Разработка единой технологической платформы лазерных источников ультракоротких импульсов сверхвысокой пиковой мощности для задач авионики, медицины и нанофотоники

Основные направления работ, сохранявшиеся в течение всего проекта, остались неизменными. Эти направления включают в себя: 1. Расширение исследуемой совокупности нелинейных эффектов в оптических волокнах (нелинейная компрессия спектра, параметрическое усиление, акусто-оптические эффекты и т.д.) и создание алгоритмов их интеграции в лазерные системы для осуществления контроля за формированием временных и спектральных параметров лазерного излучения. 2. Демонстрацию новых возможностей развиваемой концепции путем создания качественно новых типов источников лазерного излучения с уникальными потребительским характеристиками. 3. Генерацию новых научных знаний путем внедрения разработанных источников для задач биомедицины, обработки материалов и оптического мониторинга. 1) На основе кольцевого резонатора с большой нормальной дисперсией разработан лазерный осциллятор — источник мощных импульсов. Уникальность предлагаемой модели состоит в том, что в качестве основного элемента используется конусный YЬ-легированный сетовод с анизотропной структурой, обеспечивающей высокое двулучепреломление. Применение подобного световода позволило добиться устойчивой синхронизации мод, осуществляемой при помощи нелинейного вращения поляризации и генерации выходного импульса с энергией около 400 нДж. 2) Продолжены исследования конфигурации полупроводникового лазера с захватом частоты, осуществляемой при помощи обратной связи через кольцевой волоконный резонатор. Основной целью была стабилизация узкополосной генерации лазера, исключающая перескоки мод кольцевого резонатора через промежутки времени в десятки секунд. С этой целью из стандартных волоконных компонентов, поддерживающих поляризацию, была спроектирована и изготовлена экспериментальная модель узкополосного одномодового волоконного лазера. В эксперименте была впервые измерена скорость изменения частоты генерации. Установлено, что она зависит от внешних условий (температурные флуктуации, акустический шум и вибрации) и может составлять менее 1 5 МГц/мин при помещении внешнего резонатора в изолированный бокс. Это делает разрабатываемый лазер пригодным для применений в когерентной рефлектометрии. При использовании малошумящих источников питания продемонстрирована возможность и намечены пути для дальнейшего улучшения характеристик лазера, используя температурную стабилизацию лазерной конфигурации. Экспериментально измерена зависимость полосы генерации лазера от уровня мощности сигнала, отраженного внешним кольцевым резонатором, что позволяет осуществлять контроль и управление полосой генерации через активную обратную связь с предельно малой частотой дискретизации, основанную на простых измерениях интенсивности. При перечисленных выше условиях был экспериментально реализован стационарный режим генерации узкополосного излучения, поддерживающийся в течении более 30 мин. Изучены схемы повышения коэффициента обратной связи при помощи EDFA (эрбиевого волоконного) и полупроводникового усилителя. Экспериментально изучена способность разработанного лазера работать в качестве ведущего источника в системе датчиков вибрации на основе рэлеевской рефлектометрии (OTDR). Полученные значения отношения сигнал/шум подтверждают способность предлагаемой методики выполнять распределенное измерение частот вибрации с пространственным разрешением 10 метров. Сравнение результатов OTDR рефлектометрии, полученных при использовании разработанного источника и эталонного лазера, позволяют получить нижнюю оценку для характеристических параметров источника — ширины линии генерации и величины амплитудного шума. 3) Продолжены исследования теоретической модели кольцевого волоконного лазера с гармонической синхронизацией мод посредством диссипативного четырехволнового смешивания (D-FWM) — источника высокочастотных импульсных последовательностей. Получены условия, при которых диссипативные параметры резонатора и внутрирезонаторный интерферометр обеспечивают D-FWM синхронизацию мод. Проведено численное моделирование генерации последовательности импульсов при различных значениях частоты следования и уровня усиления. Найдены допустимые области значений указанных параметров, при которых возможна успешная синхронизация мод. Показано, что в определенном диапазоне частот следования существует область оптимальных значений нормальной дисперсии резонатора, при которых D-FWM лазер поддерживает генерацию импульсов сравнительно высокой энергии — порядка нДж внутри резонатора и до сотен пДж на выходе. Достаточно высокая пиковая мощность темных солитонов на выходе D-FWM лазера позволяет использовать для их временного сжатия методы нелинейной компрессии импульсов. 4) На основе теоретических соотношений проведено исследование генерации Бриллюэновского излучения в микрорезонаторах. Изучены нерезонансные эффекты, возникающие при несовпадении Бриллюэновского сдвига с межмодовым расстоянием микрорезонатора, причиной которых может являться целый ряд факторов, например, вследствие нелинейного смещения частоты. Показано, что несмотря на возрастание порога генерации при смещении от резонанса, интенсивность бриллюэновского сигнала при оптимальной отстройке накачки от соответствующей моды микрорезонатора может быть даже выше чем в резонансном случае. Важным следствием повышения порога генерации является также сужение диапазона генерации Бриллюэновского сигнала в нерезонансном случае. При оптимальном выборе отстройки накачки это приводит к значительному снижению уровня шумов сигнала. Полученные аналитические результаты сравниваются с данными численного моделирования. 5) В ходе экспериментов исследована генерация оптического гребенчатого спектра в нелинейном SiзN4 микрокольцевом резонаторе. Изучены шумовые характеристики генерируемого сигнала. Продемонстрировано, что использование в схеме генерации обратной связи на одном из резонансов микрорезонатора, позволяет существенно повысить когерентность гребенчатого спектра. 6) Продолжены биомединские исследования, связанные с развитием фотобиомодуляционной терапии онкозаболеваний. С этой целью изучалось воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) на культуру раковых клеток. В ходе экспериментов было продемонстрировано, что НИЛИ с длиной волны 1265 им может вызывать окислительный стресс и нарушение функционирования митохондрий онкоклеток при плотности энергии (дозе облучения) 9,54 Дж/см2, а VDAC (потенциал-зависимые анионные каналы) способствуют усилению этого эффекта. Установлено, что лазерное излучение данной интенсивности с длиной волны 1265 им повреждает митохондриальную ДНК, но не оказывает влияния на ядерную ДНК. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод, что лазерное излучение диапазона 1265 им воздействует на внутриклеточные процессы через взаимодействие с фотоактивными молекулами в митохондриях. Ингибирование VDAC усиливает эффект повреждения фотобиомодуляционной терапии при облучении на длине волны 1265 им. 7) Продемонстрирован каскадный волоконный генератор импульсов с конечным мощным усилителем на основе конического волокна, легированного Yb. Экспериментально достигнутая максимальная энергия импульса 280 мкДж, при этом пиковая мощность импульса составляет 7.9 МВт. Выходной импульс подвергнут компрессии, осуществленной при помощи короткого отрезка ФК волокна с полой сердцевиной (производства NKT Photonics), обладающего экстремально малой нелинейностью и аномальной дисперсией. Достигнуто сокращение длительности импульса в 2,5 раза и рост пиковой мощности до уровня 13.8 МВт. Волоконное исполнение системы компрессии обеспечивает компактность и сравнительно низкие потери энергии. Завершает отчет заключительная часть, в которой сформулированы основные результаты всего цикла работ.