Диссертация (1103411), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Как было отмечено выше, зависимость нерезонансного сигнала отвремени задержки между импульсами соответствует кросскорреляционной функцииимпульсов.Ширинакросскорреляционнойфункцииимпульсовпослераспространения по световоду заметно меньше - 12.3 пс (красная линия на рис.3.2.2),чем без волокна – 15.7 пс (зеленая линия на рис.3.2.2). Измерения позволяют оценитьдлительности импульсов накачек после световода - 5.0 пс и 10.1 пс на длинах волн647 и 805 нм, соответственно, тогда как перед световодом эти значения составляли6.4 пс и 12.8 пс.1,2 26001,0280030003200-1Рамановская отстройка, см34000,80,60,40,20,01050-5-10Время, пс-15-20КАРС сигнал, отн. ед.КАРС сигнал, отн.
ед.Рамановская отстройка, см1,02600280030003200-134000,80,60,40,20,01050-5-10-15-20Время, пс(б)Рис.3.2.3. КАРС спектры полистирола (синие точки), полученные без световода(а) и с использованием доставки излучения по световоду (б), красные кривыепредставляют численный расчет этих спектров.(а)Далее были проведены эксперименты по КАРС-спектроскопии тестового образца(как и в параграфе 3.1 в качестве пробного материала использовалась пластинка изполистирола)сиспользованиемсверхкороткихчирпированныхимпульсов.- 82 ПроведеносравнениезаписанныхспектровКАРСтестовогообразцаприосуществлении транспортировки импульсов накачки через световод (рис.3.2.3.б) ипрямой фокусировки излучения в образец (рис.3.2.3.а).
Сплошными кривымипредставленырезультатычисленногорасчетаКАРС-спектров,включающиеинформацию о положениях, ширинах и интенсивностях комбинационно-активныхлиний полистирола, а также известные параметры излучения. Уменьшение модулячирпа импульсов после распространения по световоду приводит к ухудшениюспектрального разрешения методики - близкорасположенные слабые резонансы начастотах, например на 2980 см-1 и 3010 см-1 (рис.3.2.3) становятся неразличимыми.Ширина узкого резонансного пика на 3052 см-1 увеличивается с 28 см-1 до 36 см-1, чтотакже связано с уменьшением спектрального разрешения до 20-25 см-1 по нашимоценкам. В целом качество получаемых спектров остается достаточным дляпроведения качественных и количественных исследований материалов со сложнымкомбинационно-активным откликом.Таким образом, в нашей работе показано, что одномодовый световод ствердотельной сердцевиной диаметром 8.2 мкм может быть использован для доставкифазово-модулированных импульсов накачки в схеме спектроскопии когерентногокомбинационного рассеяния с фазово-модулированными импульсами, проведенныеэксперименты и численный анализ позволили оценить спектральное разрешениеметодики.В первой части параграфа мы развивали методику доставки излучения дляосуществления невозмущающей спектроскопии когерентного комбинационногорассеяния света биологических тканей, а его вторая часть посвящена передаче пооптическому волокну мощных сверхкоротких лазерных импульсов для реализациифотохирургиибиологическихтканей.Вработемыэкспериментальнопродемонстрировали, что полое ФК волокно с большим диаметром сердцевиныпозволяет в волноводном формате доставлять и компрессировать во времениинфракрасные высокоинтенсивные лазерные импульсы, что может найти приложенияв оптической хирургии, и частности, нейрохирургии.Структура, использованного в наших экспериментах полого ФК волокна,включает в себя оболочку в виде периодической гексагональной фотонно-- 83 кристаллической структуры и полую заполненную воздухом сердцевину диаметром15 мкм.
Волноводная сердцевина была сформирована при изготовлении (вытяжке) засчет извлечения 19 структурных элементов (капилляров) из центральной частиволновода.Подобныйизлученияснизкимисветоводподдерживаетпотерямизасчетволноводноеформированияраспространениевпериодическиструктурированной оболочке фотонно-запрещенных зон, которые определяютобластипропусканияволокна[223].Структураиспользованноговнашихэкспериментах полого ФК волокна поддерживает область пропускания с центром надлине волны 1060 нм, что является удобным для эффективной доставки импульсовиттербиевого лазера (штрих-пунктирная линия на рис.3.2.4.а). Развитие в последниегоды мощных, компактных, полностью волоконных систем на базе иттербиевыхтехнологий генерации микроджоулевых фемтосекундных импульсов с высокойчастотой повторения открывают большие перспективы для появления новыхинструментов в медицинской оптике.Благодаря низкому порогу пробоя и низкой нелинейности газа, заполняющегополую сердцевину, через полые фотонно-кристаллические волокна могут бытьдоставлены лазерные импульсы с высокой пиковой мощностью без искаженияспектра [220].
Однако, сильная волноводная дисперсия в полых ФК волноводахможет вызывать удлинение сверхкоротких лазерных импульсов, что ограничиваетдиапазон их приложений, основанных на нелинейно-оптических эффектах. Нашподход к решению данной проблемы основывается на использовании важного общегосвойства дисперсии групповых скоростей волноводных мод полых ФК волокон,которая стремится к нулю в середине зоны пропускания и становится аномальной приувеличении длины волны. Чтобы наглядно продемонстрировать этот подход, мыиспользовали импульсы длительностью 100 фс на длине волны 1070 нм (сплошнаялиниянарис.3.2.4.а)изоптическогопараметрическогоусилителя(ОПУ),накачиваемого усиленными импульсами лазера на кристалле Ti:Sapphire (подробноописан в параграфе 2.3).
На рисунках 3.2.4.б и 3.2.4.в представлены карты XFROGэтих импульсов на длине волны 1070 нм, записанные с использованием опорногоимпульса из Ti:Sapphire лазера с центральной длиной волны 795 нм и длительностью50 фс. Карты XFROG получены для импульсов с начальным линейным чирпом -1500фс2 для случаев до и после прохождения полого ФК волокна. Из проведенных- 84 измерений видно, что волоконная дисперсия растягивает импульс от начальнойдлительности 100 фс до 490 фс на выходе из волокна.
Вычисленная из карт XFROGволоконная дисперсия имеет аномальный характер, что открывает возможности дляпростых схем компенсации исходного чирпа и получения коротких импульсов на1,00,80,80,60,60,40,40,20,20,08009000,01000 1100 1200 1300Длина волны, нм(а)(б)(в)470460450440-600 -3000300Время, фс600500ДГС, пс/нм/кмДлина волны480470460450440430Длина волны, нм1,0Интенсивность, отн. ед.Пропускание, отн. ед.выходе волокна.0500100015002000Время, фс4003002001000-1001020 1040 1060 1080 1100 11202500(г)Длина волны, нмРис. 3.2.4. (а) Спектр пропускания полого ФК волокна (пунктирная линия),спектр импульса иттербиевого лазера (штрих-пунктир), спектр импульса из ОПУ(сплошная линия). (б) и (в) карты XFROG для зондирующего импульса, измеренные навходе и на выходе полого ФК волокна длиной 1 м с гексагональной структурой ФКоболочки и диаметром сердцевины 15 мкм.
(в) Полученный из карт XFROGспектральный профиль ДГС волокна.Для демонстрации возможности подобной компенсации с помощью волоконнойдисперсии в исходные лазерные импульсы вносился чирп при помощи набораплоскопараллельных кварцевых пластинок общей длиной 16 см. Карта XFROG длярастянутого таким способом исходного импульса с длиной волны 1070 нм из ОПУ додлительности 510 фс показана на рис 3.2.5.а. Временная огибающая и чирпрастянутых импульсов, полученные из карт XFROG, показаны на рис 3.2.5.б.- 85 Удлинение импульса в основном обусловлено линейным чирпом, величина которогооценена в 6540 фс2. Полученный из карт XFROG спектр растянутых импульсов(сплошная линия на рис.
3.2.5.в) хорошо совпадает с непосредственным измерениемспектра (заполненные кружки на рис. 3.2.5.в). Спектральная фаза этих импульсов,также полученная из измерений XFROG (пунктирная линия на рис. 3.2.5.в),470460450600201000,5-100,0-600-3000300-20600Время, фс201,015100,5500,01000105011001150-50300600201,01000,5-100,0-600-3000300-20600Время, фс(д)Спектральная фаза, рад(б)440-600 -300Время, фс(г)1,0450201,015100,5500,01000105011001150-5Спектральная фаза, радИнтенсивность, отн. ед.300Время, фс(а)Интенсивность, отн. ед.0Интенсивность, отн. ед.-300Интенсиновсть, отн. ед.440-600460Временная фаза, радДлина волны, нм470Временная фаза, радДлина волны, нмпоказывает внесенный растяжением импульса параболический профиль фазы.Время, фсДлина волны(в)(е)Рис.3.2.5 Характеризация лазерных импульсов на входе (а-в) и на выходе (г-е)полого ФК волновода: (а) и (г) – карты XFROG для (а) входящего и (г) выходящего изволокна импульса; (б) и (д) – временные огибающие (сплошные линии) и чирпы(пунктирные линии) для (б) входящего и (д) выходящего из волокна импульса; (в) и (е)– измеренные спектры(закрашенные кружки), спектры, восстановленные из картXFROG (сплошные линии) и спектральные фазы (пунктир) для (в) входящего и (е)выходящего из волокна импульса.- 86 -Растянутые световые импульсы энергией около 0.8 мкДж заводились в отрезокполого ФК волновода длиной 21 см при помощи микрообъектива с числовойапертурой NA = 0.2.
Для выбранных пара метров волокна и излучения B-интегралбыл меньше единицы, где∫,= 1.05 мкм- длина волны,= 3.2×10-19 см2/Вт - нелинейный показатель преломления воздуха,-интенсивность излучения. Таким образом, эффекты, связанные с нелинейнымнабегом фазы, были пренебрежимо малы. Измеренная для импульсов на выходе изволокна карта XFROG (рис. 3.2.5.г) и восстановленный по ним профиль временнойфазы (пунктир на рис. 3.2.5.д) показывают что большая часть линейной частивходного чирпа была скомпенсирована дисперсией волокна, что восстановилодлительность импульса до 110 фс и обеспечило пиковую мощность порядка 5 МВтпри энергии импульса 0.55 мкДж.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
