Автореферат (Световоды с активно формируемыми характеристиками для генерации сверхкоротких световых импульсов и флуоресцентного зондирования)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМещанкин Денис ВячеславовичСВЕТОВОДЫ С АКТИВНО ФОРМИРУЕМЫМИХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИСВЕРХКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ИФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯСпециальность 01.04.21 — «Лазерная физика»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2017Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета МГУ имени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЖелтиков Алексей МихайловичОфициальные оппоненты:Моисеев Сергей Андреевич,доктор физико-математических наук, профессор,Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.

Туполева–КАИ,заведующий лабораториейГоловань Леонид Анатольевич,доктор физико-математических наук, доцент,Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет,доцент физического факультетаИванов Анатолий Александрович,кандидат физико-математических наук,Центр фотохимии Российской академии наук,старший научный сотрудникЗащита диссертации состоится «21» декабря 2017 г. в 15:15 на заседании диссертационного совета МГУ.01.13 Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.E-mail: denmesh@yandex.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и на сайте ИАС«Истина»: https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/33919655/.Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наук2017 г.А.

А. КоновкоОбщая характеристика работыАктуальность работы. Оптические волокна являются уникальным классом устройств, нашедшим применение во многих областях науки и техники. Ониактивно используются для задач телекоммуникации, зондирования, рассматриваются как возможная замена традиционным проводникам в интегральных схемах.Однако полностью их потенциал проявляется в области нелинейной оптики. Вотличие от сплошных сред, оптические свойства которых являются пассивнымии неизменными для каждого отдельного вещества, волокна позволяют формировать эти свойства активно, путём выбора не только материалов, но и геометриипоперечного и продольного профилей волновода.

Подобная гибкость даёт возможность адаптации волоконно-оптических элементов под конкретные задачи,приводя к эффективности преобразования излучения, недостижимой для другихустройств. Использование световодов с активно формируемыми характеристиками объединяет столь разные приложения, как флуоресцентные зонды для нейрофотоники, генерация сверхшироких спектров, микроспектроскопия веществаи манипуляция возбуждёнными состояниями электронных подоболочек атомов.Широкое использование световодных зондов в нейрофотонике обусловлено жёсткими требованиями, предъявляемыми этой областью исследований киспользуемому инструментарию. В силу того, что предметом её изучения является мозг живых существ, очень важна минимизации инвазивности методовизучения.

Волоконно-оптические зонды хорошо отвечают этому требованию засчёт малых поперечных размеров оптических волноводов. Кроме того, они одновременно гибки и механически прочны, что позволяет использовать их дажедля изучения свободноподвижных животных.

Наконец, специальные волокна сактивно формируемыми характеристиками позволяют реализовать нелинейнооптические методики зондирования и обеспечивают высокую эффективностьсбора оптического отклика.Значимость нелинейно-оптических волокон в задачах генерации сверхшироких спектров трудно переоценить. Этот процесс отличается сильной нелинейностью и критичной зависимостью от спектрального профиля дисперсии групповых скоростей.

Волокна же, за счёт варьирования параметров их конструкции,позволяют управлять этими характеристиками в очень широких пределах, давая возможность реализовать практически любые желаемые условия. С помощью волоконных технологий были предложены и реализованы методы генерации сверхшироких спектров для большого числа различных задач: спектральнооднородные импульсы для телекоммуникаций, сверхширокие спектры для задачметрологии, спектры, перекрывающие ультрафиолетовый, видимый и ближнийинфракрасный диапазон для зондирования электронных состояний и спектрыполностью в инфракрасном диапазоне для задач спектроскопии. Также использование волокон позволило существенно уменьшить требования, предъявляемыек источнику излучения, как по пиковой мощности, так и по центральной длиневолны импульсов.3В задачах исследования структуры вещества волокна выполняют двойную роль.

Во-первых, они используются в качестве удобного, гибкого и прочного способа доставки излучения к исследуемому объекту. Во-вторых, волокна осуществляют спектральные преобразования лазерного излучения, необходимые для реализации различных схем исследования. Например, для исследования и управления динамикой электронов в веществе, световодные компонентыявляются одной из существенных частей схемы по получению аттосекундныхимпульсов.Целями данной диссертационной работы являются разработка методикиполучения сверхкоротких импульсов с длительностью порядка одного цикла всреднем инфракрасном диапазоне длин волн с использованием микроструктурированных халькогенидных волокон; теоретический анализ возможности селективного возбуждения и когерентного контроля электронных подоболочек атомовинертных газов с помощью импульсов со сверхшироким спектром; улучшениелокальности и эффективности волоконно-оптических эндоскопов специальнойструктуры и использования широкополосного лазерного излучения; разработкасхемы лазерной системы для проведения микроспектроскопии комбинационного рассеяния света на основе фазовомодулированных импульсов.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:1.

Разработан метод генерации импульсов среднего инфракрасного диапазона с длительностью около одного оптического периода в фотоннокристаллическом халькогенидном волокне на основе численного моделирования обобщенного нелинейного уравнения Шредингера.2. Исследована возможность использования световых импульсов со сверхшироким спектром и активно формируемой фазой для селективного возбуждения, когерентного управления и аттосекундной спектрохронографии электронных подоболочек многоэлектронных атомныхсистем. Выполненный анализ эволюции матрицы плотности возбуждаемой сверхкоротким световым импульсом электронной подоболочки атомной системы показал, что ключевую роль в формированиинелинейно-оптического отклика такой системы играют явления интерференции различных квантовых каналов электронной динамики.

На основе выполненного анализа предложена методика когерентного управления аттосекундной динамикой отдельных электронных подоболочекс помощью сверхкоротких лазерных импульсов.3. Выполнены теоретическое и экспериментальное сравнения одно- идвухфотонного режима волоконно-оптического зондирования тканеймозга, на основе которого было продемонстрировано существенное увеличение локальности зондирования при использовании режима двухфотонного поглощения и повышение эффективности сбора некогерентного флуоресцентного отклика при использовании волокна с двумя оболочками.44.

Предложена схема лазерной системы для проведения мультимодальной нелинейной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света. Продемонстрированы преимущества использования управляемыхпо фазе широкополосных импульсов для проведения спектроскопии когерентного комбинационного рассеяния, высокоэффективной методики ВКР-микроскопии и широкого спектра многофотонных техник микроскопии. Продемострирована возможность количественного разделения компонентов смеси с сильно перекрывающимися комбинационными резонансами. Проведен анализ предельной чувствительности методик КАРС- и ВКР-микроспектроскопии биологических тканей в фемтои пикосекундных режимах работы лазерной системы.Научная новизна:1.

Показано, что солитонные режимы спектрально-временного преобразования световых импульсов в фотонно-кристаллических волокнах на основе халькогенидных стёкол позволяют осуществить солитонную компрессию импульсов среднего инфракрасного диапазона до длительностей около одного периода поля. Численное моделирование солитонной самокомпрессии импульсов длительностью порядка 100 фс субкиловаттного уровня пиковой мощности в диапазоне длин волн 3.4 – 3.7мкм показывает возможность формирования импульсов среднего ИКдиапазона длительностью около 10 фс.2. Световые импульсы со сверхшироким спектром и активно формируемой фазой обеспечивают возможность селективного возбуждения, когерентного управления и аттосекундной спектрохронографии электронных подоболочек многоэлектронных атомных систем.