В параграфе 2.1 описан наносекундный лазерный комплекс. Основу комплекса составляет Nd:YAG лазер, работающий в режиме модуляции добротности с частотой до Гц. После трех каскадов усиления импульсы на длине волны 1064 нм и длительностью нс приобретали энергию до 200 мДж. Вторая гармоника от основного излучения Nd:YAG лазера на длине волны 532 нм импульсов использовалась для накачки двух лазеров на красителях, которые генерировали перестраиваемые импульсы с энергией до 5 мДж в спектральном диапазоне 540 - 720 нм. Эти импульсы использовались для экспериментов с различными типами МС волокон. С использованием перестраиваемых лазерных источников от лазеров на красителях и импульсов на частоте второй гармоники также была реализована схема для КАРС спектроскопии.

В параграфе 2.2 описана техника измерений спектров пропускания фотоннокристаллических волокон. В измерениях особое внимание уделялось фильтрации излучения, распространяющегося по полой сердцевине, от вклада излучения в оболочке.

В параграфе 2.3 дано описание фемтосекундного Cr:forsterite генератора.

Благодаря использованию схемы с удлиненным резонатором и специальному подбору оптических элементов, удавалось получать мощные импульсы непосредственно после генератора. Энергия импульсов на длине волны 1.25 мкм достигала 18 нДж, длительность импульсов составляла 50 - 60 фс при частоте повторения 18 МГц.

В параграфе 2.4 представлен многофункциональный Ti:Sapphire лазерный комплекс, состоящий из лазерного генератора, многопроходного усилителя и параметрического усилителя. Лазерный генератор излучал импульсы на центральной длине волны 800 нм с энергией 5 нДж, длительностью до 30 фс и частотой повторения МГц. Фемтосекундное излучение либо непосредственно использовалось в эксперименте, либо направлялось в многопроходный усилитель MPA-50, который позволял получать импульсы с длительностью 50 фс, энергией до 1,5 мДж при частоте повторения 50 Гц.

Усиленное излучение после многопроходного усилителя могло быть использовано для накачки оптического параметрического усилителя (ОПУ). С выхода ОПУ использовалось перестраиваемое излучение сигнальной (1150 - 1550 нм) и холостой (1650 – 2700 нм) волн. В зависимости от настройки OПУ и длины волны длительность импульсов изменялась от 50 до 200 фс, а энергия в импульсе сигнальной волны достигала 100 мкДж в центре перестроечной кривой.

В третьей главе представлены новые методы исследований линейных и нелинейных свойств МС световодов (полых фотонно-кристаллических (см. рис. 1в) и кварцевых МС волокон со световодными каналами микронного и субмикронного размеров (см. рис. 1а)) с помощью наносекудных импульсов, включая интерферометрию когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Предложен способ повышения спектральной ширины и оптимизации формы спектра излучения суперконтинуума, генерируемого в микроструктурированных волноводах при распространении лазерных импульсов наносекундной длительности.

В параграфе 3.1 исследуется оптическая нелинейность полых фотоннокристаллических (ФК) волокон, которая по своей природе является составной, так как часть е обусловлена нелинейностью газа, который заполняет полую сердцевину, а часть нелинейностью материала оболочки. Мы использовали двухчастотную технику когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) для анализа составной нелинейности воздушных мод полого ФК волновода. В нашей экспериментальной схеме длины волн импульсов накачки выбирались так, чтобы разность частот накачек (1, 2) находилась в резонансе с молекулярными колебаниями комбинационно-активного газа, заполняющего волокно ( = 1 - 2), при этом регистрация сигнала осуществлялась на антистоксовой частоте а = 21 - 2. Длины волн импульсов накачек были близки к границе фотоннозапрещенной зоны (см. вставку рис. 2(а)), но ни частоты импульсов, ни их комбинации не попадали в комбинационный резонанс с веществом оболочки. В этих условиях нелинейная восприимчивость является комплексной составной величиной, так как содержит сдвинутые по фазе резонансный и нерезонансный вклады, соответствующие газу, заполняющему полое волокно, а также нерезонансную действительную составляющую, соответствующую материалу оболочки. Интерференция вышеперечисленных составляющих нелинейного отклика меняет форму спектра КАРСсигнала, и сравнение е с опорным спектром газа дает информацию о вкладе нелинейности оболочки волновода. В экспериментах полое волокно заполнялось атмосферным воздухом, а схема настраивалась для измерения резонансной линии молекулярного азота ( = 2331 см-1). Форма спектра КАРС-сигнала этого резонанса, измеренная на выходе из полого волокна, содержит в себе заметную асимметрию.

Теоретический анализ спектра позволил нам оценить вклад оболочки в общую нелинейность для воздушных мод полого фотонно-кристаллического волокна, которая оказалась заметно меньше резонансной нелинейности сердцевины, но превышала е нерезонансную часть. Таким образом, была продемонстрирована новая методика на основе интерферометрии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), позволяющая измерить вклад периодически структурированной оболочки в общую нелинейность волноводных мод полых фотонно-кристаллических волокон.

Рис. 2. (а) Опорный спектр КАРС азота, измеренный при атмосферном давлении без волокна, полученный при фиксированной волне накачки и изменяемой длине волны стоксова импульса. На вставках представлены спектр пропускания использованного волокна и изображение его поперечного среза. (б) Точками показан спектр КАРС, измеренный на выходе из полого ФК волокна длиной 5 см, сплошной линией показана его аппроксимация. Пунктиром показан опорный спектр КАРС азота, измеренный при атмосферном давлении без волокна.

В параграфе 3.2 экспериментально показана возможность использования параметрического четырехволнового взаимодействия для исследования пространственного строения микроразмерных каналов МС волокон. Основной вклад в нелинейно-оптическое спектральное преобразование импульсов наносекундной длительности, распространяющихся по световодам, дают процессы вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и четырехволнового взаимодействия (ЧВВ), для которых требуется выполнение условий фазового согласования. Волноводные структуры с малой площадью поперечного сечения характеризуются высокой чувствительностью частотного профиля дисперсии волноводных мод к малым изменениям поперечных размеров волновода. Ключевая идея развиваемой методики заключается в получении информации о пространственном строении волноводных структур малого размера на основе анализа спектра сигнала ЧВВ, возникающего в результате нелинейно-оптического преобразования узкополосного лазерного излучения накачки. В экспериментах мы заводили перестраиваемые по длине волны наносекундные импульсы в боковые микронные и субмикронные каналы диаметром 0.5 – 2 мкм, расположенные в узлах оболочки кварцевых МС световодов (см. вставку на рис. 3) и измеряли их спектральные изменения на выходе. На рис. 3 представлен пример трансформации спектра излучения накачки с длиной волны н 598 нм в одном из микроразмерных каналов МС световода длиной 85 см. При мощности импульсов накачки порядка 1 Вт (линия 1) не наблюдается значительных изменений спектра, но при увеличении импульсной мощности накачки (P 40 Вт) в спектре излучения на выходе волновода наблюдаются интенсивные боковые пики стоксовой с 641 нм и антистоксовой компонент а 560 нм (линия 2 на рис. 3).

Положение этих компонент оказывается очень чувствительным к волноводной дисперсии и размерам исследуемых каналов. Численный анализ рассмотренного световодного канала показал, что при изменении радиуса сердцевины всего на 3 нм (при той же мощности излучения накачки), длины волн стоксова и антистоксова сигнала, определяемые условиями фазового согласования, смещаются на величину порядка 10 нм, что является легко измеримой величиной. Спектр сигнала четырехволнового взаимодействия, определяемый профилем дисперсии световодных каналов, позволяет определить их поперечные размеры и зарегистрировать наномасштабные отклонения от заданных значений в протяженных образцах МС волокон.

Рис. 3 Спектры излучения, регистрируемые на выходе микроразмерного волновода с диаметром 0.63 мкм длиной 85 см. На входе в волновод импульсы накачки имеют начальную длительность 15 нс, центральную длину волны 598 нм и пиковую мощность около 1 Вт (сплошная линия 1) и 40 Вт (линия 2). На вставке изображен поперечный срез МС волокна, в боковые каналы которого заводилось излучение накачки.

В параграфе 3.3 рассмотрена новая методика определения коэффициента нелинейности и эффективной площади моды субмикронных каналов МС световодов на основе параметрического четырехволнового взаимодействия. Сильная параметрическая связь стоксовых и соответствующих антистоксовых спектральных компонент возможна в узкой области вблизи нуля дисперсии групповых скоростей, ширина которой крайне чувствительна как к линейным, так и к нелинейным свойствам волноводов. Измерение спектральных границ сильной параметрической связи и мощности импульсов накачки может дать оценку коэффициента нелинейности световодного канала. В экспериментах мы использовали волноводные структуры, описанные в предыдущем параграфе (диаметр световодного канала 0.9 мкм). При сканировании длины волны накачки в области сильной параметрической связи (см. рис. 4) наблюдаются интенсивные боковые компоненты в антистоксовой области и сильное спектральное уширение, как в коротковолновой, так и в длинноволновой области. Границы сильной параметрической связи наблюдались в диапазоне длин волн накачки от 690 нм до 705 нм, что, как показано в диссертации, определяет величину P=7,5 м-1. Для представленных измерений мощность импульсов накачки составляла P=80 Вт и, следовательно, 94 Вт-1 км-1, что соответствует эффективной площади моды S=2.9 мкм-1. Предложенная техника была также использована для измерения нелинейности и эффективной площади моды других субмикронных каналов МС световода.

Рис. 4 Спектр излучения, измеренный на выходе из микрозмерного канала кварцевого МС волокна длиной 85см. Длины волн импульсов накачки показаны на графике.

Пиковая мощность излучения накачки составляла 80 Вт.

В параграфе 3.4 показана возможность эффективного преобразования спектра наносекундных лазерных импульсов за счет процессов параметрического четырехволнового взаимодействия и вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР). Экспериментально определены режимы наиболее эффективного преобразования наносекундных лазерных импульсов в широкополосное излучение суперконтинуума.

Эффективная генерация антистоксовых ВКР-компонент в спектральной полосе сильной параметрической связи стоксовых и антистоксовых компонент комбинационного рассеяния К приводит к увеличению спектральной интенсивности высокочастотных компонент в спектре излучения на выходе волокна, что позволяет существенно увеличить спектральную ширину и повысить качество спектра излучения суперконтинуума в режиме высоких пиковых мощностей излучения накачки (см. рис. 5). Максимальный коэффициент преобразования излучения накачки в стоксовы и антистоксовы компоненты был оценен на уровне 5-10%. Выполненные эксперименты показывают возможность использования МС световодов для эффективного преобразования спектра наносекундных лазерных импульсов за счет процессов параметрического четырехволнового взаимодействия и вынужденного комбинационного рассеяния света.

Cпектральная интенсивность, отн.ед.

Рис. 5. (а) Спектры излучения, регистрируемые на выходе микроканального волновода с диаметром 0.9мкм длиной 85 см в присутствии параметрической связи стоксовой и антистоксовой компонент КР. Импульс излучения накачки на входе в волновод имеет пиковую мощность 80 Вт и центральную длину волны 702 нм. (б) Генерация широкополосного излучения в микроканальном волноводе кварцевого МС волокна длиной 100 см в отсутствие связи стоксовой и антистоксовой компонент.

В четвертой главе рассмотрены различные волоконно-оптические компоненты на основе МС световодов в задачах спектральных нелинейно-оптических преобразований фемтосекундных лазерных импульсов. Продемонстрированы возможности оптимизации структуры МС волокон для эффективного управления нелинейно-оптическими процессами (генерация суперконтинуума, солитонный самосдвиг частоты), а также реализации новых схем волоконно-оптического детектирования.

В параграфе 4.1 показана возможность получения перестраиваемых по частоте мегаваттных фемтосекундных импульсов ИК-диапазона на основе генерации излучения суперконтинуума в многосолитонном режиме, реализуемом в микроструктурированном световоде с большой площадью моды, и последующей компрессии импульсов этого излучения. Уникальная особенность МС световодов с большой площадью моды заключается в том, что такие волноводы позволяют обеспечить одномодовый режим передачи излучения с большим диаметром пучка, что делает возможным осуществить передачу, усиление и нелинейно-оптическое преобразование лазерных полей высокой энергии без ухудшения качества их пространственного профиля. С помощью МС световода с площадью сердцевины 710 мкм2 и длиной 60 см осуществлено преобразование фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1. мкм. Распространение импульсов накачки с высокими энергиями в режиме аномальной дисперсии сопровождается формированием множественных солитонов. При увеличении мощности накачки спектры солитонов сливаются, что приводит к формированию широкого непрерывного спектра излучения в видимой и ИК-области. Временная структура поля при этом оказывается достаточно сложной и позволяет осуществить эффективную временную компрессию (для этого мы использовали пластину теллуритного стекла толщиной 8 см) только для определенной части спектра и получить импульсы достаточно высокой пиковой мощности. Нам удалось сформировать импульсы излучения с центральной длиной волны 1520 нм, длительностью 210 фс, пиковой мощностью около 1 МВт, содержащие 20% полной энергии излучения на выходе из волокна (см. рис.6.), что демонстрирует перспективы этой методики генерации перестраиваемых мощных фемтосекундных импульсов в МС волокнах с большой площадью моды.

Рис. 6. Спектрохронограмма светового поля, преобразованного в МС световоде длиной 60 см, после компенсации чирпа с помощью пластины из теллуритного стекла.

Штриховым контуром показан импульс с центральной длиной волны 1520 нм, длительностью 210 фс и пиковой мощностью 1 МВт. Спектрохронограмма была построена при помощи кросскорреляционного варианта техники (XFROG), реализованного путем нелинейно-оптического смешения в тонком нелинейно-оптическом кристалле анализируемого излучения, получаемого на выходе МС волокна, и импульсов опорного поля длительностью 50 фс с центральной длиной волны 800 нм. На вставке показана фотография поперечного среза использовавшегося МС волокна.

В параграфе 4.2 продемонстрировано эффективное спектральное уширение фемтосекундных импульсов в полностью твердотельном кварцевом фотоннокристаллическом (ФК) волокне с большой площадью моды в режиме нормальной дисперсии. Уширенные импульсы затем были сжаты до предельно коротких длительностей. Мы использовали полностью твердотельное ФК волокно с диаметром сердцевины 19 мкм для экспериментальной демонстрации спектрального уширения мегаваттных фемтосекундных лазерных импульсов. Дисперсия ФК-волокон, даже в классе волокон с большой площадью моды, может быть эффективно модифицирована с помощью перестройки фотонно-запрещенной зоны оболочки волокна. Характерная трансформация спектра импульсов накачки длительностью 200 фс (центральная длина волны 1140 нм, энергией 0,6 мкДж) в 20-ти сантиметровом отрезке полностью твердотельного ФК волокна представлена на рис. 7а, а временной профиль и профиль спектральной фазы генерируемого излучения может быть восстановлен по результатам измерений методом XFROG (рис. 7б). Коротковолновая часть спектра поля, которая испытывает спектральное уширение в режиме нормальной дисперсии внутри ФК волокна, была эффективно сжата с помощью призменного компрессора до длительности 20 фс, что соответствует импульсам с пиковой мощностью 20 МВт (рис. 7в). Нам не удалось полностью скомпенсировать нелинейный набег фаз излучения (рис. 7в), что оставляет возможность дальнейшего повышения эффективности временной компрессии с помощью более сложных схем. Теоретический анализ показывает, что уширение спектра является достаточным для сжатия импульсов до 8.4 фс (показано открытыми кружками на рис. 7в), что соответствует 2.1 циклам поля для импульса с центральной длиной волны 1175 нм.

Использование полностью твердотельных ФК волокон с изменяемым дисперсионным профилем позволяет переносить использованный сценарий спектрального уширения как в видимый, так и в ближний ИК спектральный диапазон.

Спектральная интенсивность, отн.ед.

Рис.7 (a) – Спектр излучения на входе в волокно (пунктир) и спектр на выходе из ФК волокна длиной 22 см (закрашенные кружки). (б) - Спектрохронограмма излучения на выходе из ФК волокна, полученная методом XFROG. (в) Огибающая интенсивности (закрашенные кружки) и чирп (пунктир) излучения, сжатого после ФК волокна.

Незакрашенные кружки показывают огибающую спектрально ограниченного импульса, рассчитанную с помощью Фурье преобразования экспериментального спектра на выходе из ФК волокна.

В параграфе 4.3 продемонстрировано значительное увеличение мощности перестраиваемых по длине волны солитонов от неусиленных фемтосекундных импульсов в специальных типах МС волокон с увеличенной сердцевиной. Ключевая идея увеличения мощности перестраиваемых солитонов (изменение центральной длины солитонов происходит в процессе солитонного самосдвига частоты (ССЧ)) заключается в уменьшении коэффициента нелинейности по сравнению со значениями, типичным для высоконелинейных МС волокон, обычно используемых для спектральных преобразований, и обеспечении достаточно ровного профиля волноводной дисперсии волокна в области перестройки. Мы использовали МС волокно с увеличенным диаметром сердцевины порядка 5 мкм, эффективной площадью моды в 20 мкм2 и параметром нелинейности 10 Вт–1км–1 на длине волны 1 мкм (см. вставку на рис.8). В качестве источника накачки использовались неусиленные импульсы от фемтосекундного генератора на кристалле Cr:forsterite с энергией до 19 нДж и длительностью порядка 50- фс (см. п.2.3). Генерация перестраиваемых по длине волны высокоэнергетичных солитонов в МС волокне длиной 12 см проиллюстрирована на рис. 8. Солитон с центральной длиной волны 1770 нм имеет энергию 2.9 нДж, а его длительность составляет 35 фс, что соответствует пиковой мощности 83 кВт. Численное моделирование на основе решения обобщенного нелинейного уравнения Шредингера показало, что при подходящей оптимизации параметров волокна и импульса можно добиться масштабирования пиковой мощности солитонов до мегаваттных уровней.

Рис.8 Спектр высокоэнергетичных солитонов на выходе из МС волокна для импульсов на входе с длительностью 55фс и энергией 5нДж (полые кружки) и 7 нДж (заполненные кружки). Спектр неусиленных импульсов Cr:forsterite лазера изображен пунктиром. Дисперсия групповых скоростей (ДГС), как функция длины волны, изображена штрихпунктирной линией. На вставке изображен поперечный срез волокна.

В параграфе 4.4 экспериментально продемонстрировано, что сдвинутые по длине волны солитоны на выходе из высоконелинейного МС волокна приводят к образованию в выходном спектре интерференционных полос высокой видности, что указывает на гладкий спектральный профиль каждого отдельного солитона и создает предпосылки для развития новой многообещающей методики управления и формирования профиля сверхкоротких импульсов в волоконном формате. Постоянство спектральной фазы каждого солитона обеспечивает возможность формирования фазосвязанной последовательности импульсов, применимой, например, для когерентного возбуждения молекулярных колебаний или когерентной микроскопии. Наблюдаемая интерференционная картина позволяет осуществить безитерационное восстановление поля интерферирующей части выходящего из волокна широкополосного излучения в предположении, что она состоит из отдельных N солитонов. Благодаря постоянству фазы n на протяжении спектра n-ого солитона, полная спектральная огибающая N солитонов может быть использована для синтеза импульсов с длительностью короче, чем длительность Tn любого солитона, генерируемого на выходе из волокна. При аппроксимации экспериментальной интерференционной кривой последовательностью из трех солитоннов, и предполагая возможность использования модулятора света, позволяющего получить ступенчатый профиль групповой задержки (как показано пунктирной линией на рис. 9а) можно ожидать преобразование излучения на выходе из МС волокна (сплошная линия на рисунке 9а), в импульс с полной длительностью по полувысоте T 24 фс. Проведенное численное моделирование на основе решения обобщенного нелинейного уравнения Шредингера показало пригодность генерируемых в высоконелинейном волокне сдвинутых по частоте солитонов для синтеза световых импульсов длительностью в несколько циклов поля.

Рис.9. (а) Экспериментальный спектр на выходе из МС волокна (кружки) и теоретическая аппроксимация экспериментальных данных в предположении интерференции трех солитонов. Пунктиром показан профиль групповой задержки, предложеный для сжатия выходящих из МС волокна трех солитонов в предельно короткий импульс. (б) Рассчитанные временная огибающая (сплошная линия) и фаза (пунктир) импульса после компенсации групповой задержки и временного сжатия импульсов. На вставке изображена временная последовательность трех солитонов с относительными амплитудами и задержками, полученными из аппроксимации измеренного спектра (а).

В параграфе 4.5 продемонстрировано спектральное сжатие фемтосекундных солитонных импульсов, генерируемых в высоконелинейном микроструктурированном (МС) волокне в процессе солитонного самосдвига частоты (ССЧ). Условие существования солитонов требует точного баланса между дисперсией и нелинейностью, пиковой мощностью солитона и длительностью солитонного импульса, что принципиально может контролироваться параметрами волокна. В работе проведен теоретический анализ и представлен рецепт выбора дисперсионного профиля МС волокна для управления спектральной шириной сдвинутого по частоте солитона.

Спектральная интенсивность, отн.ед.

Рис. 10 Спектры импульса накачки (а) и смещенного в «красную» область солитона с энергией 85 пДж (б). (Закрашенные кружки показывают экспериментальные данные, аппроксимированные теоретической кривой (сплошная линия)). Профиль дисперсии групповых скоростей МС волокна показан пунктирной кривой на панели (а).

Рассчитанные спектральные зависимости (в) дисперсионного параметра (пунктир), коэффициента нелинейности (точка-тире) и коэффициент спектральной компрессии (сплошная линия) для используемого высоконелинейного МС волокна (центральная частота входного импульса 375 ТГц).

Измерения спектральной трансформации солитонов в процессе ССЧ импульсов накачки, в качестве которых использовались неусиленные импульсы Cr:forsterite лазера с центральной длиной волны 1250 нм и длительностью 50 фс, показали возможность спектрального сжатия до 6,5 раз для солитона в районе длине волны 1580 нм (см. рис. 10).

Спектральная компрессия ультракоротких импульсов в процессе их перестройки по длине волны может найти применение в телекоммуникационных технологиях, а также методиках нелинейно-оптической спектроскопии и микроскопии, в частности КАРСмикроспектроскопии.

В следующих двух параграфах рассмотрены волоконно-оптические компоненты сенсорных систем, предназначенных для повышения эффективности возбуждения и регистрации люминесцентного отклика малых концентраций биологических красителей и наночастиц.

В параграфе 4.6 демонстрируется возможность высокоэффективного возбуждения и сбора флуоресцентного отклика кремниевых наночастиц, импрегнированных в микро- и наносветоводные волноводные структуры. Оптическое возбуждение наночастиц, а также захват их флуоресцентного отклика и доставка флуоресцентного сигнала к детектору осуществляется в волноводном режиме с помощью системы микро- и наносветоводных каналов МС волокна. Высокая эффективность оптического возбуждения аналита обеспечивается за счет усиления эванесцентной части поля мод наносветоводных каналов (принцип действия иллюстрируется рис. 11). Также в этом параграфе выполнен качественный и количественный анализ оптимальной схемы возбуждения и регистрации флуоресценции в волноводном режиме, проведено сравнение со случаем объемного детектирования.

Рис. 11. Схема оптического возбуждения и регистрации флуоресцентного отклика наночастиц кремния в жидкофазной среде, заполняющей воздушные каналы МС световода. Здесь же показана структура МС волокна и диаграмма возбуждения наночастиц эванесцентным полем направляемых мод и захват флуоресцентного отклика в направляемые моды центрального канала структуры и боковые наноканалы.

В параграфе 4.7 показано, что специальные архитектуры микроструктурированных волокон могут значительно повысить эффективность возбуждения и детектирования двухфотонной люминесценции. Проведен анализ волноводных зондов с двойной оболочкой и рассмотрены две возможные схемы двухфотонного возбуждения и сбора флуоресцентного отклика. В первой схеме (рис. 12а) возбуждающее фемтосекундное излучение доставляется по сердцевине волокна к объекту, находящемуся на конце волокна (при этом структура волокна обеспечивает минимальное дисперсионное расплывание импульса накачки), а сигнал двухфотонной люминесценции собирается внутренней оболочкой с большой числовой апертурой. Этот метод двухфотонного возбуждения люминесценции представляется перспективным для визуализации биологических тканей. В другой схеме (рис. 12б) небольшое количество аналита заполняет полые каналы МС световода. В этом случае двухфотонная люминесценция возбуждается эванесцентным полем излучения, распространяющегося по сердцевине, и собирается внутренней частью оболочки. Экспериментально было продемонстрировано, что достаточно всего нескольких нанолитров исследуемых органических красителей, заполняющих полые отверстия специально разработанного МС волокна, чтобы сигнал двухфотонной люминесценции на два порядка превышал амплитуду сигнала, соответствующего случаю двухфотонного возбуждения тех же красителей, находящихся вблизи торца волокна.

Рис. 12. Схемы двухфотонного возбуждения и сбора люминесценции с помощью МС волоконных зондов с двойной оболочкой: (а) возбуждающее излучение доставляется через сердцевину волокна к находящемуся на торце волокна объекту, а сигнал люминесценции собирается внутренней частью оболочки с высокой числовой апертурой;

(б) двухфотонная люминесценция аналита, заполняющего полые каналы оболочки, возбуждается эванесцентным полем фемтосекундного излучения, распространяющегося по сердцевине, а анализируемый сигнал также собирается внутренней частью оболочки.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, которые перечислены ниже:

1. Экспериментально продемонстрирована методика на основе интерферометрии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) для измерения вклада оболочки в общую нелинейность волноводных мод полых фотонно-кристаллических волокон.

2. Экспериментально показана возможность использования параметрического четырехволнового взаимодействия для исследования пространственного строения микро- и наноразмерных каналов микроструктурированных волноводных структур.

Спектр сигнала четырехволнового смешения, определяемый профилем дисперсии волноводных каналов, позволяет определить их поперечные размеры и зарегистрировать наномасштабные изменения их пространственной структуры.

3. Экспериментально показано, что сильная параметрическая связь стоксовых и антистоксовых спектральных компонент комбинационного рассеяния, существующая в узкой спектральной области вблизи нуля дисперсии групповых скоростей, крайне чувствительна как к линейным, так и к нелинейным оптическим свойствам волноводов и может быть использована для их измерения.

4. Показана возможность эффективного преобразования спектра наносекундных лазерных импульсов за счет процессов параметрического четырехволнового взаимодействия и вынужденного комбинационного рассеяния света.

Экспериментально определены режимы наиболее эффективного преобразования наносекундных лазерных импульсов в излучение суперконтинуума.

5. Реализована новая методика формирования перестраиваемых по частоте мегаваттных фемтосекундных импульсов инфракрасного диапазона на основе генерации излучения суперконтинуума в многосолитонном режиме.

6. Продемонстрировано эффективное спектральное уширение импульсов фемтосекундной длительности в полностью твердотельном кварцевом фотоннокристаллическом световоде с большой площадью моды в режиме нормальной дисперсии. Полученное спектральное уширение импульса с длительностью порядка 200 фемтосекунд, пиковой мощностью 3 МВт и центральной длиной волны 1140 нм позволило сжать его до длительности 20 фс с соответствующей пиковой мощностью 7. Впервые продемонстрирована генерация высокоэнергетичных (до 3 нДж) перестраиваемых по частоте солитонов в диапазоне от 1300 до 1800 нм с пиковой мощностью до 83 кВт, длительностью менее 100 фс и частотой повторения 18 МГц в специально сконструированных микроструктурированных волокнах со сплошной сердцевиной и эффективной площадью моды 20 мкм2.

8. Показано, что сдвинутые по частоте солитоны на выходе из высоконелинейного МС волокна приводят к образованию в выходном спектре интерференционных полос высокой видности, что говорит о гладком спектральном профиле каждого отдельного солитона и позволяет реализовать методику когерентного сложения и синтеза импульсов длительностью в несколько циклов поля в полностью волоконном формате.

9. Экспериментально продемонстрирована спектральная компрессия ультракоротких лазерных импульсов, обусловленная солитонным самосдвигом частоты. Она позволяет сужать спектр сверхкоротких импульсов и одновременно перестраивать их по частоте, оптимизируя спектральную ширину лазерного импульса и его центральную частоту для целей нелинейной спектроскопии, в частности, спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

10. Продемонстрирована возможность высокоэффективного сбора флуоресцентного отклика кремниевых наночастиц, импрегнированных в микро- и наносветоводные волоконные структуры. Высокая эффективность оптического возбуждения аналита обеспечивается за счет усиления эванесцентной части поля мод наносветоводных каналов.

11. Показано, что микроструктурированные волокна могут значительно (до двух порядков) увеличить эффективность возбуждения и сбора сигнала двухфотонной люминесценции при возбуждении органических красителей и биомаркеров, заполняющих полые каналы микроструктурированных волокон, по сравнению с режимом объемного возбуждения двухфотонной люминесценции.

1) Fedotov I.V., Fedotov A.B., and Zheltikov A.M. Raman-resonance-enhanced composite nonlinearity of air-guided modes in hollow photonic-crystal fibers// Optics Letters. 2006.

V. 31. № 17. P.2604-2606.

2) Федотов И.В., Федотов А.Б., Кондратьев Ю.Н., Шевандин В.С., Дукельский К.В., Хохлов А.В., Желтиков А.М. Нелинейно-оптическая спектронаноскопия световодных микроструктур// Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1-2.

C. 140-144.

3) Федотов И.В., Федотов А.Б., Желтиков А.М. Нелинейно-оптическое преобразование наносекундных лазерных импульсов и управляемая генерация суперконтинуума в микроструктурированных световодах// ЖЭТФ. 2007. Т. 132.

№ 5. С. 1017-1025.

4) Fedotov I.V., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Dukel'skii K.V., Shevandin V.S., and Zheltikov A.M. Spectronanoscopy of photonic wires and supercontinuum generation by parametrically coupled Raman sidebands// Optics Letters. 2008. V. 33. № 8. P. 800Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Ivanov A.A., and Zheltikov A.M. Powerful wavelength-tunable ultrashort solitons in a solid-core photonic-crystal fiber// Optics Letters. 2009. V. 34. № 6. P.851-853.

6) Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Ivanov A.A., and Zheltikov A.M. Spectral compression of frequency-shifting solitons in a photonic-crystal fiber// Optics Letters.

2009. V. 34. № 5. P. 662-664.

7) Voronin A.A., Fedotov I.V., Fedotov A.B., and Zheltikov A.M. Spectral interference of frequency-shifted solitons in a photonic-crystal fiber// Optics letters. 2009. V. 34. № 5.

P. 659-671.

8) Fedotov I.V., Fedotov A.B., Doronina L.V., and Zheltikov A.M. Enhancement of guidedwave two-photon-excited luminescence response with a photonic-crystal fiber// Applied Optics. 2009. V. 48. № 28. P. 5274-5279.

9) Fedotov I.V., Lanin A.A., Voronin A.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M., Egorovab O.N.,Semjonov S.L., Pryamikov A.D. and Dianov E.M. Generation of 20 fs, 20MW pulses in the near-infrared by pulse compression using a large-mode-area all-silica photonic band-gap fiber// Journal of Modern Optics. 2010. V. 57. № 19. P. 1867 – 1870.

10) Федотов И.В., Воронин А.А., Федотов А.Б., Шевандин В.С., Дукельский К.В., Желтиков А.М. Формирование перестраиваемых по частоте мегаваттных многосолитоннрого суперконтинуума в микроструктурированном световоде// Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 7. С. 634-637.

11) Федотов И.В., Тащилина А.Ю., Доронина Л.В., Федотов А.Б., Жохов П.А., наносветоводе: Оптические системы расширенной функциональности на основе импрегнированных наночастицами микро- и наносветоводных структур// Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5. № 3-4. С. 98-101.

12) Fedotov I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Dukel’skii K.V., Shevandin V.S., and Zheltikov A.M. Spectronanoscopy of photonic wires by parametrically coupled stimulated Raman sidebands// Book of Abstracts The joint 7th European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008) and 1stEuropean Conference on CARS microscopy (microCARS). 25-27 May 2008, Igls, Austria. P. ET8.

13) Fedotov I.V., Fedotov A.B., Serebryannikov E.E., and Zheltikov A.M. Spectral transformation of laser pulses in nanochanel waveguides and dispersion-nanomanaged photonic-crystal fibers// Book of Abstracts 17th International laser physics workshop (LPHYS`08). June 30 - july 4, 2008. Trondheim, Norway. P. 497.

14) Fedotov I.V., Voronin A.A., Ivanov A.A., Fedotov A.B., and Zheltikov A.M. Spectral tailoring of high-power solitons in large-mode-area photonic-crystal fibers.// Technical Digest 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09). July 13-17, 2009, Barcelona, Spain. P. 602.

15) Fedotov I., Fedotov A., Egorova O., Semjonov S., Pryamikov A., and Zheltikov A..

Compression of megawatt femtosecond laser pulses using a large-mode-area all-silica photonic band-gap fiber// Technical Digest of 19th International Congress on Photonics in Europe CLEO/EUROPE - EQEC 2009. June 14 -19, 2009. Munich, Germany. P. 96.

16) Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Savvin A.D., Lanin A.A.,.Sidorov-Biryukov D.A, Serebryannikov E.E., Zheltikov A.M. Ultrafast nonlinear optics with nanomanaged fibers// Technical Digest of The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT-2010). August 23-27, 2010, Kazan, Russia. P. 7.