Диссертация (1103411), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Динамика спектральной компрессии импульса в зависимости от егоэнергии в МС световоде с диаметром сердцевины 5 мкм длинной 7 см (а) и 20 см (б).(в) Изменение ширины спектра импульса в световодах различной протяженности. (г)Сжатие спектра в 3.5 раза в световоде с диаметром 5 мкм при энергии 3.2 нДж,исходный спектр, пунктирная линия, сжатый – сплошная линия.- 92 Плечо, в котором формируется импульс стоксова излучения, содержитаттенюатор, МС волокно 1, систему заведения и вывода излучения из волновода,поляризатор и фильтры.
Аттенюатор автоматизирован с целью обеспечения плавнойперестройки энергии и осуществления стабилизации энергии в волокне надлительных промежутках времени. Обратная связь стабилизации осуществлялась припомощи анализа спектра выходного излучения из волокна, построенного при помощипризмы на экране ПЗС камеры.В другом плече перед спектральным сжатием импульсы на длине волны 1250 нмобладали длительностью 70 фс и спектральной шириной 33 нм. Призменный стретчерформировал отрицательный чирп у импульсов накачки (около -7600 фс2), растягиваяих до 300 фс, после чего осуществлялось заведение излучения в МС световод 2.
Дляподбора наилучших условий компрессии были опробованы световоды с различнымидиаметрами сердцевины (5 и 7 мкм) и разной протяженностью (7, 10 и 20 см). Нарисунке 3.3.2 приведены результаты компрессии спектра импульса накачки в ФКсветоводе с диаметрами сердцевины 5 мкм и 7 мкм, а также их различнойпротяженностью: 7 см, 10 см и 20 см. Двумерные карты (рис.3.3.2.а и 3.3.2.б)показывают изменение спектра излучения в волноводе при различных энергияхраспространяющегося импульса.
При увеличении энергии в импульсе сначалапроисходитсжатиеспектрадопредельногозначения,азатемгенерацияширокополосного излучения. В длинных световодах (красная линия на рис.3.3.2.б.)возможно достигнуть предельного сжатия при меньших энергиях накачки, тогда какволокна с большой сердцевиной (диаметром 7 мкм, зеленая линия на рис.3.3.2.в)позволяют спектрально компрессировать более мощные импульсы. В экспериментахмаксимально полученный коэффициент сжатия спектра импульса равен 3.7, чтосоответствует компрессии спектра до 10 нм (рис.3.3.2.г).
Для достижения большегокоэффициента компрессии необходимо сильнее чирпировать входной импульс, атакже использовать более протяженные волокна. Оценки показывают, что длядостижения ширины линии порядка 3 нм, необходимо предварительно чирпироватьимпульс до 1 пикосекунды [231]. Энергия излучения сжатого по спектру импульсанакачки для спектроскопии КАРС составляла от 1 до 2.5 нДж в зависимости отиспользуемого световода.- 93 Таким образом, в МС световоде нами было достигнуто спектральное сжатие в 3.7раза фемтосекундных импульсов на длине волны 1.25 мкм до спектральной ширины65 см-1, эти импульсы с энергией от 1 до 2.5 нДж далее служили излучением накачкивсхемеспектроскопиикогерентногокомбинационногорассеяниясвета.Реализованная схема на базе двух волоконных преобразователей излучения была вдальнейшем использована для проведения КАРС-микроскопии и характеризациинелинейно-оптических свойств поликристаллической пленки синтетического алмаза(параграф 3.4).Втораячастьпараграфапосвященадальнейшемуразвитиюнашейфемтосекундной лазерной системы с использованием МС световода, генерирующиеперестраиваемые импульсы для схемы спектроскопии когерентного антистоксоварассеяния света.
Основная идея состоит в спектральной конверсии в видимую областьперестраиваемого ИК излучения в процессе удвоения частоты в нелинейнооптических кристаллах. Такой подход позволяет расширить область перестройкиизлучения и резко повысить чувствительность регистрации полезного нелинейногосигнала за счет использования эффективных фотоэлектронных умножителей ввидимой области спектра (ФЭУ).
Другим ключевым моментов в этом подходеявляетсявозможностьосуществлятьспектрально-временноеуправлениесверхкороткими импульсами в процессе удвоения оптической частоты в нелинейныхкристаллах, в частности реализовывать спектральную компрессия импульсов начастоте второй гармоники. Как отмечалось ранее, спектральное сужение импульсовнакачки является важным фактором увеличения селективности и чувствительностиметодики КАРС-микроскопии [10,117,118].
Кристалл ниобата лития с периодическойдоменной структурой (Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN)), обладающийвысокойнелинейностьюиподходящейдисперсией(сильнаяДГСдляфундаментальной частоты на 1.25 мкм и второй гармоники на 0.63 мкм), апериодическая структура препятствует разбеганию взаимодействующих пучков, всеэти достоинства кристалла предопределили его использование для генерации второйгармоники излучения Cr:forsterite лазера с длиной волны 1.25 мкм. В качественелинейно-оптических элементов для преобразования перестраиваемого излучения вдиапазоне в широком диапазоне 1.3-1.8 мкм, генерируемого в МС волокне, былииспользованы кристаллы трибората лития (LBO) длиной 2 и 20 мм (рис.3.3.3),- 94 обладающие широким окном синхронизма процесса ГВГ от 1.3 до 2.8 мкм, а такжесильной нелинейностью.Фемтосекундное излучение Cr:forsterite лазера удваивалось по частоте вкристалле PPLN с периодом структуры 10.9 мкм, генерируемые импульсы на длиневолны 625 нм далее использовались в схеме КАРС-спектроскопии в качествеизлучения накачки (рис.3.3.3).
Непреобразованное в PPLN кристалле ИК излучениеотделялось дихроичным зеркалом и заводилось в МС световод для формированияперестраиваемых ИК импульсов в диапазоне 1300 – 1800 нм. Генерируемые в МСсветоводе перестраиваемые импульсы также затем удваивались по частоте вкристалле LBO, вырезанном вдоль плоскости xz (рис.3.3.4). Сформированныеимпульсы накачки в видимой области сводились на дихроичном зеркале ифокусировались в образец с помощью микроскопного объектива. Нелинейный сигналвыделялся по спектру при помощи оптических фильтров высоких частоты, полосовыхфильтров (или монохроматора) и регистрировался на ФЭУ.Рис.3.3.3.
Схема экспериментальной установки: ОИ, оптический изолятор; /2,полуволновая пластина; Л, линза; PPLN, LiNbO3 кристалл с регулярной доменнойструктурой; ДЗ, дихроичное зеркало; МО, микроскопный объектив; оптическийФНЧ, фильтр низких оптический частот; ФВЧ, фильтр высоких оптическийчастот, О, образец; Т, телескоп; М, монохроматор; ФЭУ, фотоэлектронныйумножитель. Вставка вверху: поперечное сечение МС световода; вставка внизу:типичная области перестройки ИК излучения, формируемого в МС световоде.- 95 -Ранее было показано, что методика удвоения частоты коротких импульсов,формируемых в такого рода волоконных лазерных системах, является компактным иудобным решением для реализации перестраиваемого по частоте источникаимпульсов [121].
В нашей работе продемонстрировано, что помимо перестройкиспектра импульсов удается управлять и их длительностью, путем оптимизацииусловий фокусировки изучения в нелинейный кристалл и подбора его длины. Длякаждой длины волны импульсов, формируемых в процессе солитонного самосдвигачастоты в МС-волокне, может быть подобран угол (угол между волновым векторомнакачки и осью y, см рис.3.3.4) так, чтобы осуществить согласованное по фазепреобразование излучения накачки во вторую гармонику I типа (o + o → e)(пунктирная линия на рис.3.3.5.б).Рис.3.3.4.
Диаграмма процесса ГВГ I типа о-о->е для вырезанного в плоскости xzкристалла LBO: P - поле накачки, SH - вторая гармоника, - угол между волновымвектором накачки и осью yНа рисунках 3.3.5.а и 3.3.5.б. представлены спектры импульсов на удвоеннойчастоте, сформированных в системе, включающей фемтосекундный лазерныйисточник, волоконный преобразователь частоты и нелинейно-оптический кристаллLBO толщиной 2 мм (а) и 20 мм (б). Толстый кристалл (20 мм) позволяетпреобразовывать излучение с длинами волн 1400-1500 нм во вторую гармонику сэффективностью около 40%, формируя импульсы в диапазоне 690 – 760 нм сэнергиями до 0.6 нДж.
Спектральная компрессия реализуется в данном случае за счетэффективного почти вырожденного трехволнового процесса суммирования частот:(ω0-δ)+(ω0+δ)=2ω0, идущего параллельно с прямым процессом удвоения частоты- 96 ω0+ω0 =2ω0. В результате в случае длинного нелинейного кристалла спектральнаяяркость импульсов с удвоенной частотой стала сравнима со спектральной яркостьюсолитонов на выходе из МС-волокна. Средняя мощность излучения для импульсов сдлинами волн 690 – 760 нм была около 11 мВт. Вне этой спектральной областимощность постепенно понижалась до 5 мВт для импульсов на длине волны 860 нм.Тонкий кристалл (2 мм) генерировал излучение второй гармоники с мощностью до 4мВт в диапазоне 690-760 нм и до 1.8 мВт на длине волны 860 нм.
Заметим, чтосверхкороткиеимпульсывданномспектральномдиапазонемогутбытьнепосредственно сформированы в МС-волокне с малой сердцевиной и высокойнелинейностью [232], однако, энергия генерируемых таким образом импульсовДлина волны накачки p, нм14003020100650 700 750 800 850(а)160017002050СПМ, отн. ед.СПМ, отн. ед.401500Длина волны ВГ, нм10-100(б)025Угол фаз.
согласования , град.гораздо меньше (около 10-50 пДж), чем продемонстрировано в нашей работе.700750800Длина волны ВГ, нм850-20Рис.3.3.5. Спектры импульсов вторых гармоник, генерируемых в кристалле LBOдлиной (а) 2 мм и (б) 20 мм, при накачке формируемыми в МС-волокнеперестраиваемыми солитонными импульсами. Пунктирной линией на рисунке (б)показан угол фазового согласования для процесса ГВГ в кристалле LBO, какфункция длины волны солитона (верхняя ось абсцисс) и импульса второй гармоники(нижняя ось абсцисс).Длительность импульса второй гармоники, генерируемой в кристалле LBO,может изменяться при варьировании длины нелинейного кристалла, жесткостифокусировки и центральной длины волны формируемого в МС-волокне солитона.Отсутствие точного согласования групповых скоростей up и uSH импульсов накачки игармоники при распространении в нелинейном кристалле приводит к увеличениюдлительности генерируемого импульса гармоники по следующему закону [10,117]:- 97 1 SH p2 2 2 , где lint (u p1 uSH)- время разбегания импульсов на длиневзаимодействия, p - длительность накачки, lint = min(L, b) - длина взаимодействия, L длина нелинейного кристалла, b = 2πw02/λ0 - конфокальный параметр, λ0 - длина волнынакачки, и w0 - радиус перетяжки пучка накачки.
На рисунке 3.2.6.б. пунктирнымилиниями представлены рассчитанные длительности импульса второй гармоники какфункции длины волны накачки (и гармоники) для случаев тонкого (линия 1, L = 2 мм)и толстого (линия 2, L = 20 мм) кристаллов. Материальная дисперсия кристалла былавключена в расчет через формулы Селмейра. В случае тонкого кристалла былаиспользована линза с фокусным расстоянием f=7.5 см, что дает конфокальныйпараметр b = 3.8 мм для длины волны λ0 = 1500 нм. В этом режиме L < b и SH близкоко времени разбегания импульсов θ, демонстрируя слабую зависимость SH от длиныволны λ (кривая 1 на рис.3.3.6.б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
