Генерация суперконтинуума

Определение: нелинейный процесс спектрального расширения света

 

Генерация суперконтинуума - это процесс, при котором лазерный свет преобразовывается в свет с очень широким спектром (т.е. с низкой временной когерентностью), тогда как пространственная когерентность обычно остается высокой. Спектральное расширение (Рис.1) обычно достигается при распространении оптического импульса через сильно нелинейное устройство, такое как оптоволокно. Особенно эффективно преобразование происходит в фотоннокристаллических волокнах, главным образом из-за их необычной характерной хроматической дисперсии, которая может вызывать сильное нелинейное взаимодействие на значительной длине волокна. Даже с довольно небольшими входными мощностями, достигается очень широкий спектр; это приводит к своего рода “лазерной радуге”. В некоторых случаях может также использоваться волокно с переменной толщиной (tapered fiber).

 

К областям применения суперконтинуума относится оптическая когерентная томография, флуоресцентная микроскопия, проточная цитометрия, характеризация оптических устройств, генерации различных  несущих частот в коммуникационных оптоволоконных системах и др.

 

Рис 2: ВременнАя структура суперконтинуума (расчет). Лазерный импульс длительностью 20 фс распространяется через фотоннокристаллическое волокно длиной 2 мм. Временной интервал (верхний график) показывает сложную мультипиковую структуру.

 

В спектре существенная плотность спектральной мощности сохраняется на интервале более одной оптической октавы (Рис. 2). Шкала интенсивности логарифмическая. 

 

При моделировании принимается во внимание хроматическая дисперсия, нелинейность Керра (приводящая к самомодуляции фазы и четырехволновому смешиванию) с самоукручению фронтов, и рамановское рассеивание. 

 

Рис. 3. Расширение спектра при распространении вдоль волокна (вертикальная ось), цвета не соответствуют реальным цветам, а отображают плотность спектра. После прохождения 1-миллиметрового расстояния спектральное расширение ослабевает, потому что пиковая мощность многократно уменьшается. Заметим, что градация интенсивности цвета (шкала на правой стороне) является логарифмической, с охватом диапазона 40 децибел.

Физические процессы генерации суперконтинуума в волокнах могут сильно отличаться в зависимости от цветовой дисперсии и длины волокна (или другой нелинейной среды), продолжительности импульса, начальной пиковой мощности и длины волны накачки. Когда используется фемтосекундный импульс, спектральное расширение может быть вызвано самомодуляцией фазы. В режиме аномальной дисперсии сочетание самомодуляции фазы и дисперсии может привести к сложной динамике поведения солитонов, в том числе расщеплению солитонов высшего порядка на множество простых солитонов. При накачке  пикосекундными или наносекундными импульсами, основную роль играют рамановское рассеивание и четырехволновое смешивание. Генерация суперконтинуума даже возможна с лазерами непрерывной генерации (CW), когда используются многоваттные  лазерные лучи в длинных волокнах; рамановское рассеивание и четырехволновое смешивание очень важны в таком режиме.

 

Шумовые свойства сгенерированых континуумов могут также очень отличаться в различных сферах параметров. В некоторых случаях, например, в режиме самомодуляции фазы, являющейся доминирующим механизмом, и при нормальной дисперсии среды, процесс очень детерминирован, и фазовая когерентность полученного импульса суперконтинуума может быть очень высокой, даже при получении сильного спектрального расширения. В других случаях (например, в процессах с участием солитонов высшего порядка), процесс может быть чрезвычайно чувствительным к малейшим колебаниям (включая квантовый шум) например, во входном импульсе. Поэтому свойства спектрально расширенного импульса существенно изменяются от импульса до импульса.

 

Сильно нелинейная природа генерации суперконтинуума мешает понимать интуитивно все детали взаимодействия, или предсказывать связь с аналитическими инструментами. Поэтому для анализа таких процессов требуется численное моделирование распространения импульса (осложняемое чрезвычайной широкой оптической полосой генерации). Интуитивные рисунки или аналитические принципы могут быть проверены в сравнении с расчетами, полученными на основе таких числовых моделей.

Рассмотрим когерентные свойства суперконтинуума. Пространственная когерентность (рассматривающая поперечную спектральную плотность) обычно очень высока, особенно когда источник вводится в одномодовое волокно. С другой стороны широкая спектральная полоса пропускания предлагает очень низкую временную когерентность. Однако, у суперконтинуума, полученного с помощью периодической последовательности  импульсов, все же может быть высокая временная когерентность в том смысле, что может быть сильная корреляция между электрическими полями, соответствующими различным импульсам, если механизм спектрального расширения воспроизводим. Этот вид когерентности очень важен для генерации частотных гармоник в фотоннокристаллических волокнах, и может или же не может быть достигнут в зависимости от параметров, таких как начальная продолжительность импульса, его энергия, длина волокна и дисперсии волокна.

 

Первоначально удивительное несоответствие между высокой полосой пропускания и высокой временной когерентностью может быть разрешено, принимая во внимание форму корреляционной функции поля: у этого есть очень узкий пик вокруг нулевой временной задержки (с шириной, например, в несколько фемтосекунд), но есть также дополнительные пики с сопоставимой высотой при временных задержках, соответствующих целому числу периодов. Следовательно, есть низкая временная когерентность, в смысле исчезающих корреляций для большинства временных задержек, но высокая временная когерентность в смысле сильных корреляций для некоторых больших временных задержек.