Содержание:
Введение 5
Глава 1. Микроструктурированныс волокна как волоконно-оптические компоненты для нелинейно-оптического преобразования частоты и оптического зондирования. 16
§1.1 Микроструктурировапиые волокна и их классификация. 16
§ 1.2 Основные свойства микроструктурированных волокон со сплошной сердцевиной. 19
§ 1.3 Основные свойства и области применений полых микроструктурированных (фотонно-кристаллических) волокон. 23
§1.4 Генерация суперконтинуума в микроструктурированных волокнах 27
§1.5 Солитонный механизм спсткральио-времснпых преобразований сверхкоротких импульсов в микрострукутрунрованных волокнах 29
§1.6 Элементы волоконно-оптических сенсоров с использованием микрострукутруированных волноводов. 33
Глава 2. Экспериментальная техника и методика измерений. 37
§2.1 Наносскундный лазерный комплекс для исследования четырехволновых нелинейно-оптических процессов в микроструктурированных волокнах. • 37
§2.2 Методика измерения спектра пропускания полых фотонно-кристаллических волокон. 40
§2.3 Фемтосекундный лазерный генератор на кристалле СГ~: форстерита. 42
§2.4 Многофункциональный лазерный комплекс на основе кристалла ТнБаррЫге. 44
Глава 3. Четырехволновые нелинейно-оптические взаимодействия и спектроскопические методики на их основе в микроструктурированных волноводах с использованием наносекундных лазерных импульсов. 47
§3.1 Когерентное антистоксово рассеяние света в полых ФК волокнах, разделение вкладов в составную нелинейность. 48
§3.2 Четырехволиовые взаимодействия как способ измерения линейных размеров структуры микроструктурированных волокон. 55
§3.3 Четырехволновые параметрические преобразования наносекундных лазерных импульсов и спектроскопия нелинейных свойств субмикронных волноводных каналов. 62
§3.4 Оптимизация четырехволновых взаимодействий в высоконелинейных волноводных каналах микроструктурированных волокон для получения широкополосного излучения от наносекундных лазерных импульсов. 67
Глава 4. Волоконно-оптические компоненты на основе микроструктурированных волокон для реализации эффективного источника перестраиваемых сверхкоротких лазерных импульсов и волоконно-оптических сенсоров. 74
§4.1 Формирование перестраиваемых по частоте мегаваттных фемтосекундных импульсов ИК-диапазона на основе генерации миогосолитонного суперконтинуума в микроструктурированном световоде. 75
§4.2 Компрессия лазерных импульсов с использованием широкополосного излучения, получаемых из полностью твердотельных фотонно-кристаллических волокон с большой площадью моды. 84
§4.3 Генерация мощных солитонов в микроструктурированных волокнах с увеличенной сердцевиной 89
§4.4 Контроль фазового профиля и интерференция сдвинутых по частоте солитонов в микроструктурированных волокнах. 96
§4.5 Спектральная самокомпрсссия сдвинутых по частоте солитонов в МС волокнах. 103
§4.6 Волоконно-оптический сенсор на основе МС волокна для регистрации линейной люминесценции кремниевых наночастиц. 109
§4.7 Волноводный сенсор для регистрации двухфотониой люминесценции. 116 Заключение. 129
Список литературы. 132
3
Список используемых сокращений:
МС - микросгруктурированный
ФК - фотонно-кристаллический
КАРС - когерентное антистоксово рассеяние света
КР - комбинационное рассеяние света
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние света
ЧВВ - четырехволновые взаимодействия
ССЧ - солитонный самосдвиг частоты
Введение
Актуальность работы
Оптические методы и технологии являются востребованными в качестве инструментов практически во всех естественнонаучных направлениях исследований -физике [1], химии [2], астрономии [3], биологии и медицине |4|. Современные ислинсйно-оптичсские методы расширяют рамки и области применений оптических и лазерных технологии и выдвигают новые требования и стандарты к используемой технике. Эффективность, экономичность и гибкость источников излучения являются одним из ключевых факторов, определяющих целесообразность использования этого метода в практических системах, включая системы биомедицинского назначения. Современные оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и надежные волоконно-оптические источники и преобразователи оптических сигналов [5], использующиеся для решения широкого круга научных и технологических задач. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены световодной геометрией генерации, усиления и иелипейно-оптичсского преобразования лазерного излучения. В волоконно-оптических лазерных системах такая геометрия обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, благоприятные условия для отвода тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка. Благодаря большим длинам нелинейно-оптических взаимодействий, обеспечиваемых волноводным режимом распространения излучения, оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и высокоэффективные устройства для управления параметрами лазерного излучения и спектрально-временного преобразования световых импульсов, включая широко использующиеся в оптике сверхкоротких импульсов волоконно-оптические компрессоры и устройства для преобразования частоты на основе комбинационного рассеяния и параметрического четырехволнового взаимодействия.
В последнее время все шире используются оптические волокна нового типа -микроструктурированныс или фотонно-кристаллические световоды [6]. Световоды этого класса представляют собой изготовленную из плавленого кварца или другого
материала микроструктуру с системой воздушных отверстий, ориентированных вдоль оси волокна. Подобная микроструктура обычно изготавливается путем вытяжки из заготовки, набранной из капиллярных трубок.
Уникальность микроструктурированных световодов для оптических технологий и волоконных лазерных систем обусловлена возможностью активного формирования частотного профиля дисперсии собственных мод таких волокон путем изменения их структуры [7]. Такие световоды позволяют реализовать сложные частотные профили дисперсии, которые нс могут быть сформированы для стандартных оптических волокон. Как следствие, в микроструктурированных волокнах наблюдаются новые нелинейно-оптические явления и новые режимы спектрально-временного преобразования сверхкоротких лазерных импульсов. Кроме того, имея в своем арсенале принципиально различные физические механизмы поддержания волноводного распространения электромагнитного излучения [8], микроструктурированные волноводы способны менять свои нелинейно-оптические свойства в чрезвычайно широких пределах. Все вместе это делает микроструктурированные волокна идеальной платформой для создания нового поколения источников излучения способных в полностью волоконном формате работать в качестве генераторов [9]. а так же в качестве преобразователей спектральных и фазовых характеристик излучения, требуемых в конкретных приложениях. Полностью волоконный формат делает подобные комбинированные системы компактными и снимает необходимость их юстировки.
Современные волоконно-оптические технологии позволяют создавать не только
генераторы и преобразователи лазерного излучения, но и средства его доставки до
исследуемого объекта, а также волоконно-оптические сенсоры. При этом волоконно-
оптические сенсоры, основанные на МС волноводах представляют собой новое
поколение сенсоров с лучшей чувствительностью и болсс широким кругом
приложений [10]. В ряде задач волоконно-оптические сенсорные системы становятся
совершенно незаменимыми. Примерами таких задач могут служить обнаружение
малых концентраций вещества, где преимущество достигается за счет волноводной
геометрии измерения [11], и измерения на живых биологических объектах, которые
становятся возможными благодаря гибкости волоконно-оптических зондов [12].
Микроструктурированные волокна позволяют расширить функциональность и
б
повысить эффективность волоконно-оптических сенсоров. Объединение средств излучения и средств зондирования позволило бы еще больше упростить процесс измерения и увеличить его доступность.
Исходя из этого, можно сформулировать цель настоящей диссертационной работы как разработку новых эффективных волоконно-оптических компонент на основе микроструктурированных волокон для генерации перестраиваемых по частоте лазерных импульсов и реализации волоконно-оптического зондирования.
Основными задачами диссертационной работы являются:
1.Разработка новых экспериментальных методик определения нелинейности и эффективных размеров волноводных мод в микро- и наноразмерных волноводных каналах микроструктурированных волокон.
2.Оптимизация структуры микроструктурированных волокон для эффективного управления режимами нелинейно-оптического преобразования излучения и, в частности, свойствами суперконтинуума и оптических солитонов.
3.Реализация волоконно-оптических источников перестраиваемых сверхкоротких лазерных импульсов на основе микроструктурированных волокон, работающих на мегаваттных уровнях пиковых мощностей.
4.Увсличение эффективности различных протоколов волоконно-оптического зондирования за счет использования специальных микроструктурированных волокон.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
1. Предложена и экспериментально реализована методика на основе интерферометрии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) для измерения вклада оболочки в общую нелинейность волноводных мод полых фотонно-кристаллических волокон.
2. Экспериментально показана возможность использования параметрического четырехволнового взаимодействия для исследования
7
пространственного строения микро- и паноразмерных каналов микрострукгурированных волноводных структур. Спектр сигнала четырехволнового смешения, определяемый профилем дисперсии волноводных каналов, позволяет определить их поперечные размеры и зарегистрировать наномасштабные изменения их пространственной структуры.
3. Экспериментально показано, что сильная параметрическая связь стоксовых и антистоксовых спектральных компонент комбинационного рассеяния, существующая в узкой спектральной области вблизи нуля дисперсии групповых скоростей, крайне чувствительна как к линейным, так и к нелинейным оптическим свойствам волноводов и может быть использована для их измерения.
4. Экспериментально определены режимы наиболее эффективного преобразования наносекундных лазерных импульсов в излучение суперконтинуума.
5. Реализована новая методика формирования перестраиваемых по частоте мсгаваттиых фемтосекундных импульсов инфракрасного диапазона на основе генерации излучения суперконтинуума в многосолитоппом режиме.
6. Продемонстрирована методика спектрального уширения импульсов фемтосекундной длительности в полностью твердотельном кварцевом фотонно-кристаллическом световоде с большой площадью моды в режиме нормальной дисперсии. Спектр уширенного импульса с длительностью порядка 200 фемтосекунд, пиковой мощностью 3 МВт и центральной длиной волны 1140 нм позволил сжать его до длительности 20 фс с соответствующей пиковой мощностью 20 МВт.
7. Продемонстрирована генерация высокоэнергетичных (до 3 нДж) перестраиваемых по частоте солитонов в диапазоне от 1300 до 1800 нм с пиковой мощностью до 83 кВт, длительностью менее 100 фс и частотой повторения 18 МГц в специально сконструиро ванных
8
микроструктурированных волокнах со сплошной сердцевиной и эффективной площадью моды 20 мкм2.
8. Продемонстрировано, что сдвинутые по частоте солитоны на выходе из высоконелинейного МС волокна приводят к образованию в выходном спектре интерференционных полос высокой видности, что указывает на гладкий спектральный профиль каждого отдельного солитона и позволяет реализовать методику когерентного сложения и синтеза импульсов длительностью в несколько циклов поля в полностью волоконном формате.
9. Экспериментально продемонстрирована сильная (до 6,5 раз) спектральная компрессия ультракоротких лазерных импульсов в МС волокнах, обусловленная солитонным самосдвигом частоты.
10. Продемонстрирована возможность высокоэффективного сбора флуоресцентного отклика кремниевых наночастиц, импрегнированных в микро- и наносветоводные волоконные структуры.
И.Показано, что микроструктурированные волокна могут значительно (до двух порядков) увеличить эффективность возбуждения и сбора сигнала двухфотонной люминесценции при возбуждении органических красителей и биомаркеров, заполняющих полые отверстия микроструктурированных волокон, по сравнению с режимом объемного возбуждения двухфотонной люминесценции.
На защиту выносятся следующие положения:
I. Реализованная методика на основе интерферометрии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) с использованием источников видимого и ближнего ИК диапазонов позволяет измерить вклад периодически структурированной оболочки в общую нелинейность волноводных мод полых фотоннокристаллических волокон.
9
II. Параметрическое четырехволновое взаимодействие позволяет исследовать строение мнкроструктурированных волноводов. Спектр сигнала четырехволнового смешения, определяемый профилем волноводной дисперсии, позволяет определить поперечные размеры волноводной моды в микро- и наноразмерных световодных каналах, а также зарегистрировать наномасштабные изменения их пространственной структуры.
III. В мнкроструктурированных волноводах вблизи пуля дисперсии групповых скоростей существует спектральная область, в которой присутствует сильная параметрическая связь стоксовых и антистоксовых спектральных компонент комбинационного рассеяния. Спектральное положение границ этой области чувствительно к коэффициенту нелинейности, эффективной площади и дисперсионным свойствам световодиого канала, и может быть использовано для измерения этих параметров.
IV. Дисперсия и модовый состав излучения в сердцевине полностью твердотельных фотонно-кристаллических волокон с большой площадью моды (100 - 1000 мкм2) позволяют реализовывать эффективное спектральное уширенис сверхкоротких импульсов ближнего ИК-диапазона с мегаваттной мощностью и их последующую временную компрессию до длительностей порядка нескольких циклов поля.
V. Солитонный самосдвиг частоты в мнкроструктурированных волокнах с увеличенным диаметром сердцевины (порядка 4-6 микрометров) обеспечивает генерацию высокоэнергетичных перестраиваемых спектрально-ограниченных солитоноподобных импульсов в широком спектральном диапазоне (1.25 - 1.8 мкм) с уровнями мощностей до сотен киловатт при оптической накачке непосредственно от генератора фемтосекундных импульсов на кристалле хром-форстерита. Спектральная ширина и длительность солитонных импульсов может контролируемым образом меняться при варьировании профиля дисперсии микроструктурированных волокон.
VI. Сдвинутые по частоте солитонные импульсы, генерируемые в микроструктурированных волокнах со специальной структурой, обладают гладким спектральным профилем и фазовой связью, что приводит к их
эффективной интерференции и позволяет реализовать методику когерентного сложения и синтеза импульсов длительностью в несколько циклов ПОЛЯ в полностью волоконном формате.
VII. Микроструктурировапные волокна позволяют значительно (до двух порядков) увеличить эффективность возбуждения и сбора сигнала двухфотонной люминесценции органических красителей и биомаркеров, заполняющих полые каналы микроструктурированных волокон, по сравнению с режимом объемного возбуждения двухфотонной люминесценции.
Диссертация построена по следующему принципу. Работа состоит из введения, содержащего защищаемые положения, четырех оригинальных глав, заключения и списка литературы.
Первая глава посвящена описанию физических основ и особенностей волноводного распространения излучения в микроструктурированных волокнах. В ней будет дан обзор механизмов генерации широкополосного излучения, основанных на микроструктурированных волокнах. Будут рассмотрены области применения подобных источников, а также волоконно-оптических зондов.
Во второй главе будут описаны лазерные комплексы, а также экспериментальные схемы, используемые для проведения описанных в диссертации исследований.
В третьей главе будут описаны результаты экспериментальных работ по исследованию особенностей явлений нерезонансного четырехволнового взаимодействия, вынужденного комбинационного рассеяния света и когерентного антистоксова рассеяния света в микроструктурированных волокнах при распространении лазерных импульсов наносекундной длительности, демонстрирующие различные способы измерения линейных и нелинейных свойств волноводных мод. В конце главы будут описаны способы повышения спектральной ширины и оптимизации формы спектра излучения, генерируемого в
11
микроструктурированних волноводах при прохождении лазерного импульса наносскундной длительности.
В четвертой главе обсуждаются экспериментальные исследования, демонстрирующие возможность реализации волоконно-оптических спектральных преобразователей частоты импульсов с мегаваттными уровняим пиковых мощностей при сохранении пространственного качества излучения, основанных на различных типах микроструктурированных волокон с большой площадью моды. Показано, что полученное таким способом широкополосное излучение может быть использовано для временного сжатия лазерных импульсов. Также в главе описываются исследования явления солитонпого самосдвига частоты в специальных типах микроструктурированных волокон, демонстрирующие повышение энергии индивидуального солитона и возможность управления его спектральной шириной. Там же описана предложенная методика генерации предельно коротких импульсов путем их синтеза из нескольких солитонов. В конце главы обсуждаются различные концепции волоконно-оптических сенсоров на основе микроструктурированных волноводов, и демонстрируется их эффективность.
13 заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы
12
Апробация результатов
Результаты данной диссертационной работы были представлены на следующих международных конференциях:
1) Fedotov I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Dukel’skii K.V., Shevandin V.S., and Zhcltikov A.M. Spectronanoscopy of photonic wires by parametrically coupled stimulated Raman sidebands// Book of Abstracts The joint 7th European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008) and IstEuropean Conference on CARS microscopy (microCARS). 25-27 May 2008, Igls, Austria. P. ET8 .
2) Fedotov I.V., Fedotov A.B., Serebryannikov E.E., and Zhcltikov A.M. Spectral transformation of laser pulses in nanochanel waveguides and dispcrsion-nanomanaged photonic-crystal fibers// Book of Abstracts 17th International laser physics workshop (LPHYS'08). June 30 - july 4, 2008. Trondheim, Norway. P. 497.
3) Fedotov I.V., Voronin A.A., Ivanov A.A., Fedotov A.B., and Zheltikov A.M. Spectral tailoring of high-power solitons in large-mode-area photonic-crystal fibers.// Technical Digest 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09). July 13-17, 2009, Barcelona, Spain. P. 602.
4) Fedotov /., Fedotov A., Egorova O., Semjonov S., Pryamikov A., and Zhcltikov A.. Compression of megawatt femtosecond laser pulses using a large-modc-area allsilica photonic band-gap fiber// Technical Digest of 19th International Congress on Photonics in Europe “CLEO/EUROPE - EQEC 2009”. June 14 -19, 2009. Munich, Germany. P. 96.
5) Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Savvin A.D., Lanin A.A., .Sidorov-Biryukov D.A, Serebryannikov E.E., Zheltikov A.M. Ultrafast nonlinear optics with nanomanaged fibers// Technical Digest of The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT-2010). August 23-27, 2010, Kazan, Russia. P. 7.
- Київ+380960830922