Физические основы лазерных и сенсорных систем с использованием структурированных волоконных световодов и микрорезонаторов

Целью проекта является поиск новых методов как поверхностного, так и объемного структурирования различных материалов с помощью фемтосекундного лазерного излучения, изучение физических механизмов формирования различных структур, исследование взаимодействия (в т.ч. при распространении, усилении, генерации) лазерного излучения со структурированными световодами и микрорезонаторами и создание новых элементов фотоники на основе разработанных технологий и методов, лазерных и сенсорных систем на их основе. В 2021 году были получены следующие основные результаты: 1. Исследованы механизмы взаимодействия фемтосекундного (фс) лазерного излучения с веществом как при модификации поверхности материала, так и при объемной модификации в случае прозрачных для лазерного излучения материалов. Созданы 2D-3D структуры показателя преломления со сложной геометрией внутри пассивных световодов для разработки элементов сенсорных систем на их основе для различных применений. Исследовано формирование лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) на тонких пленках гафния (15-20 нм) в окружающей атмосфере, вакууме и азоте под давлением. Детально исследовано формирование ЛИППС на пленках циркония, а также многослойных металл-диэлектрических системах в различных конфигурациях с использованием хрома, оксида кремния и гафния. Показано, что структура из двух сопряженных гиперболических метаматериалов может быть использована для построения субволнового изображения точечного источника в видимом диапазоне. 2. Исследованы новые режимы волоконных фемтосекундных лазеров в различных областях длин волн в световодах разного типа, в т.ч. с использованием эффектов вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и четырехволнового смешения (ЧВС). На длине волны 1550 нм получены режимы солитонов, управляемых дисперсией, сильночирпованных диссипативных солитонов (СЧДС), а также шумоподобных импульсов. Продемонстрировано увеличение энергии импульсов за счет удлинения резонатора в широком диапазоне параметров резонатора. Экспериментально и численно исследовано усиление СЧДС. Построена численная модель ВОПГ с расчётным спектральным окном от 433 нм до 3100 нм. Численно определены кривая синхронизма, стабильные и нестабильные режимы генерации 3. Исследована и оптимизирована генерация иттербиевого и гольмиевого волоконных лазеров в области 1 и 2 мкм соответственно с регулярной распределенной обратной связью (РОС) на основе волоконной брэгговской решётки (ВБР) со сдвигом фазы в одномодовом активном световоде, а также в линейном резонаторе из двух ВБР в активном световоде с двойной оболочкой. Впервые осуществлен распределенный мониторинг температуры внутри работающего волоконного лазера с пространственным разрешением до 1 мм. Исследована динамика распространения многомодовой волны накачки и генерации стоксова излучения в непрерывном ВКР-лазере на основе многомодового (ММ) градиентного волокна. Показано, что из-за случайной связи поперечных мод пучок многомодовой накачки принимает параболическую форму на входе, с провалом на выходе из-за ВКР-генерации. Впервые реализован и изучен импульсный режим полностью волоконного ВКР-лазера на основе градиентного ММ волокна с активной синхронизацией мод. 4. Разработаны методы изготовления торцевых линейных микрорезонаторов и волоконно-интегрированных отражательных интерферометров (ОИ), в том числе с использованием микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС). Предложен вариант ОИ в схеме Кречмана в качестве сенсора коэффициента окружающей среды. С помощью численного моделирования продемонстрировано, что такой вариант сенсора может потенциально иметь рекордные параметры качества (FOM>104. По результатам работ в 2021 г. опубликованы 19 статей в рецензируемых журналах (16 – WoS, 3 – РИНЦ), 10 публикаций в материалах конференций (из них 8 – WoS/Scopus). Результаты работы также отражены в 1 главе книги (в печати).