Close

Нелинейная оптика микроструктурированных волокон

Современные оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и надежные волоконно-оптические источники и преобразователи оптических сигналов, использующиеся для решения широкого круга научных и технологических задач. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены световодной геометрией генерации, усиления и нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения. В волоконно-оптических лазерных системах такая геометрия обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, благоприятные условия для отвода тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка. Благодаря большим длинам нелинейно-оптических взаимодействий, обеспечиваемых волноводным режимом распространения излучения, оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и высокоэффективные устройства для управления параметрами лазерного излучения и спектрально-временного преобразования световых импульсов, включая широко использующиеся в оптике сверхкоротких импульсов волоконно-оптические компрессоры и устройства для преобразования частоты на основе комбинационного рассеяния и параметрического четырехволнового взаимодействия.

Рис. 1. Оптические волокна различной архитектуры: (а) стандарnное оптическое волокно, состоящее из сердцевины с показателем преломления nc и оболочки с показателем преломления no < nc; (б) микроструктурированное волокно; (с) стандартное полое волокно со сплошной оболочкой, nc < no; (г) полое волокно с фотонно-кристаллической оболочкой.

Рис. 2. Изображения поперечных сечений микроструктурированных световодов: (а — в) волокна с высокой оптической нелинейностью, обеспечиваемой малым размером сердцевины и высоким контрастом показателей преломления сердцевины и оболочки, (г) МС-световод с большой площадью сердцевины, (д, е) полое МС-волокно.

Генерация суперконтинуума в микроструктурированном волокне.

В конце 20 века были разработаны оптические волокна нового типа – микроструктурированные (МС) или фотонно-кристаллические (ФК) световоды. Световоды этого класса представляют собой изготовленную из плавленого кварца или другого материала нано- или микроструктуру с периодически либо апериодической системой цилиндрических воздушных отверстий, ориентированных вдоль оси волокна. Подобная нано- или микроструктура обычно изготавливается путем вытяжки из заготовки, набранной из капиллярных трубок со сплошным кварцевым стержнем в центре.

В общем виде принцип построения и действия микроструктурированных (МС) волокон иллюстрируется на рис. 1. В отличие от обычных оптических волокон (рис. 1а), состоящих из сплошных сердцевины и оболочки с показателями преломления nc и nо, соответственно, МС волокна представляют собой кварцевую или стеклянную микроструктуру с периодически (оптический период L) либо апериодически расположенными воздушными отверстиями (рис. 1б). Подобная микроструктура изготавливается путем вытяжки при высокой температуре из преформы, набранной из полых капилляров, и принципиально технология производства МС волокон схожа с процессом приготовления стандартных волокон. Дефект микроструктуры, соответствующий отсутствию одного или нескольких воздушных отверстий (в центре структуры на рис 1б), может выполнять функцию, аналогичную функции сердцевины стандартного волокна, и обеспечивать волноводный режим распространения электромагнитного излучения. Размер сердцевины получаемых волокон варьируется от значений одного (и даже меньше) до нескольких десятков микрометров. За счет изменения диаметра и толщины стенок капилляров в оболочке мы можем варьировать процентное содержание воздуха в ней и изменять эффективный показатель преломления nэфф двухкомпонентной (воздух – стекло) среды. Волноводные моды в микроструктурированных волокнах формируются в результате интерференции отраженных и рассеянных волн, и в общем случае их определение требует численного моделирования. Однако, условие существование волноводных мод в сердцевине волокна, образуемой дефектом микроструктуры (рис. 1б), можно записано в виде, аналогичном условию существования полного внутреннего отражения в обычном волокне: nэфф<nc.

Наряду с обычными волноводными режимами, обеспечиваемыми явлением полного внутреннего отражения, МС волокна при определенных условиях поддерживают волноводные моды электромагнитного излучения, формируемые за счет высокой отражательной способности оболочки волокна в области фотонных запрещенных зон. Такие режимы волноводного распространения реализуются в волокнах с оболочкой в виде двумерно периодической нано- или микроструктуры (двумерного фотонного кристалла) и полой либо твердотельной сердцевиной (рис. 1в, г). Фотонная запрещенная зона, возникающая в спектре пропускания двумерной периодической оболочки волокон данного типа, обеспечивает высокий коэффициент отражения для излучения, распространяющегося вдоль полой сердцевины, позволяя существенно снизить оптические потери, присущие модам обычных полых волноводов со сплошной оболочкой и быстро растущие с уменьшением диаметра полой сердцевины.

Cлева: генерация суперконтинуума в микроструктурированном волокне. Справа: управление дисперсией МС-световодов за счет структуры МС световодов.

Управление локализацией моды с помощью наноструктурирования сердцевины волокна.

Схема экспериментальной установки для измерения дисперсии микроструктурированных световодов.

Уникальность МС-световодов для оптических технологий и волоконных лазерных систем обусловлена возможностью активного формирования частотного профиля дисперсии собственных мод таких волокон путем изменения их структуры. Такие световоды позволяют реализовать сложные частотные профили дисперсии, которые не могут быть сформированы для стандартных оптических волокон. Как следствие, в МС-волокнах наблюдаются новые нелинейно-оптические явления и новые режимы спектрально-временного преобразования сверхкоротких лазерных импульсов. На рис. 2а – 2в представлены изображения поперечного сечения МС-волокон с большой разностью показателя преломления сердцевины и эффективного показателя преломления оболочки, обеспечиваемой высоким удельным содержанием воздуха в оболочке. Волокна этого типа позволяют достичь высокой степени локализации электромагнитного поля в сердцевине, что приводит к высоким значениям коэффициента нелинейности, определяющего эффективность нелинейно-оптических взаимодействий в волокне при заданной пиковой мощности лазерного импульса. Высокоэффективные волоконно-оптические преобразователи частоты сверхкоротких импульсов и источники излучения с широким непрерывным спектром (суперконтинуума), разработанные на основе МС-световодов с высокой оптической нелинейностью (рис. 2а-в), позволяют решать фундаментальные задачи в области оптической метрологии и оптики сверхкоротких лазерных импульсов, а также активно используются для целей лазерной биомедицины, нелинейной спектроскопии и микроскопии.

Группа фотоники и нелинейной спектроскопии фактически является первой отечественной группой, которая начала активно проводить исследования с этим новым типом волокон в России. В сотрудничестве с Государственным Оптическим Институтом (Санкт-Петербург) и ООО «ТОСС» (Саратов), были исследованы первые микроструктурированные волокна. Основные научные достижения в этом направлении связаны с разработкой новых типов микро- и наноструктурированных волокон с целью управления их дисперсионными и модовыми свойствами, исследованиями в них новых механизмов нелинейно-оптических  преобразований, разработкой вопросов использования микроструктурированных волокон для различных научных и технологических приложений. По данной тематике за последние двадцать лет опубликовано более 250 работ в ведущих научных журналах, получено несколько патентов. А. М. Желтиков является автором книг «Оптика микроструктурированных волокон» (2004), «Микроструктурированные световоды в оптических технологиях» (2009) и ряда обзорных статей. В 2010 году профессор А. М. Желтиков был удостоен ежегодной международной награды за достижения в области лазерной физики и квантовой оптики — медали имени лауреата Нобелевской премии У. Лэмба «за пионерский вклад в развитие нелинейной оптики сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических волокнах».

В рамках интенсивной и плодотворной  научной деятельности были возможности МС-волокон для реализации высокоэффективного спектрального и временного преобразования лазерных импульсов с начальными длительностями от десятков наносекунд до нескольких циклов светового поля в широком диапазоне пиковых мощностей от сотен Вт до нескольких ГВт. Можно выделить рад значимых  областей, в которых были получены приоритетные и заметные результаты по нелинейной оптике микроструктурированных волокон:

  • развитие методов управления дисперсией и нелинейностью микроструктурированных волокон, в том числе с помощью наноструктурирования;
  • повышение эффективности генерации широкополосного излучения (суперконтинуума) в МС волокнах, исследование оптических свойств этого излучения:
  • демонстрация транспортировка мощных лазерных импульсов в полых фотонно-кристаллических волокнах для технологических и биомедицинских приложений;
  • генерация суперконтинуума высокоинтенсивными лазерными импульсами в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной;
  • исследование четырехволновых взаимодействий сверхкоротких лазерных импульсов для генерации новых спектральных компонент и суперконтинуума;
  • исследование солитонного самосдвига частоты, солитонной неустойчивости и излучения дисперсионных волн в микрострутурированных световодах;
  • создание перестраиваемых источников сверхкоротких импульсов на основе солитонного самосдвига частоты для целей нелинейно-оптической спектросокпии;
  • генерация предельно коротких, в том числе аттосекундных, импульсов на основе нелинейно-оптического преобразования в полых фотонно-кристаллических световодах

В настоящее время МС-волокна в заметном числе современных технологичных оптических систем. Генераторы суперконтинуума нашли широкое применение в системах оптической метрологии и нелинейно-оптической спектроскопии, где требуется исследование быстропротекающих процессов в широком спектральном диапазоне. МС-волокна играют большую роль при создании новых волоконно-оптических систем для генерации сверхкоротких лазерных импульсов и управления их параметрами. Благодаря возможности активного формирования частотного профиля дисперсии МС-световоды все шире используются в качестве элементов, осуществляющих требуемый баланс или компенсацию дисперсии в волоконно-оптических лазерных генераторах, позволяющих получать сверхкороткие лазерные импульсы с высоким качеством временной огибающей. Микроструктурированные волокна со структурой поперечного сечения, показанной на рис. 2а, представляют значительный интерес для разработки нового класса оптических сенсоров. В сенсорах этого типа возбуждающее излучение доставляется к объекту по сердцевине МС-волокна. Внутренняя часть МС-оболочки имеет отверстия с размерами порядка микрометра и служит для доставки рассеянного либо флуоресцентного сигнала по волокну от исследуемого объекта к приемнику излучения, который может располагаться рядом с источником излучения. Такая конструкция волокна обеспечивает высокие эффективности зондирования химических и биологических растворов методами однофотонной и двухфотонной люминесценции. В нашей группе МС-волокна используются для создания волоконного зонда с использованием квантового сенсора в виде микрочастицы алмаза с центрами окраски закрепленного на его торце. Микроструктурированная оболочка волокна может использоваться также в качестве системы микрокапилляров, заполняемых предельно малым объемом исследуемого раствора. Излучение, распространяющееся вдоль сердцевины волокна, вызывает люминесценцию регистрируемых молекул. Такие волоконные сенсоры могут быть интегрированы в системы хранения и обработки химических и биологических данных, включая биочипы для считывания и преобразования хранимой информации. На базе микроструктурированных волокон реализован ряд сенсоров температуры, магнитного поля, механического напряжения в конструкциях и др.

Микроструктурированные волокна нашли свое применение и в квантовой оптике. Оптическая параметрическая генерация в МС-световодах позволяет создать эффективные источники коррелированных фотонных пар и одиночных фотонов, и это направление также активно развивается в нашей группе в лабораториях МГУ и Казанского Квантового центра.

Cлева: генерация перестраиваемых фемтосекундных импульсов в микроструктурированном световодах в процессе солитонного самосдвига частоты при накачке излучением фемтосекундного Cr:forsterite генератора. Справа: генерация субмегаватного импульса в полом фотонно-кристаллическом световоде от излучения второй гармоники системы на кристалле Cr:forsterite.

Необходимо отметить особую роль полых микроструктурированных (фотонно-кристаллических) световодов в вопросах нелинейно-оптического преобразования излучения с большой интенсивностью и генерации предельно коротких импульсов. Для стандартных полых волноводов капиллярного типа потери быстро растут с уменьшением радиуса полой сердцевины волновода a. Потери собственных мод, локализованных в полой сердцевине волновода, могут быть существенно уменьшены при использовании двумерно периодической (фотонно-кристаллической) оболочки волокна (рис. 2д, 2е). В условиях сильной связи падающей и отраженной волн, реализующейся в ограниченной полосе частот, называемой фотонной запрещенной зоной, периодическая структура характеризуется высоким коэффициентом отражения, позволяющим реализовать волноводное распространение в полой сердцевине волновода с предельно низкими потерями. В волоконных лазерных системах полые волноводы с фотонно-кристаллической оболочкой используются для компрессии мощных световых импульсов, позволяя формировать на выходе системы световые импульсы мегаваттного уровня пиковой мощности длительностью порядка 100 фс.

В нашей группе с использованием различных лазерных систем и различных типов микроструктурированных (фотонно-кристаллических) волноводов исследуются возможности генерации высокоэнергетичного суперконтинуума и временной компрессии сверхкоротких импульсов среднего ИК диапазона до длительностей порядка одного цикла поля. Для этих целей используется полое антирезонансном фотонно-кристаллическом волноводе с поперечной структурой оболочки в виде одинарного кольца тонкостенных капилляров. Структура оболочки использованного волокна спроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность солитонной самокомпресии импульса накачки до длительностей менее одного периода оптического поля на центральной длине волны в среднем инфракрасном спектральном диапазоне.

Cлева: когерентное сложение и синтез мощных сверхкоротких световых импульсов с помощью микрострутурированных световодов. Справа: солитонная самокомпрессия импульсов накачки на длине волны 3.2 мкм в полом антирезонансном фотонно-кристаллическом  волокне позволяет сформировать мультиоктавный суперконтинуум, простирающийся от 300 нм до 4.3 мкм.

 

  1. А.М.Желтиков. Оптика микроструктурированных волокон. М.: Наука, 2004.
  2. А.М.Желтиков. Микроструктурированные световоды в оптических технологиях. М.: Физматлит, 2009.
  3. А.М.Желтиков. Дырчатые волноводы. Успехи физических наук, т.170, №11, с.1203-1215, (2000).
  4. А.М.Желтиков. Нелинейная оптика микроструктурированных волокон. Успехи физических наук, т.174, с.73-96 (2004).
  5. А.М.Желтиков. Изолированные волноводные моды сверхсильных световых полей. Успехи физических наук, т.174, с.1306-1331 (2004).
  6. A.M. Желтиков. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами. Успехи Физических наук, т. 176(6), с. 623- 649 (2006).
  7. А.М.Желтиков. Микроструктурированные световоды для нового поколения волоконно-оптических источников и преобразователей световых импульсов. Успехи Физических Наук, т. 177(7), с. 737-762 (2007).
  8. А.М. Желтиков Цвета тонких пленок, антирезонансные явления в оптических системах и предельные потери собственных мод полых световодов. Успехи Физических наук, т. 178(6), с. 619-629 (2008).
  9. А.М.Желтиков. Комбинационное рассеяние света в фемто- и аттосекундной физике. Успехи Физических Наук, т. 181(1), с. 33-58 (2011).