ДИНАМИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УПОРЯДОЧЕННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОСИСТЕМ (ОБЗОР)

Я. А. Фофанов; И. М. Соколов; В. В. Манойлов; А. С. Курапцев; Ya. A. Fofanov; I. M. Sokolov; V. V. Manoilov; A. S. Kuraptsev

Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Физика конденсированного состояния (жидкое и твердое состояние)

ДИНАМИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УПОРЯДОЧЕННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОСИСТЕМ (ОБЗОР)

Автор: Я. А. Фофанов, И. М. Соколов, В. В. Манойлов, А. С. Курапцев

Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie

Рубрика: Математические методы и моделирование в приборостроении

Статья в выпуске: 3, 2023 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены инструментальные особенности преобразования и регистрации аналитических сигналов динамического поляризационно-оптического анализа. Найдены оптимальные экспериментальные условия исследования динамики слабых поляризационных откликов. Описан последовательный статистический анализ поляризационных магнитооптических откликов магнитных наножидкостей в широком, составляющем три порядка диапазоне концентраций. Получено количественное обоснование адекватности используемых физических моделей и следующих из них аналитических функций, описывающих ориентационную упорядоченность магнитных наночастиц во внешнем магнитном поле. Обнаруженные вариации ошибок прогноза параметров диагностики указывают на неслучайные особенности динамики поляризационных откликов и связанных с ними параметров (свойств) исследуемых магнитных наножидкостей.

Еще

Лазер, поляризационно-оптический анализ, статистический анализ экспериментальных данных, аналитическая аппроксимация, магнитные наножидкости, оптоэлектроника, магнитооптика, лазерная поляризационно-оптическая нанодиагностика

Короткий адрес: https://sciup.org/142238304

IDR: 142238304 | УДК: 537.632,535.4 + 538.9

DYNAMIC POLARIZATION-OPTICAL ANALYSIS OF ORDERED FUNCTIONAL MATERIALS AND NANOSYSTEMS (overview)

The instrumental features of transformation and registration of analytical signals in dynamic polarizing optical analysis are considered. The optimal experimental conditions are determined for studying the dynamics of weak polarization responses. A consistent statistical analysis of the polarization magneto-optical responses of magnetic nanofluids in a wide concentration range of three orders of magnitude is described. A quantitative grounding has been obtained for the adequacy of the physical models used and the analytical functions following from them, which describe the orientational ordering of magnetic nanoparticles in an external magnetic field. The detected variations in the prediction errors of diagnostic parameters indicate non-random features of the dynamics of polarization responses and related parameters (properties) of the studied magnetic nanofluids. Studies of non-resonant nanosystems are supplemented by a theoretical analysis of the dynamics of pulsed scattering of coherent light by atomic ensembles cooled to sub-Doppler temperatures. It is shown that the polarization and spectral composition of the secondary radiation of such ensembles undergo qualitative changes during the afterglow process. This opens up the prospect of developing new experimental and theoretical approaches to the study of various resonant ensembles of point scatterers. Described in this review theoretical and highly sensitive laser methods of quantitative polarizing optical analysis and the performed statistical analysis of the obtained data form the basis for high-precision polarizing optical nanodiagnostics (quantitative characterization) of ordered functional materials and nanosystems. The developed methods of polarization nanodiagnostics can be used to study materials, objects, and systems of different nature and composition, for example, metamaterials, biological fluids and tissues, etc.

Еще

Список литературы ДИНАМИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УПОРЯДОЧЕННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОСИСТЕМ (ОБЗОР)

1. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационнооптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. 576 с.
2. Аззам Р.М.А., Башара Н.М. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981. 583 с.
3. Schellman J., Jensen H.P. Optical spectroscopy of oriented molecules // Chem. Rev. 1987. Vol. 87, iss. 6. P. 1359–1399. DOI: 10.1021/cr00082a004
4. Грищенко А.Е., Черкасов А.Н. Ориентационный порядок в поверхностных слоях полимерных материалов // УФН. 1997. Т. 167, № 3. С. 269–285. URL: https://ufn.ru/ru/articles/1997/3/b/
5. Меркулов B.C. К обобщенной эллипсометрии сред // Оптика и спектроскопия. 2007. Т. 103, № 4. С. 646–648. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9551798
6. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л. Поляризационная оптика. 3-е издание. Физматлит, 2019. 571 с.
7. Запасский В.С. Поляриметрия регулярных и стохастических сигналов в магнитооптике // Физика твердого тела. 2019. Т. 61, вып. 5. С. 946–951. DOI: 10.21883/FTT.2019.05.47599.01F
8. Fofanov Ya.A. Threshold sensitivity in optical measurements with phase modulation // The Report of tenth Union
Symposium and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy - Proc. SPIE. 1992. Vol. 1811. P. 413–414. DOI: 10.1117/12.131190
9. Клышко Д.Н., Масалов А.В. Фотонный шум: наблюдение, подавление, регистрация // УФН. 1995. Т. 165, № 11. С. 1249–1278. DOI: 10.3367/UFNr.0165.199511b.1249
10. Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Investigations of the small birefringence of transparent objects by strong phase modulation of probing laser radiation // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. Vol. 12, no 7. P. 1579–1588. DOI: 10.1364/JOSAA.12.001579
11. Fofanov Ya.A. Quantum and high-sensitive laser technologies for polarization-optical diagnostics // EPJ Web of Conferences. 2019. Vol. 220. Id. 01004. DOI: 10.1051/epjconf/201922001004
12. Fofanov Ya.A. Ch. 4. Nonlinear and fluctuation phenomena under conditions of strong selective reflection in inclined geometry // Advances in Optoelectronics Research / Ed. by M.R. Oswald. Nova Science Publishers, NewYork, 2014. P. 75–114.
13. Фофанов Я.А., Плешаков И.В., Кузьмин Ю.И. Лазерное поляризационно-оптическое детектирование процесса намагничивания магнитоупорядоченного кристалла // Оптический журнал. 2013. Т. 80, № 1. С. 88–93. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23285816
14. Acher O., Bigan E., Drevillon B. Improvements of phasemodulated ellipsometry // Rev. Sci. Instrum. 1989. Vol. 60, no. 1. P. 65–77. DOI: 10.1063/1.1140580
15. Gupta V.K., Kornfield J.A., Ferencz A., Wegner G. Controlling molecular order in "Hairy-rod" LangmuirBlodgett films: A polarization-modulation microscopy study // Science. 1994. Vol. 265, iss. 5174. P. 940–942. DOI: 10.1126/science.265.5174.940
16. Shindo Y., Kani K., Horinaka J., Kuroda R., Harada T. The application of polarization modulation method to investigate the optical homogeneity of polymer films // J. Plast. Film Sheeting. 2001. Vol. 17, no. 2. P. 164–183. DOI: 10.1106/1VGU-5D4Y-2KON-RBQF
17. Фофанов Я.А., Плешаков И.В., Прокофьев А.В. Исследование поляризационных магнитооптических откликов слабоконцентрированной феррожидкости // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, вып. 20. C. 66–72.
18. FofanovY.A., Sokolov I.M., Kaiser R., Guerin W. Subradiance in dilute atomic ensembles excited by nonresonant radiation // Phys. Rev. A. 2021. Vol. 104, Iss. 2. Id. 023705. DOI: 10.1103/PhysRevA.104.023705
19. Davis H.W., Llewellyn J.P. Magnetic birefringence of ferrofluids: I. Estimation of particle size // J. Phys. D: Appl. Phys. 1979. Vol. 12, no. 2. P. 311–319. DOI: 10.1088/0022-3727/12/2/018
20. Scherer C., Figueiredo Neto A.M. Ferrofluids: Properties and applications // Braz. J. Phys. 2005. Vol. 35, no. 3A. P. 718–727. DOI: 10.1590/S0103-97332005000400018
21. Zhao Y., Lv R., Zhang Y., Wang Q. Novel optical devices based on the transmission properties of magnetic fluid and their characteristics // Opt. Lasers Eng. 2012. Vol. 50, no. 9. P. 1177–1184. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2012.03.012
22. Philip J., Laskar J.M. Optical Properties and Applications of Ferrofluids – A Review // Journal of Nanofluids. 2012. Vol. 1, no. 1. P. 3–20. DOI: 10.1166/jon.2012.1002
23. Bitar A., Kaewsaneha C., Eissa M., Jamshaid T., Tangboriboonrat P., Polpanich D., Elaissari A. Ferrofluids: from preparation to biomedical applications // Journal of Colloid Science and Biotechnology. 2014. Vol. 3, no. 1. P. 3–18. DOI: 10.1166/jcsb.2014.1080
24. Agruzov P.M., Pleshakov I.V., Bibik E.E., Shamray A.V. Magneto-optic effects in silica core microstructured fibers with a ferrofluidic cladding // Applied Physics Letters. 2014. Vol. 104, no. 7. Id. 071108. DOI: 10.1063/1.4866165
25. Zakinyan A.R., Dikansky Yu.I. Effect of microdrops deformation on electrical and rheological properties of magnetic fluid emulsion // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. P. 103–106. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.09.057
26. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Статистический анализ данных высокочувствительного поляризационно-оптического зондирования магнитных наножидкостей // Оптический журнал. 2020. Т. 87, № 2. С. 36–43. DOI: 10.17586/1023-5086-2020-87-02-36-43 (In Russ.).
27. Скибин Ю.Н., Чеканов В.В., Райхер Ю.Л. Двойное лучепреломление в магнитной жидкости // ЖЭТФ. 1977. Т. 72, № 3. С. 949–955. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19083100
28. Scholten P.C. The origin of magnetic birefringence and dichroism in magnetic field // IEEE Trans. Magn. 1980. Vol. 16, no. 2. P. 221–225. DOI: 10.1109/TMAG.1980.1060595
29. Coleman T.F., Li Y. An Interior, Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds // SIAM Journal on Optimization. 1996. Vol. 6, no. 2. P. 418–445. DOI: 10.1137/0806023
30. Coleman T.F., Li Y. On the convergence of reflective Newton methods for large-scale nonlinear minimization subject to bounds // Mathematical Programming. 1994. Vol. 67, no. 2. P. 189–224. DOI: 10.1007/BF01582221
31. Dennis J.E. Nonlinear least-squares // State of the art in numerical analysis / Ed. D. Jacobs. Academic Press. 1977. P. 269–312.
32. Levenberg K. A method for the solution of certain problems in least-squares // Quarterly Applied Mathematics. 1944. Vol. 2, iss. 2. P. 164–168. DOI: 10.1090/qam/10666
33. Marquardt D. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // SIAM Journal Applied Mathematics. 1963. Vol. 11, no. 2. P. 431–441. DOI: 10.1137/0111030
34. Moré J.J. The Levenberg–Marquardt algorithm: implementation and theory // Numerical Analysis / ed. G.A. Watson. Lecture Notes in Mathematics. Vol. 630, Springer Verlag, 1977. P. 105–116. DOI: 10.1007/BFb0067700
35. Ортега Дж., Рейнболдт Вер. Итерационные методы решения нелинейных уравнений со многими неизвестными / Пер. с англ. Э.В. Вершкова, Н.П. Жидкова, И.В. Коновальцева. Под. Ред. И.В. Коновальцева. М.,1975. 560 с.
36. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Лазерная поляризационно-оптическая диагностика упорядоченных объектов и структур // Известия РАН. Сер. физическая. 2020. Т. 84, № 3. C. 341–344.
37. Фофанов. Я.А. Манойлов В.В, Заруцкий И.В., Бардин Б.В. О подобии поляризационно-оптических откликов магнитных наножидкостей. Ч.1 Аппроксимация для слабых полей // Научное приборостроение. 2018. Т. 28. № 1. С. 45‒52. Ч.2. Оценка статистической значимости коэффициентов регрессии // Научное приборостроение. 2018. Т. 28. № 2. С. 54‒62.
38. Kuraptsev A.S., Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Coherent specular reflection of resonant light from a dense ensemble of motionless point-like scatters in a slab geometry // Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 41. Id. 1660141. DOI: 10.1142/S2010194516601411
39. Ларионов Н.В., Соколов И.М., Фофанов Я.А. Особенности углового распределения света, рассеянного холодным атомным ансамблем в присутствии постоянного электрического поля // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83, № 3. С. 306–310.
DOI: 10.1134/S0367676519030116
40. Hau L.V. Optical information processing in Bose–Einstein condensates // Nature Photon. 2008. Vol. 2. P. 451–453. DOI: 10.1038/nphoton.2008.140
41. Bouwmeester D., Ekert A., Zeilinger A. The physics of quantum information. Springer, Berlin, Heidelberg, 2010. 293 c.
42. Bloom B.J., Nicholson T.L., Williams J.R. et al. An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level // Nature. 2014. Vol. 506. P. 71–75. DOI: 10.1038/nature12941
43. Foldy L.L. The multiple scattering of waves. I. General theory of isotropic scattering by randomly distributed scatterers // Phys. Rev. 1945. Vol. 67. P. 107–119. DOI: 10.1103/PhysRev.67.107
44. Lax M. Multiple scattering of waves // Rev. Mod. Phys. 1951. Vol. 23, iss. 4. P. 287–310. DOI: 10.1103/RevModPhys.23.287
45. Соколов И.М., Куприянов Д.В., Хэви М.Д. Микроскопическая теория рассеяния электромагнитного излучения плотным ансамблем ультрахолодных атомов // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. С. 288–304.
46. Kuraptsev A.S., Sokolov I.M., Havey M.D. Angular distribution of single photon superradiance in a dilute and cold atomic ensemble // Phys. Rev. A. 2017. Vol. 96, iss. 2. Id. 023830. DOI: 10.1103/PhysRevA.96.023830
47. van Rossum M.C.W., Nieuwenhuizen Th.M. Multiple scattering of classical waves: microscopy, mesoscopy, and diffusion // Rev. Mod. Phys. 1999. Vol. 71, iss. 1. P. 313–371. DOI: 10.1103/RevModPhys.71.313
48. Божокин С.В., Соколов И.М. Сравнение вейвлетпреобразования и преобразования Габора при анализе спектрального состава нестационарных сигналов // ЖТФ. 2018. Т. 88, № 12. С. 1771–1778.

Еще