Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах, страница 5

В результатетакого взаимодействия часть энергии излучения поля накачки с частотой ω p преобразуется вэнергию стоксовой и антистоксовой компонент на центральных частотах ωa и ωs соответственно[55]. Было продемонстрировано, что для обеспечения высокой эффективности четырёхволновоговзаимодействия, МС-волокна с кварцевой сердцевиной за счёт возможности активногоформирования профиля дисперсии позволяют добиться выполнения условия фазовогосогласования: ∂2β Ω4  ∂ 4 β Ω6  ∂ 6 β ∆β = β s + β a − 2 β p = 2γ P + Ω 2  2  ++ 4 6  + K = 0, ∂ω ω p 12  ∂ω ω p 60  ∂ω ω pгде γ( 3)─ коэффициент нелинейности волокна, P ─ мощность импульса накачки,Ω = ω − ωs = ωa − ω ─ частотная отстройка, а β p , β s , β a ─ постоянные распространениянакачки, стоксова и антистоксова сигналов соответственно.Как показано в параграфе §4.2.2, одним из наиболее ярких примеров вырожденногопараметрического четырёхволнового взаимодействия является модуляционная неустойчивость воптических волокнах, которая понимается как неустойчивость светового поля относительнослабой модуляции его временной огибающей на определённой частоте, возникающей врезультате шумовых процессов или вследствие взаимодействия накачки со слабым внешнимсигналом.

Параметрическое усиление такой модуляции приводит к появлению интенсивныхбоковых компонент в спектральном представлении и распаду стационарного поля напоследовательность коротких импульсов во времени. Оказалось, что форма светового поля,модифицированная модуляционной неустойчивостью, идеально подходит для резонансноговозбуждения комбинационно-активных степеней свободы атомных и молекулярных систем,связанных с колебательными и вращательными движениями, а также электронными переходамив системе [10, 17].

Другими словами, явление модуляционной неустойчивости в МС-волокнахпозволяет реализовать технику микроспектроскопии, основанную на процессе когерентногоантистоксова рассеяния света, схема которого представлена на рис. 7.- 14 -Рис. 7. Схема процесса когерентного антистоксова рассеяния света.На основании результатов численного анализа, был сделан вывод, что МС-волокно снадлежащим образом выбранными параметрами нелинейности и дисперсии может совмещать всебе функции нелинейно-оптического преобразователя спектра лазерных импульсов исинтезатора профиля фазы, обеспечивающего резонансное комбинационное возбуждениекомбинационно-активных мод. Это позволяет на основе МС-световодов создавать компактные иэффективные волоконно-оптические компоненты для когерентного управления процессамикомбинационного возбуждения и однопучковой КАРС-микроскопии.Для параметрического преобразования частоты в режиме скалярной самоиндуцированноймодуляционной неустойчивости необходимо обеспечить аномальную дисперсию групповойскорости на центральной частоте излучения накачки и использовать преимущественно импульсыпикосекундной длительности.

Эти требования перестают быть необходимыми длядвухчастотных взаимодействий лазерных импульсов, сопровождаемых модуляционныминеустойчивостями, индуцируемыми явлением фазовой кросс-модуляции. Параграф §4.2.3посвящён теоретическому исследованию модуляционной неустойчивости, индуцированнойявлением фазовой кросс-модуляции в поле попутных частотно разнесённых фемтосекундныхлазерных импульсов в МС-волокне и его сравнению с экспериментальными данными.Представленные результаты указывают на возможность использования явления кроссмодуляционной неустойчивости для эффективного параметрического преобразования частотыфемтосекундных лазерных импульсов малой мощности [23, 29]. Показано, что управлениеамплитудой и частотным сдвигом боковых компонент, генерируемых в спектре пробного поля навыходе из МС-волокна за счёт параметрического четырёхволнового взаимодействия, может бытьосуществлено путём изменения интенсивности поля накачки.Как продемонстрировано в параграфе §4.2.4, микроструктурированные световодыпозволяют наблюдать новые, необычные режимы одного из ключевых явлений нелинейнойоптики ─ генерации третьей гармоники [7, 9, 13, 14].

Сверхкороткие световые импульсы,распространяющиеся в МС-волокнах в режиме аномальной дисперсии, формируют оптическиесолитоны, которые претерпевают низкочастотный спектральный сдвиг, обусловленныйзапаздывающей оптической нелинейностью материала волокна. Такие солитоны могут служитьполем накачки для процесса генерации третьей гармоники [14]. В многомодовых световодах длякоротковолнового излучения непрерывно смещаемая частота солитона проходитпоследовательность резонансов фазового согласования с волноводными модами поля третьейгармоники (см. рис.

8). Вследствие этого, в спектре третьей гармоники на выходе волокнанаблюдаются последовательности интенсивных пиков, центральные частоты которыхсущественно отличаются от утроенной начальной частоты поля накачки на входе в волокно [13].- 15 -1,21,41,6дисперсионные волны1,80,91,36солитон0,6neff1,320,31,281,240,350,400,450,500,550,00,60Спектральная интенсивность, отн. ед.Длина волны солитона, мкм1,01,40Длина волны третьей гармоники, мкмРис. 8.

Сплошной черной линией показан экспериментально измеренный спектр третьей гармоники на выходеиз МС-световода длиной 30 см. Утолщенной темно-синей линией показана зависимость эффективногопоказателя преломления солитона nsol от длины волны. Тонкими сплошными линиями показаны зависимостиэффективных показателей преломления nm волноводных мод высокого порядка.Таким образом, МС-волокна с благоприятным профилем дисперсии, обеспечиваютвысокую эффективность процесса генерации третьей гармоники в поле солитонной накачки, чтопозволяет существенно расширить функциональные возможности фемтосекундных лазерныхисточников ИК-диапазона, открывая пути использования таких лазерных систем дляинициирования и время-разрешенного исследования широкого класса фотохимических ифотобиологических процессов.В параграфе §4.2.5 показано, что полые фотонно-кристаллические волокна соспециальным профилем дисперсии обеспечивают выполнение условий фазового синхронизмадля параметрической генерации третьей гармоники в режиме изолированных волноводных мод,локализованных в полой сердцевине волокна.

Для рассмотрения возможности полученияфазового согласования в случае процесса нелинейно-оптического взаимодействия3ω = 2ω + 2 ω − ω импульсов основного излучения хром-форстеритовыго лазера на частоте ω иего второй гармоники были рассчитаны дисперсионные свойства полого ФК-волокна, имеющегопериод структуры оболочки порядка 4.6 мкм и диаметр сердцевины 13 мкм (см. рис. 1г).Для наиболее эффективной генерации нелинейного сигнала необходимо, чтобы фазоваярасстройкаδβ = β 3ω − ( β 2' ω + β 2''ω − βω ) ,где βω, β 2′ω , β 2′′ω , β3ω(4)- постоянные распространения волноводных мод, участвующих вчетырехволновом взаимодействии, была равна нулю.

Теоретический анализ показал, чтодисперсия волноводных мод полого фотонно-кристаллического волокна, структура которогопоказана на рис. 1г, оказалась устроена таким образом, что существует единственное сочетаниеволноводных мод, при котором возможно получение фазового синхронизма для описанноговыше параметрического процесса. Только в том случае, когда основное излучение хромфорстеритового лазера с частотой ω распространяется в фундаментальной моде волокна, а еговторая гармоника на частоте 2ω — в моде второго порядка, возможна синхроннаяпараметрическая генерация третьей гармоники в виде суперпозиции мод второго порядка.Сценарий взаимодействия волноводных мод схематично проиллюстрирован на рис.

9б.- 16 -(а)0,65-100,30,00,4010∆β, cмИнтенсивность, усл. ед.0,92ωω2ω+-=3ω(б)-50,410,420,43Длина волны, мкмРис. 9. (а) ─ расстройка δβ = β3ω − β 2′ω − β 2′′ω + βω постоянных распространения (сине-зелёная кривая)волноводных мод, участвующих в четырехволновом взаимодействии 3 ω = 2ω + 2 ω - ω, а такжеэкспериментальный спектр нелинейного сигнала (темно-синяя кривая), генерируемого в полом фотоннокристаллическом волокне импульсами основной частоты и второй гармоники излучения хром-форстеритовоголазера с энергией 2 и 3 мкДж соответственно [41, 49].

(б) ─ схема взаимодействия волноводных мод впроцессе параметрической генерации третьей гармоники в полом фотонно-кристаллическом волокне.Результаты теоретического анализа указали на возможность достижения фазовогосинхронизма параметрического процесса четырехволнового взаимодействия в спектральноминтервале шириной примерно 10 нм (см. сине-зелёную кривую рис.