Нелинейные явления при распространении лазерного излучения в волоконных, микрорезонаторных и гибридных системах

Целью проекта является изучение физических механизмов формирования различных структур в световодах и исследование нелинейных эффектов при взаимодействии (в т.ч. распространении, усилении, генерации) лазерного излучения со структурированными световодами и микрорезонаторами, в частности, исследование формирования импульсов в волоконных лазерах при диссипативном солитонном резонансе, анализ пересечений и антипересечений ветвей при перестройке мод в резонаторах на основе анизотропных χ2 кристаллов и изучение влияния векторных эффектов на структуру мод в резонаторах на основе изотропных материалов, создание и исследование линейных и нелинейных свойств металл-диэлектрических микроструктур в световодах, исследование пропускной способности волоконно-оптических линий связи с конечной нелинейной памятью и каналов солитонной связи, исследование возможностей получения генерации и нелинейного преобразования излучения в волоконных световодах с распределенной обратной связью на основе регулярных и случайных структур показателя преломления, индуцированных УФ и фс излучением, а также за счёт рэлеевского рассеяния на естественных неоднородностях показателя преломления. В результате завершения проекта в 2020 г. получены следующие основные результаты: 1. Установлены механизмы реализации и пространственно-временной стабилизации шумового импульса, формируемого из диссипативных солитонов, находящихся в постоянном движении и изменении, являющимся солитонным аналогом агрегатного состояния вещества, соответствующего капле жидкости. Определены условия перехода шумового импульса в состояния, соответствующие другим генерационным режимам (другим солитонным аналогам состояния вещества). Полученные результаты представляют интерес для разработки методов формирования высокоэнергетических световых импульсов, а также импульсов с широкими спектрами излучения. 2. Сформулированы уравнения для описания связанных 1й и 2й гармоник в микрорезонаторах с квадратичной нелинейностью и внешней накачкой. Для накачки во 2ю моду, аналитически и численно найдены топологические семейства диссипативных солитонов, отвечающих периодическим и антипериодическим граничным условиям и обеспечивающих спектрально широкие дуальные комбы в области 1й и 2й гармоник. Созданы металл-диэлектрические микроструктуры в оптических элементах и световодах для лазерных и сенсорных применений, в частности, разработан метод расчета и изготовления сенсора коэффициента преломления аналитической жидкости, работа которого основана на эффекте инвертированного поверхностного плазмонного резонанса в схеме Кречмана с чувствительным элементом в виде наклонного отражательного интерферометра. 3. Показано, что сочетание большого чирпа и переменной компенсации накопленной дисперсии на порядок снижает частоту ошибок распознавания сигнала на приемном конце линии. Причина улучшения качества связи в низкой амплитуде битовых импульсов вследствие чирпа и дисперсионного расплывания. На основе консервативной схемы четвертого порядка точности разработан алгоритм для решения прямой задачи рассеяния для системы Захарова–Шабата. Расчеты подтвердили высокую точность и экономичность предложенного метода, что является важным и актуальным для задачи оптического зондирования сред. 4. Проведено сравнение лазерных и сенсорных характеристик структур показателя преломления типа ВБР в специализированных световодах, сформированных с помощью фемтосекундного ИК и непрерывного УФ лазера. Продемонстрированы эрбиевые одночастотные РОС-лазеры с рекордными параметрами: 1) с ультракороткой длиной резонатора (5,3 мм), сформированном фемтосекудным ИК излучением 2) с максимальной эффективностью в длинном (40 мм) резонаторе, сформированном УФ излучением в композитном волокне. Датчики на основе массивов ВБР в специализированных волокнах, в т.ч. многосердцевинных, применены в качестве датчиков формы подвижной части управляемого медицинского папиллотома, для распределенной термометрии при лазерной абляции биотканей и распределенного мониторинга температуры, деформаций и акустической эмиссии в композитных материалах. Оптимизированы характеристики фемтосекундного волоконного лазера для применений в биомедицине и микрообработке материалов, в частности, впервые записаны лазерно-индуцированные поверхностные периодические структуры (ЛИППС) на пленке титана. Кроме того, проведены исследования термохимических ЛИППС, записанных фс импульсами на пленках аморфного Si, Hf и Zr различной толщины, исследованы их морфология и химический состав. По результатам работ в 2020 г. опубликованы 32 статьи в рецензируемых журналах (27-WoS/Scopus, 5-РИНЦ), 15 статей в материалах конференций (из них 6 - WoS/Scopus), зареги-стрированы 2 патента на изобретение. Всего за время выполнения проекта в 2017-2020 гг. опубликованы 94 статьи в рецензируемых журналах (75-WoS/Scopus, 19-РИНЦ), 36 статей в материалах конференций, зарегистрированы 5 патентов на изобретение. План работ по проекту выполнен полностью.