Диссертация (1103411), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В оптических волокнах дисперсия состоит из материальнойчасти, определяемой дисперсией кварца, и волноводной составляющей. Влияниеволноводной составляющей дисперсии тем значительнее, чем меньше диаметрсердцевины световода. В случае МС-световодов волноводная дисперсия можетзначительно сместить ноль дисперсии групповых скоростей в коротковолновуюобласть [128].
Однако для излучения лазера на кристалле Cr:forsterite (1.25 мкм)достаточно лишь немного «сдвинуть» ноль дисперсии групповых скоростей в синююобласть спектра, чтобы обеспечить распространение импульсов накачки в сердцевиневолокна либо вблизи нуля дисперсии групповых скоростей, либо в режимеаномальной дисперсии. Эти режимы распространения могут обеспечить либогенерацию суперконтинуума и формирование оптических солитонов.
Достаточныйдля этих целей сдвиг длины волны нуля дисперсии волокна можно осуществить приотносительнобольшихдиаметрахсердцевины(3-5мкм),чтопозволяетреализовывать преобразование мощных лазерных импульсов в широкополосноеизлучение или осуществить солитонный самосдвиг частоты [186–189]. Для накачкиМС-волокон с увеличенной сердцевиной (3-5 мкм) предпочтительнее иметь источниквысокоэрегетичных импульсов для достижения интенсивностей, достаточных дляосуществления эффективных нелинейно-оптических преобразований. РеализованныйCr:forsterite генератор с удлиненным резонатором позволяет получать импульсы сэнергией до почти 20 нДж, что позволяет эффективно осуществлять спектральновременные преобразования в МС-волокнах и получать на выходе импульсы с высокойпиковой мощностью, достаточной для реализации нелинейно-оптических методикспектроскопии.
Кроме того, Cr:forsterite генератор обладает высокой (мегагерцовой)частотой следования импульсов – важным фактором при проведении сканирующеймикроскопии. [184]. Все указанные факторы делают реализованный источник- 50 фемтосекундных импульсов на кристалле Cr:forsterite удобным инструментом длясоздания системы для нелинейно-оптической микроскопии§2.2Генерацияперестраиваемыхсверхкороткихимпульсовзасчетсолитонного самосдвига частотыКак обсуждалось ранее, многие методики нелинейно-оптической спектроскопиитребуют наличие лазерных источников с перестраиваемыми параметрами импульсов(длительностьицентральнаядлинаволны).Вчастности,длянаиболеераспространенного двухцветного варианта спектроскопии когерентного антистоксовасвета (КАРС) требуется как минимум один перестраиваемый источник дляреализации резонансного возбуждения исследуемых резонансов.
В задачи работывходитразвитиетехникиКАРС,необходиматрибутомкоторойявляетсяперестраиваемое лазерное излучение. Для выполнения этих целей нами былареализована перестраиваемая по частоте в ближней ИК области спектра лазернаясистема на базе генератора сверхкоротких импульсов на кристалле Cr:forsterite имикроструктурированного (МС) световода. Световод подбирался таким образом,чтобы центральная длина волны импульсов задающего генератора 1.25 мкмнаходилась в области аномальной дисперсии групповых скоростей, что являетсянеобходимым условием формирования оптических солитонов. Распространениесолитонов в среде с запаздывающей комбинационной (рамановской) нелинейностьюоптических фононов кварца в стеклянном световоде сопровождается постепеннымсдвигом центральной частоты импульса в длинноволновую область спектра [138,139].Данное явление, получившее название солитонного самосдвига частоты (ССЧ),позволяет создавать волоконно-оптические компоненты для плавной регулируемойперестройки центральной длины волны сверхкоротких лазерных импульсов.Микроструктурированные волокна обеспечивают существенное увеличение скоростиССЧ за счет высокой степени концентрации лазерного излучения в сердцевине МСволокна с малой площадью поперечного сечения [190,191].
Центральная длина волныгенерируемых солитонов на выходе из световода зависит от коэффициента- 51 нелинейности, дисперсии и длины волокна, а также энергии, длительности и чирпавходных лазерных импульсов [139,192].Для реализации перестраиваемого источника мы ограничились подборомконкретного МС волокна из уже имеющегося ряда световодов, обладающих областьюаномальной дисперсии на длине волны 1.25 мкм.
Выбранный МС-световодобеспечивает эффективную площадь моды 20 мкм2 и параметр нелинейности 10Вт–1км–1 на длине волны 1 мкм (поперечный профиль световода представлен навставке к рис.2.2.1.б) [186]. Дисперсия групповых скоростей световода проходитчерез ноль на длине волны 960 нм и монотонно возрастает от 0 до 110 пс/(нм км) в(в)Интенсивность, отн. ед.(а)1201,01000,8800,6600,4400,2200,01100 1200 1300 1400 1500 16000ДГС,пс/(нм км)Интенсивность, отн.
ед.диапазоне длин волн от 960 до 1650 нм (штрих пунктирная линия на рис.2.2.1.а).Длина волны, нм1,012(б)30,5450,01425150015751650Длина волны, нм(г)Рис.2.2.1. (а) Спектр импульса лазера Cr:форстерит (пунктирная линия) испектр излучения из МС световода протяженностью 20 см, измеренный при входнойэнергии импульса накачки 5 нДж (сплошная линия); (б) XFROG-карта солитона надлине волны 1650 нм длительностью 55 фс; (в) спектры сдвинутых по длине волнысолитонов в МС-волноводе при энергии заводимого в световод импульса 3.5 нДж (1),4 нДж (2), 4.4 нДж (3), 4.9 нДж (4), 6.3 нДж (5), и 7.5 нДж (6);(г)спектрохронограмма изменения временной задержки солитона относительноимпульса из лазера накачки от его центральной длины волны.- 52 Использование асферических микролинз с высокой числовой апертурой ипросветлением на длины волны 1.25 мкм позволило добиться эффективностизаведения излучения лазера в МС-световод протяженностью 20 см до 75%.
Призаведении импульсов накачки с длительностью 68 фс и энергией 5 нДж (рис.2.2.1.а) вспектре излучения на выходе из волокна выделяется изолированный по спектрусолитон на длине волны 1550 нм длительностью 47 фс. Сценарий нелинейнооптической трансформации подтверждается проведенным в нашей лабораториитеоретическим анализом эволюции импульса в волокне с заданным профилемдисперсии на основе решения обобщенного нелинейного уравнения Шредингера[186]. Эффективность преобразования энергии из импульса накачки в солитонзависит от центральной длины волны последнего и достигает 35%. В экспериментедлительностиимпульсовизмерялисьприпомощиметодикиоптическогостробирования с разрешением по частоте в кристалле бета-бората бария (BBO)(Cross-correlation Frequency Resolved Optical Gating, XFROG) толщиной 0.5 мм [181].В качестве эталона был взят импульс из лазера на длине волны 1.25 мкм, параметрыкоторого измерялись независимо с помощью методики SHG FROG.
На рис.2.2.1.бпоказана типичная спектрохронограмма, полученная при измерении солитонногоимпульса на длине волны 1640 нм, его длительность составила 55 фс.Солитон с большей энергией испытывает более сильный частотный сдвиг,поэтому одним из методов управлении перестройкой солитонов по частоте являетсяизменение энергии заводимого в световод импульса накачки. Варьирование энергииимпульса накачки при помощи аттенюатора позволила нам реализовать источникперестраиваемых по длине волны импульсов в диапазоне от 1300 до 1800 нм(рис.2.2.1.в), длительностью от 47 фс до 70 фс, энергией 1-2.5 нДж и пиковоймощностью до 40 кВт (частота следования импульсов 20 МГц). Импульсы с разнымицентральными длинам волн распространяются в световоде с различными групповымискоростями, это отражается на временной задержке между полученными наразличных длинах волн солитонами, что проиллюстрировано методикой XFROG присмешении солитона и импульса из лазера в нелинейном кристалле (рис.2.2.1.г).Спектрохронограмма демонстрирует принципиальную возможность синхронизациипо времени перестраиваемых по частоте солитонов и импульсов на основной длине- 53 волны лазера Cr:forsterite, что важно для дальнейшей реализации методов нелинейнойспектроскопии.Небольшие флуктуации мощности вводимого в волокно импульса приводят кнежелательным изменениям центральной длины волны солитона, и следовательно кфлуктуациям времени задержки смещенного по частоте солитона (рис.2.2.1.г), чтоограничивает точность временной синхронизации смещенного по частоте солитона сосверхкоротким импульсом накачки в схемах нелинейно-оптической спектроскопии.Однако, существуют условия, позволяющие заметно снизить влияние подобнойнестабильности.
Начальный этап «быстрого» ССЧ может сменяться режимом, вкоторомсмещениечастотысолитонасущественнозамедляется.Частотнаязависимость ДГС и обусловленное дифракцией увеличение в области длинных волнэффективнойплощадиволноводноймодыприводятксуществованиюасимптотического предела ССЧ, определяемого профилем дисперсии и видомчастотной зависимости площади волноводной моды.
Замедление ССЧ уменьшаетнежелательные изменения центральной длины волны и флуктуации временизадержки смещенного по частоте солитона относительно импульса на входе волокна.Это обстоятельство позволяет улучшить стабильность и точность временнойсинхронизации импульсов накачки в схемах нелинейно-оптической спектроскопии[191–193].В заключение отметим, что на основе лазерного генератора на кристаллеCr:forsterite и МС-световодов был разработан источник плавно перестраиваемых почастоте сверхкоротких импульсов в диапазоне длин волн от 1.25 мкм до 1.8 мкм сдлительностями от 47 фс до 70 фс и энергиями до 3 нДж. Данная лазерная системапредставляет собой простой, дешевый и надежный инструмент для реализацииразличных методик нелинейной спектроскопии и микроскопии. В параграфах 3.3, 3.4и 3.5 диссертационной работы представлены конкретные области практическогоприложенияэтогомикроспектроскопии,источника,использующейвчастности,созданиянелинейно-оптическогосхемыКАРСпреобразованияперестраиваемых импульсов для улучшения спектрального разрешения и увеличениячувствительности методики.- 54 §2.3 Многофункциональный фемтосекундный лазерный комплекс на основеTi:sapphireгенератора,многопроходногоусилителяиоптическогопараметрического усилителяРяд экспериментов был проведен на многофункциональном фемтосекундномлазерном комплексе (ОАО «КДП», Россия), имеющийся в распоряжении нашейлаборатории.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
