Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах

На правах рукописиСеребрянников Евгений ЕвгеньевичСпектрально-временныепреобразованиясверхкоротких лазерных импульсовв микроструктурированных световодахСпециальность 01.04.21 — лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква ─ 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаим.М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессорЖелтиков Алексей МихайловичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессорЕвсеев Игорь Викторович, Московский инженерно-физический институт(государственный университет), МоскваДоктор физико-математических наук, профессорМажукин Владимир Иванович, Института математического моделированияРАН, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наук «Институт общей физики имениА.

М. Прохорова» РАН, МоскваЗащита диссертации состоится « 22 апреля » 2010годав16 00часовназаседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинскиегоры, МГУ, улица Академика Хохлова, дом 1, стр.

62, Корпус нелинейной оптики,аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «»2010 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваI. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыСовременные оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и надежныеволоконно-оптические источники и преобразователи оптических сигналов, используемые длярешения широкого круга научных и технологических задач. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены световоднойгеометрией генерации, усиления и нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения .В волоконно-оптических лазерных системах такая геометрия обеспечивает высокуюэффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, благоприятные условиядля отвода тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка.

Благодарябольшим длинам нелинейно-оптических взаимодействий, обеспечиваемых волноводнымрежимом распространения излучения, оптоволоконные технологии позволяют создаватькомпактные и высокоэффективные устройства для управления параметрами лазерного излученияи спектрально-временного преобразования световых импульсов, включая широко используемые воптике сверхкоротких импульсов волоконно-оптические компрессоры и устройства дляпреобразования частоты на основе комбинационного рассеяния и параметрическогочетырехволнового взаимодействия.Оптические волокна, легированные иттербием и эрбием, обладают полосой усиления,достаточной для генерации сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Однакосоздание практичных волоконно-оптических лазерных устройств, способных составитьконкуренцию имеющимся твердотельным лазерным источникам сверхкоротких световыхимпульсов, требует решения ряда серьезных идейных и технических проблем.

Одна из наиболеезначительных трудностей получения мощных коротких световых импульсов в волоконнооптических системах связана с нежелательными нелинейно-оптическими явлениями, такими какфазовая само- и кроссмодуляция, вынужденное комбинационное и бриллюэновское рассеяние.Нелинейный набег фазы и изменение спектрально-временной структуры светового поля,вызываемые такими явлениями, препятствуют эффективному усилению и не позволяют получитьпредельно короткие световые импульсы на выходе лазерной системы.

Еще одна принципиальнаяпроблема, затрудняющая разработку волоконно-оптических источников все более короткихсветовых импульсов, связана с тем, что для формирования импульсов предельно малойдлительности требуются оптические волокна с частотным профилем дисперсии, точнокомпенсирующим дисперсию, вносимую функциональными элементами волоконно-оптическихсистем. Однако для волоконных источников предельно коротких лазерных импульсов,требующих компенсации дисперсии высоких порядков, возможности компенсаторов дисперсиина основе стандартных световодов ограничены.Здесь на помощь приходят оптические волокна нового типа — микроструктурированные(МС) световоды.

По структуре, механизмам формирования и свойствам волноводных модволноводы этого класса существенно отличаются от обычных оптических волокон. Для передачиизлучения в МС-световодах служит сплошная или полая сердцевина, окруженнаямикроструктурированной оболочкой, содержащей систему ориентированных вдоль оси волокнацилиндрических воздушных отверстий. Подобная микроструктура обычно изготавливается путемвытяжки из преформы, набранной из капиллярных трубок и сплошных кварцевых стержней.-1-Уникальность МС-световодов для оптических технологий и волоконных лазерных системобусловлена возможностями активного формирования частотного профиля дисперсиисобственных мод таких волокон, а также управления структурой поля и степенью еголокализации путем изменения структуры поперечного сечения волноводной структуры.

Такиесветоводы позволяют реализовать сложные частотные профили дисперсии, которые не могутбыть сформированы в случае стандартных оптических волокон. Как следствие, в МС-волокнахнаблюдаются новые нелинейно-оптические явления и новые режимы спектрально-временногопреобразования сверхкоротких лазерных импульсов. Высокоэффективные волоконно-оптическиепреобразователи частоты сверхкоротких импульсов и источники излучения с широкимнепрерывным спектром (суперконтинуума), разработанные на основе МС-световодов с высокойоптической нелинейностью, позволяют решать фундаментальные задачи в области оптическойметрологии и оптики сверхкоротких лазерных импульсов, а также активно применяются дляцелей лазерной биомедицины, нелинейной спектроскопии и микроскопии.Создание МС-волокон, отличающихся от стандартных световодов по своей архитектуре,свойствам, а также принципам реализации волноводного распространения, стало одним изнаиболее выдающихся достижений в области оптических технологий за последнее время.

Анализспектрально-временных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов, а такжеисследование дисперсионных и нелинейно-оптических свойств МС-волокон, которым посвященанастоящая диссертационная работа, необходимы для разработки уникальных волоконнооптических систем, обеспечивающих высокоэффективную управляемую трансформациюсветовых импульсов с начальными длительностями от десятков наносекунд до несколькихциклов светового поля (единицы фемтосекунд) в широком диапазоне пиковых мощностей отсотен ватт до нескольких гигаватт.Цели и задачи диссертационной работыНастоящая работа посвящена системному теоретическому исследованию спектральновременных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в результате их нелинейнооптического взаимодействия в микроструктурированных и полых фотонно-кристаллическихволокнах. Основной целью данного исследования являлась разработка волоконных световодныхэлементов, решающих различные актуальные задачи в области оптических технологий.

Всоответствии с этим в работе предстояло решить следующие задачи:1. На основе уравнений Максвелла разработать теоретические модели, необходимые дляанализа оптических свойств МС-волокон, а также спектрально-временной эволюциисверхкоротких лазерных импульсов в процессе волноводного распространения.2. Для различных МС-волокон, отличающихся геометрией волноводной структуры ипринципами обеспечения волноводного распространения, подробно изучить структурупространственного распределения поля и поляризации волноводных мод, а также ихдисперсионные свойства. Изучить основные принципы конструирования волокон с заданнымиоптическими свойствами.3. Выявить фундаментальные сценарии и механизмы спектрально-временной эволюциисверхкоротких лазерных импульсов при нелинейно-оптическом взаимодействии в процессе ихраспространения в МС-волокнах различного типа.4.

Изучить возможности синхронизации широкого класса нелинейно-оптическихпроцессов в МС-световодах, позволяющих добиться радикального увеличения эффективностипреобразования частоты и трансформации спектра сверхкоротких лазерных импульсов.-2-Научная новизна Были численно рассчитаны линейные и нелинейно-оптические свойства целого рядауникальных МС-волокон с необычайно сложной структурой поперечного сечения. При помощимодификации структуры МС-волокна, была продемонстрирована возможность конструированиязаданного профиля дисперсии групповой скорости волноводных мод. Предложен алгоритм создания световодных элементов на основе МС-волокон,позволяющих реализовать высокоточную компенсацию дисперсии, вносимой различнымикомпонентами волоконной лазерной системы.

Продемонстрировано ускорение солитонного сдвига частоты при распространениилазерного импульса, состоящего из нескольких циклов светового поля. Показана возможность МС-волокон с малым диаметром сердцевины стабилизироватьсолитонный сдвиг частоты, что является необходимым в реализации схемы синхронизацииимпульсов накачки и затравки в оптических параметрических усилителях чирпированныхимпульсов. Разработана оригинальная техника спектрального сжатия фемтосекундных лазерныхимпульсов, основанная на использовании МС-волокна с аномальной дисперсией групповойскорости.

Продемонстрирована возможность формирования в полых фотонно-кристаллическихволокнах солитонов гигаватного уровня мощности. Было показано, что МС-волокно с надлежащим образом выбранными параметраминелинейности и дисперсии может совмещать в себе функции нелинейно-оптическогопреобразователя спектра лазерных импульсов и синтезатора профиля фазы, обеспечивающегорезонансное возбуждение комбинационно-активных мод. Была теоретически продемонстрирована возможность полых ФК-волокон, со специальносконструированной волноводной структурой и в случае грамотного выбора параметров входногоимпульса, а также газа и его давления, обеспечивать уникальный режим широкополоснойсинхронной генерации большого числа гармоник в области мягкого рентгена и далекогоультрафиолета.Научная и практическая значимостьВыполненное в настоящей диссертации теоретическое исследование показывает, что:• активное формирование частотного профиля дисперсии и пространственного профиляполя в собственных модах МС-световодов открывает уникальные возможности достижениявысокоточного баланса дисперсии в широком спектральном диапазоне, что может бытьиспользовано для разработки новых классов волоконно-оптических источников сверхкороткихсветовых импульсов.• МС-световоды позволяют создавать компактные и эффективные волоконно-оптическиекомпоненты для когерентного управления процессами комбинационного возбуждения иоднопучковой КАРС-микроскопии.-3-• МС-волокнасоспециальнымпрофилемдисперсиипозволяютсоздаватьвысокоэффективные источники перестраиваемых по частоте коротких световых импульсов длянелинейной спектроскопии, а также для фотохимических и фотобиологических исследований,открывая новые области приложений методов фемтосекундной спектроскопии и управлениясверхбыстрыми процессами в физике, химии и биологии.• полые ФК-волокна, способные поддерживать солитонный режим распространениегигаватных лазерных импульсов, представляют значительный интерес для транспортировкивысокомощных сверхкоротких оптических сигналов, создания перестраиваемых по частотеисточников высокомощных сверхкоротких световых импульсов, а также для разработкиволоконных инструментов лазерной хирургии и офтальмологии.• волноводные режимы генерации гармоник высокого порядка в полых ФК-волокнахпредлагают удобный способ создания коротковолновых источников излучения, востребованные вспектроскопии и биомедицинских приложениях.Защищаемые положения:I.