Диссертация (Когерентные взаимодействия сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачах микроспектроскопии и дистанционного зондирования), страница 8

Хотя наличие строгопериодически структурированной оболочки не является необходимым условиемподдержания волноводной моды в волокнах с твердотельной сердцевиной, ванглоязычной литературе все семейство световодов с модифицированной оболочкойназывается фотонно-кристаллическими оптическими волокнами (Photonic CrystalFibers (PCF)).Преимущества МС световодов для реализации эффективных преобразователейизлучениясердцевинысвязаныисвозможностьюоболочки,чтоширокогопозволяетварьированияуправлятьархитектуроймодовымсоставом,дисперсионными, поляризационными и нелинейными свойствами волокон вмасштабах принципиально не достижимых для стандартных телекоммуникационныхсветоводов. МС световоды с твердотельной сердцевиной обладают способностьюподдерживать одномодовый режим распространения света в широком спектральномдиапазоне, что связано с различным заполнением излучения на разных длинах волнструктурированной оболочкой, и приводит к выполнению условия одномодовогораспространения для широкого интервала оптических частот.

Другое уникальное иважное свойство МС световодов связано с возможностью управления волноводнойдисперсией волокна и эффективной площадью моды за счет изменения структурыоболочки. Перечисленные выше особенности МС световодов позволяют генерироватьизлучение суперконтинуума от неусиленных лазерных импульсов, при этом ширинаспектра суперконтинуума может простираться на несколько октав.

В основефизических механизмом, ответственных за генерации суперконтинуума в МСволокнах,лежитсамомодуляцияряд(ФСМ),нелинейно-оптическихфазоваяпроцессов,кросс-модуляциятаких(ФКМ),какфазоваячетырехволновыевзаимодействия, модуляционная неустойчивость [128,129] и др. Благодаря высокойспектрально-угловойяркости,контролируемойспектральнойфазеизлучениесуперконтинуума широко применяется в когерентной лазерной спектроскопии,оптике сверхкоротких импульсов, лазерной биомедицине [130–135].- 37 Широкое распространение техники генерации суперконтинуума связанно свозможностьюэффективнопреобразовыватьнеусиленныефемтосекундныеимпульсы.

Излучение суперконтинуума с широким спектром и простой спектральнойфазой быстро нашло применение в качестве стоксовой волны для реализациимультиплексной КАРС-спектроскопии, реализованной для всего низкочастотногодиапазона «отпечатков пальцев» комбинационных мод молекул (от 500 см-1 до 1700см-1), а также характерной области колебания связей CH (2900 см-1) [136].Уширенный когерентный спектр суперконтинуума позволяет формировать импульсыпредельно короткой длительности порядка одного или нескольких циклов поля.Подобные импульсы позволяют проводить время-разрешенную спектроскопиюкогерентногокомбинационногорассеяниябольшогоколичестварезонансоводновременно [137].

Дальнейшее развитие источников широкополосного излученияпозволило реализовать однопучковую КАРС-спектроскопию при формированииподходящего амплитудно-фазового профиля спектра излучения [111,113].Не всегда одновременная генерация множества спектральных компонентсуперконтинуума в МС световодах является оптимальным вариантом для реализацииметодик нелинейной спектроскопии, в частности, микроскопии когерентногокомбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения. Перестраиваемые вширокомспектральномдиапазонеисточникифемтосекундныхимпульсов,позволяющие адресоваться к любому интересующему колебательному резонансу,являются привлекательной альтернативой. МС световоды прекрасно справляются сэтой задачей за счет эффекта солитонного самосдвига частоты (ССЧ), позволяющегоэффективно и плавно преобразовывать фемтосекундные импульсы по частоте.

Прираспространении лазерного импульса в волноводе в режиме аномальной дисперсиинелинейный набег фаз может быть уравновешен дисперсионным, что создает условиедля формирования солитонов. Распространение оптических солитонов в среде сзапаздывающей нелинейностью (например, в сердцевине кварцевого световода)сопровождаетсяпостепеннымсдвигомцентральнойчастотысолитонавдлинноволновую область спектра, это явление получило название солитонногосамосдвига частоты.

В спектральном представлении этот эффект наглядноинтерпретируется как вынужденное комбинационное усиление низкочастотной частиспектра солитона за счет его высокочастотного крыла [138,139].- 38 Явление солитонного самосдвига частоты нашло практическое применение взадачах лазерной спектроскопии и оптической синхронизации при формированиимощныхсверхкороткихимпульсовметодамиоптическогопараметрическогоусиления [107,140]. Одним из примеров использования эффекта ССЧ являетсяинтеграция Ti:sapphire генератора фемтосекундных импульсов на длине волны 0.8мкм с МС световодом с целью реализации дешевого и удобного источникабигармонического излучения для микроскопии когерентного комбинационногорассеяния, а также для возбуждения богатой линейки флуоресцентных красителей,используемых в микроскопии двухфотонного поглощения [107,141]. Условиеформированиянелинейныхсолитоновсвойств,чтоопределяетсязачастуютонкимбалансомограничиваетдисперсионныхэнергиюигенерирующихсяимпульсов уровнем порядка несколько десятков-сотен пикоджоулей.

Использованиеполых МС световодов или оптических волокон с большой площадью моды позволяетрадикально повысить энергию в солитоне до 140 нДж [142]. Недавно былапродемонстрированановаяметодиканелинейно-оптическойфлуоресцентноймикроскопии на базе трехфотонного возбуждения красителя мощным (67 нДж)фемтосекундным ИК импульсом, сформированным на выбранной длине волны засчет ССЧ в твердотельном МС световоде с большой площадью моды, что позволилоисследовать ткани мозга мыши на глубине до 1.3 мм [59]. Аккуратное управлениедисперсионным профилем световода и варьирование коэффициента нелинейностидля разных длин волн позволяет осуществить спектральную компрессию солитонов впроцессе ССЧ [143], что важно в контексте улучшения спектрального разрешенияметодики КАРС-спектроскопии.Оптический параметрический генератор (ОПГ) на нелинейном кристалле ссинхронной накачкой сверхкороткими импульсами является удобной, но достаточносложной и дорогостоящей системой для осуществления генерации перестраиваемыхпо частоте импульсов фемтосекундной/пикосекундной длительности [144].

Впоследнее время наблюдается быстрое развитие альтернативного подхода коптическойпараметрическойгенерациисвета,основанногонавысокойэффективности ЧВВ процесса распада двух фотонов накачки 2ω0 на два фотона вкрасном и синем крыльях ω0 + ω0 → (ω0 + Ω) + (ω0 – Ω) в МС световодах [145–147].ПодборправильногопрофилядисперсииМСволокнапозволяетдостичь- 39 эффективность преобразования в синюю компоненту до 20% от уровня накачки, вкачестве которой использовались неусиленные импульсы пикосекундного генераторас энергией до 25 нДж.

В результате, была продемонстрирована волоконно-оптическаясистема для проведения микроскопии когерентного комбинационного рассеяниясвета в диапазоне колебательных частот 2740 – 3100 см-1 с использованиемперестраиваемых пикосекундных импульсов [147].Волоконно-оптические источники, преобразователи, трансляторы, зонды илинейные элементы управления излучением на базе микроструктурированныхтвердотельных и полых световодов находят все более широкое применения в оптикесверхкороткихлазерныхимпульсов,когерентныхметодикахспектроскопии,биологии и медицине. Лазерные системы, включающие твердотельный задающийлазерныйгенераториОПГ,зачастуюнеобеспечиваюткомпактность,транспортируемость и защищенность от внешних воздействий.

Поэтому волоконныеисточники и преобразователи сверхкоротких импульсов представляют большойпотенциалдлядальнейшегопродвиженияметодикиКАРС-микроскопиивхимические, биологические и медицинские лаборатории.§1.4 Фемтосекундные импульсы в задачах дистанционного зондированияСразу после создания первых лазерных источников света были высказаны идеи овысоком потенциале их использования в задачах дистанционного зондирования[148,149].Уникальныеособенностилазерногоизлучения,такиекакмалаярасходимость и высокая пиковая мощность, позволили развить множество методикдистанционного исследования объектов с использованием принципов лидарногозондирования [14,150] - методы спектроскопии линейного поглощения [151,152],спонтанного комбинационного рассеяния света [153], лазерно-индуцированнойфлуоресценции и пробоя [154–156].

Например, достигнутые на сегодняшний деньуспехи в развитии дистанционной спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя,позволили использовать эту технологию для комплектации марсохода Curiosity,приземлившегосянаповерхностьМарсававгусте2012года.Мощный- 40 наносекундный лазер, установленный на марсоходе, помогает идентифицироватьхимический состав минералов, скальных и известняковых пород (рис.1.4.1), анализкоторых позволил с уверенностью утверждать о существовании воды на Марсенесколько миллионов лет назад [157,158].