Диссертация (1104775), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В МС волоконах с двойной оболочкой может быть реализован режимзондирования, при котором когерентное излучение накачки доставляется к объекту по небольшой сердцевине, определяющей размер засвечиваемой области, авнутренняя часть оболочки служит для эффективного сбора некогерентного флуоресцентного сигнала и доставки его в обратном направлении к детектору [66—68].Использование полых фотонно-кристаллических волноводов открывает новые возможности для биовизуализации. Распространение излучения накачки пополой сердцевине позволяет проводить эффективные оптические исследованияпомещённого внутрь газа [69], избавиться от оптического фона и доставлятькороткие импульсы накачки.
Преимуществом полых фотонно-кристаллическихволокон является возможность доставки коротких фемтосекундных импульсов.Во-первых, при распространении в полых световодах излучение не подвергается фазовой самомодуляции, так как нелинейность, вызывающая эффект Керра, в воздушной сердцевине пренебрежимо мала.
Это обеспечивает возможности28значительно более точной, по сравнению с твердотельными волокнами, предварительной компенсации дисперсионных эффектов. Во-вторых, в полых ФК волокнах ноль дисперсии групповых скоростей всегда находится внутри фотоннозапрещенной зоны, что при некоторых длинах волн накачки позволяет работатьвблизи нуля дисперсии и, таким образом, излучение при распространении по волокну не будет испытывать значительного уширения. Так, в современных версиях миниатюрных двухфотонных микроскопов для нейрофотоники используетсякомбинация из полого фотонно-кристаллического волокна для эффективной доставки коротких импульсов накачки и стандартного многомодового волокна длясбора и доставки на детектор флуоресцентного отклика [70; 71].
Однако, чувствительность оптической схемы на голове животного к его движениям, несмотря нанизкий вес двухфотонного микроскопа, всё ещё порождает артефакты и позволяетпродемонстрировать результаты только на анестезированных мышах.Еще одним важным преимуществом полых волокон является возможностьраспространять более мощное (по сравнению с твердотельными волокнами) излучение накачки, что обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум и бо́льшуюглубину визуализации при удаленном нелинейно-оптическом зондировании биологических тканей.
Был продемонстрирован ряд удобных решений для доставкифемтосекундных лазерных импульсов для разнообразных приложений в биофотонике и биомедицине с помощью полых фотонно-кристаллических волокон [72].1.3Получение импульсов со сверхшироким диапазоном частот. Основныефизические явления и зависимости.Импульсы со сверхшироким диапазоном частот представляет собой уникальную спектральную форму. Они сочетает широкополосность классическихтепловых источников света с высокой спектральной плотностью мощности и пространственной когерентностью, обычно ассоциируемыми с монохроматическимлазерным излучением.
Подобная комбинация делает сверхширокие спектры идеальными для множества практических применений, например, получения сверхкоротких импульсов, частотной метрологии, систем детектирования, флуоресцентной микроскопии и многих других. Первые сверхширокие спектры были получены в 70х годах в твёрдых телах [73] и, в дальнейшем, в жидкостях. Эти же29опыты показали многие из проблем, связанных с генерацией: за счёт использования материалов со сверхвысокими нелинейными коэффициентами и существенномощных импульсов помимо уширения за счёт фазовой самомодуляции возникали и другие нелинейные явления, в частности, эффект самофокусировки, которыймог приводить к невоспроизводимости результатов и, зачастую, повреждению образцов.Использование для генерации сверхшироких спектров оптических волоконсущественно упростило этот процесс.
Удерживаемое в волокне излучение имеет возможность нелинейно взаимодействовать на протяжении гораздо большегорасстояния, чем сравнительно малая область вблизи перетяжки сфокисированного в твёрдом теле лазерного пучка. Это выражается в существенно, на несколькопорядков, больших нелинейных коэффициентах волокон, что позволяет использовать гораздо менее мощные импульсы. Возможность с помощью параметров волновода управлять его дисперсией имеет ещё большее значение, фактически позволяя выбирать, какие спектральные компоненты будут взаимодействовать при распространении. Частное проявление этого контроля – манипуляция длиной волнынулевой дисперсии, определяющей, будет дисперсия для того или иного диапазона нормальной или аномальной, что играет решающую роль во многих механизмах, определяющих генерацию сверхширокого спектра.Существует три наиболее распространённых режима генерации сверхшироких спектров, иллюстрирующие большинство характерных механизмов уширения. Первый – генерация сверхширокого спектра из фемтосекундных импульсов, в котором центральную роль играет динамика солитонов.
Второй – генерация из длинных импульсов (более нескольких пикосекунд) и непрерывных волн,в которых основным фактором является модуляционная неустойчивость. Наконец, третий – так называемый «телекоммуникационный» – описывает процессы,определяющие получение сверхширокого спектра около 1550 нм.Для описания первого случая, рассмотрим получение сверхширокого спектра из накачки в режиме аномальной дисперсии групповых скоростей, но близкок нулю дисперсии волокна. При наиболее распространённых условиях накачкипиковая мощность импульсов достаточно высока, чтобы они могли считаться солитонами порядка N = [LD /LN L ]1/2 ≫ 1, где LD = T02 /|β2 | и LN L = (γP0 )−1 ;T0 – длительность импульса, βn – коэффициенты разложения постоянной распространения β в ряд, γ – нелинейный коэффициент и P0 – пиковая мощность. Вэтом случае импульсы накачки сначала подвергаются ожидаемым процессам эво-30люции солитонов высокого порядка, т.е.
спектральному уширению и временно́мусжатию [43]. Однако затем за счёт различного рода возмущений, например, дисперсии высокого порядка и(ли) вынужденного комбинационного рассеяния, эволюция импульса прекращает следовать периодическому закону для идеальных солитонов высшего порядка, и импульс распадается [74]. Этот процесс называетсясолитонным распадом, и существует аналитическое решение, показывающее, чтокаждый солитон высшего порядка распадается в N отдельных фундаментальныхсолитонных компонент [75]. Вблизи длины волны нулевой дисперсии идеального солитонного распада также не происходит, так как всё те же возмущения, которые его вызывают, также изменяют последующую эволюцию солитонов.
Например, на начальной стадии энергия тратится на генерацию спектральных компонент дисперсионной волны, в то время как при распространении наблюдаетсяпостоянный сдвиг в длинноволновую сторону за счёт солитонного самосдвига частоты и кроссфазовая модуляция между дисперсионными волнами и сдвинутымипо частоте солитонами.Анализ эволюции импульса в этом случае выполняется с помощью численного моделирования [76]. Результаты моделирования демонстрируют, что начальная фаза распространения импульса (до момента солитонного распада) вноситочень большой вклад в финальную ширину спектра. Эта фаза, представляющаясобой «идеальное» распространение солитона высокого порядка, была тщательно исследована в контексте получения большей ширины спектра для сжатия импульсов, что позволяет применить полученные результаты для анализа генерациисверхширокого спектра.
В частности, на основе исследования по оптимизациидлины волокна для сжатия импульсов [77] можно ввести характерную длину распада, определяемую как расстояние, на котором спектральная ширина исходногосолитона достигает максимального значения: Lf iss ∼ LD /N = (LD LN L )1/2 .Аналогичное численное моделирование может быть выполнено и для распространения импульса накачки в режиме нормальной дисперсии. В таком случае,начальное уширение спектра происходит за счёт фазовой самомодуляции. Приприближении длины волны накачки к длине волны нулевой дисперсии это уширение распространяется в область аномальной дисперсии, после чего эволюцияимпульса продолжается в соответствии с описанной ранее [76].При увеличении длительности импульсов так, что порядок солитона становится очень большим N ≫ 10, эволюция солитона высокого порядка и распадсолитона становятся всё менее важными.
Происходит это за счёт того, что ха-31рактерная длина распада солитона также увеличивается по мере увеличения длительности импульса накачки, так, что в начальной фазе распространения преобладают эффекты спонтанной модуляционной неустойчивости. Обычно параметрыволокна и центральная длина волны импульса подбираются так, чтобы накачкабыла близко к длине волны нулевой дисперсии в аномальном режиме. Начальный импульс оказывается√ промодулирован за счёт модуляционной неустойчиво-сти с периодом TM I = 2πγP|β0 2 | [43].
В дальнейшем промодулированный импульсраспадается на набор солитонов с длительностими, примерно равными TM I . Вслучае, если эта длительность достаточно мала, солитоны немедленно начинаютсдвигаться в красную (длинноволновую) область за счёт солитонного самосдвигачастоты [78]. Если же изначально солитоны не имеют достаточно малой длительности для заметного красного сдвига, могут произойти столкновения солитонов,которые перекачивают энергию между солитонами за счёт комбинационного рассеяния, так, что некоторые из них приобретают бо́льшую пиковую мощность, становятся короче и затем подвергаются более сильному красному сдвигу [79; 80].В то время, как солитоны формируются из накачки в области аномальнойдисперсии, они передают энергию в область нормальной дисперсии в виде дисперсионных волн [81]. В предположении, что длина волны накачки близка к длиневолны нулевой дисперсии, а область нормальной дисперсии находится с коротковолновой «стороны» нуля дисперсии, получается, что с длинновой стороны находятся подвергающиеся красному сдвигу солитоны, с коротковолновой - дисперсионные волны.
Для рассматриваемого случая дисперсионные волны изначальноимеют меньшую групповую скорость, чем солитоны, и поэтому отстают от них.Однако, по мере того, как солитоны сдвигаются в красную область, их групповаяскорость уменьшается до тех пор, пока они не встречаются с дисперсионнымиволнами. Временно́е перекрытие между солитоном и дисперсионной волной позволяет им нелинейно взаимодействовать. Было предложено два варианта описания этого взаимодействия. В первом, временно́е перекрытие между солитонамис высокой пиковой мощностью приводит к фазовой кросс-модуляции дисперсионной волны [43]. Так как дисперсионная волна находится на заднем фронте импульса, фазовая кросс-модуляция приводит к её синему сдвигу (в коротковолновую сторону) [82].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
