Нелинейно-оптические взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волноводах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Коноров Станислав Олегович

Нелинейно-оптические взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волноводах

Специальность 01 04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2005

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Желтиков Алексей Михайлович

Официальные оппоненты.

доктор физико-математических наук, профессор Кравцов Николай Владимирович

кандидат физико-математических наук Цхай Сергей Николаевич Ведущая организация Институт спектроскопии Российской академии наук

Защита состоится « В » иг е ¿л

_2005 года в 15 часов на заседании

диссертационного совета Д501001 31 в Московском государственном университете им MB Ломоносова по адресу 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ Корпус нелинейной оптики, аудитория им С А Ахманова

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

Автореферат разослан

2005 года

Т М Ильинова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Микроструктурированные оптические волокна - это световоды нового типа, отличающиеся по своей архитектуре, принципу действия и свойствам от обычных оптических волокон Волокна этого типа реализуют новую архитектуру оптического волокна, позволяющую варьировать в широком диапазоне дисперсионные свойства волноводных мод и степень локализации электромагнитного излучения в направляемых модах Благодаря своим замечательным свойствам волокна этого типа являются мощным средством оптических технологий и уникальным объектом для фундаментальных исследований в области оптики направляемых волн, физики микро- и наноструктур, фотонных кристаллов, оптической метрологии, нелинейной оптике, физике сильных полей, оптики сверхкоротких импульсов, лазерной биомедицины, фотохимии и спектроскопии Являясь одним из наиболее значительных достижений оптических технологий за последнее десятилетие, микроструктурированные волокна открывают новое направление в оптической физике, приводя к революционным изменениям в области оптической метрологии, нелинейной оптики и оптики сверхкоротких импульсов

Для решения задач оптической физики, биомедицины и фотохимии наряду с обычными волокнами все более широко используются волокна новой архитектуры - микроструктурированные (МС) волокна 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 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, 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 - 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 и активно используется в лазерной биомедицине, спектроскопии, фотохимии, а также оптике сверхкоротких импульсов

Цели и задачи диссертационной работы

К началу работы над диссертацией в научной литературе появились сообщения о создании нового класса оптических материалов микроструктурированных фотоннокристаллических волноводов В связи с этим целью диссертационной работы являлось систематическое исследование линейных и нелинейно-оптических свойств нового класса структур

При этом решались следующие задачи

1 Изучение линейных и нелинейных свойств нового класса структур волоконной оптики - микроструктурированных фотоннокристаллических (ФК) 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

Научная новизна

1 Экспериментально получено высокоэффективное нелинейно-оптическое преобразование частоты неусиленных фемтосекундных импульсов в MC-волокне (до 30%) Разработаны, созданы и испытаны в нелинейно-оптических экспериментах MC-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 Экспериментально продемонстрировано поляризационное управление процессом трансформации спектра фемтосекундных лазерных импульсов в системе микронных и субмикронных нитевидных кварцевых волноводных каналов МС-волокна

3 Экспериментально измеренный спектр мод, поддерживаемых полой сердцевиной ФК-волокон, содержит набор изолированных максимумов, соответствующих фотонным запрещенным зонам ФК-оболочки Перестройка спектра мод волокна данного типа осуществляется путем изменения параметров оболочки

4 Представленные эксперименты демонстрируют возможность использования полых ФК-волокон для радикального увеличения эффективности фазовой самомодуляции фемтосекундных лазерных импульсов (на порядок по сравнению с режимом жесткой фокусировки) Научная и практическая значимость работы

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 исследовании, открывая новые области приложении методов фемтосекундной спемросконии и управления сверхбыстрыми процессами в физике, химии и биологии

Фазовая кросс-модуляция обеспечивает эффективный способ контроля спектрального преобразования фемтосекундных лазерных импульсов в фотонно-кристалпическом волокне со специально выбранным профилем дисперсии

Продемонстрированное радикальное увепичение эффективности чегырех-волновых (ЧВВ)-процессов в но 1ых ФК-волокнах, 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

Созданные и исследованные ФК-волокна с полой сердцевиной перспективны для телекоммуникационных приложений и могут быть использованы для транспортировки мощного лазерного излучения для технологических целей Фотонно-кристаллические волокна открывают уникальную возможность реализации нелинейно-оптических

взаимодействий волноводных мод с поперечными размерами несколько микрометров в газовой среде

Основные положения, выносимые на защиту

1 Микроструктурированные волокна со специальным профилем дисперсии обеспечивают высокоэффективное преобразование частоты и трансформацию спектра сверхкоротких световых импульсов включая фемтосскундные импульсы нано- и субнаноджоулевых уровней энергии Такие волокна позволяют сформировать короткие импульсы антистоксова излучепия с гладкой временной огибающей и регулируемым чирпом, открывая возможности создания новых волконно-опгических источников шпионим и преобразования частоты для нелинейной спектроскопии, оптическом метрологии И лазерной биомедицины

2 По и i<_ i] 0Ю11П0 i pin ni i ih4l(.mii_ вопноводи позволяют сформировать устойчивые изотированные 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 1014 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 профита интенсивности мощных фемтосекундных импульсов,распространяющихся в волноводе, открьвая возможность передачи мощных сверхкоротких импульсов в режиме самоканалирования

Апробация работы

По материалам диссертации опубликовано 59 научных работ из них 43 -статьи в научных журналах Proc SPIE (2002), Journal of Raman Spectroscopy (2002 2003. 2004), Письма в ЖЭТФ (2002. 2003, 2004), ЖЭТФ (2003), Laser Physics (2002, 2003, 2004). Journal of Physics D Applied Physics (2003), Optics Letters (2003. 2004). Optics Express (2003 2004). Applied Optics (2004), Оптика и Спектроскопия (2004), Applied Physics В Lasers and Optics (2004). Квантовая электроника (2003, 2004). PHYSICAL REVIEW A (2004), PHYSICAL REVIEW E (2004), Applied Physics В (Lasers and Optics) (2004)

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях International Conference of young scientists "Optics'2001" (St-Petersburg. 2001), Fourth Italian-Russian Laser Symposium (ITARUS'01) (St-Petersburg. Russia, 2001), International conference of yang scientists of M V Lomonosov 2001, European Conference on Nonlinear Spectroscopy (Switzerland, 2002). 11th International Laser Physics Workshop (Bratislava, Slovak Republic, 2002). International Quantum Electronics Conference (Moscow. Russia, 2002), StPeterburg LOYS 2003, 12th International Laser Physics Workshop (Hamburg, Germany, 2003), 5th Italian-Russian Laser Symposium (Moscow, Russia, 2003), European Conference on Non-linear Spectroscopy (Erlangen, Germany, 2004), 19 International Conference on Raman Spectroscopy, (Cold Coast, Australia, 2004) и на семинарах кафедры Общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им M В Ломоносова

Список опубликованных работ приведен в конце настоящего автореферата

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит и 5 введения четырех глав и включения В конце приведен список цитируемой литературы, содержащий 180 наименовании Полныи объем работы составляет 151 страницу, включая 70 рисунков

Личный вклад

Все приведенные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дано обоснование темы диссертационной 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 также структура диссертации и кратко изложено ее содержание по главам

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 (Рис 1), 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

Рис 1 Поперечные сечения микроструктурированных во юкон

Во второй главе настоящей диссертации будет дано описание основных зкспериментальных лазерных комплексом, которые были использованы для получения результатов, представленных в диссертационной работе Будет дано описание и принципы работы таких лазерных комплексов как титан-сапфировый, хром-форстеритовыи фемгосекундные лазерные комтексы, а также пико и наносекундныи Nd YAG лазерные комплексы, предназначенные для не линейно-оптических спектроскопических исследований и являющихся идеальным средством для исследований нелинейно-оптических свойств микросруктурированных и фотоннокристаллических волокон Также во второй паве будет дано описание методов и процедур измерения спектров пропускания фотонно-кристаллических волокон, а также методик измерения спектрального и временного распределения фазы сверхкоротких лазерных импульсов, прошедших через микроструктурированные и фотоннокристаллические волокна

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 (Рис 2)

Рис 2 Нелинейно-оптическое преобразование частоты неусиленных импульсов титан-сапфирового лазера в боковых каналах микроструктурированного волокна На вставке изображены моды на выходе волокна

Экспериментально продемонстрировано преобразование спектра фемтосекундных импульсов в микроструктурированных волноводах за счет возбуждения различных мод микроструктурированной сердцевины

Рассмотрено использование волокон для преобразования частоты фемтосекундных импульсов в спектральную область в которой лазерное излучение эффективно инициирует фотохимические процессы включая процессы фотохромизма

Экспериментально продемонстрирована возможность осуществления фазовосогласованного параметрического взаимодействия в

микроструктурированном фотоннокристаллическом волноводе, при котором фемтосекундный импульс лазера на титан-сапфире с центральной длиной волны 800 нм и длительностью 35-40 фс генерировал стоксову и антистоксову спектральную компоненту на длинах волн 1,25 мкм и 590-600 нм соответственно

Экспериментально исследовано образование солитонов аэпутствующих распространению фсмтосекундных лазерных импульсов через микроструктуирование волокно в режиме эффективного антистоксова преобразования частоты

Будет указано на существование физического предела увеличения эффективности нелинейно оптических процессов в вочноводном режиме Этот предел связан с конкуренцией дифракции и удержания излучения в волноводе за счет градиента профиля показателя преломчения Будут продемонстрированы физические принципы управления локализацией света и нечинеино-оптическими взаимодействиями в микро- и наноструктурированных вочокнах Иссчедована модовая структура и спектральные свойства излучения суперконтинуума генерируемого фемтосекундными лазерными импульсами в MC-волокне Показана возможность применения преобра зоватечеи частоты фемтосекундных чазерных импульсов на основе MC-волноводов в области фемтосекунднои фотохимии

473 нм 532 нм 607 нм

Рис 3 Спектр пропускания полого волновода созданного для демонстрации возможности увеличения эффективности нелинейно-оптической спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света

Глава 4 посвящена исследованию свойств собственных мод электромагнитного излучения чокалиюванных в попои сердцевине вочокон с периодической и непериодической МС-оболочкой Будет обсуждена возможность использвания фотонно-кристалчических вочокон с полой сердцевиной для передачи сверхкоротких ИМПУЛЬСОВ мощного чазерного излучения, \вечичения эффективности нелинейно-оптических взаимодействии (Рис 3) и доставки мощных лазерных импульсов в технологических лазерных системах

Представлены результаты экспериментов указывающие на возможность достижения фазового согласования для процессов четырехволнового взаимодействия основной моды излучения накачки с частотой 0) основной моды одного из полей накачки с частотой 2йЪысшей волноводной моды второго поля накачки 2й) и высшей волноводнои моды нелинейного сигнала Будет продемонстрировано увеличение эффективности нелинейно-оптических процессов в полых ФК-вочокнах Обсудим результат 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

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы

1 Размер и форма канала микроструктурированного волокна определяет дисперсионные свойства волновода Специально подобранная форма и размер канала обеспечивает высокоэффективное преобразование частоты и трансформацию спектра сверхкоротких световых импульсов, включая фемтосекундные импульсы нано- и субнаноджоулевых уровней энергии Такая управляемая трансформация спектра фемтосекундных импульсов дает возможность создания новых компактных источников

излучения и преобразования частоты для нечинейной спектроскопии оптической метрологии и лазерной биомедицины

2 Система двулучепреломляющих микронных и субмикронных нитевидных кварцевых вочноводных каналов МС-волокна позволяет осуществить поляризационное управление процессом трансформации спектра фемтосекундных лазерных импульсов

3 Благодаря наличию фотонных запрещенных зон в спектре пропускания полого ФК-волокна существует возможность сформирования устойчивых изочированных направчяемых пространственных моды сверхкоротких световых импульсов субгигаваттного уровня мощности

4 Специально подобранная структура полого ФК-волокна позволяет осуществить фазово-согласованный процесс четырех-волнового взаимодействия волноводных мод интенсивных лазерных импульсов,

5 Экспериментально показано что использование полых ФК-вочноводов может приводить к радикальному увеличению эффективности когерентного антистоксова рассеяния света по сравнению с режимом жесткой фокусировки и позвочяет реализовать когерентное приготовчение и зондирование комбинационно-активных молекулярных колебаний в газовой фазе изолированными волноводными модами мощных лазерных импульсов

6 В эксперименте было показано, что пространственное самовоздействие чазерного изучения в средах с керровской нелинейностью может приводить к волноводному режиму распространения излучения, в котором дифракционная расходимость компенсируется керровской нелинейной линзой открывая возможность передачи мощных сверхкоротких импульсов в режиме самоканалирования

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 redotov \п\ш В Konoro\ Stamslav О Naumov 4 N Haus Jos ¡h И Miles Ibchai I В Sidorov Biryuk >v Dmitri i Chigarev V I /h ltiho\ 4/exei \i PI tonic band gap planai hollo« waveguide //Proc SP1E i 4748 p 311 339 1С ONO 2001 Fundamental Aspects of 1 aser Matter Intu icti in and Pli) sics >1 Nanostructures (2002)

2 rcdoiov In ha В 4ljimo\ Michael I Ivanov A 4 Bagayei Set^ i V Pivtsov \ S Iai-asevitch Alexander P \ on det Linde Dietrich Podsh\alov 4 1 Gol san Leonid A Kashkarov Pavel К Beloglazoi Val ntm I Svichm \i S Konorm Stamslav О Ma^mtsku S 1 Тага si shin An h v' Chorvat Dusan Chorvat Dusan Naumov A N bidorov-Biryukov Dmitri A Melmkov homd A Skihina Nina 7heltikov Alexei M Holey fibers with 0 4 to 32mu I lltioe constant photonic band gap cladding tabrnation characterization and applications // Proc SPIb v 4748 p 323 330 1С ONO 2001 fundamental Aspects of I аьег Matter Interaction and Ph\sics of Nanostructures (2002)

3 SO Konorov D J Akimov AN Naumov А В Fedotov RB Miles JW Haus AM /heltikov Bragg resonance enhanced coherent anti Stokes Raman scattering m a planar photonic band-gap waveguide// Journal of Raman Spectroscopv v 33 n 11 12 p 955 - 961 (2002)

4 CO Коноров Д 4 Акимов А И Наумов 4 Б Федотов Р Ь Шине Дж У Xavc А М Желтиков Когерентное антистоксово рассеяние замедленною света в попом танарном волноводе с периодическим гофром//Письма в ЖЭТФ т 75 №2 с 74 - 78 (2002)

5 СО Коноров А Б Федотов О А Колеватова В И Белоглазое Н Б Скибина А В Щербаков А М Желтиков Собственные моды полых фотонно кристаллических волокон//Письма в ЖЭТФ i 76 N»6 с 401 404 (2002)

6 SO Konorov D A Akimov А N Naumov А В Fedotov R В Miles J W Haus A M 7heltikov Coherent Anti Stokes Raman Scattering of Slow Light m a Hollow Planar Photonic Band Gap Waveguide // Laser Physics v 12 n 4,p 818-824 (2002)

7 AN Naumov А В Fedotov I Bugar D Chorvat Jr VI Beloglazov SO Konorov LA Melmkov NB Skibina DA Sidorov-Biryukov EA Vlasova VB Morozov A V Shcherbakov D Chorvat A M Zheltikov Supercontinuum Generation in Photonic Molecule Modes of Microstructure Cobweb Fibers and Photonic-Crystal Fibers with Femtosecond Pulses of Tunable 1 1-1 5-itm Radiation//Laser Physics, v 12, n 8, p 1191 - 1198 (2002)

8 А В Fedotov AN haumov SO Konorov, I I Beloglazov, L A Mel'mkov, NB Skibina DA Sidorov-Biryukov, \V Shcherbakov, AM Zheltikov Photonic-Molecule Modes of a Microstructure Cobweb Fiber //1 dser Physics, v 12 n 11, p 1363 - 1365 (2002)

9 Д А Акимов M В Алфимов, А А Иванов, А Б Федотов T Бирке, У Дж Vodcyopm, Ф ' m /¡ж Расселл С О Коноров, О А Колеватова, А А Подшивалов А М Жептиков Послеювательное фазовое согчасование при каскадных параметрических взаимодействиях сверхкоротких газерныч импутьсов // Письма в ЖЭТФ i 77, №1 с 9-12 (2003)

10 С О Коноров, А Б Федотов, А М Желтиков Четырехвотновое в ¡аимодействие в полых фотонно-кристаллических волокнах // Письма в ЖЭТФ, 1 77, № 8, с 471 - 474, (2003)

11 S О Konorov, А В Fedotov, V 1 Beloglazov, N В Skibina, А V Shcherbakov, Е Wmtner, and А М Zheltikov Laser Breakdown with Milhioule Trains ot Picosecond Pulses Transmitted through a Hollow-Core Photonic-Crystal Fiber//Laser Physics, v 13,n 4,p 652,(2003)

12 SO Konorov, А В Fedotov, О A Kolevatova, VI Beloglazov, N В Skibina, A V Shcherbakov, E Wintner and A M Zheltikov Laser breakdown with millijoule trains of picosecond pulses transmitted through a hollow-core photonic-crystal fibre//J Phys D Appl Phys v 36, n 12,1375-1381, (2003)

13 SO Konorov, А В Fedotov, О A Kolevatova, E A Serebryannikov, D A Sidorov-Biryukov, J M Mikhailova, A N Naumov, V I Beloglazov, N В Skibina, L A Melnikov, A V Shcherbakov and A M Zheltikov Waveguide modes and dispersion properties of hollow-core photonic-crystal and aperiodic-cladding fibers//Laser Physics v 13n5 p 148-160 (2003)

14 А В Fedotov, Ping Zhou, Yu N Kondrat'ev, S О Konorov, E A Vlasova, D A Sidorov-Biryukov, V S Shevandin, К V Dukel sku, A V Khokhlov, S N Bagayev, V В Smirnov, A P Tarasevitch, D von der Linde, and A M Zheltikov Frequency Up-Conversion of Spectrally Sliced Mode-Separable Supercontinuum Emission from Microstructure Fibers // Laser Physics, v 13, n 4, p 816,(2003)

15 А В Fedotov, S О Konorov, Yu N Kondrat'ev, S hi Bagayev, V S Shevandin, К V Dukel'skn, D A Sidorov-Biryukov, A V Khokhlov, V В Smirnov, and A M Zheltikov Measurement of Optical Losses for a Family of Microstructure Fibers with a Sequentially Increasing Number of Hexagonal Cycles of Air Holes //Laser Physics v 13,n8,p 856,(2003)

16 SO Konorov, А В Fedotov, A M Zheltikov Enhanced four-wave mixing in a hollow-core photonic-crystal fiber// Optics Letters, v 28, n 16, p 1448, (2003)

17 S О Konorov, A M Zheltikov Frequency conversion of subnanojoule femtosecond laser pulses in a microstructure fiber for photochromism initiation // Optics Express v И, nl9, p 2440-2445, (2003)

18 SO Konoro\ 4 A Ivanov M I 4lfimov 4 В Fedotov Yu \ Kondrat ev V S Shevandm К V Dukel ikn 4 I Khokhlov A A Podshivalov A N Petrov D 1 Sidorov-Biryukov and A M Zheltikov Generation ot Frequency Tunable Radiation within the Wavelength Range of 350-600 run through Nonlinear-Optical Spectral Transformation ot Femtosecond Cr Forstente-I aser Pulses in Submicron Fused Silica Threads of a Microstructure Fiber//Laser Physics v 13 n9 pH70 (2003)

19 SO Konorov А В Fedotov 4 A Ivanov M V Alfimov \ I Beloglazov N В Skibina 4 A Podshivalov 4 N Petrov A V Shcherbako\ and A M Zheltiko\ Guiding Femtosecond Second Harmonic Pulses ot a Cr Forsterite Laser through Hollow-Core Photonic-Crvstal Fibers//Laser Physics v И n8 p 1046 (2003)

20 SO Konorov А В Fedotov О A Kolevatova E A Serebryanmkov D A Sidorov-Biryukov J M Mikhailova A N Naumov V I Beloglazov N В Skibina L A Mel nikov A V Shcherbakov and A M Zheltikov Waveguide Modes and Dispersion Properties of Hollow-Core Photonic Crystal and Apenodic-Cladding Fibers //Laser Physics 13 n2 p 148 (2003)

21 СО Коноров OA Колеватова 4 Ь Федотов E4 Серебрянников ДА Сидоров-Бирюков ЮМ Михайлова АН Наумов В И Белоглазое НБ Скибина Л А Мельников А В Щербаков AM Желтиков Волноводное распространение электромагнитного и ¡лучения в полых микроструктурированных и фотонно-кристаллических волокнах // ЖЭТФ т 123 №5,(2003)

22 SO Konofov А В Fedotov DA Sidorov Biryukov II Beloglasov NB Skibma 4 V Shcherbakov A M Zheltikov Hollow core photonic-crystal fibers optimized for tour-wave mixing and coherent anti-Stokes Raman scattering // Journal ot Raman Spectroscopy v 34 n 9 p 688-692 (2003)

23 Stamslav О Konorov Vladimir P Mitrokhin Andrei В Fedotov Dmitrti A Sidorov-Biryukov Valentin I Beloglazov Nina В Skibma Andrei V Shcherbakov Ernst (Vintner Michael Scalora Aleksei M Zheltikov Laser Ablation of Dental Tissues with Picosecond Pulses ot 1 06-цт Radiation Transmitted through a Hollow-Core Photonic-Crystal Fiber // Applied Optics, v 43, n 11, p 2251,(2004)

24 Stamslav О Konorov Evgenn E Serebryanmkov Aleksei M Zheltikov Ping Zhou Alexander P Tarasevitch Dietrich von der Linde Mode-controlled colors from microbtructure Fibers// Optics Express v 12, n 5 p 730-735 (2004)

25 S О Konorov A M Zheltikov Ping Zhou A P Tarasevitch D von der Linde Sell-channeling ol subgigawatt femtosecond laser pulses in a ground-state waveguide mduced in the hollow core of a photonic crystal fiber// Optics Letters, v 29, n 13, p 1521,(2004)

26 SO Konorov E E Serebryanmkov A M Zheltikov Ping Zhou A P Tarasevitch D von der Linde Generation о t femtosecond anti-Stokes pulses through phase-matched parametric four-wave mixing in a photonic crystal fiber // Optics Letters, v 29, n 13, p 1545, (2004)

27 S O Konorov, Pmg Zhou, V I Beloglazov, N B Skibina, A P Tarasevitch, D von der Linde, and A M Zheltikov, Spatiotemporal Self-Action of Subgigawatt Femtosecond Laser Pulses in HollowPhotomc-Crystal Fibers // Laser Physics, v 14, n 5, p 733, (2004)

28 S 0 Konorov, Pmg Zhou, E E Serebryanmkov, Yu N Kondrat'ev, V S Shevandm, K V Dukel'sku, A V Khokhlov, A P Tarasevitch, D von der Linde, and A M Zheltikov, Photonic-Crystal Fibers for the Generation of Femtosecond Pulses of Anti-Stokes Radiation // Laser Physics, v 14, n 5, p 752, (2004)

29 S 0 Konorov, A B Fedotov, V P Mitrokhm, D A Sidorov-Bttyukov, Yu N Kondrat'ev, V S Shevandm, K V Dukel'sku, A V Khokhlov, and A M 7hdtiko\ Polarization Controlled Spectral Trjnslormation ot Unumplificd Rmtosccond Pulses in Multiple Waveguide Channels of a Photonic-Crsstal Fiber//Laser Physics, v 14, n 5, p 760~(2004)

30 D I Sido,o\ Biryuhm ! B ndotm S O Konoun I P Mittokhm \1 Scaloia and A M 7h(lliko\ Pliotonic-Cnstdl-Fibor OptiLdl Diode// laser Physics v 14, n 5, p 764 (2004)

31 SO konuiu\ ! Bugai D 4 Si Joan Biryiihin D Lhonat Ji )u N Kondiat'ev I S Sht\undm K J' Duktl \kii A I Khokhlov A B Fedotov I I luiuk I B Klotozm I A Mahaio\ D (honat and A M Zheltikov Chirp Controlled Anti Stokes 1 ri-qucno\ Convusion ol Femtosecond Pulsesin Photoni Cia st il Fitxp-//1 isu Ph\srs \ 14 n S p772 (2004)

M SO konoun 1 B Fedottn I / Be!ogla:o\ N B Skibina M Scaloia M I cn(lli am! 1 A/ 7lulhko\ Ti insinis ion ol Ultrashort Pulses thiough Hollow Photonic-Crystal Fibers with Passbands in the Visible and Intrared Spectral Ranges//Laser Physics, v 14, n 5,p 780,(2004)

33 S O Konorov, D A Akimov 4 A Ivanov M V Alfimov, V I Beloglazov, N B Skibina, and A M Zheltikov, Femtosecond Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Spectroscopy Using Frequency-Tunable Chirped Pulses Produced and Shaped in a Photonic-Crystal Fiber// Laser Physics, v 14, n 5, p 785, (2004)

34 S O Konorov, A A Ivanov, D A Akimov, M V Alfimov, A A Podshivalov, Yu N Kondrat'ev, V S Shevandm, K V Dukel'sku, A V Khokhlov, and A M Zheltikov, Cross-Phase Modulation Control of Ultrashort Pulses Spectrally Transformed m Photonic-Crystal Fibers//Laser Physics, v 14, n 5, p 791, (2004)

35 SO Konorov, AB Fedotov, LA Mel'nikov, A V Shcherbakov, and AM Zheltikov, Large-core-area hollow photonic-crystal fibers, Laser Physics Letters//v l,n 11,p 548,(2004)

36 SO Konorov, D A Akimov, A A Ivanov, M V Alfimov, A B Fedotov, D A Sidorov-Biryukov, LA Mel'mkav, A V Shcherbakov, I Bugar, D ChorvatJr, F Uherek, D Chorvat, and A M Zheltikov, Anti-Stokes generation m guided modes of photonic-crystal fibers modified with an array of nanoholes // Laser Physics Letters, v l,n 8, p 402, (2004)

37 SO Konorov, EE Serebryanmkov, Ping Zhou, AV Khokhlov, VS Shevandm, KV Dukel'sku, Yu N Kondrat'ev, DA Sidorov-Biryukov, А В Fedotov, A P Tarasevitch, D von der Lmde, and A M Zheltikov, Mode-controlled spectral transformation of femtosecond laser pulses in microstructure fibers // Laser Physics Letters, v 1, n 4, p 199, (2004)

38 Коноров CO, Федотов АБ, Боту В, Серебрянников ЕЕ, Сидоров-Бирюков ДА, Кондратьев ЮН, Шевандин ВС, Дукельский KB, Хохлов А В, Желтиков А М Преобразование частоты субнаноджоулевых импульсов в микроструктурированных волокнах // Оптика и Спектроскопия, т 96, № 4, с 575, (2004)

39 5 0 Konorov, DA Akimov, A A Ivanov, М V Alfimov and AM Zheltikov, Microstructure fibers as frequency-tunable sources of ultrashort chirped pulses for coherent nonlinear spectroscopy // Applied Physics В Lasers and Optics, Issue v 78, n 5, p 565-567,(2004)

40 Акимов Д A , Коноров С О, Алфимов М В, Иванов А А , Белоглазое В И, Скнбина НБ Федотов А Б Cudopoi Бирюков ДА Петров АН, Желтиков А М Фемтосекундная спектроскопия когерентного dinnLiokUHM рассишия uiua l иню ib ювапием перилрашмемою излучения, генерируемого в микроструктурированных волокнах // Квантовая Электроника, т 34, № 5, с 473-476, (2004)

41 А В Fedotov, S О Konorov, V Р Mitrokhin, Е Е Serebryanmkov, and А М 7heltikov, Coherent jnti-Stokes Rjmdn scattering in isolated air-guided modes of d hollow loic photoniL-Liystdl fibei // PIIYSICAI REVIEW A, v 70, p 045802,(2004)

42 SO Konorov, D A Sidorov-Btryukov, I Bugar, D Chorvat, Jr, D Chorvat, E E Serebryanmkov, M J Bloemer, M Scalora, R В Miles, and A M Zheltikov, Limiting ol microjoule femtosecond pulses in air-guided modes ot d hollow photonic-crystdl fiber// PHYSICAL REVIEW A, v 70, p 023807, (2004)

43 Л О Konoio\,DA ikinun, 4 \ l\ano\ LI Suebiyanniko\ MV Alfimov KV Dukel'sku, AV Vhokhlov, VS Shevandm, Yu N Kondrat'ev, AM Zheltikov, Spectrally and temporally isolated Raman soliton features in microstructure fiberb wsudlized b> crobs-correldtion frequency-resolved optical gating //Appl Phys В (Lasers and Optics), v 79, p 289-292,(2004)

44 S О Konorov, D A Akimov, E E Serebryanmkov, A A Ivanov, M V Alfimov, and A M Zheltikov, Cross-correlation frequency-resolved optical gating coherent anti-Stokes Raman scattering with frequency-converting photomc-ciystal fibers//PHYSICAL REVIEW E,v 70, p 149409,(2004)

45 S О Konorov, D A Akimov, E E Serebryanmkov, A A Ivanov, M V Alfimov, and A M Zheltikov, Cross-correlation FROG CARS with frequency-converting photonic-crystal fibers, Phys Rev E 70,057601,(2004)

46 S О Konorov Enhanced Coherent Anti-Stokes Raman Scattering in a Photonic Band-Gap Planar Waveguide Seminar "Optics of Photonic Crystals" International Conterence of young scientists "0ptics'2001", p45 St-Petersburg 16-19 October 2001

47 S G Konorov International Conference of young scientists "Optics'2001", p 45 St-Petersburg 16-19 October 2001

48 S O Konorov Fourth Italian-Russian Laser Symposium (ITARUS'01) St-Petersburg, Russia, 2001, Technical Digest, p 173

49 S O Konorov International conference ofyang scientists of M V Lomonosov 2001

50 5 O Konorov Coherent Four-Wave mixmg 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

51 5 0 Konorov Supercontinuum Generation and enhanced nonlinear-optical processes in minimal cladding microstructure fibers Book of Abstract 11th International Laser Physics Workshop p 44 Bratislava, Slovak Republic, July 1-5,2002

52 S O Konorov 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

53 S O Konorov Frequency conversion and spectral transformation of ultrashort pulses in microstructure and photonic-crystal fiber// StPeterburg LOYS 2003

54 S O Konorov 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 2529,2003

55 Stas O Konorov, Andrei В Fedotov, Aleksei M Zheltikov Femtosecond time-resolved two-photon-absorption-resonant four-wave mixing in three-dimensional Spiroppyran/PMMA samples, Book ot abstracts p 304, 12th International Laser Physics Workshop Hamburg, Germany, August 25-29,

2003

56 Stas O Konorov, Andrei В Fedotov, Aleksei M Zheltikov, Frequency conversion and spectral transformation of ultrashort pulses in microstructure and photonic-crystal fibers, Technical Digest p 245, 5th Italian-Russian Laser Symposium, Moscow, Russia, October 29 - November 2,2003

57 A D Akimov, S O Konorov, A M Zheltikov, A A Ivanov and MV Alfimov, Cross-correlation FROG CARS with Frequency-converting Microstructure fibers, Technical Digest p 10, European Conference on Non-linear Spectroscopy (ECONOS 2004), Erlangen, Germany, April 4-6,2004

58 / Bugar, S O Konorov, D A Sidorov-Biryukov, D Chorvat Jr, D Chorvat, and AM 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

59 S O Konorov A D Akimov, A M Zheltikov, A A Ivanov and M V Alfimov, Cross-corelation FROG CARS with Frequency-Converting Microstructure Fibers, Proceedmg of the 19 International Conference on Raman Spectroscopy, 8-13 August 2004, Gold Coast, Australia

Подписано в печать 08.04.2005 Объем 1.5 печл. Тираж 100 экз. Заказ № 59 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992, г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

852

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

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.

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

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).