Диссертация (1104775), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Во втором, между солитоном и дисперсионной волной происходит вариант четырёхволнового взаимодействия, который приводит к генерацииспектральных компонент на длине волны более короткой, чем у дисперсионнойволны [83]. В любом случае, сдвинутое в синюю область излучение подвергается232уменьшению групповой скорости и за счёт этого начинает отставать от солитона.Однако, до тех пор, пока солитон продолжает сдвигаться в красную сторону, онтакже будет уменьшать групповую скорость до тех пор, пока вновь не встретится со сдвинутым в синюю сторону излучением.
Таким образом, сдвиг в синююсторону продолжается до тех пор, пока солитон имеет возможность сдвигаться вкрасную в области аномальной дисперсии и тем самым уменьшать свою групповую скорость. Максимальный синий сдвиг оказывается ограничен возможностьюсолитонов сдвигаться в красную сторону. Она, в свою очередь, ограничена потерями, возникающими при увеличении длин волн. Наличие второй длины волнынулевой дисперсии также ограничивает красный сдвиг.Для преодоления этого ограничения было предложено несколько методов.Первый из них – использование каскада волокон с последовательно уменьшающимися длинами волн нулевой дисперсии [84; 85]. В его основе лежит идея отом, что согласование групповых скоростей во втором волокне происходит дляболее коротких длин волн, за счёт меньшей длины волны нулевой дисперсии.Предельным случаем этого подхода является использование перетянутого волокна с постоянно уменьшающейся длиной волны нулевой дисперсии.
Его использование позволяет получать сверхширокие спектры, эффективно перекрывающиевсё окно пропускания волокна из плавленого кварца [86; 87]. Подобная структураволокна также усиливает взаимодействие между солитонами и дисперсионнымиволнами. В таком волокне для заданной длины волны дисперсия групповых скоростей уменьшается по мере распространения импульса. Этот эффект оказываетсяэквивалентен солитонному самосдвигу частоты, так как солитоны замедляются ивступают во взаимодействие с коротковолновыми дисперсионными волнами [88].Таким образом, пережатое волокно ещё больше усиливает расширение сверхширокого спектра в коротковолновую область.
Другие методы включают в себя модификацию волокна для уменьшения групповой скорости в ИК-диапазоне для согласования с более короткими длинами волн [89], облучение сильно нелинейныхволокон УФ излучением, которое вызывает изменение показателя преломления,приводящее к смещению длины волны нулевой дисперсии [90] и накачка волокнаодновременно первой и второй гармоникой [91].В режиме нормальной дисперсии начальное уширение импульса происходит за счёт четырёхволнового смешения и комбинационного рассеяния. При удалении длины волны накачки дальше в область нормальной дисперсии доминируют рамановские эффекты, так как параметрические частоты слишком сильно33отстроены от накачки.
По мере приближения к длине волны нулевой дисперсиистановится всё более и более важным четырёхволновое смешение, так как параметрическое усиление больше, чем рамановское [43]. Когда уширение начинаетперекрывать длину волны нулевой дисперсии, появляются солитонные эффекты,описанные выше.Основной желаемой характеристикой «телекоммуникационного» сверхширокого спектра является спектральная однородность в наиболее широком диапазоне вокруг 1550 нм. Используемые для генерации подобных спектров волокнаобычно имеют дисперсионные характеристики, которые сильно отличаются отрассмотренных выше. В результате возникает заметное отличие в динамике распространения импульсов и выходном спектре. Особенно интересны в этом контексте два варианта волокна: с двумя длинами волны нулевой дисперсии и с изменяющейся вдоль волокна дисперсией.
При условии правильного выбора параметров волокна и накачки, сверхширокий спектр на выходе получается одновременно однородным, симметричным и стабильным.«Стабильность» сверхшироких спектров определяется тем, как с течением времени меняются их интенсивность и фаза. Естественно, что стабильность вспектральном представлении напрямую влияет на когерентность сверхширокогоспектра и на соответствующие характеристики временного представления [92].Наиболее наглядной иллюстрацией стабильности является генерация сверхшироких спектров импульсным источником. В этом случае рассматривается вариация в характеристиках выходного спектра от импульса к импульсу. Так как всегда существует некоторый уровень технических и квантовых шумов у исходныхимпульсов, в режимах, когда спектральное уширение чувствительно к ним, этоприводит к заметным различиям между выходными спектрами.
Вследствие этого, измерение характеристик сверхширокого спектра интегральными детекторамиможет давать выглядящие неестественно ровными результаты, не отражающие ихтонкую структуру.В случае фемтосекундных импульсов в режиме аномальной дисперсии стабильность нарушается за счёт усиления входных флуктуаций модуляционнойнеустойчивостью, что приводит к возникновению шумов, которые могут конкурировать с когерентным спектральным уширением за счёт динамики солитонов.Однако, если временно́е сжатие импульса происходит достаточно быстро, то появляющийся сверхширокий спектр перерывает полосу усиления модуляционнойнеустойчивости до того, как происходит существенное усиление шумов.
В резуль-34тате просходит когерентная «затравка» полосы усиления, и получаемый сверхширокий спектр оказывается стабильным. С другой стороны, если усиленныйза счёт модуляционной неустойчивости шум становится основной особенностьюначального распространения импульса, генерируемый сверхширокий спектр начинает демонстрировать временну́ю и спектральную неустойчивость. В областинормальной дисперсии, где эффект модуляционной неустойчивости не проявляется, стабильность сверхширокого спектра является практически обеспеченной.Однако, ширина спектра для той же пиковой мощности оказывается заметно меньшей за счёт быстрого начального временно́го расхождения импульсов.При накачке длинными импульсами волокон с одним нулём дисперсиив рассматриваемой области, спектральное уширение определяется спонтаннымформированием модуляции огибающей накачки. В режиме нормальной дисперсии эта модуляция появляется за счёт вынужденного комбинационного рассеяния, в то время как в режиме аномальной дисперсии она может возникнуть какза счёт вынужденного комбинационного рассеяния, так и за счёт модуляционнойнеустойчивости.
В обоих случаях тот факт, что модуляция развивается из шума начастотах, которые не перекрываются накачкой, означает, что получаемый сверхширокий спектр имеет существенные флуктуации он импульса к импульсу. Темне менее, существуют комбинации параметров волокон и импульсов, которые позволяют обойти этот эффект. Более того, существуют исследования, изучающиевозможность когерентного уширения в режиме накачки длинными импульсами[93].1.4Использование сверхшироких спектров для зондирования динамикиэлектронов и молекул.Одним из наиболее распространённых видов нелинейно-оптического эксперимента является так называемая схема «накачка-зондирование».
В её основележит использование нескольких импульсов, часть которых возбуждает среду, вто время как остальные взаимодействуют с ней, тем самым позволяя получать информацию. Примером таких схем могут служить КАРС- и ВКР- системы, использующие «отпечатки пальцев» молекул для их идентификации, и системы аттосе-35кундного зондирования, позволяющие в реальном времени исследовать динамикуэлектронов в молекулах.Микро- и эндоскопия комбинационного рассеяния света является мощныминструментом визуализации и диагностики объектов по характерным молекулярным частотам вещества. Малая эффективность спонтанного рассеяния не позволяет проводить быструю запись сигнала, что особенно важно при работе с живыми животными. Микроспектроскопия на базе когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) с использованием сверхкоротких лазерных импульсов частично решила эту проблему и с успехом используется для микроскопии живыхсистем [94], обеспечивая высокую химическую селективность, внутриклеточноепространственное разрешение и высокие скорости накопления изображений [95;96].
Благодаря этим преимуществам КАРС-микроскопия открывает уникальныевозможности для регистрации внутриклеточной динамики [44], изучения липидных мембран [97] и нейрофизиологических исследований [98]. Недавно предложенная техника микроспектроскопии на базе вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) [99] в значительной степени снимает существующиеограничения методики КАРС, связанные с наличием когерентного фона, обусловленного нерезонансными процессами четырехволнового взаимодействия, а также квадратичной зависимостью сигнала от концентрации частиц. Таким образом,разработка и интегрирование световодных технологий доставки сверхкороткихлазерных импульсов с перспективными методиками когерентной спектроскопиикомбинационного рассеяния света позволяет получать детальную информацию охимическом составе биоткани и ее физических параметрах при записи нейрональной активности.Распространение сверхкоротких лазерных импульсов в протяженных световодах сопровождается дисперсионными и нелинейно-оптическими явлениями, серьезно искажающими форму импульса [100].
К приведенным выше факторам стоит добавить высокую вероятность повреждения сердцевины световодамощным лазерным излучением. Эти эффекты является главными ограничителями на пути развития нелинейно-оптических методик эндоскопии и визуализации,предъявляющими высокие требования к качеству импульсов накачки. Формирование линейной частотной модуляции (чирпирование) сверхкороткого импульсадля увеличения его длительности и понижения пиковой мощности представляется наиболее удобным подходом для решения проблемы самовоздействия и пробоясердцевины волновода. Существует хорошо разработанный набор техник чирпи-36рования излучения, позволяющие аккуратно контролировать величину и качествоформируемого фазового профиля, среди которых использование пар дифракционных решеток или призм из сильнодисперсионного стекла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
