Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах (1104853)
Текст из файла
На правах рукописиСеребрянников Евгений ЕвгеньевичСпектрально-временныепреобразованиясверхкоротких лазерных импульсовв микроструктурированных световодахСпециальность 01.04.21 — лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква ─ 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаим.М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессорЖелтиков Алексей МихайловичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессорЕвсеев Игорь Викторович, Московский инженерно-физический институт(государственный университет), МоскваДоктор физико-математических наук, профессорМажукин Владимир Иванович, Института математического моделированияРАН, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наук «Институт общей физики имениА.
М. Прохорова» РАН, МоскваЗащита диссертации состоится « 22 апреля » 2010годав16 00часовназаседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинскиегоры, МГУ, улица Академика Хохлова, дом 1, стр.
62, Корпус нелинейной оптики,аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «»2010 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваI. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыСовременные оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и надежныеволоконно-оптические источники и преобразователи оптических сигналов, используемые длярешения широкого круга научных и технологических задач. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены световоднойгеометрией генерации, усиления и нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения .В волоконно-оптических лазерных системах такая геометрия обеспечивает высокуюэффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, благоприятные условиядля отвода тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка.
Благодарябольшим длинам нелинейно-оптических взаимодействий, обеспечиваемых волноводнымрежимом распространения излучения, оптоволоконные технологии позволяют создаватькомпактные и высокоэффективные устройства для управления параметрами лазерного излученияи спектрально-временного преобразования световых импульсов, включая широко используемые воптике сверхкоротких импульсов волоконно-оптические компрессоры и устройства дляпреобразования частоты на основе комбинационного рассеяния и параметрическогочетырехволнового взаимодействия.Оптические волокна, легированные иттербием и эрбием, обладают полосой усиления,достаточной для генерации сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Однакосоздание практичных волоконно-оптических лазерных устройств, способных составитьконкуренцию имеющимся твердотельным лазерным источникам сверхкоротких световыхимпульсов, требует решения ряда серьезных идейных и технических проблем.
Одна из наиболеезначительных трудностей получения мощных коротких световых импульсов в волоконнооптических системах связана с нежелательными нелинейно-оптическими явлениями, такими какфазовая само- и кроссмодуляция, вынужденное комбинационное и бриллюэновское рассеяние.Нелинейный набег фазы и изменение спектрально-временной структуры светового поля,вызываемые такими явлениями, препятствуют эффективному усилению и не позволяют получитьпредельно короткие световые импульсы на выходе лазерной системы.
Еще одна принципиальнаяпроблема, затрудняющая разработку волоконно-оптических источников все более короткихсветовых импульсов, связана с тем, что для формирования импульсов предельно малойдлительности требуются оптические волокна с частотным профилем дисперсии, точнокомпенсирующим дисперсию, вносимую функциональными элементами волоконно-оптическихсистем. Однако для волоконных источников предельно коротких лазерных импульсов,требующих компенсации дисперсии высоких порядков, возможности компенсаторов дисперсиина основе стандартных световодов ограничены.Здесь на помощь приходят оптические волокна нового типа — микроструктурированные(МС) световоды.
По структуре, механизмам формирования и свойствам волноводных модволноводы этого класса существенно отличаются от обычных оптических волокон. Для передачиизлучения в МС-световодах служит сплошная или полая сердцевина, окруженнаямикроструктурированной оболочкой, содержащей систему ориентированных вдоль оси волокнацилиндрических воздушных отверстий. Подобная микроструктура обычно изготавливается путемвытяжки из преформы, набранной из капиллярных трубок и сплошных кварцевых стержней.-1-Уникальность МС-световодов для оптических технологий и волоконных лазерных системобусловлена возможностями активного формирования частотного профиля дисперсиисобственных мод таких волокон, а также управления структурой поля и степенью еголокализации путем изменения структуры поперечного сечения волноводной структуры.
Такиесветоводы позволяют реализовать сложные частотные профили дисперсии, которые не могутбыть сформированы в случае стандартных оптических волокон. Как следствие, в МС-волокнахнаблюдаются новые нелинейно-оптические явления и новые режимы спектрально-временногопреобразования сверхкоротких лазерных импульсов. Высокоэффективные волоконно-оптическиепреобразователи частоты сверхкоротких импульсов и источники излучения с широкимнепрерывным спектром (суперконтинуума), разработанные на основе МС-световодов с высокойоптической нелинейностью, позволяют решать фундаментальные задачи в области оптическойметрологии и оптики сверхкоротких лазерных импульсов, а также активно применяются дляцелей лазерной биомедицины, нелинейной спектроскопии и микроскопии.Создание МС-волокон, отличающихся от стандартных световодов по своей архитектуре,свойствам, а также принципам реализации волноводного распространения, стало одним изнаиболее выдающихся достижений в области оптических технологий за последнее время.
Анализспектрально-временных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов, а такжеисследование дисперсионных и нелинейно-оптических свойств МС-волокон, которым посвященанастоящая диссертационная работа, необходимы для разработки уникальных волоконнооптических систем, обеспечивающих высокоэффективную управляемую трансформациюсветовых импульсов с начальными длительностями от десятков наносекунд до несколькихциклов светового поля (единицы фемтосекунд) в широком диапазоне пиковых мощностей отсотен ватт до нескольких гигаватт.Цели и задачи диссертационной работыНастоящая работа посвящена системному теоретическому исследованию спектральновременных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в результате их нелинейнооптического взаимодействия в микроструктурированных и полых фотонно-кристаллическихволокнах. Основной целью данного исследования являлась разработка волоконных световодныхэлементов, решающих различные актуальные задачи в области оптических технологий.
Всоответствии с этим в работе предстояло решить следующие задачи:1. На основе уравнений Максвелла разработать теоретические модели, необходимые дляанализа оптических свойств МС-волокон, а также спектрально-временной эволюциисверхкоротких лазерных импульсов в процессе волноводного распространения.2. Для различных МС-волокон, отличающихся геометрией волноводной структуры ипринципами обеспечения волноводного распространения, подробно изучить структурупространственного распределения поля и поляризации волноводных мод, а также ихдисперсионные свойства. Изучить основные принципы конструирования волокон с заданнымиоптическими свойствами.3. Выявить фундаментальные сценарии и механизмы спектрально-временной эволюциисверхкоротких лазерных импульсов при нелинейно-оптическом взаимодействии в процессе ихраспространения в МС-волокнах различного типа.4.
Изучить возможности синхронизации широкого класса нелинейно-оптическихпроцессов в МС-световодах, позволяющих добиться радикального увеличения эффективностипреобразования частоты и трансформации спектра сверхкоротких лазерных импульсов.-2-Научная новизна Были численно рассчитаны линейные и нелинейно-оптические свойства целого рядауникальных МС-волокон с необычайно сложной структурой поперечного сечения. При помощимодификации структуры МС-волокна, была продемонстрирована возможность конструированиязаданного профиля дисперсии групповой скорости волноводных мод. Предложен алгоритм создания световодных элементов на основе МС-волокон,позволяющих реализовать высокоточную компенсацию дисперсии, вносимой различнымикомпонентами волоконной лазерной системы.
Продемонстрировано ускорение солитонного сдвига частоты при распространениилазерного импульса, состоящего из нескольких циклов светового поля. Показана возможность МС-волокон с малым диаметром сердцевины стабилизироватьсолитонный сдвиг частоты, что является необходимым в реализации схемы синхронизацииимпульсов накачки и затравки в оптических параметрических усилителях чирпированныхимпульсов. Разработана оригинальная техника спектрального сжатия фемтосекундных лазерныхимпульсов, основанная на использовании МС-волокна с аномальной дисперсией групповойскорости.
Продемонстрирована возможность формирования в полых фотонно-кристаллическихволокнах солитонов гигаватного уровня мощности. Было показано, что МС-волокно с надлежащим образом выбранными параметраминелинейности и дисперсии может совмещать в себе функции нелинейно-оптическогопреобразователя спектра лазерных импульсов и синтезатора профиля фазы, обеспечивающегорезонансное возбуждение комбинационно-активных мод. Была теоретически продемонстрирована возможность полых ФК-волокон, со специальносконструированной волноводной структурой и в случае грамотного выбора параметров входногоимпульса, а также газа и его давления, обеспечивать уникальный режим широкополоснойсинхронной генерации большого числа гармоник в области мягкого рентгена и далекогоультрафиолета.Научная и практическая значимостьВыполненное в настоящей диссертации теоретическое исследование показывает, что:• активное формирование частотного профиля дисперсии и пространственного профиляполя в собственных модах МС-световодов открывает уникальные возможности достижениявысокоточного баланса дисперсии в широком спектральном диапазоне, что может бытьиспользовано для разработки новых классов волоконно-оптических источников сверхкороткихсветовых импульсов.• МС-световоды позволяют создавать компактные и эффективные волоконно-оптическиекомпоненты для когерентного управления процессами комбинационного возбуждения иоднопучковой КАРС-микроскопии.-3-• МС-волокнасоспециальнымпрофилемдисперсиипозволяютсоздаватьвысокоэффективные источники перестраиваемых по частоте коротких световых импульсов длянелинейной спектроскопии, а также для фотохимических и фотобиологических исследований,открывая новые области приложений методов фемтосекундной спектроскопии и управлениясверхбыстрыми процессами в физике, химии и биологии.• полые ФК-волокна, способные поддерживать солитонный режим распространениегигаватных лазерных импульсов, представляют значительный интерес для транспортировкивысокомощных сверхкоротких оптических сигналов, создания перестраиваемых по частотеисточников высокомощных сверхкоротких световых импульсов, а также для разработкиволоконных инструментов лазерной хирургии и офтальмологии.• волноводные режимы генерации гармоник высокого порядка в полых ФК-волокнахпредлагают удобный способ создания коротковолновых источников излучения, востребованные вспектроскопии и биомедицинских приложениях.Защищаемые положения:I.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
