Диссертация (1103411), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Использование современныхволоконно-оптических технологий в науках о жизни предлагает уникальныевозможности для визуализации биологических объектов, например, позволяет неинвазивно исследовать глубокие слои тканей живых животных [216,217], проводитьанализ функциональности нейронов мозга [218] или экспрессии генов [219]. Однако,при распространении сверхкоротких мощных лазерных импульсов в протяженныхсветоводах сложно избежать проявления дисперсионных и нелинейно-оптическихэффектов, которые могут исказить первоначальную форму импульса.
К приведеннымвыше факторам стоит добавить высокую вероятность повреждения сердцевинысветовода мощным лазерным излучением. Эти эффекты является главнымиограничителями на пути развития нелинейно-оптических методик эндоскопии ивизуализации, предъявляющих высокие требования к качеству лазерных импульсовнакачки. Предварительное фазовое модулирование сверхкороткого импульса дляувеличения его длительности и понижения пиковой мощности представляетсянаиболее удобным подходом для решения проблемы самовоздействия и пробоямощного излучения в световоде.В предыдущем параграфе были показаны преимущества в использовании фазовомодулированныхимпульсовдляпроведенияспектроскопиикогерентногоантистоксова рассеяния света (КАРС) с высоким спектральным разрешением.Характерныепиковыемощностиимпульсоввпроведенныхэкспериментахсоставляют величины около 1 кВт (импульсы энергией 10 нДж длительностью 10 пс).Оценка нелинейной длины Lнл = 1/γP для такого импульса в твердотельномодномодовом световоде с диаметром сердцевины 8.2 мкм ( 2 Вт–1км–1 [116])показывает, что возможно осуществить его передачу по световоду на расстояния до50 см, не беспокоясь о проявления самовоздействия.
Конечно, при прохождениисверхкоротких импульсов с широким спектром необходимо учитывать дисперсиюгрупповых скоростей, которая увеличивает нелинейную длину, если импульсрасплывается,иуменьшает,еслиимпульсиспытываеткомпрессиюприраспространении. Реализуемый в нашем случае отрицательно чирпированныйимпульс немного поджимается по времени, но оценка допустимой длины световода- 78 остается справедливой. Таким образом, реализованная система для КАРСспектроскопии с фазово-модулированными импульсами является подходящейплатформойдляразвитияэндоскопиинабаземетодиккогерентногокомбинационного рассеяния света.Отметим, что наиболее оптимальным способом доставки мощных сверхкороткихимпульсовявляетсяиспользованиеполыхфотонно-кристаллических(ФК)световодов, поддерживающих распространяющуюся моду излучения в воздухе, чтопозволяет практически избавиться от воздействия на импульс нелинейных эффектов[220,221].Путемсозданияспециальнойструктурыфотонно-кристаллическойоболочки полого волокна, принципиально возможно реализовать необходимые дляконкретного эксперимента фотонные запрещенные зоны и кривую дисперсии,наименее искажающие исходные импульсы накачки.
В связи с отсутствиемвозможности получения ФК волокна со специальными параметрами для нашейзадачи по КАРС-спектроскопии для транспортировки импульсов накачки был выбраншироко доступный коммерческий световод с твердотельный сердцевиной диаметром8.2 мкм и длиной 30 см. К достоинствам выбранного световода можно отнестиустойчивость к внешним условиям и возможность работы с жидкими образцам.ДГС, пс/нм/км-400-350-300-250-200-150-100-50600 650 700 750 800 850 900 950(а)(б)Длина волны, нмРис.3.2.1.
(а) Модернизированная лазерная система для проведения КАРСспектроскопии с помощью фазово-модулированных импульсов с волоконнойдоставкой излучения. (б) Дисперсия групповых скоростей световода, используемогодля передачи импульсов накачки к исследуемому объекту, используемые вэксперименте (экспериментальные данные (синие квадраты), теоретический расчет(черная кривая)).- 79 -Эксперименты проводились на базе лазерной системы для проведения КАРСспектроскопии с фазово-модулированными (линейно чирпированными) импульсами(рис.3.2.1.а), подробное описание которой представлено в параграфе 3.1. Излучение всветовод заводилось и коллимировалось на выходе из волокна микрообъективамиЛОМО с увеличением x8 и числовой апертурой NA=0.2. Перед заводящимобъективом исходная энергия импульсов накачки на длине волны 650 нм составляла12 нДж, а стоксовых импульсов на длине волны 800 нм - около 3 нДж. Мощностьизлучения была подобрана так, чтобы волновод не деградировал в процессеэксперимента и спектры импульсов не претерпевали видимых изменений прираспространении.
Излучение, доставленное до тестового образца по световоду,жестко фокусировалось в объект исследования микрообъективом Olympus x40 с NA =0.65, формируя пиковую интенсивность в фокальном пятне около 6×1010 Вт/см2. Вкачестве тестовых образцов использовался кусок кварцевого стекла для записинерезонансного фона и кусок полистирола для оценки спектрального разрешениясхемы КАРС, а также временной дисторсии импульсов, вносимой дисперсионными инелинейными эффектами в световоде.
Сгенерированный нелинейный сигнал КАРСспектрально очищался от фона при помощи оптических фильтров и детектировалсяфотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Оптические фильтры высоких частот былиустановлены, чтобы отрезать лазерное излучение, а оптические полосовые фильтр,чтобы выделить спектральную область, в которой генерируется сигнал КАРС(рис.3.2.1.а). Перед объективом, фокусирующим излучение в образец, был установленфильтр низких частот, пропускающий излучение с длиной волны больше 610 нм, чтонеобходимо для подавления генерирующегося в световоде нерезонансного сигнала наантистоксовой частоте.Важной частью работы являлось измерение дисперсии групповых скоростей(ДГС) волновода. Дисперсию волокна можно определить, измерив фазовой набег длякаждой спектральной компоненты прошедшего через световод сверхкороткогоимпульса.
Определение спектральной фазы импульса до и после волокнаосуществляласьприпомощиметодикимногофотоннойвнутриимпульснойспектральной интерференции (Multiphoton Intrapulse Interference Pulse Spectrum(MIIPS)) [222]. В этой методике необходимо измерить изменение профиля- 80 спектральной фазы импульса до и после волокна: outin. Измерив длинуволокна L и дважды продифференцировав изменения спектральной фазы, получаемДГС образца световода GVD = - d2/d2/L×2c/2. Измерения проводились дляразных пространственных мод, которые укладываются в один интервал погрешности.Мощность заводимого в волокно излучения поддерживалась такой, чтобы избежатьнелинейных эффектов (контроль проводился по спектру выходного излучения).
Былаизмерена дисперсия групповых скоростей для нашего световода с диаметромсердцевины 8.2 мкм в районе длины волны 800 нм, которая составила 150±15 пс/(нмкм) (рис.3.2.1.б). Полученное значение хорошо соотносится с результатами измеренияДГС для стандартного телекоммуникационного световода с NA = 0.14 [116].Дисперсия на длине волны 650 нм была оценена с помощью линейной интерполяцииполученных данных для области 800 нм, что дало оценку 310±35 пс/нм/км. Затембыла построена кривая дисперсии (рис.3.2.1.б) для нашего одномодовго волокна сдиаметром сердцевины 8.2 мкм и , NA = 0.14. Была использована библиотекафункций математического комплекса matlab для вычисления дисперсии волокон соКАРС сигнал, отн.
ед.ступенчатым профилем показателя преломления.2,01,51,00,50,00510 15 20 25 30 35 40Время, псРис.3.2.2. Кросс-корреляция импульсов накачек при взаимодействии в среде(стеклянная пластинка) не обладающей комбинационными резонансами. КАРСсигнал записанный без световода (зеленые точки) и после распространенияимпульсов по световоду (красные точки), сплошные кривые показываютаппроксимацию гауссовой функцией- 81 Используемые в схеме КАРС-спектрометра решеточные стретчеры создают такуюфазовую модуляцию импульса накачки, при которой коротковолновые составляющиеспектра импульса опережают длинноволновые (отрицательный линейный чирп).
Сдругой стороны измерение ДГС световода на длинах волн импульсов накачекпоказало, что излучение в волокне распространяется в области нормальнойдисперсии. Таким образом, после распространения в волноводе модуль линейногочирпа уменьшается, а импульсы становятся короче. Влияние ДГС световода надлительности импульса было продемонстрировано при записи нерезонансного КАРСсигнала из кварцевого стекла после распространения импульсов накачки по световоду(рис.3.2.2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
