Диссертация (Когерентные взаимодействия сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачах микроспектроскопии и дистанционного зондирования)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА»Физический факультетКафедра общей физики и волновых процессовНа правах рукописиЛанин Александр АлександровичКогерентные взаимодействия сверхкоротких импульсовближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачахмикроспектроскопии и дистанционного зондирования01.04.21 – Лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководителькандидат физико-математических наук, доцентАндрей Борисович ФедотовМосква, 2014-2-СодержаниеВведение .................................................................................................................................

4Глава 1. Когерентные взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов взадачах нелинейно-оптической спектроскопии .................................................... 16§1.1 Нелинейно-оптические методы микроспектроскопии с использованиемсверхкоротких лазерных импульсов ........................................................................... 17§1.2 Управление амплитудно-фазовым профилем лазерных импульсов внелинейно-оптической спектроскопии когерентного комбинационного рассеяниясвета ................................................................................................................................ 26§1.3 Спектрально-временные преобразования лазерных импульсов вмикроструктурированных световодах для когерентной нелинейно-оптическойспектроскопии ...............................................................................................................

34§1.4 Фемтосекундные импульсы в задачах дистанционного зондирования .......... 39Глава 2. Экспериментальная техника и методика измерений ................................ 46§2.1 Генератор фемтосекундных импульсов в ближнем инфракрасном диапазонена кристалле Cr:forsterite .............................................................................................. 47§2.2 Генерация перестраиваемых сверхкоротких импульсов за счет солитонногосамосдвига частоты ....................................................................................................... 50§2.3 Многофункциональный фемтосекундный лазерный комплекс на основеTi:sapphire генератора, многопроходного усилителя и оптическогопараметрического усилителя .......................................................................................

54§2.4 Генерация перестраиваемых импульсов в среднем инфракрасном диапазоне впроцессе генерации разностной частоты .................................................................... 57Глава 3. Микроспектроскопия когерентного комбинационного рассеяния света сиспользованием оптических волокон и фазово-модулированных импульсовнакачки ................................................................................................................................ 61§3.1 Спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) сиспользованием фазово-модулированных импульсов .............................................. 62-3§3.2 Волоконные компоненты для доставки сверхкоротких лазерных импульсовдля проведения спектроскопии КАРС и оптической хирургии ткани мозга .......... 76§3.3 Генерация перестраиваемых по частоте и длительности сверхкороткихимпульсов с использованием микроструктурированных световодов и нелинейныхкристаллов для КАРС-микроскопии ...........................................................................

87§3.4 Трехмерная визуализация с высоким пространственным разрешениемраспределения плотности когерентных оптических фононов в алмазных пленках спомощью неусиленных сверхкоротких импульсов ................................................. 100§3.5 КАРС-микроскопия тканей головного мозга с волоконным источникомперестраиваемых фемтосекундных импульсов........................................................ 113Глава 4.

Когерентные взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсовближнего и среднего инфракрасного диапазонов для дистанционногозондирования газовых сред............................................................................................ 122§4.1 Когерентное антистоксово рассеяние света в обратном направлении длядистанционного зондирования газовых сред и атмосферы .................................... 124§4.2 Зондирование примесей в атмосфере с использованием вынужденногокомбинационного усиления лазерно-индуцированного излучения в геометриивстречных пучков ........................................................................................................

134§4.3 Измерение огибающей интенсивности и спектральной фазы импульсовсреднего инфракрасного диапазона методом широкополосного оптическогостробирования с разрешением по частоте в процессе четырехволновоговзаимодействия в газе ................................................................................................. 151§4.4 Когерентное дистанционное зондирование резонансов поглощения ватмосферном воздухе с использованием сверхкоротких импульсов среднегоинфракрасного диапазона...........................................................................................

160Заключение ....................................................................................................................... 174Приложение А. Список сокращений и условных обозначений .............................. 177Литература ........................................................................................................................ 178ВведениеАктуальность работы. Уникальные свойства лазерного излучения позволяютиспользовать его во многих областях науки и технологий на пространственновременных масштабах от единиц нанометров до сотен тысяч километров и отнескольких фемтосекунд до десятков часов и дней.

Неотделимой частью лазернойфизики является нелинейная оптика, которая привела к возникновению новыхподходов в оптической спектроскопии [1–3], метрологии [4,5], создании новыхуникальных источников когерентного излучения в различных спектральных областях[6,7]. В качестве одной из ярких демонстраций этих успехов можно привестивозникновение и стремительное развитие нелинейно-оптической (многофотонной)микроскопии, нашедшей широкое применение в биомедицине для исследования ивизуализации биологических тканей [8].

В основе многофотонной микроскопииможет быть использован один или несколько нелинейно-оптических процессов:лазерно-индуцированнаяфлуоресценцияпридвухфотонномпоглощении,когерентное комбинационное рассеяние света, генерация оптических гармоник идругие [9]. Нелинейная и когерентная природа этих оптических эффектов позволяетформировать трехмерные изображения объектов с субмикронным пространственнымразрешением, помогая определять не только внутреннюю структуру исследуемыхобъектов, но и их химический состав.Высокий порядок нелинейности оптических процессов, лежащих в основемногофотонной микроскопии, накладывает серьезные требования на пиковыеинтенсивности используемого излучения, в связи с чем, развитие нелинейнооптических методик визуализации неразрывно связано с использованием источниковсверхкоротких лазерных импульсов [10,11].

Стабильность, мегагерцовая частотаповторения и высокая пиковая мощность фемтосекундных импульсов современныхлазерных генераторов обеспечили их широкое применение в схемах многофотонноймикроскопии и биовизуализации [8,12,13]. Когерентная природа нелинейныхпроцессов открывает новые возможности для улучшения основных параметровмикроспектроскопии – спектральное, временное и пространственное разрешение, что-5диктует разработку новых технологичных источников сверхкоротких импульсов, атакже методик управления спектром, длительностью и фазой этих импульсов.Противоположнымидистанционногопопространственнымисследованияобъектовмасштабамоптическимиявляютсяметодами.задачиВысокаяспектрально-угловая яркость лазерного излучения позволила реализовать рядэффективных методик зондирования атмосферы и удаленных объектов, средикоторых особенно важными являются лидарные технологии [14,15].

Один из путейразвитиявданномнаправленииявляетсясопряжениетехникоптическойспектроскопии и дистанционного зондирования, что позволяет решать задачихимически селективного распознавания удаленных объектов [16,17]. Детектированиеобъектов на большом расстоянии требуют лазерных источников, генерирующихизлучение большой мощности, поэтому в последнее время при реализации этих задачвсе чаще используются сверхкороткие импульсы [18,19].Присущая методам нелинейной спектроскопии когерентность оптическогосигнала позволяет радикально повысить оптический отклик молекул и атомовисследуемых веществ за счет сфазированности отдельных микроскопическихизлучателей, а высокая направленность генерируемого света помогает решитьпроблему сбора полезного сигнала и увеличить чувствительность зондирования вцелом. Однако, в естественных атмосферных условиях, когерентный сигнал внаправлении «назад» является очень слабым, так что до сих пор основным методомкогерентного зондирование в обратном направлении было детектирование диффузнорассеянного излучения.

Важным шагом в этом направлении явилась демонстрациявозможности формирования удаленного когерентного источника света в воздухе,генерирующего свет как по направлению распространения импульса накачки, так ипротив него, а также обладающего всеми свойствами лазерного излучения. Недавнобыло продемонстрировано дистанционное формирование такого лазерного источникана атомах кислорода и молекулах азота, причем генерация когерентного излучения наазоте реализовывалась при филаментации мощного фемтосекундного импульса вгазовой смеси с аргоном [20–24]. Высокое качество пучка, стабильность и мощностьсгенерированных в воздухе импульсов позволят детектировать малые концентрацииразличных химических веществ в атмосфере с большой чувствительностью в схемахнелинейно-оптическоговзаимодействиявстречныхпучков,чтооткрывает-6перспективы развития новых подходов и методов когерентного дистанционногозондирования [25,26].Спектр приложений нелинейно-оптических методик неуклонно увеличивается, итематиканастоящейдиссертационнойработывключаетширокийдиапазонисследований в области применения нелинейно-оптических взаимодействий в схемахкогерентного оптического зондирования с использованием сверхкоротких лазерныхимпульсов в спектральном диапазоне от 0.6 мкм до 11 мкм.

Важный акцент работысделаннаразработкуновыхволоконныхисточниковперестраиваемыхфемтосекундных импульсов и их интеграцию с нелинейно-оптическими кристалламис целью реализации компактной лазерной системы для проведения КАРСмикроспектроскопии объектов различной природы.Цели диссертационной работы заключаются в повышении эффективностиспектроскопии и микроскопии когерентного комбинационного рассеяния света прииспользовании оптических волокон и фазово-модулированных фемтосекундныхимпульсов накачки; развитии методик когерентного дистанционного зондирования;характеризации сверхкоротких лазерных импульсов в среднем инфракрасномспектральном диапазоне.В процессе выполнения поставленных целей были решены следующие задачи:1.