Диссертация (Когерентные взаимодействия сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачах микроспектроскопии и дистанционного зондирования), страница 2

Развита методика когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС),позволяющая управлять фазой антистоксова сигнала при изменении задержки междуфазово-модулированными сверхкороткими импульсами накачки. С помощью этойметодикипродемонстрированаКАРС-спектроскопиявысокогоспектральногоразрешения сильно рассеивающих объектов.2.

Реализован КАРС-микроспектрометр на базе фемтосекундного Cr:forsteriteисточника,микроструктурированныхсветоводовинелинейно-оптическихкристаллов, позволяющий генерировать перестраиваемое по длине волны излучение вдиапазоне 630 – 1800 нм с длительностью импульсов от 50 до 580 фс. С цельюповышения спектральной селективности КАРС-спектроскопии продемонстрированыметоды компрессии спектра фемтосекундных импульсов в микроструктурированныхсветоводах и нелинейно-оптических кристаллах. С помощью созданного КАРСмикроспектрометраполученыданныепопространственномураспределению-7плотности оптических фононов в искусственной пленке алмаза, а также изображенияраспределения липидов в тканях головного мозга лабораторной мыши.3.

Развита методика дистанционного зондирования газовых сред и атмосферы набазе комбинационного рассеяния света в схеме когерентного нелинейно-оптическоговзаимодействия встречных пучков с использованием удаленно сформированноголазерного источника.4. Реализована методика измерения огибающей интенсивности, спектральной ивременной фазы сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона (3 – 11мкм) при помощи оптического стробирования излучения с разрешением по частоте ввоздухе.Научная новизна1. Показано, что управление фазой и временной задержкой оптических импульсовнакачкипозволяетосуществлятьфазовыйконтрольпроцессакогерентногоантистоксова рассеяния света, который визуализируется при интерференциикогерентного комбинационного сигнала с нерезонансным фоном и позволяетвосстановитькомбинационныйоткликвещества.Экспериментальнопродемонстрировано использование методики фазового модулирования импульсовнакачки для КАРС-спектроскопии сильно рассеивающих сред со спектральнымразрешением не хуже 20 см-1.2.Продемонстрировано,чтополоефотонно-кристаллическоеволокносдиаметром сердцевины 15 мкм позволяет не только эффективно транспортировать вволоконном формате сверхкороткие лазерные импульсы в ближнем ИК диапазоне(1070 нм), но и осуществлять их сжатие от 510 фс до 110 фс по мере ихраспространения в полой сердцевине в режиме аномальной дисперсии.

Временнаякомпрессия фазово-модулированных импульсов с энергией 0.5 мкДж обеспечивает навыходе из волокна пиковую мощность порядка 5 МВт, что позволяет осуществлятьлокальное фоторазрушение тканей мозга мыши.3. Создан источник сверхкоротких субнаноджоулевых импульсов длительностьюот 50 до 580 фс, перестраиваемых в диапазоне от 630 до 1800 нм, что реализуется приспектрально-временном преобразовании импульсов накачки Cr:forsterite генератора сдлиной волны 1.25 мкм за счет процесса солитонного самосдвиг частоты в-8микроструктурированных световодах с последующей генерацией импульсов второйоптической гармоники в нелинейно-оптическом кристалле трибората лития (LBO).4.Экспериментальнопродемонстрированонелинейноеформированиепоследовательности из двух или трех сверхкоротких импульсов на временноммасштабе в несколько сотен фемтосекунд в процессе генерации второй оптическойгармоники от импульсов накачки с длиной волны 1.25 мкм и длительностью 70 фс вкристалле ниобата лития с периодической доменной структурой (PPLN).

Подобнаяпоследовательность импульсов находит свое применение в схемах фемтосекунднойКАРС-спектроскопии долгоживущих резонансов.5. Показано, что амплитуда, время дефазировки и параметры оптическойнелинейности оптических фононов в синтетических алмазных пленках могут бытьизмерены с помощью техники фемтосекундной КАРС-спектроскопии, что позволяетконтролировать локальное качество пленок синтетического алмаза.6.

Теоретически продемонстрировано, что когерентное антистоксово рассеяниясвета в геометрии встречных пучков позволяет осуществлять дистанционноезондирование атмосферы, в частности, реализовывать детектирование малыхколичеств примесей в воздухе в процессе комбинационного возбуждения ихмолекулярных вращательных переходов.7. В схеме когерентного дистанционного зондирования на базе процессавынужденного комбинационного усиления/ослабления в результате численногомоделирования выявлены зависимости мощности регистрируемого сигнала отдлительности лазерных импульсов и параметров фокусировки в геометрии встречныхпучков.8.Продемонстрированатехникаизмеренияогибающейинтенсивности,спектральной и временной фазы сверхкоротких импульсов среднего ИК диапазона (311 мкм) на базе широкополосного оптического стробирования с разрешением почастоте в процессе четырехволнового взаимодействия в воздухе.9.

Показано, что модуляция спектра сверхкоротких импульсов среднего ИКдиапазона (3-11 мкм), возникающая за счет резонансного взаимодействия света скомпонентами атмосферного воздуха, приводит к возникновению субимпульсов,временные профили и задержки которых специфичны к колебательно-вращательному-9движению молекул, что позволяет предложить новый альтернативный способмолекулярной импульсной (время-разрешенной) спектроскопии.На защиту выносятся следующие положенияI.Управлениевременнойзадержкоймеждулинейночирпированнымиимпульсами накачки в процессе когерентного антистоксова рассеяния света(КАРС) позволяет осуществлять фазовый контроль нелинейного-оптическогосигналанаантистоксовойкомбинационногосигналачастоте.сВзаимодействиенерезонанснымкогерентногофономформируетинтерференционный профиль Фано в зависимости полного сигнала КАРС отвремени задержки между импульсами, что позволяет восстановить керровскийи комбинационно-активный отклик вещества.II.Полое фотонно-кристаллическое волокно с большим диаметром сердцевины(около 15 мкм) и специальным профилем дисперсии позволяет осуществлятьтранспортировку и временную компрессию (от 510 фс до 110 фс) лазерныхимпульсов в ближней инфракрасной области спектра (1070 нм), чтообеспечивает на выходе из волокна высокую пиковую мощность (до 5-10 МВт)иинтенсивность(30-70ТВт/см2),достаточнуюдляфоторазрушениябиологических тканей.III.Солитонный самосдвиг частоты в микроструктурированных световодахфемтосекундных импульсов от Cr:forsterite генератора на длине волны 1.25мкм и последующее удвоения их частоты в нелинейно-оптических кристаллахпозволяют реализовать перестраиваемый в широком спектральном диапазонеот 630 нм до 1800 нм источник субнаноджоулевых импульсов длительностьюот 80 фс до 580 фс, который может применятся в схемах микроспектроскопиикогерентного антистоксова рассеяния света (КАРС).IV.В процессе генерации второй оптической гармоники импульсами накачки сдлиной волны 1.25 мкм и длительностью 70 фс в кристалле ниобата лития спериодическойдоменнойструктурой(PPLN)происходитнелинейноеформирование последовательности нескольких сверхкоротких импульсов на- 10 субпикосекундномвременноммасштабе.Использованиеподобнойпоследовательности в качестве импульсов накачки в схемах фемтосекунднойКАРС-спектроскопиидолгоживущихрезонансовпомогаетподавитьнерезонансный фон и повысить чувствительность методики.ОптическоеV.стробированиесразрешениемпочастотенаосновечетырехволнового взаимодействия в воздухе позволяет реализовать измерениеогибающей интенсивности, временной и спектральной фазы сверхкороткихимпульсов в широкой полосе частот, покрывающей средний инфракраснойдиапазон частот (3-11 мкм).РезонансноеVI.взаимодействиефемтосекундныхимпульсовсреднегоинфракрасного диапазона (4.3 мкм и 6.1 мкм) с молекулами углекислого газа иводяных паров, содержащимися в атмосферном воздухе, приводит квозникновению субимпульсов, временные профили и задержки которыхспецифичны к колебательно-вращательному движению молекул.

Анализспектрально-временногопрофиляискаженногозондирующегоимпульсапозволяет реализовать новую методику импульсной (время-разрешенной)молекулярной спектроскопии.Апробация результатовОсновные результаты диссертации докладывались на научных семинарахкафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова и на научных конференциях:1)A.A.Lanin, A.B.Fedotov, A.M.Zheltikov, “Finely phase-tuned coherent Ramanscattering with tailored optical driver fields” The International Conference on Coherent andNonlinear Optics (ICONO) and The Lasers, Applications, and Technologies (LAT)ICONO/LAT, Technical digest ICONO-01, p.82, (18-22 June 2013), Moscow, Russia.2)A.V.Mitrofanov, A.A.Lanin, D.A.Sidorov-Biryukov, A.M.Zheltikov, “Waveformshaping of stretched-pulse fiber laser output with a hollow photonic-crystal fiber” TheInternational Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) and The Lasers,- 11 Applications, and Technologies (LAT) ICONO/LAT, Technical digest ICONO-01, p.78-79,(18-22 June 2013), Moscow, Russia3)А.А.Ланин,А.Б.Федотов,Н.М.Качалова,А.М.Желтиков,В.С.Войцехович,“Нелинейно-оптическаяД.А.Сидоров-Бирюков,микроспектроскопиякогерентного рассеяния света с использованием импульсов с управляемой фазой.” IVСимпозиумпокогерентномуоптическомуизлучениюполупроводниковыхсоединений и структур.

Москва-Звенигород, 27-29 ноября 2013, Программа и тезисыдокладов, стр.21-22.4)A.A.Lanin, A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov “Phase-tuning of coherent Ramanscattering using temporally shaped optical driver pulses” Third Russian-Taiwan SchoolSeminar “Nonlinear Optics and Photonics” 14-18 June, 2013 (Vladimir/Suzdal, Russia)Program and Book of Abstract.

p.17-18 (2013)5)A.A. Lanin, I.V. Fedotov, A.B.Fedotov, D.A.Sidorov-Biryukov, A.M.Zheltikov"Coherent four wave mixing with chirped pulses" VI International Symposium “ModernProblems of Laser Physics” (MPLP2013). Novosibirsk, Russia, August 25 – 31, 2013MPLP2013 Technical Digest Novosibirsk, p.68-696)P.N. Malevich, D. Kartashov, Z. Pu, S. Alisauskas, A. Pugzlys, A. Baltuska, L.Giniunas, R.Danielius, A.A.