Close

Волоконная оптика. Квантовая волоконная сенсорика

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.

В последнее время все шире используются 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).

Виды оптических волокон

Подобная микроструктура изготавливается путем вытяжки при высокой температуре из преформы, набранной из полых капилляров, и принципиально технология производства МВ 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.

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 – 2в), 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.

Основные виды микроструктурированных волокон

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. Благодаря возможности управления  профилем дисперсии и высокой оптической нелинейности, достигаемой за счет малого размера световедущей жилы, МС-волокна позволяют реализовать эффективные схемы оптической параметрической генерации света на кубической оптической нелинейности материала волокна. Оптическая параметрическая генерация в МС-световодах позволяет создать эффективные источники коррелированных фотонных пар. Естественное ограничение на плотность энергии лазерного излучения в оптической системе связано с оптическим пробоем материала, из которого изготовлены оптические элементы. Для повышения энергии лазерных импульсов, формируемых волоконными лазерами, требуется увеличение площади поперечного сечения волокна. Стандартные световоды с большой площадью сердцевины, однако, как правило, характеризуются сложным модовым составом  и не позволяют получить лазерное излучение с высоким качеством поперечного профиля интенсивности. Эта проблема также может быть решена путем микроструктурирования оболочки волокна. Воздушные отверстия достаточно малого диаметра в оболочке МС-волокна осуществляют фильтрацию собственных мод высокого порядка, позволяя реализовать одномодовый режим передачи излучения в световодах с большой площадью поперечного сечения (рис. 2г). Для локализации излучения накачки во внутренней части МС-волокна и обеспечения наибольшего пространственного перекрытия излучения накачки и лазерного излучения в поперечном сечении волокна внутренняя микроструктурированная часть волокна изолируется от оболочки с помощью кольцевой системы воздушных отверстий большого диаметра (рис. 2г). 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. 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.

Радикальное увеличение энергии лазерных импульсов в устройствах волоконной оптики может быть достигнуто за счет использования волноводов с полой сердцевиной. Для стандартных полых волноводов капиллярного типа, однако, потери быстро (пропорционально a-3) растут с уменьшением радиуса полой сердцевины волновода a. Поэтому такие волноводы не позволяют реализовать одномодовый режим распространения и достичь высокой интенсивности для импульсов небольшой пиковой мощности. Потери собственных мод, локализованных в полой сердцевине волновода, могут быть существенно уменьшены при использовании двумерно периодической (фотонно-кристаллической) оболочки  (рис. 2д,е). 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.

Таким образом, МС-волокна играют ключевую роль в создании новых волоконно-оптических систем для генерации сверхкоротких лазерных импульсов и управления их параметрами. В настоящем обзоре мы рассмотрим методы активного формирования профиля дисперсии МС-световодов для обеспечения баланса дисперсии в волоконно-оптических источниках сверхкоротких световых импульсов и обсудим эксперименты, демонстрирующие 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 ватт до нескольких гигаватт.

 

Суперконтинуум в высоконелинейном микроструктурированном волокне

Литература.

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).