Диссертация (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»ДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЖелтиков Алексей МихайловичМосква — 20172ОглавлениеСтр.Введение . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1. Нелинейная волоконная оптика в ближнем и среднем ИКдиапазонах. Получение и использование сверхширокихспектров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1 Световоды с активно формируемыми характеристиками . . . .1.2 Световодные компоненты для задач нейрофотоники .

. . . . .1.3 Получение импульсов со сверхшироким диапазоном частот.Основные физические явления и зависимости. . . . . . . . . .1.4 Использование сверхшироких спектров для зондированиядинамики электронов и молекул. . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5 Световодные синтезаторы однопериодных импульсов . . . . .Глава 2. Методика моделирования нелинейных явлений. . . . . . .2.1 Численное решение нелинейного уравнения Шредингера длярасчёта распространения излучения в волокне. .

. . . . . . . .2.2 Расчёт объёма эффективной области возбуждения и сборафлуоресцентного сигнала для одно- и двухфотонноговозбуждения для различных архитектур волокна. . . . . . . .2.3 Получение углового профиля электронных оболочек сиспользованием формализма матрицы плотности . . . . . . .2.4 Спектральная фокусировка в процессе КАРС. . . .

. . . . . .4. . . 11. . . 11. . . 24. . . 28. . . 34. . . 36. . . 40. . . 40. . . 43. . . 50. . . 53Глава 3. Волоконные источники и применение сверхширокихспектров в ИК диапазоне. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1 Получение сверхширокого спектра в среднем ИК диапазоне сиспользованием оптических волокон. . . . . . . . . . . . . .

. . . . 553.2 Селективное возбуждение электронных подоболочек атомовинертных газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643Стр.Глава 4. Использование волоконных источников света для задачзондирования. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 744.14.2Сбор некогерентного люменисцентного отклика для различныхархитектур волоконных компонент в случае одно- идвухфотонного возбуждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Волокна для доставки импульсов в задачах КАРС-спектроскопии. . 90Заключение . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034ВведениеАктуальность 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 вещества иманипуляция возбуждёнными состояниями электронных подоболочек атомов.Широкое использование световодных зондов в нейрофотонике обусловлено жёсткими требованиями, предъявляемыми этой областью исследований к используемому инструментарию.

В силу того, что предметом её изучения является мозг живых существ, очень важна минимизации инвазивности методов изучения. Волоконно-оптические зонды хорошо отвечают этому требованию за счётмалых поперечных размеров оптических волноводов. Кроме того, они одновременно гибки и механически прочны, что позволяет использовать их даже для изучения свободноподвижных животных. Наконец, специальные волокна с активноформируемыми характеристиками позволяют реализовать нелинейно-оптическиеметодики зондирования и обеспечивают высокую эффективность сбора 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, даваявозможность реализовать практически любые желаемые условия. С помощью во-5локонных технологий были предложены и реализованы методы генерации сверхшироких спектров для большого числа различных задач: спектрально однородныеимпульсы для телекоммуникаций, сверхширокие спектры для задач метрологии,спектры, перекрывающие ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасныйдиапазон для зондирования электронных состояний и спектры полностью в инфракрасном диапазоне для задач спектроскопии.

Также использование волоконпозволило существенно уменьшить требования, предъявляемые к источнику излучения, как по пиковой мощности, так и по центральной длине волны импульсов.В задачах исследования структуры вещества волокна выполняют двойнуюроль. 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 компоненты являются однойиз существенных частей схемы по получению аттосекундных импульсов.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 комбинационногорассеяния 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 атомных систем. Выполненный анализ эволюции матрицы плотности возбуждаемой сверх-6коротким световым импульсом электронной подоболочки атомной системы показал, что ключевую роль в формировании нелинейно-оптическогоотклика такой системы играют явления интерференции различных квантовых каналов электронной динамики.

На основе выполненного анализапредложена методика когерентного управления аттосекундной динамикой отдельных электронных подоболочек с помощью сверхкоротких лазерных импульсов.3. Выполнены теоретическое и экспериментальное сравнения одно- и двухфотонного режима волоконно-оптического зондирования тканей мозга,на основе которого было продемонстрировано существенное увеличениелокальности зондирования при использовании режима двухфотонногопоглощения и повышение эффективности сбора некогерентного флуоресцентного отклика при использовании волокна с двумя оболочками.4.

Предложена схема лазерной системы для проведения мультимодальной нелинейной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света. Продемонстрированы преимущества использования управляемых пофазе 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 солитоннойсамокомпрессии импульсов длительностью порядка 100 фс субкиловаттного уровня пиковой мощности в диапазоне длин волн 3.4 – 3.7 мкм показывает возможность формирования импульсов среднего ИК-диапазонадлительностью около 10 фс.72.

Световые импульсы со сверхшироким спектром и активно формируемой фазой обеспечивают возможность селективного возбуждения, когерентного управления и аттосекундной спектрохронографии электронных подоболочек многоэлектронных атомных систем. Выполненныйтеоретический анализ анализ показывает, что использование сверхкоротких световых импульсов с непрерывным спектром, перекрывающим диапазон длин волн от 140 до 970 нм, позволяет реализовать селективноевозбуждение, когерентное управление и спектрохронографический анализ аттосекундной электронной динамики 6p-подоболочки атома ксенона.3.

Предложена теоретическая модель для определения области сбора люминесцентного сигнала оптическим волокном в задачах волоконнооптического зондирования тканей мозга в случае одно- и многофотонного возбуждения. На основании разработанной модели были рассчитаныи экспериментально проверены карты сбора флуоресцентного откликадля волокон с различной структурой.4. Экспериментально показано трёхкратное увеличение локальности отклика за счёт использования двухфотонного возбуждения люминофораи правильно подобранной архитектуры волокна.