Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Микроструктурированные волокна и новый этап нелинейной оптики 11
1.1. Основные типы микроструктурированных волноводов 11
1.2. Управление дисперсией волноводных мод микроструктурированных волокон 14
1.2.1. Методы численного анализа собственных мод микроструктурированных волокон 16
1.2.2. Дисперсия МС-волокон со стеклянной или кварцевой сердцевиной. 18
1.2.3. Дисперсионные свойства полых МС-волноводов и уменьшение оптических потерь в полых волноводах с ФК-оболочкой оболочкой 20
1.3. Микроструктурированные волокна в нелинейной оптике 23
1.3.1. Физика волноводного увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов 25
1.3.2. Эффекты дисперсии 26
1.3.3 Фазовая самомодуляция и кросс-модуляция 27
1.3.4. Четырехволновые взаимодействия в полых волноводах и повышение чувствительности методов нелинейно-оптического газового анализа 28
1.3.5. Генерация гармоник высокого порядка в наполненных газом полых волноводах 31
1.3.6. Генерация суперконтинуума в микроструктурированных волокнах 33
1.3.7.Форма и спектра излучения суперконтинуума 34
1.3.8. Солитонный механизм генерации суперконтинуума 3 6
Выводы к главе 1 38
Глава 2 Экспериментальная техника и методика измерений 39
2.1. Фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс 39
2.2. Фемтосекундный хром-форстеритовый лазерный комплекс 44
2.3. Экспериментальная установка на основе титан-сапфирового генератора 47
2.4. Наносекундкый КАРС спектрометр 49
2.5. Техника корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением по частоте 50
2.6. Процедура измерения спектра пропускания полого ФК волновода 52
Глава 3 Генерация и спектрально-временная характеризация частотных компонент, генерируемых в микроструктурированных волноводах 55
3.1. Модовая структура излучения суперконтинуума в микроструктурированных волноводах 55
3.2. Характеризация генерации суперконтинуума с помощью метода корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением 60
3.3. Спектрально и пространственно изолированные рамановские солитоны в микроструктурированньгх волноводах 67
3.4. Преобразование частоты фемтосекундных импульсов в микроканалах волновода 73
3.5. Преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов для приложений в фотохимии 84
3.6. Фемтосекундная спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света с использованием перестраиваемого излучения, генерируемого в фотонно-кристаллических волокнах
3.7. Поляризационно-управляемая трансформация спектра фемтосекундныхимпульсов в двулучепреломляющих микроструктурированных волокнах
3.8. Фазовая кросс-модуляция сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волокнах Выводы к главе 3
Глава 4. Нелинейно-оптические преобразования в полых фотоннокристаллических волокнах 110
4.1. Волоноводные моды и спектры пропускания полых фотонно-кристаллических волокон 112
4.2. Синхронное четырехволновое взаимодействие изолированных волноводных мод интенсивных фемтосекундньгх импульсов в полых фотонно-кристаллических волокнах 118
4.3. Фазовая самомодуляция фемтосекундньгх лазерных импульсов в полых фотонно-кристаллических волокнах 128
4.4. Пространственное самовоздействие мощных лазерных импульсов в полых фотонно-кристаллических волноводах 133
4.5. Когерентное антистоксово рассеяние света в изолированных модах полого фотонно-кристаллического волновода 139
Выводы к главе 4 145
Заключение 147
Список литературы 148
- Дисперсионные свойства полых МС-волноводов и уменьшение оптических потерь в полых волноводах с ФК-оболочкой оболочкой
- Техника корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением по частоте
- Преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов для приложений в фотохимии
- Пространственное самовоздействие мощных лазерных импульсов в полых фотонно-кристаллических волноводах
Введение к работе
Для решения задач оптической физики, биомедицины и фотохимии наряду с обычными волокнами все более широко используются волокна новой архитектуры микроструктурированные (МС) волокна [1]. Волноводные моды электромагнитного
излучения в МС-волокнах формируются в результате интерференции волн, возникающих при отражении и рассеянии света на микронеоднородностях показателя преломления. Волокна этого типа привели к революционным изменениям в области оптической метрологии, нелинейной оптики, лазерной физики и оптике сверхкоротких импульсов. Значительный прогресс, достигнутый благодаря использованию МС-волокон в различных направлениях научных исследований, выдвигает их создание в ряд наиболее значительных достижений оптических технологий за последнее время.
" Управление степенью локализации излучения в сердцевине волокна [2,3] и мощностью, распространяющейся вдоль сердцевины, достигается в таком волокне за счет изменения процентного содержания воздуха в оболочке. Микроструктурированные волокна этого типа позволяют достичь радикального увеличения эффективности целого класса нелинейно-оптических взаимодействий [4-11], включая фазовую само- и кросс-модуляцию, четырехволновые взаимодействия, генерацию третьей гармоники, вынужденное комбинационное рассеяние света. Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий и управление дисперсионными свойствами волноводных мод открывают возможность использования лазерных импульсов малых энергий, включая неусиленные лазерные импульсы, для управляемой генерации суперконтинуума [12-16] - излучения с широким непрерывным спектром. Спектральная ширина излучения суперконтинуума при определенных условиях может составлять несколько октав. Явление генерации суперконтинуума приводит к революционным изменениям в области оптической метрологии [17-25] и активно используется в лазерной биомедицине, спектроскопии, фотохимии, а также оптике сверхкоротких импульсов.
Целями данной диссертационной работы являются:
1. Изучение линейных и нелинейных свойств нового класса структур волоконной оптики - микроструктурированных фотоннокристаллических волноводов.
2. Исследование дисперсионных свойств, а также режимов распространения и нелинейно-оптических взаимодействий сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волокнах.
3. Изучение возможности увеличения эффективности целого класса нелинейно-оптических процессов в фотоннокристаллических волноводах, а также возможностей применения изучаемых структур в спектроскопических целях и технологических лазерных системах.
Изложение построено по следующему принципу. Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, четырех глав, выводов, защищаемых положений и списка литературы.
Глава 1 посвящена обзору литературы о последних достижениях в области оптики микроструктурированных и фотонокристаллических волокон. Будет дано описание основных линейных и нелинейно-оптических свойств микроструктурированных и фотоннокристаллических волокон. Будет дана классификация микроструктурированных волокон по принципу обеспечения волноводного режима в сердцевине волокна, оптическим свойствам, а также возможным применениям волокон нового типа в оптических и спектроскопических приложениях. Также будут описаны основные оптические и нелинейно-оптические эффекты, наблюдаемые в микроструктурированных волноводах, и оказывающих существенное влияние на их свойства и направления возможного применения. Будут кратко обсуждены основные пути теоретического анализа дисперсионных свойств МС-волокон.
Третья глава посвящена исследованию нелинейно-оптических свойств микроструктурированных волокон со стеклянной или с кварцевой сердцевиной. Исследуются физические механизмы увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов в микроструктурированных и фотоннокристаллических волокнах. Будет указано на существование физического предела увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов в волноводном режиме. Этот предел связан с конкуренцией дифракции и удержания излучения в волноводе за счет градиента профиля показателя преломления. Будут продемонстрированы физические принципы управления локализацией света и нелинейно-оптическими взаимодействиями в микро- и наноструктурированных волокнах. Исследована модовая структура и спектральные свойства излучения суперконтинуума, генерируемого фемтосекундными лазерными импульсами в МС-волокне. Показана возможность применения преобразователей частоты фемтосекундных лазерных импульсов на основе МС-волноводов в области фемтосекундной фотохимии.
Глава 4 посвящена исследованию свойств собственных мод электромагнитного излучения, локализованных в полой сердцевине волокон с периодической и непериодической МС-оболочкой. Будет обсуждена возможность использования фотонно-кристаллических волокон с полой сердцевиной для передачи сверхкоротких импульсов мощного лазерного излучения, увеличения эффективности нелинейно-оптических взаимодействий и доставки мощных лазерных импульсов в технологических лазерных системах. Будет продемонстрировано увеличение эффективности нелинейно-оптических процессов в полых ФК-волокнах. Обсудим результаты экспериментов по четырехволновому взаимодействию пикосекундных импульсов и фазовой самомодуляции фемтосекундных лазерных импульсов, демонстрирующих возможность радикального усиления нелинейно-оптических процессов в полых волокнах с ФК-оболочкой по сравнению с режимом жесткой фокусировки и стандартными полыми волокнами со сплошной оболочкой.
Апробация результатов
Результаты данной диссертационной работы были представлены на целом ряде международных конференций:
1. Enhanced Coherent Anti-Stokes Raman Scattering in a Photonic Band-Gap Planar Waveguide Seminar "Optics of Photonic Crystals" International Conference of young scientists "Optics 2001", p.45. St-Petersburg 16-19 October 2001.
2. International Conference of young scientists "Optics 2001", p.45. St-Petersburg 16-19 October 2001,
3. Fourth Italian-Russian Laser Symposium (ITARUS 01), St-Petersburg, Russia, 2001, Technical Digest, p. 173.
4. International conference of yang scientists of M.V. Lomonosov 2001.
5. • Coherent Four-Wave mixing in a Photonic Band-Gap Planar Hollow Waveguide. Book of abstracts of European Conference on Nonlinear Spectroscopy (ECONOS 2002). p. 48. Switzerland, March 18 - 19, 2002.
ТУ
6. Supercontinuum Generation and enhanced nonlinear-optical processes in minimal cladding microstracture fibers. Book of Abstract. 11th International Laser Physics Workshop, p. 44. Bratislava, Slovak Republic, July 1-5, 2002
7. Coherent Anti-Stokes Raman Scattering of Slow Light in a Hollow Planar Photonic Band-Gap Waveguide. Technical Digest International Quantum Electronics Conference.
. p. 471. Moscow, Russia, June 22 - 27, 2002.
8. Frequency conversion and spectral transformation of ultrashort pulses in microstructure and photonic-crystal fiber// StPeterburg LOYS 2003
9. Frequency conversion and spectral transformation of ultrashort pulses in microstructure and photonic-crystal fiber. Book of abstracts p.280, 12th International Laser Physics Workshop. Hamburg, Germany, August 25-29, 2003.
10. Femtosecond time-resolved two-photon-absorption-resonant four-wave mixing in three y dimensional Spiroppyran/PMMA samples, Book of abstracts p.304, 12th International Laser Physics Workshop. Hamburg, Germany, August 25-29, 2003.
ll.Stas О. Konorov, Andrei В. Fedotov, Aleksei M. Zheltikov, Frequency conversion and spectral transformation of ultrashort pulses in microstracture and photonic-crystal fibers, Technical Digest p.245, 5th Italian-Russian Laser Symposium, Moscow, Russia, October 29-November 2, 2003.
12.A.D. Akimov, S.O. Konorov, A.M. Zheltikov, A.A. Ivanov and M.V. Alfimov, Cross-correlation FROG CARS with Frequency-converting Microstracture fibers, Technical Digest p. 10, European Conference on Non-linear Spectroscopy (ECONOS 2004), Erlangen, Germany, April 4-6, 2004.
13,1. Bugar, S.O. Konorov, D.A. Sidorov-Biryukov, D.Chorvat Jr., D.Chorvat, and A.M. Zheltikov, Four-wave Mixing Spectroscopy and Quantum Control of Two-photon Photochromism, Technical Digest p.20, European Conference on Non-linear Spectroscopy (ECONOS 2004), Erlangen, Germany, April 4-6, 2004
14. S.O. Konorov, A.D. Akimov, A.M. Zheltikov, A.A. Ivanov and M.V. Alfimov, Cross-corelation FROG CARS with Frequency-Converting Microstracture Fibers, Proceeding of the 19 International Conference on Raman Spectroscopy, 8-13 August 2004, Gold Coast, Australia
Защищаемые положения:
1. Микроструктурированные волокна со специальным профилем дисперсии обеспечивают высокоэффективное преобразование частоты и трансформацию спектра сверхкоротких световых импульсов, включая фемтосекундные импульсы нано- и субнаноджоулевых уровней энергии. Такие волокна позволяют сформировать короткие импульсы антистоксова излучения с гладкой временной огибающей и регулируемым чирпом, открывая возможности создания новых волоконно-оптических источников излучения и преобразования частоты для нелинейной спектроскопии, оптической метрологии и лазерной биомедицины.
2. Полые фотонно-кристаллические волноводы позволяют сформировать устойчивые изолированные направляемые пространственные моды сверхкоротких световых импульсов субгигаваттного уровня мощности.
3. Фазовый синхронизм изолированных волноводных мод интенсивных лазерных импульсов, обеспечиваемый специальным профилем дисперсии полого ФК волокна, приводит к эффективному преобразованию частоты интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 10 Вт/см2
4. Волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах полых ФК-волноводов, приводит к радикальному увеличению эффективности когерентного антистоксова рассеяния света по сравнению с режимом жесткой фокусировки и позволяет реализовать когерентное приготовление и зондирование комбинационно-активных молекулярных колебаний в газовой фазе изолированными волноводными модами мощных лазерных импульсов.
5. Светоиндуцированное пространственно неоднородное изменение показателя преломления газа, наполняющего волновод, приводит к изменению поперечного профиля интенсивности мощных фемтосекундных импульсов,распространяющихся в волноводе, открывая возможность передачи мощных сверхкоротких импульсов в режиме самоканалирования.
Дисперсионные свойства полых МС-волноводов и уменьшение оптических потерь в полых волноводах с ФК-оболочкой оболочкой
За счет выбора параметров полого волновода, давления газа, заполняющего полую сердцевину рассматриваемого волновода, и возбуждения соответствующих волноводных мод удается обеспечить условия, при которых волноводная составляющая фазовой групповой расстройки световых импульсов, участвующих в невырожденных по частоте нелинейно-оптических процессах, компенсирует фазовую и групповую расстройку, связанную с дисперсией газа [57]. При вьшолнении этих условий можно радикально повысить эффективность преобразования частоты излучения путем генерации оптических гармоник и многоволнового взаимодействия (включая процессы, приводящие к генерации коротких импульсов когерентного рентгеновского излучения) [58-66], уменьшить влияние эффектов групповой задержки и дисперсии групповой скорости на формирование предельно коротких импульсов путем генерации множественных ВКР-компонент [67], а также увеличить чувствительность методов когерентной четырехфотоннной спектроскопии [68,69,70]. Таким образом, использование волноводной составляющей дисперсии является ключевым условием повышения эффективности преобразования частоты и формирования предельно коротких импульсов в наполненных газом полых волноводах. Естественный способ увеличения влияния волноводной дисперсии на процессы нелинейно-оптического взаимодействия связан с уменьшением внутреннего радиуса волновода. Полые волноводы с малым внутренним радиусом также позволяют достичь высоких плотностей мощности путем введения в волноовд импульсов излучения меньших энергий. Однако уменьшение радиуса полого волновода приводит к увеличению волноводных потерь (коэффициент оптических потерь для мод полого волновода обратно пропорционален квадрату внутреннего радиуса волновода). Поэтому большинство нелинейно-оптических экспериментов выполняется с использованием полых волноводов с радиусом, варьируемым в диапазоне от 100 до 500 мкм, что ограничивает возможности использования волноводной дисперсии для достижения фазового и группового синхронизма, а также компенсации эффектов дисперсии групповой скорости в широком диапазоне физических параметров.
Вклад волноводной составляющей дисперсии может быть увеличен путем уменьшения внутреннего диаметра полого волновода без существенного увеличения оптических потерь при использовании полых волокон с МС-оболочкой в форме двумерного фотонного кристалла [27, 29]. Микроструктурирование оболочки полых ФК-волноводов позволяет радикально уменьшить оптические потери в полых волокнах с малыми внутренними радиусами (несколько микрометров).
Волноводное распространение излучения в обычных волноводах обеспечивается эффектом полного внутреннего отражения, который имеет место на границе сердцевины и оболочки волокна с показателями преломления псоге и псШ = у]єсШ соответственно. Постоянная распространения волноводных мод при этом определяется соотношением 0„ = Jkf-(i4n/a) , где кх=па}Пт\с, ип - собственное значение характеристического уравнения для волноводной моды с номером п, а - радиус сердцевины волновода, и удовлетворяет соотношениям кх Рп к2, где к2 - псШт/с. В полых волноводах показатель преломления сердцевины псоге ниже показателя преломления оболочки псЫ = єсШ . Поэтому постоянные распространения мод полых волноводов j3„=yjkf (ип/а) =ykl-(Wn/a) , где Wn - поперечное волновое число моды оболочки волокна, имеют отличные от нуля мнимые составляющие, и распространение света в подобных волноводах сопровождается потерями излучения. Коэффициент оптических потерь в полых волноводах пропорционален фактору Я2/аъ [71], где Л - длина волны, а внутренний радиус волновода. Подобное поведение коэффициента потерь накладывает ограничения на уменьшение радиуса волновода в нелинейно-оптических экспериментах. Идея уменьшения потерь в полом волноводе с микроструктурированной периодической оболочкой по сравнению с полым волноводом со сплошной оболочкой основана на использовании высокой отражательной способности периодической структуры в области фотонной запрещенной зоны [27, 29, 72, 73]. Для качественной иллюстрации этой идеи воспользуемся хорошо известным результатом анализа распространения излучения в планарном волноводе с периодической оболочкой [72]. Уменьшение коэффициента оптических потерь в подобном волноводе относительно потерь в полом волноводе со сплошной оболочкой характеризуется отношением логарифмов коэффициентов отражения от стенки полого волновода и от периодической структуры. Вблизи центра фотонной запрещенной зоны в спектре отражения периодической структуры оболочки волновода с достаточно большим числом слоев N увеличение числа периодов модуляции показателя преломления оболочки полого волновода позволяет достичь экспоненциального уменьшения коэффициента оптических потерь в полом волноводе с периодической оболочкой арва по сравнению с коэффициентом оптических потерь полого волновода со сплошной оболочкой где к - коэффициент связи прямой и обратной волн в периодической структуре, d - период модуляции показателя преломления в оболочке. Таким образом, полые волноводы с периодической оболочкой позволяют существенно снизить оптические потери, характерные для мод полых волноводов. В связи с этим полые волноводы с периодической структурой оболочки представляются чрезвычайно перспективными для повышения эффективности нелинейно-оптических взаимодействий, включая процессы фазовой само- и кросс- модуляции, генерации оптических гармоник и оптического сложения частот. Волокна с полой сердцевиной и ФК-оболочкой [27, 29] принадлежат этому классу волноводов и могут быть использованы для увеличения эффективности нелинейно-оптических взаимодействий. Однако, поскольку такие волноводы имеют гораздо более сложную структуру, чем планарные волноводы с периодической оболочкой, для количественного анализа коэффициента оптических потерь волноводных мод в подобных волокнах требуется более детальное исследование свойств их волноводных мод.
Техника корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением по частоте
Подобное поведение коэффициента потерь накладывает ограничения на уменьшение радиуса волновода в нелинейно-оптических экспериментах. Используя выражение (1), получаем, что коэффициент затухания основной моды полого волновода с кварцевой оболочкой и внутренним радиусом 7 мкм для излучения с длиной волны 1 мкм превышает 6.5 см"1, что делает такое волокно непригодным для практических приложений.
Для качественной иллюстрации идеи уменьшения потерь в ПВ с МС периодической оболочкой по сравнению с ПВ со сплошной оболочкой воспользуемся хорошо известным результатом анализа распространения излучения в планарном волноводе с периодической оболочкой [72]. Уменьшение коэффициента оптических потерь в полом волноводе с ФК-оболочкой относительно потерь в ПВ со сплошной оболочкой характеризуется отношением логарифмов коэффициентов отражения от стенки ПВ и от периодической структуры. Вблизи центра фотонной запрещенной зоны в спектре отражения периодической структуры оболочки волновода с достаточно большим числом слоев N увеличение числа периодов модуляции показателя преломления оболочки полого волновода позволяет достичь экспоненциального уменьшения коэффициента оптических потерь в ПВ с периодической оболочкой ctpbg по сравнению с коэффициентом оптических потерь ПВ со сплошной оболочкой аь: ccPBG/a ее aexp(-2\k\Nd), где к - коэффициент связи прямой и обратной волн в периодической структуре, d - размер периода модуляции показателя преломления в оболочке. Таким образом, ПВ с периодической оболочкой позволяют существенно снизить потери, характерные для мод полых волноводов. Структура полых ФК-волокон представляется оптимальной для реализации эффективных волноводных режимов ВКР и КАРС. Спектры пропускания полых ФК-волокон характеризуются наличием изолированных максимумов [27, 29], позволяющих рассчитывать на достижение высоких эффективностей нелинейно-оптических взаимодействий спектрально разделенных оптических сигналов, частоты которых попадают в область минимальных потерь полого ФК-волокна. Процессы ВКР и КАРС принадлежат этому классу нелинейно-оптических взаимодействий. Когерентные многоволновые взаимодействия и генерация оптических гармоник занимают важное место в нелинейной волоконной оптике, позволяя достигать высоких эффективностей преобразования частоты и высоких уровней чувствительности методов когерентной нелинейной спектроскопии. Заполненные газом полые волноводы обеспечивают возможность существенного увеличения эффективности процессов смешения частоты и генерации гармоник высокого порядка. При наличии световых импульсов накачки с частотами а р и cos на входе волновода когерентные многоволновые взаимодействия приводят к генерации новых частотных компонент с частотами сотп - тсор±па)р, где т и п целые числа. Случаи т = 0 и п = 0 соответствуют генерации гармоник п - ого и т - ого порядков излучения накачки. Нелинейные процессы четных порядков обычно характеризуются значительно более низкими интенсивностями по сравнению с процессами нечетных порядков из-за общего свойства центральной симметрии газовой среды [85]. Однако нелинейно-оптические процессы четных порядков могут возникать при наличии неоднородностей среды или поля, нарушающих центральную симметрию среды. Это может иметь место, например, в случае ионизации газа. Явление генерации гармоник высокого порядка (ГТВП) в полых волноводах открывает широкие перспективы для получения световых импульсов с длительностью, соответствующей нескольким периодам оптического пол, с одновременным преобразованием частоты этих импульсов. Повышение эффективности ГТВП и управление временным и пространственным распределением фазы оптических гармоник в настоящее время являются ключевыми проблемами, решение которых откроет возможность широкого практического использования явления ГТВП и позволит формировать сверхкороткие (в том числе субфемтосекундные) импульсы с управляемыми параметрами. Полые волноводы позволяют радикально увеличить длину нелинейнооптического взаимодействия и достичь фазового и группового синхронизма, открывая тем самым широкие возможности для повышения эффективности процесса ГТВП. Экспериментальные данные [59 - 61] показывают, что с помощью ПВ можно увеличить эффективность преобразования частоты при ГТВП в 100 - 1000 раз по сравнению со случаем генерации гармоник в газовых струях. Эффективность генерации 15-й гармоники в ПВ, наполненном ксеноном, при использовании импульсов длительностью 40 фс, энергией 1.5 мДж и длиной волны 800 нм в экспериментах [61] достигла 410 5. Проблема управления фазовыми свойствами гармоник высокого порядка решается путем выбора начального чирпа импульса накачки [92], положения фокуса излучения накачки относительно нелинейной среды [93], а также использованием бигармонической накачки [94-97] и приготовления начального состояния системы в виде когерентной суперпозиции квантовых состояний [98, 99]. В частности, компенсация фазы нелинейной поляризации, наводимой в среде полем накачки, с помощью линейного чирпа поля накачки позволяет эффективно управлять формой спектра гармоник высокого порядка [92], а также осуществлять компрессию импульсов оптических гармоник за счет компенсации их чирпа [100-107]. Генрация суперконтинуума [108] - нелинейно-оптическое явление, заключающееся в гигантском уширении спектра светового импульса в результате совместного действия целого ряда нелинейно-оптических эффектов, таких как фазовая само- и кросс-модуляция, четырехволновые взаимодействия, вынужденное комбинационное рассеяние, а также формирование и распространение солитонов и модуляционные неустойчивости. В последние годы интерес к явлению генерации суперконтинуума значительно возрос в связи с возможностью достижения сверхуширения спектра для фемтосекундных импульсов малой мощности за счет использования волокон нового типа - МС-волокон [1,11,27,109 - 112]. Эти волокна позволяют достичь высокой степени локализации света в сердцевине волокна [2, 3] и открывают широкие возможности управления дисперсионными свойствами волноводных мод [113]. Благодаря этому МС-волокна позволяют достигать высоких эффективностей нелинейно-оптических взаимодействий даже в случае использования неусиленных фемтосекундных импульсов [41]. Усиление широкого класса нелинейно-оптических явлений [2,3,5], сопровождающих распространение фемтосекундных импульсов в МС-волокне, приводит к генерации суперконтинуума [13,6,40,114,17], начиная с наноджоулевых и даже субнаноджоулевых уровней энергии лазерного излучения. Исследование генерации суперконтинуума в МС-волокнах позволило выявить ряд — интересных физических явлений, обусловленных нелинейно-оптическими взаимодействиями сверхкоротких световых импульсов, и достичь существенного прогресса в понимании сценариев спектрального сверхуширения коротких световых импульсов в различных режимах волноводного распространения [14,15,7]. Область приложений явления генерации суперконтинуума в МС-волокнах стремительно растет. Благодаря этому в настоящее время наблюдаются революционные изменения в оптической метрологии [17-20], достигнут значительный прогресс в области оптической когерентной томографии [21], а также открываются" возможности создания компактных и практичных источников широкополосного излучения на основе генерации суперконтинуума в МС-волокнах.
Преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов для приложений в фотохимии
Оптические солитоны - это самолокализованные импульсы или пучки света с пространственной или временной дисперсией, которая формируется за счет действия нелинейной среды, в которой они распространяются [117,118]. Вскоре после экспериментального наблюдения временных солитонов в оптических волноводах [119], было найдено, что волноводные солитоны могут демонстрировать большой сдвиг собственной частоты [120, 121]. Таким образом, короткий ( 1 пс) солитон при распространении в кремниевой рамановски активной среде испытывает непрерывный сдвиг в красную область из-за того, что низкочастотный край спектра солитона испытывает рамоновское усиление за счет истощения высокочастотных спектральных компонент солитона. Также поведение солитона считается неизменным при распространении в оптических волноводах с кремниевой сердцевиной в области отрицательной дисперсии. Сокращение частотного сдвига нарастает из-за экспоненциального усиления и значительного насыщения области новых частот, сдвинутых в красную область, в соответствии с солитоном и испущенных самим солитоном через механизм черенковского излучения.
Черенковское излучение [122-124] заряженными частицами, распространяющимися в дисперсионной среде, возникает, когда частица распространяется со скоростью большей, чем фазовая скорость света. Равнозначно ,можно сказать, что эффект Черенкова имеет место, если волновое число волны, создаваемой частицей становиться меньше, чем волновое число дисперсионной волны той же частоты. Когда выполняется условие фазового согласования и излучение испускается под некоторым углом к направлению движения частицы [124].
Т.к. распространение в волноводе ограничено одним направлением, время является единственной значащей координатой. Угол в пространственно-временной плоскости, который любая дисперсионная волна делает с траекторией солитона, характеризует частоту волны, соответствующей частоте солитона. Одной из наиболее важных характеристик солитона является его устойчивость к возмущениям [124]. Решение локально модифицирует дисперсионные характеристики таким образом, что нет дисперсионных волн с действительными частотами, имеющих волновые числа близкие к солитонным. Это обеспечивает отток энергии от солитонов и обратно. Однако, когда дисперсия групповой скррости (ДГС) волновода меняется существенно в области спектра импульса, солитонные потери невосприимчивы к волнам дисперсии, поэтому может быть найдена критическая частота или набор критических частот, таким образом, что постоянные распространения волн фазово согласованы с волновыми числами солитонов [126]. Это приводит к Черенковскому излучению, и решение больше не является "идеальным", и появляется квазисолитонная связь с волнами дисперсии [127]. Этот эффект становиться более явным для более коротких импульсов и более крутой кривой дисперсии групповой скорости. Дисперсия групповой скорости представляется Д (ЙР) , определяемой как вторая производная от волнового числа к по частоте х .
Недавно разработанные фотоннокристаллические волокна делают возможным получить такие оптические характеристики, которые были недоступны прежде [1,109,27]. Одним из наиболее заметных свойств ФК-волокон - это область аномальной дисперсии, которая оказывает сильное влияние на нелинейную оптику волноводов [13,15,128,129]. Чтобы достичь баланса между дисперсией и нелинейностью, необходимого для солитонного режима, необходимо работать в области, где дисперсия групповой скорости аномальна, т.е.
Теоретически было показано [126], что солитоны, испускающие Черенковское излучение, теряют энергию медленно (т.е. не экспоненциально) с ростом дистанции распространения z, перекачивая ее в резонансную волну дисперсии. Для сохранения энергии солитона, центральная волна солитона испытывает сдвиг в область противоположную области, куда происходит излучение. Это так называемый эффект рикошета [117, 126]. Частота Черенковского излучения достигает центральной частоты солитона, близкой к частоте нуля дисперсии групповой скорости. Энергетический обмен между солитоном и резонансной дисперсионной волной дисперсии достигает максимума в тех областях, где энергия берется из волны наиболее интенсивной центральной части спектра солитона. Это происходит потому что амплитуда испущенного излучения главным образом определяется спектральной амплитудой солитона на частоте излучения.
Рамановское рассеяние генерирует излучение в красной области, области существования солитонов. Рамановское излучение пропорционально дистанции распространения z. Таким образом, при достижении солитоном сдвинутой в красную область точки нуля дисперсии групповой скорости с отрицательным уклоном дисперсии групповой скорости, интенсивность сдвинутого в область больших длин волн излучения Черенкова возрастет экспоненциально с длиной z. Должно наступить насыщение экспоненциального роста излучения, однако солитон отскакивает в облась более коротких длин волн. Таким образом, существует возможность достижения баланса между рамановским сдвигом к область больших длин волн и сдвигом частоты солитона в область коротких длин волн от Черенковского излучения, сдвинутого в область коротких длин волн. Этот баланс затем даст частотно фиксированные солитонные импульсы с увеличивающейся задней частью амплитуды Черенковского излучения. 1. Полые МС- и ФК-волокна позволяют существенно повысить эффективность процессов нелинейно-оптического взаимодействия по сравнению с режимом жесткой фокусировки и волноводными режимами, реализуемыми в обычных полых волноводах со сплошной оболочкой. 2. Указан физический предел увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов в волноводном режиме, связанного с конкуренцией дифракции и удержания излучения в волноводе за счет градиента профиля показателя преломления. Оптимальные для нелинейно-оптических взаимодействий условия локализации электромагнитного излучения в волноводных модах достигаются в случае субмикронных волноводных нитей с воздушной оболочкой. Эти волноводные структуры с максимальной разностью показателя преломления практически реализуются в МС-волокнах. 3. В ряде случаев можно качественно достичь понимания процессов трансформации сверхкоротких лазерных импульсов, распространяющихся в МС-волокне, а также понимания влияния параметров волокон на оптимальные значения формы и размера сердцевины волокна и максимальные значения фактора волноводного увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов.
Пространственное самовоздействие мощных лазерных импульсов в полых фотонно-кристаллических волноводах
Излучение лампы накаливания проходило через стеклянный клин и коллимировалось на торец объектива, заводящего излучение в волновод. В качестве заводящего объектива использовался объектив Ломо х40. При отражении части излучения лампы от торца волновода, это излучение выходит через заводящий объектив и частично отражается от стеклянного клина. Отраженное от клина излучение попадает в систему двух линз, осуществляющих построение изображения входного торца волновода на ПЗС матрице. При этом для построения изображения выбиралось отражение от ближней к заводящему объективу поверхности стеклянного клина. С помощью такой системы имелась возможность контролировать заведение излучения в волновод. На выходе волновода ставился коллимирующий объектив Ломо х10. Изображение выходного торца волновода строилось на ПЗС мактрице, подключенной к компьютеру. По ПЗС камере производилась оптимизация заведения излучения лампы накаливания и условий возбуждения волноводной моды. Перед ПЗС матрицей камеры ставилась диафрагма для того, чтобы отсечь излучение, распространяющееся в волноводной моде сердцевины волокна от излучения, распространяющегося по структуре оболочки волновода. Затем ПЗС камера убиралась и вместо нее ставился торец заводящего волновода спектрометра Ocean Optics 2000. Также осуществлялось измерения спектра излучения лампы накаливания отдельно от волновода. Спектр пропускания волновода получался путем нормировки спектра, полученного при прохождении излучения лампы накаливания по волноводу к спектру лампы.
С помощью спектрометра Ocean Optics 2000 было возможным измерение спектров пропускания волокон в пределах от 400 до 900 нм. Для получения спектров пропускания волноводов в инфракрасной области спектра, было использовано излучение, генерируемое пикосекундным параметрическим генератором. В качестве задающего генератора параметрического генератора использовался наносекундный лазер с модуляцией добротности на Nd:Yag, генерирующего импульсы длительности 10 не, длиной волны 1.064мкм, частотой 20 Гц и энергией в импульсе 350 мДж. После последовательного преобразования излучения задающего генератора во вторую, а затем и в третью гармонику, с длиной волны 355 нм, излучение третьей гармоники имело энергию 70 мДж и являлось накачкой для параметрического генератора света на основе кристалла ВВО. Таким образом, после параметрического генератора имелась возможность осуществить преобразование длины волны излучения в сигнальной волне в пределах от 420 нм до 710 нм и от 710 нм до 2250 нм в холостой волне. При этом максимум суммарной энергии сигнальной и холостой волн составлял 25-30 мДж. Для измерения спектра пропускания полого фотоннокристаллического волновода в инфракрасной области в диапазоне от 900 нм до 2 мкм использовалось излучение холостой волны, генерируемой в параметрическом генераторе. Излучение сигнальной волны отрезалось с помощью фильтра, который пропускал излучение с длинами волн больше, чем 800 нм. Излучение из параметрического генератора заводилось в оптическую схему, аналогичную той, что использовалась для измерения спектра пропускания волновода в видимой части спектра. Сигнал после волновода регистрировался с помощью охлаждаемого фотодетектора PbS. Для получения спектра пропускания волновода в инфракрасной области отдельно была снята спектральная плотность мощности холостой волны параметрического генератора без волновода, и на эту зависимость была нормирована спектральная плотность мощности излучения, прошедшего через волновод фемтосекундных импульсов в микроструктурированных волноводах за счет возбуждения различных мод микроструктурированной сердцевины [132,133]. В зависимости от возбуждаемых в волокне волноводных мод 30-ти фемтосекундные дазерные импульсы могут генерировать как широкополосное излучение, так и отдельные изолированные спектральные компоненты в спектре выходного излучения. Этот метод используется для изменения спектрального состава выходного излучения, управляемого фазовосогласованными процессами четырехволнового взаимодействия.
Уникальные свойства микроструктурированных волноводов позволяют достигать высоких эффективностей нелинейно-оптических взаимодействий даже для сверхкоротких импульсов малых энергий. Дисперсией таких волноводов можно управлять в широких пределах путем изменения геометрии микроструктурированной сердцевины и оболочки. Высокий контраст показателя преломления между сердцевиной и оболочкой, достижимый с помощью таких волноводов, обеспечивает высокую локализацию электромагнитного излучения в сердцевине волокна, повышая тем самым эффективность нелинейно-оптических взаимодействий, и приводя к эффективной генерации излучения с очень широким спектром (суперконтинуума).
