Нелинейно-оптические взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волноводах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Коноров, Станислав Олегович

• Коноров, Станислав Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Коноров, Станислав Олегович

Введение

Глава 1 Микроструктурированные волокна и новый эт^п нелинейной оптики

§1.1. Основные типы микроструктурированных волноводов

§1.2. Управление дисперсией волноводных мод микроструктурированных волокон

1.2.1. Методы численного анализа собственных мод микроструктурированных волокон

1.2.2. Дисперсия МС-волокон со стеклянной или кварцевой сердцевиной.

1.2.3. Дисперсионные свойства полых МС-волноводов и уменьшение оптических потерь в полых волноводах с ФК-оболочкой оболочкой

§ 1.3. Микроструктурированные волокна в нелинейной оптике

1.3.1. Физика волноводного увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов

1.3.2. Эффекты дисперсии

1.3.3 Фазовая самомодуляция и кросс-модуляция

1.3.4. Четырехволновые взаимодействия в полых волноводах и повышение чувствительности методов нелинейно-оптического газового анализа

1.3.5. Генерация гармоник высокого порядка в наполненных газом полых волноводах

1.3.6. Генерация суперконтинуума в микроструктурированных волокнах

1.3.7.Форма и спектра излучения суперконтинуума

1.3.8.Солитонный механизм генерации суперконтинуума 36 Выводы к главе

Глава 2 Экспериментальная техника и методика измерений

§2.1. Фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс

§2.2. Фемтосекундный хром-форстеритовый лазерный комплекс

§2.3. Экспериментальная установка на основе титан-сапфирового генератора

§2.4. Наносекундкый ЬСАРС спектрометр

§2.5. Техника корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением по частоте

§2.6. Процедура измерения спектра пропускания полого ФК волновода

Глава 3 Генерация и спектрально-временная характеризация частотных компонент, генерируемых в микроструктурированных волноводах

§3.1. Модовая структура излучения суперконтинуума в микроструктурированных волноводах

§3.2. Характеризация генерации суперконтинуума с помощью метода корреляционного временного стробирования со спектральным разрешением

§3.3. Спектрально и пространственно изолированные рамановские солитоны в микроструктурированных волноводах

§3.4. Преобразование частоты фемтосекундных импульсов в микроканалах волновода

§3.5. Преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов для

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейно-оптические взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волноводах»

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 [411], 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 исдользования 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 I лазерных системах.

Изложение построено по следующему принципу. Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, четырех глав, выводов, защищаемых положений и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Коноров, Станислав Олегович

Основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально получено высокоэффективное нелинейно-оптическое преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов в МС-волокне (до 30%). Разработаны, созданы и испытаны в нелинейно-оптических экспериментах МС-волокна с волноведущими каналами в виде субмикронных кварцевых нитей. Размер и форма канала является ключевым параметром, определяющим дисперсионные свойства волноводных мод и, следовательно, область спектра, в которую с максимальной эффективностью преобразуется частота излучения накачки.

2. Выполненные эксперименты показывают, что МС-волокна со специальными профилем дисперсии позволяют создать высокоэффективные источники перестраиваемых по частоте коротких световых импульсов для нелинейной спектроскопии а также для фотохимических и фотобиологических исследований, открывая новые области приложений методов фемтосекундной спектроскопии и управления сверхбыстрыми процессами в физике, химии и биологии.

3. Полые фотонно-кристаллические волноводы позволяют сформировать устойчивые изолированные направляемые пространственные моды сверхкоротких световых импульсов субгигаваттного уровня мощности.

4. Продемонстрированное радикальное увеличение эффективности ЧВВ-процессов в полых ФК-волокнах по сравнению с режимом жесткой фокусировки и стандартными полыми волноводами, открывает новые возможности в области нелинейной оптики мощных сверхкоротких лазерных импульсов, физики сильных световых полей и нелинейной спектроскопии. Эти волокна позволяют реализовать волноводные режимы нелинейно-оптических взаимодействий для мощных лазерных импульсов, которые не могут передаваться через стандартные оптические волокна вследствие возникновения оптического пробоя.

Автору хочется выразить глубокую признательность своему научному руководителю профессору Желтикову А.М за постоянное внимание и поддержку и за неоценимую помощь на всех этапах работы. Автор благодарен доценту Федотову А.Б и с.н.с. Сидорову-Бирюкову за плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь. Отдельную признательность хотелось бы высказать Акимову Д.А за терпение и помощь в проведении экспериментальных исследований. Также автор признателен Серебрянникову Е.Е, Митрохину В.П за плодотворные обсуждения.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Коноров, Станислав Олегович, 2005 год

1. Knight J.C., Birks Т.А., Russell P.St.J., Atkin D.M, All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding// Opt.Lett., v.21, p. 1547-1550, (1996).

2. Broderick N.G.R., Monro T.M., Bennett P.J., Richardson D.J, Nonlinearity in holeyoptical fibers: measurement and futureopportunities// Opt.Lett., v.24, p. 1395-1397, (1999).

3. Fedotov A.B., Zheltikov A.M., Tarasevitch A.P., D. von der Linde, Enhanced spectral broadening of short laser pulses in high-numerical-aperture holey fibers //Appl.Phys. В., v. 73, p. 181-184, (2001).

4. C.M. Bowden, A.M. Zheltikov., Nonlinear Optics of photonic crystals// J.Opt.Soc.Amer. В., v.19, p.468, (2002).

5. Coen St., Chau A.H.L., Leonhardt R., Harvey J.D., Knight J.C., Wadsworth W.J., Russell Ph. St J, White-light supercontinuum generation with 60-ps pump pulses in a photonic crystal fiber// OptLett., v.26, p. 1356-1358, (2001).

6. Coen St., Hing Lun Chau A., Leonhardt R., Harvey J.D., Knight J.C., Wadsworth W.J.,

7. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz A. J., Optical properties of high-delta air silica microstructure optical fibers// Opt.Lett., v.25, p.796-798, (2000).

8. Monro T.M., Bennett P.J., Broderick N.G.R., Richardson D.J., Holey fibers with random cladding distributions// Opt.Lett., v.25, p.206-208, (2000).

9. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz АЛЛ Ibid., v.25, p.25., (2000).

10. Wadsworth W.J., Ortigosa-Blanch A., Knight J.C., Birks T.A., Mann T.P.M., Russell P.St.J., Supercontinuum generation in photonic crystal fibers and optical fiber tapers: a novel light source// J.Opt.Soc.Am.B., v.19, p.2148, (2002).

11. Ed. A.M. Zheltikov, Supercontinuum Generation// Special Issue of Appl.Phys.B., v.77, N.2/3, (2003).

12. Jones D.J., Diddams S.A., Ranka J.K., Stentz A., Windeler R.S., Hall J.L., Cundiff S.T.// Science, v.288, p.635, (2000).

13. Holzwarth R., Udem Т., Hansch T.W., Knight J.C., Wadsworth W.J., Russell P.St.J., Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy// Phys.Rev.Lett., v.85, p.2264-2267, (2000).