На правах рукописи

МИТРОХИН Владимир Павлович

Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических

преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и

спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния

света

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва — 2010

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Федотов Андрей Борисович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Наний Олег Евгеньевич, кафедра оптики и спектроскопии физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук Цхай Сергей Николаевич, учреждение Российской академии наук «Физический институт имени П.Н.Лебедева РАН»

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук «Институт химической физики имени Н.Н. Семенова РАН»

2010 года в 1730 часов на заседании

Защита состоится « 18 » марта диссертационного совета Д501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан « 20 года.

»

Ученый секретарь диссертационного совета Д501.001. кандидат физ.-мат. наук, доцент Т.М. Ильинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В последние годы появилось много новых направлений, возникших на стыке различных областей науки, а также в результате сочетания передовых научных подходов и идей с достижениями в области современных технологий. Во многих современных исследованиях показана возможность целенаправленного изменения оптических свойств вещества и управления фундаментальными (в том числе, сверхбыстрыми) процессами в веществе путем наноструктурирования материалов и создания надмолекулярных структур и молекулярных агрегатов2. Речь идет о формировании нового направления научных исследований нанофотоники.

Прогресс в этом направлении приводит к революционным изменениям в области оптики сверхкоротких импульсов, нелинейной и квантовой оптики, атомной физики, химических технологий, биофотоники и позволяет глубже понять фундаментальные аспекты взаимодействия сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения с наноструктурированной материей.

Другим типом структур, с которыми связано большое количество заметных достижений в областях волоконной и нелинейной оптики, оптической метрологии и оптике сверхкоротких импульсов являются оптические волокна новой архитектуры – микроструктурированные (МС) или фотонно-кристаллические (ФК) волокна3,4.

МС волокна – это световоды нового типа, отличающиеся по своей архитектуре, принципу действия и свойствам от обычных оптических волокон. В общем случае они представляют собой микроструктуру с периодически или апериодически промодулированным показателем преломления оболочки. Значительный прогресс, достигнутый благодаря использованию МС волокон в различных направлениях Nanoscale Linear and Nonlinear Optics.(ed.): M. Bertolotti, C.M. Bowden, and C. Sibilia Am. Inst. Phys., New York, Verbiest T, Van Elshocht S, Kauranen M, Hellemans L, Snauwaert J, Nuckolls C, Katz TJ, Science, 282, 913.

Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St.J., Atkin D.M., Opt.Lett., V. 21, p. 1547 1996.

Желтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон.– М. :Наука, 2004.

достижений оптических технологий за последнее время.

Особое значение для волоконной оптики имеют полые фотоннокристаллические волноводы. Они поддерживают волноводное распространение электромагнитного излучения за счёт высокой отражательной способности оболочки в области фотонных запрещённых зон.

Область приложений микроструктурированных (фотонно-кристаллических) волокон неуклонно расширяется, а структура волокон становится всё более многообразной. Конструкция волокна, геометрия его поперечного сечения и дисперсия модифицируется и адаптируется к конкретным задачам.

наноструктурированные материалы в задачах нелинейной оптики и спектроскопии может помочь решить ряд проблем нелинейной оптики, а также разработать новые направления в современной спектроскопии. Методы нелинейной спектроскопии позволяют решать широкий круг задач, связанных с количественным и качественным анализом газов, газовых смесей и т.д.5 Однако, появление новых объектов и задач нелинейно-оптических исследований требует развития новых и совершенствования известных методик в данной области современных физических взаимодействий в газах связан как с необходимостью развития локальных невозмущающих методов диагностики быстропротекающих процессов, так и с когерентного коротковолнового излучения при оптическом преобразовании частоты.

Одним из современных направлений призванных улучшить современные четырехволновых процессов, в том числе и когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), является поиск возможностей увеличения эффективности этих Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. М. Наука, 1981.

волноводов.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование транспортировки и нелинейно-оптических преобразований лазерных импульсов в микро- и наноструктурах с целью их использования в задачах нелинейнооптической спектроскопии, в том числе спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

Основными задачами

диссертационной работы являются:

Разработка экспериментальной методики на основе когерентного антистоксова рассеяния света для анализа состава и структуры нанокомпозитных веществ, в частности аэрогеля диоксида кремния. Анализ возможностей применения нанокомпозитных веществ для реализации нелинейно-оптических сенсорных устройств.

Исследование условий волноводной транспортировки лазерных импульсов высокой интенсивности через полые фотонно-кристаллические волокна.

Разработка методики увеличения чувствительности спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газовых сред, заполняющих полые фотонно-кристаллические волокна.

Исследование спектрального сверхуширения фемтосекундных высокоэнергетичных лазерных импульсов в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной.

Разработка эффективного источника перестраиваемого излучения на основе явлений генерации суперконтинуума и солитонного самосдвига частоты в фотоннокристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной для целей спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света. Демонстрация использования фотоннокристаллического волокна в качестве источника волны накачки в схеме КАРСмикроспектроскопии оптических фононов в структурах на основе кристаллического кремния.

Впервые экспериментально продемонстрировано, что в случае реализации нелинейно-оптической спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света нанокомпозитных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния, спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к заполняемому поры комбинационно-активному веществу, и нерезонансной – относящейся непосредственно к структуре. Исследования, продемонстрировали, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала.

Реализована схема спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газовых сред с использованием полых фотонно-кристаллических волокон.

Показано, что волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах полых ФК волноводов, приводит к радикальному (более чем на порядок) увеличению чувствительности КАРСспектроскопии по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

Продемонстрирована возможность транспортировки высокоинтенсивных лазерных импульсов пико- и наносекундных длительностей в изолированных модах полых фотонно-кристаллических волноводах с диаметрами сердцевины 13 и 16 мкм.

Полученные плотности мощности составили 440 Дж/см2 для 10 нс импульсов и Дж/см2 для 40 пс импульсов.

В полом фотонно-кристаллическом волокне, заполненном жидкостью с высокой нелинейностью, экспериментально продемонстрирован одномодовый заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению на выходе из волокна, зависящему от длительности импульса.

Экспериментально продемонстрирована возможность генерации микроструктурированных волокнах с большим (более 20 мкм) диаметром сердцевины.

Реализован источник перестраиваемого когерентного излучения на основе явлений генерации суперконтинуума и солитонного самосдвига частоты в фотоннокристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной для целей спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

Реализована схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии продольных оптических фононов в структурах из кристаллического кремния с использованием перестраиваемого источника сверхкоротких импульсов на основе фотоннокристаллических волокон.

Научная и практическая значимость работы Продемонстрирована возможность изучения локальных характеристик наноструктурированных веществ с использованием метода нелинейной спектроскопии – когерентного антистоксова рассеяния света.

Продемонстрированное радикальное (более чем на порядок) увеличение чувствительности когерентного антистоксова рассеяния света в полых фотоннокристаллических волокнах, открывает новые возможности в области физики сверхкоротких лазерных импульсов, физики сильных световых полей и нелинейной спектроскопии.

Экспериментально продемонстрированная возможность транспортировки через полые фотонно-кристаллические волокна лазерных импульсов высокой интенсивности позволяет реализовать волноводные режимы нелинейно-оптических взаимодействий для мощных лазерных импульсов, которые не могут передаваться пробоя и открывает возможности применения таких волокон в задачах лазерной медицины, микрообработки материалов, физики сильных световых полей и управления частицами.

солитонов микроджоулевого уровня энергии в фотонно-кристаллических волокнах открывает возможности его применения в качестве источника перестраиваемого излучения в задачах нелинейной оптики.

Реализованная схема микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света позволила регистрировать микроразмерные дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

Использование полых фотонно-кристаллических волокон позволяет радикально (более чем на порядок) увеличить чувствительность спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света молекулярных колебаний исследуемых газов в изолированных волноводных модах по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

волноводной транспортировки высокоэнергетичных лазерных импульсов пико- и наносекундной длительности.

Применение техники когерентного антистоксова рассеяния света позволяет исследовать оптические свойства наноструктурированного материала. Различия резонансных и нерезонансных компонент спектров КАРС, таких как изменение их амплитуды, ширины и симметрии, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например, аэрогели диоксида кремния, могут количественного состава газовых сред Фотонно-кристаллические волокна с большой площадью сердцевины являются источниками перестраиваемого излучения микроджоулевого уровня энергии для использования в схемах нелинейно-оптической спектроскопии, в частности, спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света, в качестве источника одной из волн накачки.

Содержание диссертации полностью отражено в 20 научных работах, включая 15 научных публикаций в журналах из списка ВАК России международных конференциях: International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS), Brisbane, Australia (2004). International Laser Physics Workshop (LPHYS2004), Trieste, Italy (2004). International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT`04), Rome, Italy (2004). International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT), Minsk, Belarus (2007) European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008), Igls, Austria (2008).

Список опубликованных работ приведен в конце настоящего автореферата.

Диссертационная работа состоит из введения четырех глав и заключения. В конце приведен список цитируемой литературы, содержащий 163 наименований.

Полный объем работы составляет 154 страницы, включая 60 рисунков.

Все приведенные в диссертации результаты получены лично или при непосредственном участии автора.

-9СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сформулированы цель и направление исследований; показана актуальность рассматриваемой проблемы в контексте ее научной новизны и практической значимости; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Приведена структура диссертации и кратко изложено ее содержание по главам.

Первый раздел главы первой посвящен обзору физических основ нанофотоники физических явлений, обуславливающих своеобразие взаимодействия лазерных импульсов с наноструктурами, нанокомпозитными материалами. Сделан обзор методов нелинейной оптики, позволяющих получать важную информацию о составе, структуре и свойствах пространственной симметрии вещества.

Во втором разделе этой главы дан обзор волокон нового типа – обсуждаются их основные свойства, а также возможности применения в современной нелинейной оптике.

ФК волокна открывают уникальные возможности в области нелинейной оптики и спектроскопии, оптики сверхкоротких импульсов, оптической метрологии, медицинской оптики и когерентной томографии, кроме того, представляют значительный интерес для понимания фундаментальных физических свойств собственных мод электромагнитного излучения, локализованных в микро - и наноструктурах.

Одним из наиболее важных свойств ФК волокон является способность поддерживать одномодовый режим распространения света в широком спектральном диапазоне. Это свойство ФК волокон связано с тем, что воздушные отверстия в оболочке волновода по-разному заполняются излучением для различных длин волн.

Таким образом, получается, что разность показателей преломления зависит от длины волны, причем так, что условие одномодового режима выполняется для достаточно широкого диапазона длин волн. ФК волокна обеспечивают сочетание для стандартных телекомовских волокон с высокой степенью локализации светового поля в сердцевине волокна из-за большой разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

Рис.1. Виды ФК волокон: (а) – ФК волокно с твердотельной сердцевиной n2 < n1 (n1 – показатель преломления сердцевины, n2 – показатель преломления, усредненный по структуре оболочки); (б) – полое ФК волокно.

Благодаря этим свойствам ФК волокна позволяют наблюдать ряд интересных нелинейно-оптических явлений, таких как генерация суперконтинуума и солитонов, эффекты фазовой само- и кроссмодуляции, эффективного параметрического комбинационного рассеяния в поле лазерных импульсов низких энергий.

Интенсивные исследования по генерации суперконтинуума в ФК волокнах привели к значительному прорыву в оптической метрологии. Были достигнуты успехи в технике генерации сверхкоротких импульсов с контролируемой расстройкой фазы между несущей и огибающей. Появилась возможность создания волоконных источников излучения с очень широким спектром, которое может использоваться для нелинейной спектроскопии, микроскопии и биомедицинских приложений.

В этой главе также рассмотрен вопрос возможности применения микро- и чувствительности. Дано описание одного из частных случаев спектроскопии четырехволнового смешения с комбинационным резонансом – когерентного антистоксова рассеяния света.

Во второй главе настоящей диссертации приведен обзор лазерных комплексов, которые были использованы для получения экспериментальных экспериментальных установок на базе нано- и пикосекундных Nd:YAG лазерных комплексов, предназначенных для исследования транспортировки мощного лазерного излучения в полых ФК волокнах и задач нелинейно-оптической спектроскопии. Эти лазерные системы генерировали лазерные импульсы с центральной длиной волны 1064 нм и энергиями до 100 мДж для 10 нс импульсов и до 2 мДж для 40 пс импульсов. Также в главе описана фемтосекундная лазерная система, состоящая из задающего генератора на кристалле Cr : forsterite (хромфорстерита), стретчера, регенеративного усилителя и компрессора. Задающий генератор накачивался непрерывным излучением иттербиевого волоконного лазера и генерировал 30-60 фс световые импульсы с центральной частотой 1.25 мкм и частотой повторения 100 МГц. Эти импульсы, проходя через стретчер и изолятор, усиливались в накачиваемом Nd: YLF лазером регенеративном усилителе, а затем сжимались компрессором до длительностей, варьируемых в диапазоне 100 – 800 фс с энергией до 50 мкДж и частотой повторения 1 кГц. Усиленные импульсы использовались для задач исследования процессов генерации суперконтинуума в ФК волокнах с увеличенной сердцевиной и его дальнейшего применения в задачах микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света. Также во второй главе дан обзор методик и процедур используемых в задачах по исследованию транспортировки излучения, спектральному преобразованию коротких импульсов и новым методам, применения КАРС спектроскопии.

В третьей главе работы обсуждаются экспериментальные результаты по когерентному антистоксову рассеянию света в нанокомпозитах, на примере наноматрицы аэрогеля диоксида кремния, заполненной комбинационно-активными веществами. Уникальные для нелинейной оптики свойства аэрогелей обусловлены их низкой плотностью (0.003 - 0.15 г/см3) и высокой пористостью (90 - 99%).

В случае применения техники когерентного антистоксова рассеяния света к исследованию таких нанокомпозитов в диссертационной работе демонстрируется, что спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся непосредственно к структуре. Это показано на примере аэрогеля диоксида кремния заполненного комбинационно-активными веществами, такими как газообразный азот, кислород и толуол.

Рис 2. Профиль резонанса в спектре КАРС, связанного с комбинационно-активным колебанием молекул азота (2331 см-1), в воздухе при температуре 300 К и давлении 1 атм. (1) и из молекул азота, содержащихся в порах аэрогеля в тех же условиях (2). Пунктирной линией 3 показана теоретическая аппроксимация экспериментальных данных для ( 3) ( 3) = 0.002.

Также продемонстрировано, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, получаемых в случае нанокомпозитного вещества, от пробных спектров КАРС веществ, заполняющих нанопористую матрицу (рис. 2), могут наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например аэрогели диоксида кремния, могут эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава и газовых сред.

Второй раздел третьей главы диссертационной работы посвящен обсуждению экспериментальных данных по транспортировке высокоинтенсивного лазерного излучения в изолированных волноводных модах через полые ФК волокна. В проведенных экспериментах с использованием нано- и пикосекундных Nd:YAG лазерных комплексов через полые ФК волокна удалось передать следующие плотности мощности: 440 Дж/см2 для лазерных импульсов длительностью 10 нс и порог пробоя плавленого кварца, из которого изготовлена оболочка использовавшихся полых ФК волокон. Эта особенность полых ФК волокон может быть успешно применена для задач прикладной физики. Так в наших экспериментах была реализована транспортировка пикосекундных импульсов на длине волны 1, мкм через полое ФК волокно с диаметром сердцевины 13 мкм для осуществления оптического пробоя зубной эмали с одновременным контролем этого процесса за счет регистрации обратного рассеяния, передаваемого через то же волокно. Наши исследования показывают, что полые ФК волокна могут с успехом применяться для лазерной медицины, задач микрообработки материалов и исследований, связанных с транспортировкой мощных лазерных импульсов.

Также в третьей главе приведены результаты по спектроскопии КАРС в газах с использованием полых ФК волокон. Дан теоретический анализ возможности увеличения чувствительности нелинейно-оптических взаимодействий в полых волноводах на примере когерентного антистоксова рассеяния света за счет таких свойств полых волноводов, как возможность поддерживать плотности мощности аналогичные режиму жесткой фокусировки с одновременным увеличением длины нелинейно-оптического взаимодействия. В случае использования полого ФК волокна существует возможность еще и значительно снизить потери при распространении излучения в случае попадания волн накачки и антистоксовой волны в фотоннозапрещенные зоны (рис. 3а). Приведены экспериментальные данные, показывающие, что волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах специально подобранного полого ФК волокна, удовлетворяющего условиям существования волноводных мод на длинах волн накачек, а также антистоксовой волны (рис. 3а), приводит к радикальному (более чем на порядок) увеличению чувствительности КАРС по сравнению с режимом жесткой фокусировки без ухудшения спектрального разрешения (рис. 3б).

Такое увеличение эффективности четырехволновых процессов в полых ФК волокнах, описанное в третьей главе работы, открывает новые возможности в полей и нелинейной спектроскопии.

Рис. 3 (а.) Спектр пропускания полого ФК волокна, использованного в эксперименте. (б.) Спектр КАРС Q-линии комбинационного перехода молекул азота, заполняющих полый фотонно-кристаллический волновод при атмосферном давлении () и в режиме жесткой фокусировки ().

Увеличение чувствительности процесса когерентного антистоксова рассеяния света в полых ФК волокнах также предлагает возможности значительного повышения чувствительности нелинейно-оптической спектроскопии газовых сред и позволяет снизить требования к энергиям лазерных импульсов в задачах нелинейной спектроскопии.

В главе четыре приведены экспериментальные данные по спектральной трансформации фемтосекундных лазерных импульсов в ФК волокнах, в том числе возможность использования спектрально уширенного импульса, полученного в ФК волокне, в качестве одного из импульсов накачки в оптической схеме подложке кристаллического кремния.

Заполненные жидкостями волноводные структуры известны давно и широко используются в нелинейной оптике. Капиллярные волноводы, заполненные жидкостями с высокими нелинейно-оптическими свойствами, применялись в комбинационному рассеянию. В большинстве последующих работ, интерес в волноводах заполненных находящимися в жидкой фазе материалами еще более оптическую нелинейность. Заполнение волноводов подобными материалами открывает перспективы для значительного увеличения эффективности нелинейнооптических процессов в волноводах. Во-вторых, известно, что оптическая нелинейность жидкостей позволяет лучше возникать различным типам сложных молекулярных движений. Волноводные структуры предлагают удобную базу для экспериментальных исследований этих фундаментальных аспектов нелинейной оптики в веществах в жидкой фазе на различных временах. Технология ФК волокон увеличивает эффективности и предлагает новые возможности применения волноводов заполненных жидкостями в приложениях нелинейной оптики.

В первом разделе четвертой главы приведены результаты исследований спектрального преобразования в ФК волокнах с сердцевиной заполненной жидкостью с высокой нелинейностью. В полом ФК волокне с диаметром сердцевины 4 мкм, заполненной жидкостью с высокой нелинейностью, был реализован одномодовый режим распространения излучения. Запаздывание оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению излучения на выходе из волокна зависящему от длительности импульса.

Во втором разделе четвертой главы исследуется вопрос спектрального преобразования фемтосекундного лазерного излучения в кварцевом ФК волокне с увеличенной (порядка 20 мкм) сердцевиной. В последние годы активно изучалась возможность применения ФК волокон для преобразования частоты лазерного излучения. ФК волокна стали удобными источниками когерентного излучения, применяющимися в широком спектре современных научных задач, в том числе оптической метрологии, лазерной медицине. Однако, для этих задач чаще всего применяются высоконелинейные ФК волокна с диаметром сердцевины порядка одного микрона. Это обуславливается тем, что такие волокна имеют, как правило, нулевое значение дисперсии групповых скоростей (ДГС) сдвинутое в синюю область относительно нуля ДГС материала, из которого они изготовлены. Управляя дисперсией групповых скоростей за счет изменения структуры оболочки можно ДГС. В таких условиях удается радикально повысить эффективность ряда четырехволновых взаимодействий, вынужденного комбинационного рассеяния, модуляционных неустойчивостей, формирования и распространения солитонов), что происходит, в частности, за счет улучшения условий фазового согласования, приводящих к эффективному спектральному преобразованию (уширение может достигать нескольких октав) входного излучения наноджоулевого и субнаноджоулевого уровня энергии в суперконтинуум.

Волноводная дисперсия для ФК волокон с увеличенной сердцевиной, как правило, значительно слабее материальной, что ограничивает возможность управления дисперсией групповых скоростей таких волокон за счет изменения структуры оболочки. Положение нуля ДГС ФК волокон такого типа оказывается практически совпадающим с положением нуля ДГС материала, из которого произведено данное волокно.

В диссертационной работе показано, что в кварцевом ФК волокне с широкополосное излучение при использовании лазерного комплекса на кристалле Cr : forsterite. Такая возможность существует благодаря тому, что центральная длина волны данного лазерного комплекса практически совпадает с длиной волны нулевой дисперсии кварца. В работе исследована зависимость спектральной ширины суперконтинуума от входной энергии излучения.

Для уровня энергии, соответствующего кривой 1 на рис. 4 в спектре выходного излучения хорошо видны стоксовы и антистоксовы компоненты, лежащие в области аномальной и нормальной дисперсии соответственно. Генерация такого рода спектральных компонент может объясняться модуляцинной неустойчивостью импульсов накачки. Центральная длина волны входного излучения лежит вблизи нуля ДГС кварца, что способствует выполнению условия фазового согласования для генерации стоксовой и антистоксовой компонент. При уширяются, сливаясь вместе, что приводит к генерации излучения с широким спектром и образованию интенсивного длинноволнового крыла вплоть до 1900 нм (кривая 3 рис. 4). Образование крыла может быть объяснено тем, что солитоны, образовавшиеся в области аномальной дисперсии испытывают постоянный сдвиг в красную область при распространении в комбинационно-активной среде. В коротковолновой области спектра граница суперконтинуума достигала длины волны равной 650 нм.

Полная энергия генерируемого широкополосного излучения составила 1. мкДж, что значительно превышает энергию суперконтинуума, генерируемого в высоконелинейных ФК волокнах с диаметром сердцевины порядка одного микрона, которая составляет нано- и субнаноджоули.

Таким образом, кварцевое ФК волокно с большим диаметром сердцевины (порядка 20 мкм) может быть использовано как эффективный преобразователь широкополосное излучение. Подобные волокна могут быть использованы как оконечные преобразователи излучения мощных лазерных систем в широкополосное излучение высокой мощности.

Рис. 4 Спектры широкополосного излучения на выходе из ФК волокна длиной 20 см и диаметром сердцевины 22 мкм. Спектры в зависимости от энергии, заведенной в ФК волокно (1) 0. мкДж; (2) 1.1 мкДж; (3) 1.3 мкДж. Спектр входного импульса (4).

посвящен заключительный параграф главы четвертой.

для генерации КАРС сигнала, фокусировались на исследуемый объект, и R – частота комбинационного резонанса в исследуемом образце, накачки и стокс – центральные частоты лазера на кристалле Cr :forsterite и сдвинутого по частоте солитона из ФК волокна (рис. 5а).

Рис.5 (а) спектры накачек в схеме КАРС основная длина волны лазера на кристалле Cr :forsterite (не закрашенные точки) и сдвинутый по частоте солитон, полученный в ФК волокне (закрашенные синие точки) (б) зависимость интенсивности КАРС сигнала, измеренного как функция от энергии накачки Cr :forsterite лазерных импульсов (закрашенные точки) и аппроксимация полиномом второй степени (штриховая линия).

В качестве образца был выбран кристаллический кремний. Дисперсия, нелинейность и длина волокна были подобраны с учетом параметров лазерных импульсов, так чтобы обеспечить возможность получения солитона с центральной длиной волны стокс, отвечающего условиям для возбуждения комбинационного резонанса продольной фононной моды кристаллического кремния с частотой R = 520 см 1.

выбраны так, чтобы избежать повреждения образца и минимизировать эффекты, связанные с двухфотонным поглощением (ДФП) (рис. 5б).

микроразмерные дефекты на поверхности кремниевой подложки (рис. 6). В работе формирования изображений электронных и фотонных кремниевых компонент микросхем.

Рис 6 Картина сканирования дефекта на поверхности кремниевой подложки с помощью КАРС микроспектроскопии, область сканирования показана на фотографии подложки.

Выполненные эксперименты показывают, что ФК волокна со специальным перестраиваемых по частоте коротких световых импульсов для нелинейной спектроскопии. Использование ФК волокон, таким образом, позволяет радикально снизить требования к энергии импульсов накачки в перестраиваемых источниках для нелинейной спектроскопии по сравнению с лазерами на красителях и оптическими параметрическими усилителями.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы:

нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах полых ФК волноводов, приводит к радикальному (более чем на порядок) света газовых сред по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

Показано, что полые фотонно-кристаллические волокна позволяют транспортировать в изолированных волноводных модах высокоинтенсивное лазерное излучение. Полученные плотности мощности составили 440 Дж/см2 для лазерных импульсов длительностью 10 нс и 90 Дж/см2 для импульсов длительностью 40 пс. В качестве примера реализована передача пикосекундных импульсов на длине волны 1,06 мкм через полое ФК волокно с диаметром сердцевины 13 мкм для осуществления процесса разрушения зубной эмали с одновременным контролем этого процесса за счет регистрации обратного рассеяния, передаваемого через тоже волокно..

наноструктурированных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния.

Показано, что в этом случае спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к комбинационно-активному веществу, и нерезонансной – относящейся непосредственно к структуре. Продемонстрировано, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например аэрогели диоксида кремния, могут эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава и газовых сред.

Экспериментально показано, что полые ФК волокна, заполненные высоконелинейной жидкостью, могут поддерживать одномодовое распространение для излучения видимого диапазона (более 600 нм) при диаметре заполненного канала 4 мкм. Сильная инертность оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к длинноволновому спектральному сдвигу уширенного импульса, зависящего от начальной длительности импульса накачки.

микроструктурированных волокнах с большим (более 20 мкм) диаметром сердцевины.

Реализованиа микроспектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света оптических фононов в подложке кристаллического кремния. В качестве полей накачки и зондирования использовалось излучение лазера на кристалле Cr:forsterite, а в качестве стоксовой волны - сдвинутый по частоте солитон, полученный в микроструктурированном волокне с увеличенной сердцевиной. Реализованная схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии продемонстрировала возможность разрешать микроразмерные объекты и дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Ivanov A.A., Podshivalov A.A., Kashkarov P.K., Alfimov M.V., Sakoda K., Zheltikov A.M. Two-photon absorption-induced effects in femtosecond coherent anti-Stokes Raman-scattering microspectroscopy of silicon photonic components // Laser Physics. 2008. V. 18. № 12. P. 1411-1415.

2. Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Ivanov A.A., Alfimov M.V. and Zheltikov A.M.

Coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy of silicon components with a photonic-crystal fiber frequency shifter. // Proceedings of the European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008), Igls, Austria. 2008. P. EP7.

3. Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Ivanov A.A., Alfimov M.V., Zheltikov A.M.

Coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy of silicon components with a photonic-crystal fiber frequency shifter // Optics Letters. 2007. V. 32. № 23. P. 3471Mitrokhin V.P., Ivanov A.A., Fedotov A.B., Alfimov M.V., Dukel'skii K.V., Khokhlov A.V., Shevandin V.S., Kondrat'ev Yu.N., Podshivalov A.A.,Zheltikov A.M.

Spectral transformation of megawatt femtosecond optical pulses in large-mode-area highindex-step photonic-crystal fibers // Laser Physics Letters. 2007. V. 4. № 7. P. 529-533.

5. Ivanov A.A., Mitrofanov A.V., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Podshivalov A.A., Zheltikov A.M., Alfimov M.V., Dukel'skii K.V., Khokhlov A.V., Shevandin V.S., - 22 Kondrat'ev Yu.N. High-energy supercontinuum generation in large-mode-area photoniccrystal fibers pumped by stretched amplified fs laser pulses. // Proceedings of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Conference on Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT). Minsk, Belarus. 2007. P. I-01-III-4.

6. Tauer J., Orban F., Kofler H., Fedotov A.B., Fedotov I.V., Mitrokhin V.P., Zheltikov A.M., Wintner E. High-throughput of single high-power laser pulses by hollow photonic band gap fibers // Laser Physics Letters. 2007. V. 4. № 6. P. 444-448.

7. Konorov S.O., Fedotov A.B., Smirnova I.E., Mitrokhin V.P., Sakoda K., SidorovBiryukov D.A., Zheltikov A.M. Optical nonlinearities of nanocomposite constituents selectively addressed by polarization-controlled coherent anti-Stokes Raman scattering // Journal of Raman Spectroscopy. 2006. V. 37. № 6. P. 663-668.

8. Konorov S.O., Fedotov A.B., Serebryannikov E.E., Mitrokhin V.P., SidorovBiryukov D.A., Zheltikov A.M. Phase-matched coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of hollow photonic-crystal fibers // Journal of Raman Spectroscopy. 2005. V. 36. № 2. P. 129-133.

9. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Experimental demonstration of nanoCARS: Coherent anti-Stokes Raman scattering in mesoporous silica aerogels infiltrated with condensed- and gas-phase Raman-active materials // Journal of Raman Spectroscopy. 2005. V. 36. № 2. P. 171-175.

Коноров С.О., Митрохин В.П., Смирнова И.В., Федотов А.Б., СидоровБирюков Д.А., Желтиков А.М. Нелинейно-оптическая спектральная интерферометрия наноструктур на основе когерентного антистоксова рассеяния света // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 1. 97–101.

11. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering in the gas phase enhanced by hollow photonic-crystal fibers // Laser Physics. 2004. V. 14. № 11. P. 1437-1439.

12. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Nonlinear optical spectral interferometry of nanostructures by coherent anti-stokes raman scattering // Laser Physics. 2004. V. 14. № 11. P. 1382-1385.

13. Fedotov A.B., Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Serebryannikov E.E., Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of a hollowcore photonic-crystal fiber // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2004. V. 70. № 4. P. 045802-1-045802-4.

14. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Gas- and condensed-phase sensing by coherent anti-Stokes Raman scattering in a mesoporous silica aerogel host // Chemical Physics Letters. 2004. V. 394.

№ 1-3. P. 1-4.

15. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Arlt W. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the XIX International 16. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Arlt W. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the International Laser Physics Workshop (LPHYS2004). Trieste, Italy. 2004. P. 226.

17. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT`04). Rome, Italy. 2004. P. 127.

18. Konorov S.O., Fedotov A.B., Mitrokhin V.P., Sidorov-Biryukov D.A., Kondrat'ev Yu.N., Shevandin V.S., Dukel'skii K.V., Zheltikov A.M. Polarizationcontrolled spectral transformation of unamplified femtosecond pulses in multiple waveguide channels of a photonic-crystal fiber // Laser Physics. 2004. V. 14. № 5. P. 760Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Beloglazov V.I., Skibina N.B., Shcherbakov A.V., Wintner E., Scalora M., Zheltikov A.M. Laser ablation of dental tissues with picosecond pulses of 1.06-µm radiation transmitted through a hollow-core photonic-crystal fiber // Applied Optics. 2004. V. 43. № 11. P. 2251-2256.

20. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Beloglazov V.I., Skibina N.B., Wintner E., Scalora M., Zheltikov A.M. Нollow-core photonic-crystal fibres for laser dentistry // Physics in Medicine and Biology. 2004. V. 49.

№ 7. P. 1359-1368.