Диссертация (1104775), страница 16
Текст из файла (страница 16)
4.1 представлена зависимость нормированного на длинуволны λ радиуса волноводной моды w от нормированного на длину волны радиуса сердцевины световода ρ, рассчитанная для стандартного слабонаправляющегосветовода со ступенчатым профилем показателя преломления с n1 − n2 = 0.01.Волноводный параметр V (формула 2.28) является количественной мерой баланса эффектов дифракции и волноводного ограничения светового пучка за счет явления полного внутреннего отражения в волноводной структуре.
При большихзначениях V бóльшая часть мощности волноводной моды локализована в сердцевине световода. При малых V значительная часть мощности волноводной моды переносится эванесцентным полем в оболочке световода. Эти общие свойстваволноводных систем объясняют характер зависимости радиуса волноводной моды. Для световода со ступенчатым профилем показателя преломления (g → ∞)радиус моды w при больших значениях V , как следует из выражения (2.27), увеличивается прямо пропорционально радиусу сердцевины, w ≈ Aρ.Все расчеты областей сбора осуществлялись для длины волны 532 нм впредположении отсутствия ослабления изучения.На рис. 4.2 представлены теоретически промоделированные карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухе волоконных зондов (а)с диаметром сердцевины a0 = 90 мкм, N A = 0.22, (б) с диаметром сердцевиныa0 = 50 мкм, N A = 0.22.
Характерная глубина, с которой собирается 80% флу-76Z, мкмZ, мкм6040200−505X, мкм(а)403020100−505X, мкм(б)Рисунок 4.3: Карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухеволоконных зондов с различными с диаметрами сердцевины a0 , числовой апертурой N A и эффективным радиусом моды w, а также фотографии соответствующихволокон: (а) a0 = 9 мкм, N A = 0.1, w = 3.1 мкм; (б) a0 = 6 мкм, N A = 0.6, w = 2мкм.оресцентного отклика составляет 370 мкм и 215 мкм соответственно. При этомв случае волокна с диаметром сердцевины a0 = 90 мкм, N A = 0.22 мощностьсобранного флуоресцентного отклика в предположении равномерно окрашеннойсреды составит P ∝ 0.15ΦP0 , а волокна с диаметром сердцевины a0 = 50 мкм иN A = 0.22, P ∝ 0.06ΦP0 , где Φ – квантовый выход флуоресценции, постояннаяхарактеризующая флуоресцентный краситель, а P0 – общая мощность накачки.Так как при таких параметрах оба волокна поддерживают существенно большое(порядка или больше 1000 [41]) количество мод, то для вычисления карты эффективности волоконного сбора использовалась формула (2.12) с задаваемой эффективным радиусом и расходимостью интенсивностью накачки в соответствии сприведенным выше описанием.
Распеределение энергии по волноводным модам вобщем случае зависит от заведения излучения в волокно. Для оценки эффективный радиус моды брался средним между радиусом основной моды и радиусомсердцевины. Исходные параметры расчета представлены на подписи к рисунку.Таким образом, для максимизации сбора флуоресцентного отклика как по зондируемому объему, так и по собираемой мощности необходимо увеличивать радиуссердцевины волоконного зонда.Отдельной задачей является увеличение локальности зондирования, т.е. величины, обратной характерной глубине сбора отклика. Для этого были построены теоретически промоделированные карты функции ψ(r,z), рассчитанные для403020100Z, мкмZ, мкм77−505X, мкм(а)403020100−505X, мкм(б)Рисунок 4.4: Карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухеволоконных зондов с различными с диаметрами сердцевины a0 , числовой апертурой N A и эффективным радиусом моды w, а также фотографии соответствующихволокон: (а) a0 = 4 мкм, N A = 0.6, w = 1.3 мкм; (б) a0 = 2 мкм, N A = 0.6,w = 0.7 мкм.волокна с диаметром сердцевины a0 = 9 мкм, N A = 0.1 (рис.
4.3а), а также микроструктурированного волокна с диаметром сердцевины a0 = 6 мкм, N A = 0.6(рис. 4.3б).Характерная глубина, с которой собирается 80% флуоресцентного отклика,составляет уже 60 мкм в случае волокна с диаметром сердцевины a0 = 9 мкм,N A = 0.22 и 12 мкм для МС волокна с диаметром сердцевины a0 = 6 мкм,N A = 0.6.
При этом в первом случае мощность собранного флуоресцентногоотклика в предположении равномерно окрашенной среды заметно (больше чемна порядок) ниже, чем у волокон, рассмотренных выше (с большим диаметромсердцевины), и составляет P ∝ 0.006ΦP0 . Для МС волокна P ∝ 0.025ΦP0 . Сточки зрения модового состава эти волокна также являются многомодовыми, однако количество мод существенно меньше (порядка 10 и 100 соответственно) ипри соответствующем заведении излучения в волокно основная мода будет содержать значительную часть энергии. В этом случае для оценки эффективной области возбуждения и сбора использовалась формула (2.12) с подстановкой формулы (2.16) и использовался посчитанный по формуле (2.27) радиус основноймоды.
Исходные параметры расчета представлены на подписи к рисунку. Такимобразом, использование микроструктурированных волокон дает увеличение мощности собранного флуоресцентного отклика даже при меньших размерах сердцевины и характерных размерах области сбора.40302010030Z, мкмZ, мкм78−4−2 0 2 4X, мкм(а)20100−4−2 0 2 4X, мкм(б)Рисунок 4.5: Карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухеволоконных зондов с различными с диаметрами сердцевины a0 , числовой апертурой N A и эффективным радиусом моды w, а также фотографии соответствующихволокон: (а) a0 = 3 мкм, N A = 0.22, w = 1.1 мкм; (б) a0 = 1.4 мкм, N A = 0.3,w = 0.6 мкм.Рассмотрим карты функции ψ(r,z) для микроструктурированных волокон смалым диаметром сердцевины. На рис. 4.4 представлены теоретически промоделированные карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухеволоконных зондов (а) с диаметром сердцевины a0 = 4 мкм, N A = 0.6, (б) с диаметром сердцевины a0 = 2 мкм, N A = 0.6.
Характерная глубина, с которой собирается 80% флуоресцентного отклика, составляет 8 мкм и 4 мкм соответственно. При этом в случае волокна с диаметром сердцевины a0 = 4 мкм, мощностьсобранного флуоресцентного отклика в предположении равномерно окрашеннойсреды составляет P ∝ 0.027ΦP0 , а волокна с диаметром сердцевины a0 = 2 мкм –P ∝ 0.011ΦP0 . С точки зрения выходящего из волокна излучения накачки данныйкласс волокон при соответствующем заведении излучения в волокно хорошо описывается одномодовым приближением.
Это связано с тем фактом, что для волоконс маленькой сердцевиной и высоким контрастом показателя преломления междусердцевиной и оболочкой [41] разные волноводные моды имеют существено разные постоянные распространения, что затрудняет перекачку излучения из одноймоды в другую.
Для оценки эффективной области возбуждения и сбора использовалась формула (2.12) с подстановкой формулы (2.16) и использовался посчитанный по формуле (2.27) радиус основной моды. Исходные параметры расчетапредставлены на подписи к рисунку.79Был проведен расчет функции ψ(r,z) для волокон, из которых состоят коммерчески доступные пучки волокон.
На рис. 4.5а–4.5б представлены теоретически промоделированные карты функции ψ(r,z), рассчитанные для расположенных в воздухе волоконных зондов (а) с диаметром сердцевины a0 = 3 мкм,N A = 0.22, (б) с диаметром сердцевины a0 = 5 мкм, N A = 0.22. Характерная глубина, с которой собирается 80% флуоресцентного отклика составляет 18мкм и 28 мкм соответственно. При этом в случае волокна с диаметром сердцевины a0 = 5 мкм, мощность собранного флуоресцентного отклика в предположенииравномерно окрашенной среды составит P ∝ 0.0028ΦP0 , а волокна с диаметромсердцевины a0 = 5 мкм и N A = 0.22, P ∝ 0.0056ΦP0 .
Аналогично предыдущему случаю для оценки эффективной области возбуждения и сбора использоваласьформула (2.12) с подстановкой формулы (2.16) и использовался посчитанный поформуле (2.27) радиус основной моды. Исходные параметры расчета представлены на подписи к рисунку.Таким образом, на основании разработанной модели были рассчитаны и построены карты сбора флуоресцентного отклика для стандартных волокон со ступенчато изменяющимся показателем преломления, для микроструктурированныхволокон, а также для световодов из коммерчески доступных волоконных пучков.Была исследована дополнительная возможность повышения локальностиволоконного зондирования, связанная с двухфотонным возбуждением.
С этой целью теоретическая модель возбуждения и сбора волоконного зонда была адаптирована для произвольного случая мультифотонного возбуждения в соответствиис главой 2 диссертации. Для нескольких типов волоконных компонент было показано, что локальность волоконно-оптического зондирования может быть существенно увеличена при использовании режима двухфотонного возбуждения.Для выполнения поставленной задачи была построена экспериментальнаясхема, обеспечивающая последовательное однофотонное и двухфотонное возбуждение модельного люминофора. В наших экспериментах изучалось двухфотонное возбуждение флуоресцентных маркеров на основе частиц алмаза с дефектами типа азот-вакансия (NV центры).
Для накачки использовалось излучение лазера Chameleon Vision, настроенного на длину волны 1040 нм, длительностью порядка 150 фс, а также непрерывное излучение лазера на кристалле Nd:YAG c внутрирезонаторным преобразованием во вторую гармонику на длине волны 532 нм.В качестве волоконного зонда для доставки излучения накачки и для сбора флуоресцентного отклика использовалось стандартное телекоммуникационное волок-80Рисунок 4.6: Схема экспериментальной установки, совмещающей непрерывныйлазер с внутререзонаторным удвоением частоты на длине волны 532 нм и фемтосекундный лазер Chameleon Vision, настроенный на центральную длину волны1040 нм; Д1 и Д2 – дихроичные зеркала, ПК – персональный компьютер, осуществляющий управление системой регистрации и передвижением торца волокна, ШД – трансляционная подачка с шаговым двигателем.но с диаметром сердцевины 9 мкм, микроструктурироанное волокно с диаметромсердцевины 2.5 мкм и числовой аппертурой NA=0.6, а также телекоммуникационное волокно с диаметром сердцевины 9 мкм, имеющее возможность сбора излучения при помощи оболочки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
