Диссертация (1103411)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА»Физический факультетКафедра общей физики и волновых процессовНа правах рукописиЛанин Александр АлександровичКогерентные взаимодействия сверхкоротких импульсовближнего и среднего инфракрасного диапазонов в задачахмикроспектроскопии и дистанционного зондирования01.04.21 – Лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководителькандидат физико-математических наук, доцентАндрей Борисович ФедотовМосква, 2014-2-СодержаниеВведение .................................................................................................................................
4Глава 1. Когерентные взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов взадачах нелинейно-оптической спектроскопии .................................................... 16§1.1 Нелинейно-оптические методы микроспектроскопии с использованиемсверхкоротких лазерных импульсов ........................................................................... 17§1.2 Управление амплитудно-фазовым профилем лазерных импульсов внелинейно-оптической спектроскопии когерентного комбинационного рассеяниясвета ................................................................................................................................ 26§1.3 Спектрально-временные преобразования лазерных импульсов вмикроструктурированных световодах для когерентной нелинейно-оптическойспектроскопии ...............................................................................................................
34§1.4 Фемтосекундные импульсы в задачах дистанционного зондирования .......... 39Глава 2. Экспериментальная техника и методика измерений ................................ 46§2.1 Генератор фемтосекундных импульсов в ближнем инфракрасном диапазонена кристалле Cr:forsterite .............................................................................................. 47§2.2 Генерация перестраиваемых сверхкоротких импульсов за счет солитонногосамосдвига частоты ....................................................................................................... 50§2.3 Многофункциональный фемтосекундный лазерный комплекс на основеTi:sapphire генератора, многопроходного усилителя и оптическогопараметрического усилителя .......................................................................................
54§2.4 Генерация перестраиваемых импульсов в среднем инфракрасном диапазоне впроцессе генерации разностной частоты .................................................................... 57Глава 3. Микроспектроскопия когерентного комбинационного рассеяния света сиспользованием оптических волокон и фазово-модулированных импульсовнакачки ................................................................................................................................ 61§3.1 Спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) сиспользованием фазово-модулированных импульсов .............................................. 62-3§3.2 Волоконные компоненты для доставки сверхкоротких лазерных импульсовдля проведения спектроскопии КАРС и оптической хирургии ткани мозга .......... 76§3.3 Генерация перестраиваемых по частоте и длительности сверхкороткихимпульсов с использованием микроструктурированных световодов и нелинейныхкристаллов для КАРС-микроскопии ...........................................................................
87§3.4 Трехмерная визуализация с высоким пространственным разрешениемраспределения плотности когерентных оптических фононов в алмазных пленках спомощью неусиленных сверхкоротких импульсов ................................................. 100§3.5 КАРС-микроскопия тканей головного мозга с волоконным источникомперестраиваемых фемтосекундных импульсов........................................................ 113Глава 4.
Когерентные взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсовближнего и среднего инфракрасного диапазонов для дистанционногозондирования газовых сред............................................................................................ 122§4.1 Когерентное антистоксово рассеяние света в обратном направлении длядистанционного зондирования газовых сред и атмосферы .................................... 124§4.2 Зондирование примесей в атмосфере с использованием вынужденногокомбинационного усиления лазерно-индуцированного излучения в геометриивстречных пучков ........................................................................................................
134§4.3 Измерение огибающей интенсивности и спектральной фазы импульсовсреднего инфракрасного диапазона методом широкополосного оптическогостробирования с разрешением по частоте в процессе четырехволновоговзаимодействия в газе ................................................................................................. 151§4.4 Когерентное дистанционное зондирование резонансов поглощения ватмосферном воздухе с использованием сверхкоротких импульсов среднегоинфракрасного диапазона...........................................................................................
160Заключение ....................................................................................................................... 174Приложение А. Список сокращений и условных обозначений .............................. 177Литература ........................................................................................................................ 178ВведениеАктуальность работы. Уникальные свойства лазерного излучения позволяютиспользовать его во многих областях науки и технологий на пространственновременных масштабах от единиц нанометров до сотен тысяч километров и отнескольких фемтосекунд до десятков часов и дней.
Неотделимой частью лазернойфизики является нелинейная оптика, которая привела к возникновению новыхподходов в оптической спектроскопии [1–3], метрологии [4,5], создании новыхуникальных источников когерентного излучения в различных спектральных областях[6,7]. В качестве одной из ярких демонстраций этих успехов можно привестивозникновение и стремительное развитие нелинейно-оптической (многофотонной)микроскопии, нашедшей широкое применение в биомедицине для исследования ивизуализации биологических тканей [8].
В основе многофотонной микроскопииможет быть использован один или несколько нелинейно-оптических процессов:лазерно-индуцированнаяфлуоресценцияпридвухфотонномпоглощении,когерентное комбинационное рассеяние света, генерация оптических гармоник идругие [9]. Нелинейная и когерентная природа этих оптических эффектов позволяетформировать трехмерные изображения объектов с субмикронным пространственнымразрешением, помогая определять не только внутреннюю структуру исследуемыхобъектов, но и их химический состав.Высокий порядок нелинейности оптических процессов, лежащих в основемногофотонной микроскопии, накладывает серьезные требования на пиковыеинтенсивности используемого излучения, в связи с чем, развитие нелинейнооптических методик визуализации неразрывно связано с использованием источниковсверхкоротких лазерных импульсов [10,11].
Стабильность, мегагерцовая частотаповторения и высокая пиковая мощность фемтосекундных импульсов современныхлазерных генераторов обеспечили их широкое применение в схемах многофотонноймикроскопии и биовизуализации [8,12,13]. Когерентная природа нелинейныхпроцессов открывает новые возможности для улучшения основных параметровмикроспектроскопии – спектральное, временное и пространственное разрешение, что-5диктует разработку новых технологичных источников сверхкоротких импульсов, атакже методик управления спектром, длительностью и фазой этих импульсов.Противоположнымидистанционногопопространственнымисследованияобъектовмасштабамоптическимиявляютсяметодами.задачиВысокаяспектрально-угловая яркость лазерного излучения позволила реализовать рядэффективных методик зондирования атмосферы и удаленных объектов, средикоторых особенно важными являются лидарные технологии [14,15].
Один из путейразвитиявданномнаправленииявляетсясопряжениетехникоптическойспектроскопии и дистанционного зондирования, что позволяет решать задачихимически селективного распознавания удаленных объектов [16,17]. Детектированиеобъектов на большом расстоянии требуют лазерных источников, генерирующихизлучение большой мощности, поэтому в последнее время при реализации этих задачвсе чаще используются сверхкороткие импульсы [18,19].Присущая методам нелинейной спектроскопии когерентность оптическогосигнала позволяет радикально повысить оптический отклик молекул и атомовисследуемых веществ за счет сфазированности отдельных микроскопическихизлучателей, а высокая направленность генерируемого света помогает решитьпроблему сбора полезного сигнала и увеличить чувствительность зондирования вцелом. Однако, в естественных атмосферных условиях, когерентный сигнал внаправлении «назад» является очень слабым, так что до сих пор основным методомкогерентного зондирование в обратном направлении было детектирование диффузнорассеянного излучения.
Важным шагом в этом направлении явилась демонстрациявозможности формирования удаленного когерентного источника света в воздухе,генерирующего свет как по направлению распространения импульса накачки, так ипротив него, а также обладающего всеми свойствами лазерного излучения. Недавнобыло продемонстрировано дистанционное формирование такого лазерного источникана атомах кислорода и молекулах азота, причем генерация когерентного излучения наазоте реализовывалась при филаментации мощного фемтосекундного импульса вгазовой смеси с аргоном [20–24]. Высокое качество пучка, стабильность и мощностьсгенерированных в воздухе импульсов позволят детектировать малые концентрацииразличных химических веществ в атмосфере с большой чувствительностью в схемахнелинейно-оптическоговзаимодействиявстречныхпучков,чтооткрывает-6перспективы развития новых подходов и методов когерентного дистанционногозондирования [25,26].Спектр приложений нелинейно-оптических методик неуклонно увеличивается, итематиканастоящейдиссертационнойработывключаетширокийдиапазонисследований в области применения нелинейно-оптических взаимодействий в схемахкогерентного оптического зондирования с использованием сверхкоротких лазерныхимпульсов в спектральном диапазоне от 0.6 мкм до 11 мкм.
Важный акцент работысделаннаразработкуновыхволоконныхисточниковперестраиваемыхфемтосекундных импульсов и их интеграцию с нелинейно-оптическими кристалламис целью реализации компактной лазерной системы для проведения КАРСмикроспектроскопии объектов различной природы.Цели диссертационной работы заключаются в повышении эффективностиспектроскопии и микроскопии когерентного комбинационного рассеяния света прииспользовании оптических волокон и фазово-модулированных фемтосекундныхимпульсов накачки; развитии методик когерентного дистанционного зондирования;характеризации сверхкоротких лазерных импульсов в среднем инфракрасномспектральном диапазоне.В процессе выполнения поставленных целей были решены следующие задачи:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
