Диссертация (1103411), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Особый интереспредставляют подходы, обладающие высокой химической селективностью, ккоторым относятся методики на базе спонтанного/когерентного комбинационногорассеяния света и поглощения в средней ИК области спектра. Развитие этих подходоввозможно как с использованием традиционных лазерных источников света, так и сприменением последних достижений в области управляемого дистанционногоформирования источников лазерного излучения, в частности, фемтосекундногофиламента, излучающих свет в обратном направлении.Таким образом, в заключение главы можно отметить, что развитие технологийгенерации сверхкоротких импульсов дало мощный толчок к применению и развитиюхорошо известных методик нелинейно-оптической спектроскопии для целеймикроскопии и дистанционного зондирования объектов.
Центральная длина волны вближней ИК области спектра широко распространенных источников фемтосекундныхимпульсов на кристалле Ti:sapphire хорошо подходит для исследования сильно- 45 рассеивающих биологических сред, а также благоприятна для распространения подлинным трассам в большинстве известных газов. Малая длительность импульсовпозволяет избежать лавинного образования электронов, тем самым повышая уровеньпробоя материалов и позволяя использовать более мощные импульсы. Доступные засчет нелинейно-оптических преобразований импульсные источники среднего ИКдиапазона частот представляют большой интерес для задач колебательнойспектроскопии и исследования динамики процессов внутренних степеней движениямолекул при резонансном возбуждении.Спектр приложений нелинейно-оптических методик неуклонно увеличивается, итематиканастоящейдиссертационнойработывключаетширокийдиапазонисследований в области применения нелинейно-оптических взаимодействия в схемахкогерентного оптического зондирования с использованием сверхкоротких лазерныхимпульсов в спектральном диапазоне от 0.6 мкм до 11 мкм.
Сильный акцент в работесделаннаразработкуновыхволоконныхисточниковперестраиваемыхфемтосекундных импульсов и их интеграцию с нелинейно-оптическими кристалламис целью реализации компактной лазерной системы для проведения КАРСмикроспектроскопии объектов различной природы.Глава 2. Экспериментальная техника и методика измеренийВ нашей работе мы использовали существующие и развивали новые источникисверхкоротких лазерных импульсов, которые в дальнейшем использовались длямодернизации методик линейной и нелинейно-оптической микроспектроскопии.Основой лазерных установок служили генераторы фемтосекундных импульсов накристаллахCr:forsteriteиTi:sapphireсмегагерцовойчастотойповторения.Использование многопроходного и параметрического усилителей, а также линейныхи нелинейных методик управления параметрами импульсов позволили в ходепроведения экспериментов варьировать их энергии от пикоджоулей до одногомиллиджоуля, длительности от 45 фс до 16 пс и центральные длины волн от 620 нмдо 11 мкм.В настоящей главе подробно описаны использованные в экспериментах лазерныесистемы.
В параграфе 2.1 представлен генератор сверхкоротких импульсов с высокойпиковой мощностью на кристалле Cr:forsterite. Неусиленное излучение этого лазераиспользуется для накачки МС-световода с целью осуществления нелинейнооптического спектрально-временного преобразования фемтосекундных импульсов,что представлено в параграфе 2.2. Лазерная система, описанная в этом параграфе,являетсяплатформойдляпроведенияКАРС-спектроскопииимикроскопии(параграфы 3.3, 3.4 и 3.5). В параграфах 2.3 и 2.4 приведено описаниемногофункциональногофемтосекундноголазерногокомплексанакристаллеTi:Sapphire, включающего фемтосекундный генератор, многопроходный усилитель,оптический параметрический усилитель и генератор разностной частоты.
Подробноеописание и технические параметры источника сверхкоротких импульсов среднего ИКдиапазона на базе генератора разностной частоты приведено в параграфе 2.4.Представленные в данной главе лазерные системы находятся в распоряжениилаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии кафедры общей физики иволновых процессов физического факультета и Международного учебно-научноголазерного центра МГУ имени М.В.Ломоносова.- 47 §2.1 Генератор фемтосекундных импульсов в ближнем инфракрасномдиапазоне на кристалле Cr:forsteriteОдним из основных источников сверхкоротких импульсов в проводимыхэкспериментах являлся лазерный генератор на кристалле Cr:forsterite, работающий вквазинеперывном режиме на длине волны около 1.25 мкм.
Пассивная синхронизациямод и формирование фемтосекундных импульсов в резонаторе осуществлялась засчет наведения подходящей нелинейной (керровской) линзы наиболее интенсивнымии короткими импульсами в активном элементе (Kerr-lens mode locking) [28].В процессе сборки лазера нами использовалась Z-образная схема расположенияоптических элементов резонатора (рис. 2.1.1), что позволяет компенсироватьискажение пучка при фокусировки сферическими зеркалами в кристалл активногоэлемента длиной 13 мм, ориентированный под углом Брюстера к падающемуизлучению. Резонатор содержит набор широкополосных диэлектрических зеркал длядлин волн 1.1 – 1.35 мкм, выходного зеркала с коэффициентом пропускания 12% ипары призм из высокодисперсионного стекла SF57 для компенсации спектральнойфазы, набегающей при распространении импульса воздухе, при отражении от зеркали фазовой самомодуляции в кристалле.
Источником накачки является непрерывныйволоконный иттербиевый лазер (НТО «ИРЭ–Полюс», Россия), позволяющийполучать излучение на длине волны 1.05 мкм мощностью до 10 Вт. Фемтосекундныйлазер работал в режиме генерации последовательности импульсов с частотойповторения 20 МГц в солитонном режиме.
Конструктивной особенностью нашеголазерапосравнениюскоммерческидоступнымибылоиспользованиедлиннофокусной (17 см) линзы для фокусировки лазерного излучения накачки вактивный элемент и расположенных рядом с кристаллом сферических зеркал сменьшим радиусом кривизны (8 см) [179,180]. Таким образом, был уменьшеннелинейный набег фазы в кристалле за счет фазовой самомодуляции, и лазер могработатьводносолитонномрежимеприбольшейпиковоймощностифемтосекундных импульсов. Одновременно с этим была увеличена общая оптическаядлина резонатора до 7.5 м, что увеличило время прохождения импульса порезонатору до 50 нс и время накопления инверсной населенности, соответственно.- 48 Для уменьшения дифракционных потерь при распространении импульсов врезонаторе на большой трассе в осциллятор был установлен телескоп из двухсферических зеркал с радиусами кривизны 200 см на расстоянии около 212 см друг отдруга.
В результате лазер мог генерировать импульсы длительностью 50-70 фс нацентральной длине волны 1.25 мкм с максимальной энергией до 18 нДж при частотеповторения 20 МГц. Длительность импульсов контролировались при помощиавтокоррелятора и методики оптического стробирования с разрешением по частотеSHG FROG (second harmonic generation frequency resolved optical gating [181,182]) накристалле бета-бората бария (BBO) толщиной 0.5 мм.
Анализ гребенки импульсовпроводился при помощи быстрого фотодиода InGaAs (время нарастания фронтаменее 10 нс). Разработка и сборка лазерного генератора шла в тесном сотрудничествес А.А.Ивановым (Центр фотохимии РАН).Подобный источник фемтосекундных импульсов на длине волны 1.25 мкм сэнергией около 20 нДж в импульсе и высокой частотой повторения импульсовпредставляет большой интерес для практического применения в нелинейнойспектроскопии, микроскопии и многих других методиках экспресс диагностикиобъектов [183–185].
Одна из задач, поставленная в ходе реализации лазерногогенератора, была связана с формированием на его платформе лазерной системы дляпроведения нелинейно-оптической микроскопии на основе процессов когерентногокомбинационного рассеяния света и генерации оптических гармоник.Рис. 2.1.1 Схема фемтосекундного генератора на кристалле Cr:forsterite.- 49 В качестве одного из ключевых элементов лазерной системы для нелинейнооптической микроскопии предполагался источник перестраиваемых инфракрасныхимпульсов на основе МС-волокон, и для его оптической накачки было удобноиспользовать лазерный генератор на кристалле Cr:forsterite. Центральная длина волныгенерируемых импульсов располагается вблизи нуля дисперсии групповых скоростей(ДГС) - 1.3 мкм для плавленого кварца, из которого вытягиваются используемыенами МС-световоды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
