Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к развитию методов оптических высокочувствительных измерений в фундаментальной и прикладной радиофизике в настоящее время возрастает в связи со стремительным прогрессом оптических технологий. Методы высокочувствительных измерений взаимных и невзаимных изменений оптического пути, сверхмалых механических смещений, а также прием сверхмалых порций света, базируются на использовании как высококогерентных, так и низкокогерентных квантовых источников оптического излучения, а также средств волоконной оптики.
Высокочувствительный характер измерений механических смещений в оптике, начало которым было положено открытием в 17 веке интерференционных явлений, обусловлен малостью основного масштаба - длины оптической волны. Появление фотометрирования и модуляционной методики привело к скачку чувствительности в области интерференционных измерений. Появилась тенденция в создании методов измерения сверхмалых, много меньших длины волны, изменений оптического пути обусловленных перемещениями, взаимными и невзаимными оптическими эффектами, а также измерения сверхмалых порций света. Большие успехи в этой области экспериментальной радиофизики получены И.Л. Берштейном и сотрудниками его научной школы.
В настоящее время ряд методов высокочувствительных интерференционных измерений получают дальнейшее развитие. Так, современные разработки методов измерений колебательных изменений оптического пути с субмикро-ангстремным уровнем чувствительности базируются, в основном, на создании высокосовершенного интерферометра Майкельсона (например, проект LIGO). Разработка более компактных внутрилазерных резопаторных методов измерения колебаний оптического пути с чувствительностью такого уровня не проводилась ввиду сложности реализации необходимого уровня когерентности излучения, ограниченного как динамическими, так и флуктуационными процессами в лазере. В связи с большим интересом к измерению сверхмалых колебательных смещений разработка методов повышения чувствительности внутрилазерных фазовых методов интерферометрии, основанных на применении высококогерентных лазеров, представляется актуальной.
Метод поляризационной нелинейной спектроскопии, как один из внере-зонаторных методов, основанный на резонансном взаимодействии в пределах однородной ширины линии поглощения различно поляризованных когерентных встречных пучков лазерного излучения в разреженной газообразной среде, в результате которого происходит преобразование поляризации пробного пучка, рассмотрен лишь на феноменологическом уровне. В литературе приводятся две интерпретации эффекта изменения поляризации пробной волны. В первой он рассматривался как одно из экспериментально наблюдаемых свойств явления, называемого фотоиндуцированной анизотропией. Вторая причина связывается с вкладом в слабую волну той части поля сильной вол-
ньт, которая отражается от «решетки» диэлектрической проницаемости, "записанной" в изотропной нелинейной среде их общим интерференционным полем. Представляет интерес исследование роли каждого из эффектов в данном явлении. Эта задача (актуальная в связи с возможностью получения новой спектроскопической информации) может быть использована для исследования ряда газовых сред.
Низкокогерентная интерферометрия, интерес к которой при появлении лазеров временно уменьшился, получила новое развитие в связи с созданием эффективных квантовых источников излучения с высокой поперечной пространственной когерентностью. В связи с созданием оптических одномодо-вых световодов с чрезвычайно малым уровнем потерь в конце семидесятых годов прошлого столетия потребность в таких источниках резко возросла, что стимулировало создание полупроводниковых суперлюминесцентных диодов (СЛД) и разработку техники высокоэффективного ввода излучения в одномо-довое волокно. Появление СЛД вызвало в конце восьмидесятых - девяностых годах прошлого столетия лавинный рост новых оптических исследований и приложений, в том числе и в низкокогерентной интерферометрии. Наиболее ярким направлением низкокогерентной интерферометрии является оптическая когерентная томография (ОКТ) биотканей. Постоянный рост количества публикаций свидетельствуют об актуальности исследований в области низко-когерентной интерферометрии.
В диссертации рассматриваются задачи по повышению чувствительности ряда методов интерференционных измерений в оптике до уровня естественных флуктуационных пределов. Актуальность рассмотренных в диссертации задач объясняется тем, что разработанные при их решении подходы достаточно универсальны и были использованы при рассмотрении проблем как высококогерентной интерферометрии с шириной естественной компоненты спектральной линии генерации на уровне 10"17, так и низкокогерентной интерферометрии при относительной ширине линии рабочего излучения около КГ1.
Цель работы
Основной целью диссертации является разработка высокочувствительных методов интерференционных измерений в фундаментальных и прикладных областях оптики с применением высококогерентного и низкокогерентного излучений.
Достижение цели потребовало решения следующих задач: разработка и апробация непрерывного лазера с большим превышением порога генерации в одночастотном режиме с целью снижения естественной компоненты ширины линии излучения и определение предельной чувствительности при измерении периодических колебательных перемещений. Оценка возможности дальнейшего совершенствования метода; экспериментальное исследование механизмов образования дихроизма и двойного лучепреломления методом нелинейной поляризационной спектроскопии во встречных лазерных пучках на волне 3390 нм при взаимо-
действии произвольно поляризованных полей резонансного излучения с газообразным метаном, а также исследование параметров релаксации нелинейно поглощающей среды;
разработка метода компенсации деполяризации излучения в одномодовом волокне с произвольной анизотропией показателя преломления и дихро-ичностью и на основе двупроходных схем и фарадеевских зеркал (метод обращения поляризации);
исследование природы и механизмов ряда поляризационных и неквази-статических эффектов и их вклада в уровень паразитных сигналов волоконного кольцевого интерферометра как датчика вращения на основе эффекта Саньяка. Исследование флуктуации в выходном сигнале ВКИ, ограничивающих предельную чувствительность ВКИ. Разработка и исследование опытного образца ВКИ на одномодовом изотропном волокне; разработка методов оптической когерентной томографии для исследования слоистых оптически неоднородных сред.
На защиту выносятся следующие основные положения.
Измерение перемещений на уровне субмикроангстрем может быть реализовано внутрирезонаторным методом в одночастотном He-Ne-лазере на волне 630 им с селекцией продольного типа колебаний методом тонкой металлической пленки, помещенной в узел стоячего поля, при большом превышении порога генерации.
При резонансном нелинейном взаимодействии пробной и встречной сильной лазерной волны в газовой поглощающей среде низкого давления -метана - изменение поляризации пробной волны зависит от поляризации сильной волны и обусловлено как механизмом индуцированной анизотропии, так и наведенной "решеткой" диэлектрической проницаемости.
В двухпроходных оптических системах на одномодовых волоконных световодах (ОВС) с использованием 45-ного фарадеевского зеркала восстановление исходного состояния поляризации происходит при наличии в ОВС не только фазовой, но и амплитудной анизотропии.
В волоконном кольцевом интерферометре появление сигналов, не связанных с вращением, может определяться дополнительными эффектами, обусловленными не только эффектами поляризационной невзаимности и конечностью величины коэффициента экстинкции поляризатора, но и анизотропией фазового модулятора при неквазистатическом характере модуляции оптической фазы в волоконном контуре.
Метод оптической когерентной томографии для исследования внутренней структуры оптітчески неоднородных сред (в том числе биологическоіг ткани) по характеристикам рассеяния и по поляризационным изменениям может быть реализован в волоконном варианте на основе как анизотропного, так и изотропного волокна.
Возможно создание высокоэффективного интерферометра для реализации "цветного" видения в ОКТ, использующего одновременно зондирующее
излучение на двух (потенциально и более) широкополосных источниках на существенно различных длинах волн (800 и 1300 нм) с характеристиками, приближающимися к предельным значениям для соответствующих "одно-волновых" интерферометров. Оптимизация параметров интерферометра на обеих длинах волн возможна при реализации разработанных методов компенсации разности дисперсии в его плечах и управления спектральными характеристиками волоконных элементов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Впервые методом измерений естественных флуктуации частоты генерации линейного He-Ne-лазера на волне 630 нм определена естественная ширина линии на уровне 10~3 Гц;
Впервые оптическим лазерным внутрирезонаторным методом проведено измерение колебательных перемещений с чувствительностью на уровне 10-17м-Гц-1/2;
Впервые по совокупной теоретической и экспериментальной информации при исследовании спектральных форм поляризационных резонансов и
их свойств линии поглощения F2' ' (перехода Р(7) полосы v3) метана на
волне 3390 нм во встречных лазерных пучках при линейной и круговой поляризациях насыщающей волны определены коэффициент трансляционной диффузии, характерное время вращательной диффузии рабочего перехода газообразной резонансной среды;
Впервые экспериментально апробирован метод восстановления исходного состояния поляризации оптической волны в одномодовом волокне в двухпроходных схемах с 45-ным фарадесвским зеркалом;
Впервые при исследовании паразитной невзаимности в кольцевом волоконном датчике вращения Саньяка сформулирована и исследована роль анизотропии фазовой модуляции в условиях нарушения условия квазистатичности распространения встречных волн и показана роль обратной реакции на источник некогерентного излучения;
Впервые разработаны и реализованы методы низкокогерентной интерферометрии и поляризационно-чувствителыгой интерферометрии для эндоскопической оптической когерентной томографии на изотропном и поляри-зационно-сохранягощем волокне и создан новый класс приборов для биомедицинских приложений.
Научная и практическая значимость результатов второй главы диссертации заключается в демонстрации эффективности метода уменьшения естественной компоненты ширины линии одночастотного газового He-Ne-лазера. Эффект достигается за счет увеличения превышения порога генерации в одночастотном режиме за счет снижения нерезонансных потерь и увеличения объема моды.
В диссертации показана одна из возможностей использования лазера с естественной компонентой ширины оптической линии 1СГ3 Гц, на примере измерения сверхмалых колебаний оптического пути, вызываемых колебаниями зеркала резонатора, на уровне Ю-1 м. Успешная апробация метода позволяет надеяться, что чувствительность внутрирезонаторных измерений можно повышать и далее, совершенствуя лазер на основе современных достижений оптики.
Значимость результатов, полученных в третьей главе, заключается в получении экспериментальных результатов в методе поляризационной нелинейной спектроскопии, основанной на резонансном взаимодействии различно поляризованных когерентных встречных пучков лазерного излучения в разреженной газообразной среде - метане. Сравнение с теорией явилось основой нового метода определения констант вращательной и поступательной релаксации индуцированного сильным полем нелинейных компонент дихроизма и двулучепреломления в газовой среде. Было также определено соотношение вкладов решеточного механизма эффекта, предсказанного Якубовичем [1], и механизма наведенной анизотропии, описанного Хеншем [2].
Практическая важность результатов, представленных в четвертой главе, заключается в том, что впервые была показана возможность восстановления состояния поляризации в оптических диэлектрических волноводах с произвольной анизотропией показателя преломления и дихроичностью в двупро-ходных схемах с использованием 45-ных фарадеевских зеркал. Этот метод нашел широкое применение в мире в волоконной оптике в широком спектре приложений и физических экспериментов.
Значимость проведенного в главе 5 исследования флуктуационных и динамических явлений в кольцевых волоконно-оптических датчиках вращения, основанных на эффекте Саньяка с низкокогерентным источником излучения, связана с выявлением новых, не исследованных ранее причин, определяющих предельную чувствительность метода.
Значимость шестой и седьмой главы диссертации обусловлена важностью нового направления исследований - низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии. В результате впервые был создан метод оптической когерентной томографии (ОКТ) с возможностью его применения в практической медицине для исследования ранних стадий патологии, в том числе и онкологического характера. Разработанные приборы успешно используются в научной, экспериментальной и медицинской практике в России, США, Германии, Финляндии. Прибор сертифицирован в России для медицинского применения в ряде направлений, в том числе и в онкологии. Представленные в диссертации результаты по созданию ОКТ-методов можно рассматривать как задел и основа для дальнейшего развития этого нового направления ішзкокогерент-ной интерферометрии, и в частности для скоростных спектральных методов ОКТ.
Важным результатом также является показанная возможность использования слабо оптически связанных поляризационных воли анизотропного во-
локна для приема рассеянного света в двух поляризациях в методах поляри-зационно-чувствителыгой и кроссполяргоационной ОКТ (ПЧ ОКТ и КП ОКТ). Не менее важным представляется неожиданная, на первый взгляд, возможность использования изотропного волокна для КП ОКТ и ПЧ ОКТ при условии наведенного внешними воздействиями в волокне произвольного и нестабильного уровня анизотропии показателя преломления.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах в Институте прикладной физики РАН, а также на следующих конференциях: XVI, XVII, XVIII Научно-тех. конф. памяти Н.Н. Острякова (Ленинград, 1988, 1990, 1992); VII всесоюзн. совещание "Кристаллические оптические материалы" (Ленинград, 1989); ISFOC (С.-Петербург, 1991, 1993); CLEO (Балтимор, 1995, 1997, 1999; Ана-хейм, 96; Сан-Франциско, 98); MPLF2004 (Новосибирск, 2004, 2005); 17th International Cancer Congress, (Рио-де-Жанейро, 1998); CLEO Europe (Глазго, 1998); LPHYS (Братислава, 2002; Триест, 2004) (ВВО, Вухань, 2006).
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 49 работах. Из них 26 работ опубликованы в ведущих отечественных рецензируемых журналах, входящих в утвержденный ВАК перечень научных изданий [1-26]. Часть основных результатов отражена в 10 работах в рецензируемых журналах и изданиях [27-36], а также в 13 трудах международных и всесоюзных конференций [37-49].
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и четырех прріложений. Общий объем - 347 страниц, в том числе 297 страниц основного текста с 108 рисунками, 4 приложения на 29 страницах и список литературы из 368 наименований на 21 страницах.
Похожие диссертации на Высокочувствительная интерферометрия в задачах фундаментальной и прикладной оптики
