, кристалл может выполнять роль зеркала или оптического фильтра. В случае добавления дефекта в периодическую структуру кристалла, например, слоя аналита, нарушается периодичность структуры, что приводит к изменению спектров пропускания и отражения во всей области. В частности, это проявляется в появлении узкой полосы пропускания внутри ФЗЗ, которая называется дефектной модой (ДМ). Положение и форма ДМ зависят от параметров дефектного слоя (ДС), таких как толщина и коэффициент преломления ДС. Именно это свойство лежит в основе сенсора, основанного на ФК с дефектом. ОС такого типа отличаются своей дешевизной, простотой изготовления, простотой применения, надежностью, скоростью измерения, совместимостью с другими устройствами, они могут быть как одноразовыми, так и многоразовыми. Однако существует серьезная проблема селективности такого сенсора, так как он будет работать только на основе показателя

преломления, а не на концентрации вещества.

В связи с вышесказанным, целью работы является исследование спектральных свойств фотонных кристаллов с дефектом в структуре.

Исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1. Создание модели сенсора на основе ФК с дефектом в структуре и исследование спектров пропускания, отражения, поглощения для модели;

2. Определение возможностей такого типа сенсора для показателя преломления;

3. Изучение влияния различных характеристик ФК с дефектом на чувствительность модели сенсора;

4. Оптимизация характеристик ФК, таких как тип симметрии и других;

5. Решение проблемы селективности сенсора.

Актуальность работы определяется необходимостью получения новых теоретических данных об особенностях спектров пропускания, отражения, поглощения фотонных кристаллов с дефектом в структуре. Исследование зависимости спектров от параметров ФК с дефектом, в частности от типа симметрии, от толщины ДС, от количества периодов ФК и других.

Предполагается определить оптимальные параметры ФК с дефектом для максимизации чувствительности ОС. Решение проблемы селективности такой модели сенсора путем создания численной модели многомодового ОС. Так как разные вещества не могут иметь один и тот же спектр показателя преломления, то в работе предложено рассмотреть модель многомодового сенсора. Многомодовость будет обеспечиваться увеличением толщины ДС, пока количество ДМ внутри ФЗЗ на спектре не будет равным количеству компонентов смеси. Каждые из этих мод будут использованы в создании системы уравнений, которая свяжет положения мод на спектре с концентрациями компонентов. Создав и решив данную систему уравнений, можно однозначно определить концентрации компонентов смеси. Таким

образом, можно определить концентрацию множества компонентов аналита.

Научная новизна работы заключается в следующих пунктах:

1. Впервые теоретически были исследованы зависимости чувствительности ОС на основе ФК с дефектом от параметров ФК и дефекта;

2. Впервые были рассмотрены разные чувствительности для ОС, в частности впервые доказано преимущество нормированной чувствительности по отношению к абсолютной чувствительности оптического сенсора;

3. Впервые предложена модель многомодового сенсора на основе ФК с дефектом, обладающая селективностью и способная определять концентрации многокомпонентной смеси.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты работы можно использовать для создания сенсора, основанного на ФК с дефектом в структуре, для промышленности и биомедицины. Показана возможность использования такого типа ОС в качестве датчика для определения показателя преломления, а также продемонстрирован переход от показателя преломления к концентрации компонентов небинарной смеси.

Исследованы спектральные особенности таких фотонных структур, а также найдены оптимальные параметры для ФК, обеспечивающие максимальную чувствительность сенсора.

Результаты работы были использованы при выполнении следующих проектов:

1. Госзадание Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 0657-2020-0003 «Разработка методов лазерной спектроскопии, фотоники и оптоэлектроники для создания перспективных высокотехнологичных сенсоров персонализированной биомедицины и мониторинга природных и искусственных сред» 2020-2022 г.

2. Проект фонда развития теоретической физики и математики «Базис»

Грант "Leader" № 21-1-1-6-1 «Магнитно-индуцированная линейная невзаимная и управляемая прозрачность» 2021-2024 г.

3. Проект РНФ, соглашение № 24-22-00283 «Конические лазеры и резонаторы белых лазеров на основе чирпированных и аподизированных фотонных кристаллов» 2024 - 2025 г.

Структура научно-квалификационной работы выглядит следующим образом: работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В первой главе представлен анализ и классификация современных видов ОС. Приведены основные оптические аспекты, по которым ОС может определять параметры изучаемой среды.

Во второй главе представлена модель ОС, основанная на ФК с дефектом в структуре. В начале главы рассмотрены структура ФК и причины образования ФЗЗ. Изучено влияние дефектов в структуре ФК.

Для изучения спектральных особенностей использован численный метод, метод трансфер матрицы. Метод выведен для рассеяния плоской электромагнитной волны, падающей из вакуума, на однородный слой элементарной ячейки ФК. Метод матрицы переноса основан на том факте, что, согласно уравнениям Максвелла, существуют простые условия непрерывности электрического поля на границе между двумя различными средами. Если поле известно в начале слоя, поле в конце слоя может быть получено с помощью простой операции с матрицей. Затем стопка слоев может быть представлена в виде системной матрицы, которая является произведением отдельных матриц для каждого слоя. Заключительный этап метода включает в себя преобразование матрицы системы обратно в коэффициенты отражения и пропускания.

Представлена модель ОС, показанная на рисунке 1, а также представлена схема работы сенсора на рисунке 2.

Рисунок 1. Схематическая диаграмма дефектного фотонного кристалла N - Кол-во элементарных ячеек, в0 - Угол падения света, Ег - Отраженная

волна, Е0 - Падающая волна, - Прошедшая волна, п0, п^ - показатель преломления внешней среды слева и справа от кристалла соответственно, п1, п2 - показатели преломления первого и второго слоев ФК, к2 - толщины первого и второго слоев ФК, па, - показатели преломления и толщина ДС

Рисунок 2. Спектры пропускания дефектного ФК с двумя принципиально различными показателями преломления ДС

Работа сенсора основывается на том факте, что при изменении параметров дефекта спектры изменяются, в частности, на рисунке 2 черной стрелкой показан сдвиг дефектной моды на ёХ при изменении показателя преломления дефекта. По этому смещению можно определить показатель преломления дефекта.

В главе также были рассмотрены абсолютная и нормированная

чувствительность ОС. Было показано преимущество нормированной чувствительности по сравнению с абсолютной. Так, абсолютная чувствительность будет пропорционально зависеть от рабочей длины волны и не будет корректно отображать параметры сенсора, в то время как нормированная чувствительность не имеет подобных недостатков.

В третьей главе изложены результаты оптимизации ОС. В данной главе рассмотрены зависимости чувствительности от параметров ФК, таких как тип симметрии ФК, толщина ДС, количество периодов и других.

Предложены удобные параметры для описания структуры, такие как средний показатель преломления элементарной ячейки, нормированная ширина ФЗЗ. Используя данные параметры, удобно оптимизировать сенсор на разных рабочих длинах волн. Также в главе приведены численные результаты, по которым видно, что положение ДМ зависит от среднего показателя преломления ячейки.

Один из важнейших результатов работы заключается в решении проблемы селективности такого типа сенсора путем создания численной модели многомодового сенсора. Для этого в модель сенсора добавляется следующая система уравнений:

па(Л1) = Ег^1пг(Я1)йг па(Ь) = 1.Г=1Щ(Л2)51

, С1)

пй(Лт-1) = )£(

где п^(Ау) - показатель преломления ДС на длине волны Лу, щ - показатель

преломления / компонента смеси.

Система основана на том, что каждое вещество имеет свой оригинальный спектр показателя преломления и нет веществ, у которых на разных длинах волн будут одинаковые показатели преломления. Следовательно, на разных длинах волн, в частности на длинах волн дефектов, мы получим свои значения показателя преломления, связав которые с уже

известными спектрами показателя преломления чистых веществ, можно однозначно узнать концентрацию компонентов.

В заключении изложены основные результаты диссертации. Апробация результатов работы

Материалы работы опубликованы в следующих статьях:

1. Efimov, I. M., Vanyushkin, N. A., Gevorgyan, A. H., & Golik, S. S. (2022). Optical biosensor based on a photonic crystal with a defective layer designed to determine the concentration of SARS-CoV-2 in water. Physica Scripta, 97(5), 055506.

2. Efimov, I. M., Vanyushkin, N. A., Golik, S. S., & Gevorgyan, A. H. (2023). Sensor with enhanced performance based on photonic crystal with a defect layer. Компьютерная оптика, 47(4), 572-579.

3. Efimov, I. M., Vanyushkin, N. A., & Gevorgyan, A. H. (2022). Peculiarities of the electromagnetic field distribution inside a 1D photonic crystal with a defect layer. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 86(Suppl 1), S60-S65.

4. Efimov, I. M., Vanyushkin, N. A., & Gevorgyan, A. H. (2024, January). The Determination of the Sensitivity of Refractive Index Sensors. Photonics (Vol. 11, No. 1, p. 56). MDPI.

5. Kamenev, A. O., Efimov, I. M., Vanyushkin, N. A., & Gevorgyan, A. H. (2024). On the sensitivity of defect modes outside the first photonic bandgap in optical sensors based on defected 1D photonic crystals. Physica Scripta, 99(4), 045521.

6. Gevorgyan, A. H., Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., Golik, S. S., Mkhitaryan, S. A., Harutyunyan, M. Z., & Rafaelyan, M. S. (2022). Peculiarities of Light Absorption in Chirped One-Dimensional Photonic Crystals. Optics and Spectroscopy, 130(8), 495-502.

7. Gevorgyan, A. H., Golik, S. S., Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., Rafayelyan, M. S., Gharagulyan, H., ... & Matinyan, G. K. (2021). Magnetically induced transparency in media with helical dichroic structure. Materials, 14(9), 2172.

8. Gevorgyan, A. H., Golik, S. S., Vanyushkin, N. A., & Efimov, I. M. (2022). Magneto-optics of helically structured photonic crystals with wavelength dependence of magneto-optical activity parameter. Optik, 261, 169208.

9. Gevorgyan, A. H., Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., Kamenev, A. O., Golik, S. S., Gharagulyan, H., ... & Oganesyan, K. B. (2023). Strong light absorption and absorption absence in photonic crystals with helical structure in an external static magnetic field. JOSA B, 40(8), 1986-1993.

10. Gevorgyan, A. H., Golik, S. S., Vanyushkin, N. A., & Efimov, I. M. (2022). Asymmetric absorption in asymmetric dielectric Fabry-Perot resonator with cholesteric liquid crystal layer inside. Optical Materials, 125, 112111.

11. Gevorgyan, A. H., Vanyushkin, N. A., & Efimov, I. M. (2024). A white laser resonator with chirped photonic crystals. Optical Materials, 148, 114839.

12. Gevorgyan, A. H., Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., & Oganesyan, K. B. (2023). Linear and circular dichroisms of cholesteric liquid crystals in a longitudinal external magnetic field. Liquid Crystals, 50(11-12), 1862-1871.

Материалы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и семинарах:

1. Efimov, I. M., Gevorgyan, A. H., Vanyushkin, N. A. Peculiarities of Light Absorption in Chirped One-Dimensional Photonic Crystals // APCOM-2022, Vladivostok, Russia, October 2-6, 2022.

2. Ефимов И.М., Ванюшкин Н.А., Геворгян А.А. Исследование влияния структуры одномерных фотонных кристаллов с дефектом на характеристики оптических датчиков на их основе // 65 конференция МФТИ, Москва, Россия, Апрель 03-08, 2023.

3. Ефимов И.М., Ванюшкин Н.А., Геворгян А.А. Измерение концентрации SARS-CoV-2 при помощи датчика на основе фотонного кристалла с дефектным слоем // Енисейская фотоника-2022, Красноярск, Россия, Сентября 19-24, 2022.

4. Ефимов И.М., Ванюшкин Н.А., Малинченко А.А., Голик С.С., Геворгян

А.А. НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ // XXI ВСЕРОССИЙСКАЯ МОЛОДЕЖНАЯ САМАРСКАЯ КОНКУРС-КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ОПТИКЕ, ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКЕ И ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ, ПОСВЯЩЕННАЯ 300-ЛЕТИЮ РАН, Самара, Россия, 14-18 ноября 2023 года.

5. Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., Malinchenko, A. A., Kamenev, A. O., Bulanov, A. V., Gevorgyan, A. H. Theory of light propagation in 1D arbitrary inhomogeneous isotropic media //THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ALGEBRA, LOGIC AND THEIR APPLICATIONS, YEREVAN, ARMENIA, October 13-19, 2024.

6. Vanyushkin N. A., Kamenev, A. O., Efimov, I. M., Malinchenko, A. A., Bulanov, A. V., Gevorgyan, A. H. THEORY OF DEFECT MODES MERGING IN ONE-DIMENSIONALPHOTONIC CRYSTALS WITH TWO DEFECTS //THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ALGEBRA, LOGIC AND THEIR APPLICATIONS, YEREVAN, ARMENIA, October 13-19, 2024.

7. Kamenev, A. O., Malinchenko, A. A., Vanyushkin, N. A., Efimov, I. M., Golik, S. S., Chigrinov, V. G., Gevorgyan, A. H. Merging of defect modes in one-dimensional photonic crystals with two defect layers // The 31st International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT), Vladivostok, Russia, September 23-27, 2024.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ВИДОВ ОПТИЧЕСКИХ

СЕНСОРОВ

1.1 Классификация оптических сенсоров

Оптические сенсоры (ОС) — это устройства, которые используют оптические свойства материалов для измерения различных параметров или взаимодействия с окружающей средой [1-15]. Они могут быть использованы для измерения расстояния, давления, температуры, скорости и других параметров. ОС могут работать на различных принципах, включая измерение изменений светового потока, отраженного или прошедшего через объект, изменение свойств света при прохождении через среду, использование эффектов рассеяния света и другие. Они находят широкое применение в различных областях, таких как медицина, автомобильная промышленность, производство, биотехнологии и другие. В медицине ОС могут использоваться для мониторинга состояния тканей, измерения уровня глюкозы в крови и других биохимических параметров. Кроме того, ОС часто более компактны, чувствительны и быстры в сравнении с традиционными электронными сенсорами, что делает их привлекательным выбором для многих отраслей. Именно поэтому в данной работе будет рассмотрена модель ОС, однако начать следует с подробного разбора видов ОС [1-15].

В настоящее время существует множество видов сенсоров, таких как инфракрасные, фотодиодные, фототранзисторные, фотокамеры и другие. В их число входят биосенсоры, основанные на спектроскопии плазмонного резонанса [10-15]. Плазмоны представляют собой коллективные колебания плотности заряда свободного электронного газа. Простейшей системой, в которой можно возбудить поверхностные плазмоны, является граница металл-диэлектрик [4, 12-15]. Существуют также биосенсоры на эффекте Рамана, неупругого рассеяния оптического излучения на молекулах вещества, сопровождающегося заметным изменением частоты излучения. Число и расположение появившихся линий определяются молекулярным строением вещества. Ещё одним типом являются сенсоры на основе флюоресценции.

Механизм работы флуоресцентных сенсоров может быть основан на тушении флуоресценции, усилении флуоресценции или резонансном переносе энергии. Данное многообразие сенсоров необходимо классифицировать.

Одной из классификаций ОС является классификация на активные и пассивные типы сенсоров. Для первой группы, независимо от конструкции, характерно наличие чувствительного слоя, в котором на молекулярном или фазовом уровне введены молекулы аналитических реагентов (или их активные фрагменты), вступающие в специфическое взаимодействие с молекулами контролируемого сенсором газа. Так как способность воспроизводимости сенсорных параметров во времени является важнейшей характеристикой сенсора при многократности циклов измерение/регенерация, преимущественно используются чувствительные материалы с химическим ковалентным или ионным связыванием молекул аналитического реагента с инертным материалом чувствительной матрицы [1-15]. В роле чувствительных материалов оптических сенсоров активного типа получили распространение пористые стеклообразные материалы, изготавливаемые по золь-гель-технологии, и функциональные полимеры с ковалентно или ионно-связанными фрагментами молекул аналитических реагентов.

Для второго типа характерно отсутствие реагентной фазы. Пассивный тип сенсоров имеет возможность реализации в нескольких исполнениях. Ла-зерно-диодный, реализуется в ИК-области спектра, использует полупроводниковый перестраиваемый лазер в качестве источника излучения. Он имеет ячейку многократного полного внутреннего отражения с длинным оптическим путем (порядка нескольких сотен нанометров) и полупроводниковый фотодетектор. Чаще всего такие сенсоры изготавливаются по технологии микроэлектроники и представляют собой микрочип, в котором сформированы источник света, многоходовая с длинным оптическим путем измерительная ячейка и фотодетектор, и другие элементы, включая схему обработки сигнала, его индикации, а также схему под калибровки, микроэлектронные вентили и т. д. [10-15]. Для второго типа

пассивных оптических сенсоров за основу взято свойство оптического волокна, а именно зависимость интенсивности прошедшего через сердцевину волокна света от величины отношения показателей преломления света сердцевины и оболочки. В роле оболочки сенсорного волновода применяется анализируемая газовая фаза. Достоинством пассивных сенсоров по отношению к активным является отсутствие фазы адсорбции и десорбции газа чувствительным слоем. К недостаткам относится низкая селективность в присутствии мешающих газовых и аэрозольных примесей.

В качестве сенсоров для оптических сигналов могут служить чувствительные элементы, изменяющие свои характеристики под воздействием света: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы [8]. Принцип их действия основан на внутреннем фотоэффекте, с помощью которого носители заряда, поглощающие свет из валентной зоны полупроводника, переходят в зону проводимости. Рассмотрим их подробнее.

Фоторезисторы - элементы, характеризующиеся практически линейной зависимостью изменения сопротивления от степени освещения. Фоторезисторы изготавливаются нанесением слоя светочувствительного материала на изолирующую подложку с прикрепленными к ней металлическими электродами. Светочувствительные элементы фоторезистора покрывают прозрачным защитным лаком.

Фотодиоды - полупроводниковые диоды, характеризующиеся более низким сопротивлением относительно фоторезистора, возникающим в обратном направлении, при обратном включении (в фотодиодном режиме) и при освещении п-области. К достоинствам данного вида сенсоров можно отнести его высокую скорость реакции.

Фотодиод определяется зависимостью обратного тока от освещенности его р-п перехода. Генерация избыточных носителей и увеличение обратного тока фотодиода на величину фототока 1ф возникает при воздействии светового потока Ф на выпрямляющий р-п переход. В качестве материала фотодиода могут выступать кремний, германий, индий. В зависимости от выбранного

материала поток фотонов может изменяться по линейному закону от единиц до десятков вольт и ориентироваться на разные типы излучения. Так выделяют фотодиоды, ориентированные на инфракрасное излучение и на видимое [1].

В фототранзисторе происходит усиление фототока коллекторного р-п-перехода. При условии отсутствия попадания света на базу фототранзистора он является не активным: в таком случае коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный - в прямом. В случае обратного направления через коллектор-эмиттер протекает ток, зависящий от величины светового потока. Iф=Sф • Фс, где Sф - чувствительность светоприемника, Фс -световой поток.

Стоит упомянуть классификацию ОС по принципу действия:

• поглощения света (абсорбция);

• отражения первичного (падающего) светового потока;

• пропускание;

• преломление;

• люминесценции;

• поляризации света.

Рассмотрим каждый более подробно.

Первый тип сенсоров в классификации основан на поглощении света. Поглощение зависит от строения атомов (молекул), агрегатного состояния вещества, концентрации, толщины слоя, длины волны и других факторов. Закон интенсивность поглощения монохроматического излучения, проходящего через вещество, описывается законом Бугера-Ламберта Бера.

При условии однородности среды с толщиной слоя, перпендикулярного монохроматическому световому потоку с интенсивностью 10, интенсивность I прошедшего света определяется так: I = 10 • ехр(-апогл1).

При отсутствии возможности пренебрежения рассеянием света, необходимо учитывать его вклад в суммарное ослабление интенсивности прошедшего через среду света: аь = апогл + арасс •

По закону Бера каждая молекула (или атом) вещества поглощает

16

одинаковую часть падающего излучения, отсюда апогл = о • И, где N - концентрация неизвестного вещества, а - сечение поглощения исследуемого вещества на данной длине волны падающего излучения. При выполнении приведенных выше законов справедлив объединенный закон Бугера-Ламберта-Бэра [11]: I = /0 • ехр(—1 • о • Ы). При условии изменения концентрации исследуемого вещества вдоль пути распространения светового излучения, применима интегральная форма закона Бугера-Ламберта-Бэра:

Р1 = Р0 • ехр /0 а • где Р1 - мощность светового излучения на

выходе сенсорной ячейки в присутствии исследуемого вещества, Р0 -мощность светового излучения на выходе сенсорной ячейки в отсутствии исследуемого вещества, Ы - толщина слоя исследуемой среды.

Принцип работы таких типов датчиков основывается на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения волноводной моды, распространяющейся через исследуемую газообразную или жидкую среду (находящуюся рядом с датчиком), на длинах волн, характерных для исследуемого вещества [11].

Следующий тип сенсоров в классификации основан на отражении (Д). Свойства сред и размеры неровностей на границах раздела фаз влияют на характер отражения. Электронное строение атомов, молекул и ионов в поверхностном слое, процессы поглощения и рассеивания и длина волны падающего света влияют на интенсивность отраженного света. Данный эффект используется для определения состава и строения поверхностных слоев твердого тела, мутных сред, а также позволяет идентифицировать адсорбированные соединения [12].

Основные законы отражения:

1) падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром относительно точки падения луча к границе раздела двух сред;

2) угол отражения равен углу падения.

Существует несколько типов отражения

• Зеркальное отражение

Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называется плоским зеркалом. Зеркальное отражение - это направленное отражение света.

• Диффузионное отражение

Отражение, при котором размеры неровности поверхности, представляющей собой границу раздела фаз, больше длины волны падающего на неё света. Это приводит к рассеиванию отраженных, падающих параллельно лучей.

• Действительное изображение

Изображение, которое получается при пересечении лучей.

• Мнимое изображение

Изображение, которое получается при продолжении лучей [12].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ефимов Илья Михайлович, 2026 год

Список литературы

1. Сажин С. Г. Приборы контроля состава и качества технологических сред //

— 2012. — С. 432.

2. Егоров А. А., Егоров М. А., Царева Ю. И. Химические сенсоры: классификация, принципы работы, области применения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. — 2008. — Т. 6. — С. 28-44. Белянкин С. Е. Сенсоры контроля концентрации газовых компонентов // Фундаментальные исследования. — 2006. — № 2. — С. 1-23.

3. Уррутия А. Б., Педро Х., Ривера С. Методы микро-нанопокрытия для улучшенных волоконно-оптических датчиков // Справочник по наноматериалам для сенсорных приложений. — 2021. — С. 531-573.

4. Васильев Д. и др. Лазерная диодная спектроскопия. Бесконтактная система измерения концентрации паров этилового спирта в выдохе человека // Фотоника. — 2016. — № 1. — С. 70-83.

5. Сидоров А. И. Сенсорная фотоника. — СПб.: Ун-т ИТМО, 2019.

6. Саввин С. Б. и др. Оптические химические сенсоры (микро-и наносистемы) для анализа жидкостей // Российский химический журнал. — 2008. — Т. 52, №2 2. — С. 7-16.

7. Сафьянников Н. М., Буренова О. И., Алипов А. Н. Информационно-измерительные преобразователи киберфизических систем. — СПб.: Издательство «Лань», 2020.

8. Патрушева Т. Н. Сенсорика. Современные технологии микро-и наноэлектроники. — 2014.

9. Кузнецов С. Физика: оптика. Элементы атомной и ядерной физики. Элементарные частицы: учебное пособие для вузов. — Litres, 2016.

10. Егоров А. А. и др. Новый тип химических сенсоров — интегрально-оптические датчики // Экология и промышленность России. — 2008. — № 4.

— С. 16-17.

11. Гольдштейн А. Е. Физические основы получения информации. — 2016. —

С. 291.

12. Никитина Н. Г., Борисов А. Г., Хаханина Т. И. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. — 2016. — С. 394.

13. Можаров Г. А. Геометрическая оптика. — 2017. — С. 708.

14. Егоров А. А. Систематика, принцип работы и области применения датчиков // Журнал радиоэлектроники. — 2009. — № 3. — С. 3.

15. Савельев И. В. Курс физики: учебное пособие: в 3 томах. — 2019. — 308 с.

16. Calvo-Lozano O. et al. Label-free plasmonic biosensor for rapid, quantitative, and highly sensitive COVID-19 serology: Implementation and clinical validation // Analytical Chemistry. — 2021. — Т. 94, № 2. — С. 975-984.

17. Bounaas F., Labbani A. Optimized cancer cells sensor based on 1D photonic crystal vertical slot structure // Progress In Electromagnetics Research C. — 2021.

— Т. 117. — С. 239-249.

18.Hosseini E., Mir A., Farmani A. Black phosphorous-based nanostructures for refractive index sensing with high figure of merit in the mid-infrared // Plasmonics.

— 2022. — С. 1-8.

19. Asghari A. et al. Fast, accurate, point-of-care COVID-19 pandemic diagnosis enabled through advanced lab-on-chip optical biosensors: Opportunities and challenges // Applied Physics Reviews. — 2021. — Т. 8, № 3.

20. Ma R. et al. Refractive index modulation in magnetophoresis of bioreaction induced self-assembled magnetic fluid // Optics Letters. — 2021. — Т. 46, № 18.

— С. 4658-4661.

21. Shiveshwari L., Awasthi S. K. Transmission properties of one-dimensional ternary plasma photonic crystals // Physics of Plasmas. — 2015. — Т. 22, № 9.

22. Qutb S. R., Aly A. H., Sabra W. Salinity and temperature detection for seawater based on a 1D-defective photonic crystal material // International Journal of Modern Physics B. — 2021. — Т. 35, № 01. — С. 2150012.

23. Rushworth C. M. et al. On-chip cavity-enhanced absorption spectroscopy using a white light-emitting diode and polymer mirrors // Lab on a Chip. — 2015. — Т. 15, № 3. — С. 711-717.

24. Pathak A. K., Viphavakit C. VOC biomarker monitoring for diabetes through exhaled breath using Ag/P-TiO2 composite plasmonic sensor // IEEE Sensors Journal. — 2021. — T. 21, № 20. — C. 22631-22637.

25. Pathak A. K., Singh V. K. SPR based optical fiber refractive index sensor using silver nanowire assisted CSMFC // IEEE Photonics Technology Letters. — 2020. — T. 32, № 8. — C. 465-468.

26. Cennamo N. et al. Proof of concept for a quick and highly sensitive on-site detection of SARS-CoV-2 by plasmonic optical fibers and molecularly imprinted polymers // Sensors. — 2021. — T. 21, № 5. — C. 1681.

27. Hadi M. U., Khurshid M. SARS-CoV-2 detection using optical fiber-based sensor method // Sensors. — 2022. — T. 22, № 3. — C. 751.

28. Kneipp J. Interrogating cells, tissues, and live animals with new generations of surface-enhanced Raman scattering probes and labels // ACS Nano. — 2017. — T. 11, № 2. — C. 1136-1141.

29. Singh S. et al. Impacts of introducing and lifting nonpharmaceutical interventions on COVID-19 daily growth rate and compliance in the United States // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2021. — T. 118, № 12. — e2021359118.

30.Monkawa A. et al. Ultra-highly sensitive detection of influenza virus by localized surface-plasmon resonance sensor. — 2021.

31. Castillo-Henriquez L. et al. Biosensors for the detection of bacterial and viral clinical pathogens // Sensors. — 2020. — T. 20, № 23. — C. 6926.

32. Samson R., Navale G. R., Dharne M. S. Biosensors: frontiers in rapid detection of COVID-19 // 3 Biotech. — 2020. — T. 10, № 9. — C. 385.

33. Segovia-Chaves F. et al. Defect mode modulation for a protein solution cavity surrounded by graphene and nanocomposite layers // Optik. — 2021. — T. 242. — C. 167161.

34. Lyubchanskii I. L. et al. A one-dimensional photonic crystal with a superconducting defect layer // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. — 2009. — T. 11, № 11. — C. 114014.

35. Joannopoulos J. D. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. — Princeton: Princeton Univ. Press, 1995. — 305 c.

36. Shkondin E. et al. Large-scale high aspect ratio Al-doped ZnO nanopillars arrays as anisotropic metamaterials // Optical Materials Express. — 2017. — T. 7, № 5. — C. 1606-1627.

37. Tinga W. R., Voss W. A. G., Blossey D. F. Generalized approach to multiphase dielectric mixture theory // Journal of Applied Physics. — 1973. — T. 44, № 9. — C. 3897-3902.

38. Sarkar S. et al. Hybridized guided-mode resonances via colloidal plasmonic self-assembled grating // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2019. — T. 11, № 14. — C. 13752-13760.

39. Belyakov V. A. Diffraction optics of complex-structured periodic media. — New York: Springer-Verlag, 1992.

40. Efimov I. M. et al. Optical biosensor based on a photonic crystal with a defective layer designed to determine the concentration of SARS-CoV-2 in water // Physica Scripta. — 2022. — T. 97, № 5. — C. 055506.

41.Bordo V. G. Theory of light reflection and transmission by a plasmonic nanocomposite slab: Emergence of broadband perfect absorption // JOSA B. — 2021. — T. 38, № 5. — C. 1442-1451.

42. Yeh P. Optical Waves in Layered Media. — New York: Wiley, 1988. — 416 c.

43. Yariv A., Yeh P. Optical Waves in Crystals. — New York: Wiley, 1984. — 604 c.

44. Vanyushkin N. A., Gevorgyan A. H., Golik S. S. Scattering of a plane wave by an inhomogeneous 1D dielectric layer with gradient refractive index // Optical Materials. — 2022. — T. 127. — C. 112306.

45. Hale G. M., Querry M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-^m wavelength region // Applied Optics. — 1973. — T. 12, № 3. — C. 555-563.

46. Ermolinskiy P. B. et al. Red blood cell in the field of a beam of optical tweezers // Quantum Electronics. — 2022. — T. 52, № 1. — C. 22.

47. Efimov I. M. et al. Sensor with enhanced performance based on photonic crystal

with a defect layer // Компьютерная оптика. — 2023. — Т. 47, № 4. — С. 572579.

48. Kamenev A. O. et al. On the sensitivity of defect modes outside the first photonic bandgap in optical sensors based on defected 1D photonic crystals // Physica Scripta.

— 2024. — Т. 99, № 4. — С. 045521.

49. Efimov I. M., Vanyushkin N. A., Gevorgyan A. H. The Determination of the Sensitivity of Refractive Index Sensors // Photonics. — MDPI, 2024. — Т. 11, №2 1.

— С. 56.

50. Efimov I. M., Vanyushkin N. A., Gevorgyan A. H. Peculiarities of the electromagnetic field distribution inside a 1D photonic crystal with a defect layer // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2022. — Т. 86, Suppl 1.

— С. S60-S65.

51. Lyubchanskii I. L. et al. Magnetic photonic crystals // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2003. — Т. 36, № 18. — С. R277.

52. Golik S. S. et al. Determination of detection limits for elements in water by femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy // Journal of Applied Spectroscopy. — 2012. — Т. 79, № 3. — С. 471-476.

53. Geints Yu E. et al. Kerr-driven nonlinear refractive index of air at 800 and 400 nm measured through femtosecond laser pulse filamentation // Applied Physics Letters. — 2011. — Т. 99, № 18.

54. Gevorgyan A. H., Golik S. S., Gevorgyan T. A. Diode based on magneto-photonic crystals // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2019. — Т. 474. — С. 173-182.

55. Gevorgyan A. H., Golik S. S. Optics of helical periodical media with giant magneto-optical activity // Optics & Laser Technology. — 2022. — Т. 149. — С. 107810.

56. Sarukhanyan T. M. et al. Multimode robust lasing in a dye-doped polymer layer embedded in a wedge-shaped cholesteric // Molecules. — 2021. — Т. 26, № 19. — С. 6089.

57. Bukin O. A. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy of liquid media with

femtosecond laser excitation // Atmospheric and Oceanic Optics. — 2009. — T. 22, № 2. — C. 209-213.

58. Golik S. S. et al. The influence of laser pulse repetition rate on the intensity of spectral lines in femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of a liquid // Technical Physics Letters. — 2015. — T. 41, № 11. — C. 1044-1046.

59. Gevorgyan A. H. et al. Magneto-optics of helically structured photonic crystals with wavelength dependence of magneto-optical activity parameter // Optik. — 2022. — T. 261. — C. 169208.

60. Golik S. S. et al. The influence of laser focusing on the intensity of spectral lines in femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of liquids // Technical Physics Letters. — 2013. — T. 39, № 8. — C. 702-704.

61. Gevorgyan A. H. et al. Nonreciprocal localization of light in magnetoactive cholesteric liquid crystals in an external magnetic field // Optik. — 2021. — T. 247.

— C. 167927.

62. Gevorgyan A. H., Golik S. S. Band structure peculiarities of magnetic photonic crystals // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2017. — T. 439. — C. 320-327.

63. Kul'chin Yu N. et al. Supercontinuum generation and filamentation of ultrashort laser pulses in hybrid silicate nanocomposite materials on the basis of polysaccharides and hyperbranched polyglycidols // Quantum Electronics. — 2013.

— T. 43, № 4. — C. 370.

64. Bukin O. A. et al. Filamentation of a sharply focused ultrashort laser pulse at wavelengths of 800 and 400 nm: Measurements of the nonlinear index of air refraction // Atmospheric and Oceanic Optics. — 2011. — T. 24, № 5. — C. 417424.

65. Ilyin A. A. et al. Anomalous broadening and shift of emission lines in a femtosecond laser plasma filament in air // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. — 2017. — T. 138. — C. 97-105.

66. Gevorgyan A. H., Golik S. S., Gevorgyan T. A. Peculiarities of reflection and transmission matrices of a system with magneto-optical activity and asymmetric

transmission // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2021. — T. 537.

— C. 168176.

67. Bukin O. A. et al. Efficiency of fluorescence excitation in chlorophyll a by the second and third harmonics of emission from an Nd: YAG laser // Journal of Applied Spectroscopy. — 2008. — T. 75, № 2. — C. 231-235.

68.Babiy M. Yu et al. Femtosecond laser machining of silica and transparent materials // Applied Mechanics and Materials. — 2014. — T. 525. — C. 128-132.

69. Golik S. S. et al. Influence of laser pulse energy on emission lines intensity in the femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of iron in aqua solution // 21st International Symposium Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. — SPIE, 2015. — T. 9680.

70. Gevorgyan A. H. et al. Some features of magneto-optics of cholesteric liquid crystals // Journal of Modern Optics. — 2021. — T. 68, № 17. — C. 916-926.

71. Gevorgyan A. H., Golik S. S. Optical properties of magnetic photonic crystals with an arbitrary magnetization orientation // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 2017. — T. 125, № 1. — C. 22-34.

72. Golik S. S. et al. Investigation of emission lines excitation efficiency in femtosecond plasma generated on the surface of chemical elements water solution // 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. — SPIE, 2017. — T. 10466.

73. Lyubchanskii I. L. et al. Optical bistability in one-dimensional magnetic photonic crystal with two defect layers // Journal of Applied Physics. — 2008. — T. 103, № 7.

74. Ilyin A. A., Golik S. S. Absorption of laser-radiation energy by femtosecond laser spark in air // Technical Physics Letters. — 2014. — T. 40, № 1. — C. 1-3.

75. Golik S. S. et al. Development and creation of a remote-controlled underwater laser induced breakdown spectrometer for analysis of the chemical composition of sea water and bottom sediments // AOPC 2017: Optical Spectroscopy and Imaging.

— SPIE, 2017. — T. 10461.

76. Tolstonogova Yu S. et al. Effect of Laser Pulse Repetition Rate on the Detection

Limits of the Elemental Composition of Pollutants in Aqueous Solutions by Femtosecond Laser Induced Breakdown Spectroscopy // Atmospheric and Oceanic Optics. — 2021. — T. 34, № 6. — C. 553-559.

77. Golik S. S. et al. Development of atmosphere lidar sounding methods with femtosecond impulses // MNIZ. — 2018. — T. 75, № 9. — C. 12-16.

78. Lyubchanskii I. L. et al. One-dimensional bigyrotropic magnetic photonic crystals // Applied Physics Letters. — 2004. — T. 85, № 24. — C. 5932-5934.

79.Dutta H. S., Pal S. Design of a highly sensitive photonic crystal waveguide platform for refractive index based biosensing // Optical and Quantum Electronics. — 2013. — T. 45. — C. 907-917.

80. Al-Dossari M. et al. Bio-alcohol sensor based on one-dimensional photonic crystals for detection of organic materials in wastewater // Materials. — 2022. — T. 15, № 11. — C. 4012.

81. Edappadikkunnummal S. et al. Detection of hemoglobin concentration based on defective one-dimensional photonic crystals // Photonics. — MDPI, 2022. — T. 9, № 9.

82. Hu J., Dai D. Cascaded-ring optical sensor with enhanced sensitivity by using suspended Si-nanowires // IEEE Photonics Technology Letters. — 2011. — T. 23, № 13. — C. 842-844.

83. Ahmed A. M., Mehaney A. Ultra-high sensitive 1D porous silicon photonic crystal sensor based on the coupling of Tamm/Fano resonances in the mid-infrared region // Scientific Reports. — 2019. — T. 9, № 1. — C. 6973.

84. Qin J. et al. Metasurface micro/nano-optical sensors: principles and applications // ACS Nano. — 2022. — T. 16, № 8. — C. 11598-11618.

85. Van de Velde F. et al. 1H and 13C high resolution NMR spectroscopy of carrageenans: application in research and industry // Trends in Food Science & Technology. — 2002. — T. 13, № 3. — C. 73-92.

86. Wang K., McKoy V. High-resolution photoelectron spectroscopy of molecules // Annual Review of Physical Chemistry. — 1995. — T. 46, № 1. — C. 275-304.

87. Alshomrany A. S. et al. Vitiligo detection capabilities of 1D photonic crystal

biosensing design // Scientific Reports. — 2025. — Т. 15, № 1. — С. 883.

88. Li X., Zhang H. High-Sensitivity Janus Sensor Enabled by Multilayered Metastructure Based on the Photonic Spin Hall Effect and Its Potential Applications in Bio-Sensing // Sensors. — 2024. — Т. 24, № 17. — С. 5796.

89. Firouzi F., Vahedi A., Hagipour S. Ternary one-dimensional photonic crystal biosensors for efficient bacteria detection: Role of quantum dots and material combinations // Physica B: Condensed Matter. — 2025. — Т. 698. — С. 416766.

90. Shafaay A., Ghanim A. M., Swillam M. A. Design considerations of highly sensitive dual resonance metasurface grating biosensor // Applied Optics. — 2025. — Т. 64, № 9. — С. C137-C147.

91. Sreekanth D., Soma S., Sonth M. V. Design and Computational Study of a Two-Dimensional Photonic Crystal Based Ethanol Sensor // 2025 3rd International Conference on Integrated Circuits and Communication Systems (ICICACS). — IEEE, 2025.

92. Kischkat J. et al. Mid-infrared optical properties of thin films of aluminum oxide, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum nitride, and silicon nitride // Applied Optics. — 2012. — Т. 51, № 28. — С. 6789-6798.

93. Downing H. D., Williams D. Optical constants of water in the infrared // Journal of Geophysical Research. — 1975. — Т. 80, № 12. — С. 1656-1661.

94. Barauna V. G. et al. Ultrarapid on-site detection of SARS-CoV-2 infection using simple ATR-FTIR spectroscopy and an analysis algorithm: High sensitivity and specificity // Analytical Chemistry. — 2021. — Т. 93, № 5. — С. 2950-2958.

95. Markel V. A. Introduction to the Maxwell Garnett approximation: tutorial // JOSA A. — 2016. — Т. 33, № 7. — С. 1244-1256.

96. Сушко М. Я., Криськив С. К. Метод компактных групп в теории диэлектрической проницаемости гетерогенных систем // Журнал технической физики. — 2009. — Т. 79, № 3. — С. 97-101.

97. Рыбин М. В. Иммерсионная спектроскопия фотонных кристаллов на основе синтетических опалов: дис. ... канд. физ.-мат. наук. — Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 2009.

98. Kren P. Comment on "Precision refractive index measurements of air, N2, O2, Ar, and CO2 with a frequency comb" // Applied Optics. — 2011. — T. 50, № 35. — C. 6484-6485.

99. Peck E. R., Khanna B. N. Dispersion of nitrogen // JOSA. — 1966. — T. 56, № 8. — C. 1059-1063.

100. Old J. G., Gentili K. L., Peck E. R. Dispersion of carbon dioxide // JOSA. — 1971. — T. 61, № 1. — C. 89-90.