Optical Properties of Photonic Crystal Fibers Infiltrated with Liquids

Rozprawa obejmuje analizę właściwości optycznych wybranych światłowodów fotonicznych (ang. photonic crystal fibers, PCF), których rdzeń został wypełniony cieczami o różnych właściwościach. W szczególności skupiono się na generacji superkontinuum (ang. supercontinuum generation, SCG) w światłowodach PCF wypełnionych wysoce nieliniowymi cieczami oraz analizie właściwości transmisyjnych światłowodów antyrezonansowych (AR) wypełnionych cieczami o niskim współczynniku załamania do ich zastosowań w biolaserach i bioczujnikach. Praca składa się z trzech głównych części. Pierwsza część obejmuje tematykę projektowania, wytwarzania i charakteryzacji właściwości liniowych światłowodów PCF z rdzeniem wypełnionym cieczą. Do selektywnego wypełniania rdzenia cieczami wykorzystano techniką termiczną bazującą na użyciu konwencjonalnej spawarki światłowodowej. Charakterystyki dyspersyjne światłowodów PCF o różnej strukturze i rdzeniem wypełnionym cieczami zostały wyznaczone z użyciem metod numerycznych, a następnie zweryfikowane eksperymentalnie z użyciem układu interferometru Macha-Zehndera. Ta część rozprawy została poświęcona weryfikacji możliwość uzyskania w światłowodach PCF z rdzeniem wypełnionym cieczami całkowicie normalnej i płaskiej dyspersji w zakresie spektralnym bliskiej podczerwieni. Druga część pracy zawiera pomiary SCG w światłowodach PCF wypełnionych cieczami o wysokim współczynniku załamania, takich jak toluen i CCl4. Gdy komercyjny laser femtosekundowy został użyty jako źródło pompujące, światłowody z rdzeniem wypełnionym cieczami pozwoliły na uzyskanie widma superkontinuum (ang. supercontinuum, SC) w zakresie bliskiej podczerwieni i wykazującego potencjał do koherencji. Ta część rozprawy obejmuje także analizę dynamiki kształtowania widma SC w bliskiej podczerwieni, gdzie wzięto pod uwagę samomodulację fazy poprzedzającą optyczne łamanie fali dla poszerzenia widmowego w zakresie dyspersji normalnej, a także dynamikę solitonową dla SCG w zakresie dyspersji anomalnej. Dzięki szerokim możliwościom w zakresie projektowana i wytwarzania światłowodów PCF oraz wysokiej nieliniowości zastosowanych cieczy, światłowody PCF z rdzeniem wypełnionym cieczą pozwalają uzyskać szerokie widmo SC nawet przy małej mocy impulsów wejściowych. Cecha ta pozwala to na wykorzystanie światłowodów PCF z rdzeniem wypełnionym cieczą jako komponentów w całkowicie światłowodowych systemach SCG, które mogą być używane z dostępnymi komercyjnie źródłami laserowymi dużej mocy. Takie systemy pozwalają na wytwarzanie relatywnie tanich źródeł koherentnego SC dla wielu zastosowań obejmujących m.in. generację grzebieni częstotliwości, a także zastosowania czujnikowe i obrazowanie medyczne. Ponadto, w ramach realizacji prac badawczych w zakresie sprzężenia światła ze światłowodu PCF wypełnionego cieczą do światłowodu jednomodowego w całkowicie światłowodowym układzie SCG, dodatkowo zaprojektowano i wytworzono krzemionkowy światłowód PCF o dużym polu modu (ang. large mode area, LMA). Zaproponowany światłowód LMA PCF charakteryzuje się niską nieliniowością, małymi stratami zgięciowymi oraz umożliwia uzyskanie wysokiej wydajność sprzężenia światła ze światłowodem PCF z rdzeniem wypełnionym cieczą. Trzecia część rozprawy została poświęcona analizie właściwości światłowodów AR wypełnionych cieczami o niskim współczynniku załamania, takimi jak wodą i etanolem. Dla takich światłowodów mimo wypełnienia ich wspomnianymi cieczami zachodzi inny mechanizm propagacji niż całkowite wewnętrzne odbicie. Celem tej części rozprawy było zweryfikowanie czy światłowód AR wypełniony cieczą może zapewnić szerokie okno transmisji. Eksperymenty potwierdziły, że okna transmisji światłowodu AR po wypełnieniu cieczami podlegają przesunięciu w kierunku fal krótszych. Przesunięcie to zależy od współczynnika załamania cieczy i grubości ścianki kapilary w strukturze płaszcza światłowodu. Dzięki szerokim oknom transmisji światłowód AR wypełniony cieczą o niskim współczynniku załamania jest obiecującym rozwiązaniem do zastosowań optofluidycznych. Mając to na uwadze, w tej części rozprawy zostały zbadane właściwości optyczne dostępnych komercyjnie cieczy używanych w realizacji eksperymentów biologicznych. Analizie poddano również zmiany właściwości tych cieczy wraz z czasem ich przechowywania. Struktury biologicznie, takie jak bakterie lub komórki, wymagają specjalnych roztworów wodnych podtrzymujących procesy życiowe, które nazywane są buforami lub pożywkami do hodowli komórkowych. Współczynnik załamania, widma transmisji i rozpraszania dla wybranych cieczy tego typu zostały zaprezentowane i porównane z właściwościami wody. Przedyskutowano także wpływ starzenia tych roztworów na ich właściwości. Następnie omówiono wykorzystanie światłowodów AR wypełnionych tymi roztworami biologicznymi zawierającymi mikroorganizmy do zastosowań w układach optofluidycznych.

The dissertation concerns optical properties of selected hollow core photonic crystal fibers (PCF), where the core was infiltrated with a broad selection of liquids. The research work includes supercontinuum generation (SCG) in PCFs infiltrated with high nonlinear liquids and studies on transmission windows for antiresonant (AR) fibers filled with low-index liquids for application in bio-lasers and bio-sensing. The work contains three main parts. The first part includes design, fabrication, and characterization of linear properties of liquid core PCFs. A thermal method based on a conventional fusion splicer has been used to obtain selective filling of the core with liquids. Dispersion characteristics of liquid core PCFs with different structures were simulated numerically and later experimentally verified using March-Zehnder interferometer. This part of the work verifies if liquid core PCFs make possible to obtain all-normal and flat dispersion in the near-infrared spectral range. The second part of the work includes measurements of SCG using PCFs infiltrated with high-refractive index liquids such as toluene and carbon tetrachloride (CCl4). When a commercial femtosecond laser was used as a pump source, the liquid core fibers offered supercontinuum (SC) spectrum in the near-infrared region and showed potential for coherence. This part also discusses dynamics of SC formation in liquid-core PCFs, including self-phase modulation following by optical wave breaking for spectral broadening in all-normal dispersion regime, and soliton dynamics for anomalous dispersion SCG. Due to the design flexibility of the PCFs and the high nonlinearity of liquid, the liquid core PCFs may offer broad SC spectrum with low peak power of input pulses. Therefore, the liquid core PCFs, when supported by commercially available high power laser sources, can be used as components for all-fiber SCG systems. Such systems allow for manufacturing of low-cost coherent SC sources for various applications such as e.g., frequency comb generation, sensing, and medical imaging. Moreover, in order to couple the liquid core PCF with a single mode fiber when all-fiber SCG system is considered, within this work a large mode area (LMA) silica PCF was additionally designed and fabricated. Proposed LMA PCF show low nonlinear properties, low bending loss and it can offer high coupling efficiency with the liquid core PCFs. The last part of the work focus on the properties of AR fibers infiltrated with low-index liquids, e.g., water and ethanol. In this case, the fibers were filled and other than total internal reflection guiding was implemented. The aim of this part was to verify if the AR fiber with liquid infiltration could offer a broad transmission window. The experiments have proven that the transmission windows of AR fiber experience blue-shift when the fiber is filled with lowindex liquids. The shift depends on the refractive index of the liquid and thickness of the capillary in the cladding region of the fiber. Due to the broad transmission window, the AR fiber infiltrated with low-index liquid may become a promising approach for optofluidic applications. Thus, in this part, optical properties of commercially available liquids used for biological experiments were also measured over storage time. The biologically-active structures, such as bacteria or cells, require specific life-supporting aqueous solutions called as buffers or cell culture media. Refractive index, transmission spectra and scattering for all the considered liquids are presented and compared with those of pure water. Moreover, influence of aging on the investigated properties has also been discussed. Finally, AR fibers infiltrated with these solutions containing the microorganisms for application in the optofluidic system were discussed.