Диссертация (1103411), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Временная огибающая импульса на выходе изполого ФК-волновода полученная из карты XFROG показана сплошной линией нарис. 3.2.5.д. Спектр и спектральная фаза (рис. 3.2.5.е) подтверждают, что нелинейнооптические эффекты были несущественными, что согласуется с нашей оценкой Bинтеграла. Как можно заметить из рис. 3.2.5.д и рис. 3.2.5.е нескомпенсированнаячасть фазы обусловлена дисперсией высших порядков полого ФК волокна.Сжатый по времени импульс на выходе из ФК волокна коллимировался, а затемфокусировалось на срез тканей головного мозга мыши парой асферических линз счисловой апертурой 0.55 (рис. 3.2.6.а).
Фокусировка такого пучка в пятно сдиаметром 3-5 мкм дает оценки интенсивности 30-70 ТВт/см2 и потока энергии 3-7кДж/см2. Эти значения потока энергии более чем на два порядка превосходят порогпробоя прозрачного широкозонного диэлектрика, такого как плавленый кварц [224].Полясинтенсивностямитакогоуровнядостаточныдляширокогокругабиомедицинских приложений, включая мультифотонную микроскопию [13,57],высокоточнуюлазернуюхирургию[225,226],оптическуюгистологию[47],фотоперфорацию клеточных мембран [227] или фотостимуляцию кальциевогоотклика [228].
На рис. 3.2.6.б представлено изображение области фоторазрушения всрезе ткани мозолистого тела головного мозга мыши.- 87 -Рис.3.2.6 Схема эксперимента по фоторазрушению тканей головного мозга припомощи доставленных по полому ФК волокну лазерных импульсов. Ti:S – лазерныйрезонатор на кристалле Ti:Sapphire с пассивной синхронизацией мод; МПУ –многопроходный усилитель, ОПУ – оптический параметрический усилитель, SP –набор кварцевых пластинок, ДЗ – дихроичное зеркало, ФК-световод - полое фотоннокристаллическое волокно, АЛ – асферическая линза, образцом служит срез головногомозга мыши, ФЭУ – фотоэлектронный умножитель для регистрации третьейгармоники. На вставке фотография области вызванного сверхкороткими лазернымиимпульсами фоторазрушения в мозолистом теле на срезе головного мозга мыши.Таким образом, в данном параграфе мы продемонстрировали, что световод ствердотельной сердцевиной может быть использован для доставки лазерногоизлучениядляреализацииКАРС-спектроскопиисфазово-модулированнымиимпульсами со спектральным разрешением около 20 см-1.
Показано, что полое ФКволокно с увеличенной сердцевиной позволяет в волоконном формате доставлять позаполненной воздухом сердцевине сверхкороткие лазерные импульсы в ближнем ИКдиапазоне, что может найти место для нейрохирургических приложений. Мыпродемонстрировали, что полое ФК волокно с диаметром сердцевины 15 мкм вобласти аномальной дисперсии может сжимать пречирпированные импульсымикроджоулевого уровня с центральной длиной волны 1070 нм от начальных 510 фсдо 110 фс, обеспечивая тем самым пиковую мощность порядка 5 МВт на выходе изволокна, что позволяет осуществить локальное фоторазрушение тканей головногомозга.- 88 §3.3 Генерация перестраиваемых по частоте и длительности сверхкороткихимпульсовсиспользованиеммикроструктурированныхсветоводовинелинейных кристаллов для КАРС-микроскопииЛазерныеприменяютсясистемыдлянаосновереализацииусиленныхразличныхфемтосекундныхметодикимпульсовнелинейно-оптическойспектроскопии.
Преимущества использования высокоэнергетичных импульсов яркопроявляются при осуществлении исследований объектов за один лазерный импульс[169,209]. Однако, низкая тактовая частота следования импульсов (около 1 кГц)является фундаментальным ограничением сопряжения таких систем со схемамисканирующейнелинейно-оптическоймикроскопии.Использованиезадающихгенераторов фемтосекундных импульсов с мегагерцовой частотой повторенияявляется приоритетным направлением в схемах сканирующей микроскопии,например, в случае ДФП-микроскопии высокая частота импульсов позволяетуменьшить время накопления сигнала на одном пикселе до 1 мкс и реализовыватьзапись до нескольких кадров в секунду. Развитие компактных многофункциональныхлазерных источников сверхкоротких лазерных импульсов с высокой частотойповторения является важной задачей для продвижения и практического примененияновейших методик нелинейно-оптической визуализации и микроскопии.Одним из методов развития лазерных источников является увеличение длинырезонатора, что позволяет генерировать сверхкороткие импульсы с энергиями донескольких десятков наноджоулей [229,230].
Как было показано в параграфах 2.1 и2.2, использование этого подхода позволило реализовать фемтосекундный генераторна кристалле Cr:forsterite с энергий в импульсе 20 нДж и частотой повторения 20МГц,далеегенерируемыеимпульсыиспытывалиспектрально-временноепреобразование в МС световодах. Разработанная платформа хорошо подходит длядальнейшего развития лазерной системы для целей микроскопии на основенелинейно-оптических процессов когерентного комбинационного рассеяния света,генерацииоптическихгармоник,лазерно-индуцированнойдвухфотоннойфлуоресценции [183,184].
Характерная длительность генерируемых перестраиваемыхспектрально-ограниченных импульсов такой системы составляет менее 60 фс, что- 89 соответствует ширине спектра более 240 см-1. Столь широкополосное излучение непозволяет эффективно проводить спектроскопию твердых тел и жидкостей методамикогерентногокомбинационногорассеянияснеобходимымспектральнымразрешением. В параграфах 3.1 и 3.2 для решения этой задачи было предложеноосуществить фазовую модуляцию импульсов накачки, что позволило возбуждать изондироватьблизкорасположенныекомбинационныерезонансы.Здесьмыпредлагаем другие подходы для увеличения селективности и спектральногоразрешения КАРС-спектроскопии, основанные на методах спектральной компрессиисверхкоротких импульсов в процессах нелинейно-оптических преобразований в МСсветоводах и нелинейно-оптических кристаллах.Рис.3.3.1.
Схема экспериментальной установки: ОИ, оптический изолятор; /2,полуволновая пластина; Л, линза; ДЗ, дихроичное зеркало; МО, микрообъектив; ФНЧ,фильтр низких оптический частот; ФВЧ, фильтр высоких оптический частот, О,образец; ИК спек, спектрометр ИК диапазона; МСК, модуль спектральнойкомпрессии импульсов; ПДП, поляризационная делительная пластинка. Вставкавверху: поперечные сечение двух используемых МС световодов, схема модуляспектральной компрессии фемтосекундных импульсов; вставка внизу: типичнаяобласть перестройки ИК импульсов в МС световоде 1.Предсказание существования явлении спектральной компрессии отрицательночирпированного светового импульса при распространении в оптическом волокне- 90 относится к 1993 году [231]. Первые эксперименты по спектральной компрессиифемтосекундных импульсов в световодах были поставлены только в 2000 году [114].Основной причиной уменьшения ширины спектра фазово-модулированного импульсапри распространении в световоде является самовоздействие в нелинейной среде,приводящее к фазовой самомодуляция (ФСМ).
Во временном представленииобъяснение данного явления достаточно наглядно и понятно. В случае отрицательночирпированного импульса его синие спектральные компоненты сосредоточены нафронте, а красные на его хвосте. Как известно, действие ФСМ на импульс с гауссовойогибающей проявляется в отстройке мгновенной частоты импульса в различных еговременных слоях [116], таким образом, что на фронте импульса ФСМ стремитсяуменьшить мгновенную частоту, а на хвосте – увеличить. В итоге происходиткомпенсация наведенного на импульс линейного чирпа и перекачка энергии скрыльев спектра импульса в его центральную часть. При правильном подборе длинысветовода, величины чирпа и мощности излучения накачки на выходе из волокнаформируется почти спектрально ограниченного импульс с узким спектром [114].Данныйпараметрическийпроцессобеспечиваеттеоретическуювозможностьпреобразования излучения с эффективностью по энергии близкой к единице, так какобычно потери в световоде очень маленькие.
Предел спектральной компрессииопределяется дисперсией, протяженностью и нелинейностью волокна, потому что прималых интенсивностях ФСМ перестает “перекачивать” энергию. В стандартномтелекоммуникационном одномодовом световоде с диаметром сердцевины 8.2 мкмдисперсия мало отличается от дисперсии материала, из которого сделана сердцевинаволокна, что ограничивает их применение. Используя МС-волноводы, можноконтролировать положение нуля дисперсии групповых скоростей, коэффициентнелинейности и тем самым подбирать оптимальные условия для компрессииизлучения [115].Эксперименты по КАРС-спектроскопии со спектрально сжатыми импульсамипроводились на лазерной системе, включающей фемтосекундный генератор накристалле Cr:forsterite и МС световоды (рис.3.3.1).
Излучение из лазера делилось надва плеча: в одном происходило формирование перестраиваемых импульсов стоксоваизлучения (λS = 1300 – 1800 нм, нижняя вставка к рис.3.3.1) за счет солитонногосамосдвига частоты (ССЧ) в МС световоде 1, в другом плече спектрально- 91 компрессировались импульсы накачки λp = 1250 нм) в МС световоде 2. Схемаспектрального сжатия импульсов в фотонно-кристаллическом волокне включаласпециально подобранный световод и призменный компрессор (верхняя вставка нарис.3.3.1). Излучение из МС световода 1 очищалось спектральными фильтрами исводилось со спектрально компрессированными импульсами на дихроичном зеркале,тем самым формируя бигармоническую накачку для КАРС-спектроскопии.
Взависимости от исследуемого объекта импульсы фокусировались микроскопнымиобъективами с различным увеличением и числовой апертурой. Энергии в импульахнакачки и стокса составляли около 1 нДж, при этом интенсивность излучения вфокусе излучения диаметром 4 мкм составляла до 2×1011 Вт/см2. Генерирующийсянелинейный сигнал (в области 850 – 1100 нм) выделялся по спектру при помощиоптических фильтров высоких частот, полосовых фильтров и регистрировался ИКспектрометром Solar SDH-IV с охлаждаемой линейкой InGaAs.Длина волны, нм1320128012401200116001Ширина спекктра, нм(а)23Энергия, нДж2010012312001160(б)300124005mkm 7cm5mkm 20cm7mkm 10cm40128044Интенсивность, отн. ед.Длина волны, нм132012Энергия, нДж31,00,80,60,40,20,01170 1200 1230 1260 1290 1320Энергия, нДжДлина волны, нм(в)(г)Рис.3.3.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
