Диссертация (Когерентные взаимодействия сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачах микроспектроскопии и дистанционного зондирования), страница 6

Плавное сканирование длины волны среднего ИКизлучения Ωmid-IR позволяет регистрировать резонансы колебательно-вращательныхпереходов молекул, расположенных на границе интерфейса. Данная методикапомогладетальнееповерхностей,впонятьчастности,физическиеособенностивзаимодействиемолекулпроцессаводынасмачиванияповерхностигидрофобных материалов (рис.1.1.5.б) и на границе раздела с воздухом [54,98].Таким образом, появление новых источников сверхкоротких импульсов даломощный толчок к интеграции методик нелинейно-оптической спектроскопии стехниками лазерной сканирующей микроскопии, что привело к возникновению иразвитию за последние двадцать лет мощного инструмента исследования объектовразличной природы. Особенно большой вклад внесен в разработку методикмногофотонноймикроскопии,представляющихинтересдлярешенияфундаментальных и прикладных задач биомедицины.§1.2 Управление амплитудно-фазовым профилем лазерных импульсов внелинейно-оптическойспектроскопиикогерентногокомбинационногорассеяния светаРеализациямикроскопии,рассмотренныхособенновпараграфеиспользующих1.1методикмногоцветныемногофотоннойимпульсынакачки,представляется весьма сложной практической задачей, в решение которой входитманипулирование параметрами одного или несколькихлазерных импульсов- 27 (центральная длина волны, длительность, спектральная ширина).

В параграфах 1.2 и1.3 рассмотрены возможности повышения эффективности нелинейно-оптическихметодик спектроскопии, а также улучшения их спектрального разрешения,основанные на формировании определенного спектрально-временного профилясверхкоротких импульсов накачки. Особое внимание уделено нелинейно-оптическимметодикам когерентного комбинационно рассеяния света, таким как КАРС и ВКР, чтообусловлено их универсальностью, высокой селективностью к различным молекулами востребованностью во многих областях науки.

Основные задачи, которые стоят припрактической реализации данных методик, включают генерацию лазерного излученияна нескольких длинах волн (как минимум на двух), плавную перестройку оптическойчастоты одного из пучков, сопоставление ширины спектра лазерного излучения иисследуемых комбинационных линий, отделение резонансного сигнала КАРС отнерезонансного фона.

Поиск и реализация наиболее простых и эффективных решенийвсех этих задач является одной из основных целей диссертационной работы в целом.Методики когерентного фазового контроля излучения при его взаимодействии свеществом появились на рубеже восьмидесятых и девяностых годов прошлого векапри зарождении новой области науки – лазерной химии [101]. Манипулированиеэволюциейквантовойсистемыпозволяетзаметнообогатитьинформацию,получаемую при помощи когерентных методик спектроскопии. Основная идеякогерентного контроля заключается в сопровождении волновой функции системы изосновного состояния до желаемого конечного за счет использования конструктивнойи деструктивной интерференции между промежуточными квантовыми состояниями.Первые идеи манипулирования квантовой системой при помощи специальноподготовленногооптическогоимпульсабылисформулированыдлявнутримолекулярных процессов, позднее этот подход был расширен на атомарныесистемы, полупроводники и плазмонные структуры [102,103].

Управлять квантовомеханическойсистемойпредлагалосьлазернымиполямисконтролируемойвременной фазой или точно структурированной во времени последовательностьюкоротких импульсов. В настоящее время контроль часто осуществляется фазовомодулированнымифемтосекунднымипредложенные ранее подходы [104].импульсами,что позволяет объединить- 28 Техники когерентного контроля по своей природе тесно связаны с нелинейнооптическими эффектами и, следовательно, могут быть реализованы для большинстванелинейных методик спектроскопии. Можно выделить две спектроскопическиетехники, которые ощутили на себе наибольшее влияние развития методикманипулированияквантовойсистемой-этоспектроскопиядвухфотонногопоглощения (ДФП) и спектроскопия когерентного комбинационного рассеяния света(КАРС и ВКР). Мощной мотивацией развития этих методик является их высокийпотенциал для решения задач микроскопии и визуализации объектов с возможностьюполучения специфической (химически селективной) информации о веществе.(а)(б)Рис.1.2.1.

(а) Резонансный, нерезонансный сигналы КАРС и их отношение, какфункция длительности спектрально ограниченного импульса накачки. Расчетпроизведен для ширины комбинационной линии 2Γ = 5 см-1 и отношения резонанснойвосприимчивости к нерезонансной Ar/(χnr) = 9.2 – параметров, соответствующихлинии полистирола Ω = 1601 см-1. (б) КАРС-спектры как функция длительностиимпульса. Адаптированные графики из работы [37].Управление процессом двухфотонного поглощения на атомарных линиях можноосуществлять с большой точностью [105], тогда как органические флуоресцирующиемолекулы, используемые как красители в микроскопии биологических объектов,обладают гораздо большей шириной линии и, следовательно, малым временемкогерентности, что немного ограничивает потенциал использования методиккогерентного контроля. Несмотря на эти ограничения, техника управления- 29 амплитудно-фазовымихарактеристикамисверхкороткихимпульсовбылаиспользована для контроля эффективности возбуждения красителей, а такжеосуществления возбуждения специфических белков в многокомпонентной смеси[106].

Важным мотивирующим фактором развития методик когерентного контроля спомощью фазово-модулированных импульсов явилась идея применения техникиспектроскопии когерентного комбинационного рассеяния для задач оптическоймикроскопии.Микроскопияживыхбиологическихтканей,предоставляющаяинформацию о молекулярном составе образца и не требующая прокрашиванияобъекта специальными красителями, имеет большой потенциал развития дляпрактических применений во многих областях биологии и медицины.Традиционная оптическая схема для проведения КАРС-микроскопии базируетсяна использовании двух перестраиваемых узкополосных импульсных лазерныхисточниках, что сильно поднимает стоимость всей системы и делает ее сложной вэксплуатации[37].Вкачествевозможнойальтернативынедавнобылопродемонстрировано использование единственного фемтосекундного лазерногогенератора,интегрированногосмикроструктурированнымсветоводом,формирующим широкополосное когерентное излучение или перестраиваемые почастоте импульсы [107, 108].

Основная проблема такой системы состоит в том, чтоспектральная ширина фемтосекундных импульсов (около 300 см-1) на порядокбольше, чем типичные ширины комбинационных линий в твердых телах и жидкостях(около 5-30 см-1), что приводит к генерации сильного нерезонансного фона,маскирующего резонансный отклик колебательного движения ядер молекулы. Нарисунке 1.2.1.а приведены результаты расчета резонансной части сигнала КАРС, егонерезонансной части и их отношение для импульсов накачки с различнымидлительностями [37]. Видно, что полезный резонансный сигнал растет медленнопоследвукратногопревышенииспектральнойшириныимпульсовнакачкиотносительно ширину линии перехода (5 см-1), тогда как нерезонансный сигнал растетквадратично, что приводит к падению селективности и чувствительности техники.Вместе с этим ухудшается спектральное разрешение методики, что отражено нарис.1.2.1.б, на котором представлены КАРС спектры этой узкой линии, записанныепри различных длительностях (соответственно спектральных ширинах) импульсовнакачки.

Такая иллюстрация наглядно показывает, что управление спектром и- 30 длительностью возбуждающих импульсов является необходимым условием в схемахс использованием фемтосекундных лазерных источников для проведения КАРСспектроскопии с приемлемым спектральным разрешением. Манипулированиеспектрально-временными характеристиками импульсов можно осуществить двумяспособами: за счет линейных и нелинейных эффектов.Рис.1.2.2. Схема управления амплитудно-фазовым профилем спектра короткихимпульсов при помощи пространственного фазового модулятора на жидкихкристаллах.Линейный метод управления спектром и формой огибающей интенсивностиимпульса состоит в использовании оптических систем, позволяющих изменятьамплитуду,фазуи/илиполяризациюкаждойизспектральныхкомпонентсверхкороткого импульса.