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. За время выполнения проекта были получены следующие основные результаты: 2021: 1 Исследованы механизмы взаимодействия фемтосекундного (фс) лазерного излучения с веществом. Созданы структуры показателя преломления со сложной геометрией внутри пассивных световодов для разработки элементов сенсорных систем на их основе. Детально исследовано формирование ЛИППС на пленках циркония, а также многослойных металл-диэлектрических системах в различных конфигурациях. Показано, что структура из двух сопряженных гиперболических метаматериалов может быть использована для построения субволнового изображения точечного источника. 2 Исследованы новые режимы волоконных фемтосекундных лазеров в различных областях длин волн. На длине волны 1,55 мкм 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 и усиление СЧДС. 3 Исследована и оптимизирована генерация иттербиевого и гольмиевого волоконных лазеров в области 1 и 2 мкм соответственно с регулярной распределенной обратной связью (РОС) и 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. 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, позволяющий получить рекордные параметры. 2022:  1 Получены экспериментальные результаты по фемтосекундной лазерной записи и характеризации случайных отражателей различного типа в одномодовых волоконных световодах. Разработана технология создания антиотражающих структур на поверхности нелинейных кристаллов с высоким показателем преломления (n = 2.63) с помощью фемтосекундной лазерной записи периодических структур с модуляцией рельефа поверхности. 2 Реализована схема внешнего волоконного резонатора, позволяющего генерировать диссипативные ВКР-солитоны вблизи 1.7 мкм (второе окно прозрачности воды). Спектральная огибающая импульсов позволяет сделать вывод о том, что получаемые импульсы являются сильно-чирпованными диссипативными солитонами, возможность генерации которых вблизи 1,7 мкм методом синхронной накачки внешнего резонатора продемонстрирована впервые. Продолжена работа по оптимизации волоконного оптического параметрического генератора (ВОПГ) для биомедицинских применений. 3 Получен широкополосный (с шириной оптического спектра ~60 нм) режим работы Yb волоконного лазера с синхронизацией мод в области 1 мкм, позволяющий получить диссипативные солитоны, потенциально сжимаемые до предельно короткой длительности (спектрально ограниченная ширина <100 фс). Проведено усиление несжатых диссипативных солитонов (длительностью 14.2 пс) с помощью конусного Yb PM волокна. Разработан волоконный усилитель на основе многомодового ErYb MM волокна в телекоммуникационной области (1,55 мкм) для атмосферной линии связи. Продемонстрировано сужение линии генерации эрбиевого РОС-лазера на 4 порядка (до субгерцовых значений для мгновенной ширины) в составном резонаторе с естественным рэлеевским отражателем (25 км SMF), и на ~1 порядок с искуственным рэлеевским отражателем (40 см). Построена аналитическая модель, объясняющая эффект сужения. 4 Разработана технологии изготовления микросфер различного диаметра и методов возбуждения микросферического резонатора: использован метод термического расплавления / оплавления торца волокна в луче CO2 лазера, разработан автоматизированный оптический стенд для манипуляции микросферой и нановолокном, защищенный от воздействия воздушных масс и пыли на микросферу, разработан метод изготовления микроволокон на установке по изготовлению волоконных ответвителей. Проведено исследование возможности применения микросфер в качестве специальных меток, которые могут применяться для борьбы с фальсификацией ценных предметов. 2023: 1 Продемонстрирована возможность создания волоконных брэгговских решеток (ВБР) показателя преломления внутри специальных (бессердцевинных) световодов фемтосекундным лазерным излучением. Для исследования возможности создания компактных сенсорных устройств на основе таких структур проведены эксперименты по высокотемпературному нагреву созданных ВБР. Бессердцевинный световод с записанной ВБР помещался в нагревательную зону высокотемпературной трубчатой печи. Измерения спектров отражения производились каждые 30 с при изменении температуры нагревательной зоны с 40 до 1100 °С и показали, что ВБР в данном температурном диапазоне практически не деградируют. Таким образом высокотемпературные тесты продемонстрировали перспективность применения данного типа волокна и методики записи ВБР для разработки компактных сенсорных устройств для эксплуатации в жестких внешних условиях. Кроме того, массивы ВБР применены в качестве температурных датчиков при лазерной интерстициальной термотерапии (LITT) - малоинвазивной процедуре, используемая для лечения поражения путем светового облучения и последующего повышения температуры. 2 В рамках работ по генерации и обработке коротко-импульсных оптических сигналов, разработанная численная модель для расчёта волоконных лазерных систем опробована для описания ряда практически значимых экспериментов. Для волоконного лазера с синхронизацией мод, генерирующего необычно широкий оптический спектр (более 60 дБ по уровню -10 дБ), удалось не только воспроизвести измеренные параметры, но и раскрыть внутрирезонаторную эволюцию временной и спектральной огибающих импульса, и обнаружить способ дальнейшего увеличения ширины до 100 нм. Для генератора диссипативных ВКР-солитонов на длинах волн вблизи 1.7 мкм во внешнем волоконном резонаторе численно исследована зависимость качества импульсов от коэффициента вывода из резонатора и получено соответствие рассчитанной и экспериментально восстановленной формой временной огибающей сжатого импульса. Показано, что генерация узкополосных ультракоротких импульсов может быть получена не только с использованием нелинейного усиливающего петлевого зеркала, но и в резонаторе с синхронизацией мод на основе эффекта нелинейного вращения поляризации. Разработанная численная модель в дальнейшем будет использоваться для разработки и оптимизации сложных волоконно-оптических систем. Продемонстрирована концепция полностью оптического переключения в градиентном многомодовом волокне, в которой качество мощного сигнального луча, заведённого под углом, значительно улучшается лишь при наличии слабого затравочного луча, заведённого в то же волокно, но строго перпендикулярно поверхности скола. 3 При двухкаскадном усилении в схеме MOPA на основе висмутового волокна с непрерывной накачкой на длине волны 1205 нм получено 16-кратное увеличение мощности сильночирпованных диссипативных ВКР-солитонов вблизи 1275 нм, что соответствует уровню их энергии на выходе 20 нДж, достаточному для применения в для применения в многофотонной микроскопии. Исследованы возможности узкополосной генерации в области 1.5 мкм и 2 мкм в новых схемах резонатора. На основе сильно-легированного Er3+ волокна с коэффициентом усиления ≈3,1 дБ/см реализован одночастотный волоконный лазер с рекордно короткой длиной активной части резонатора - 1.8 см. Значительное сокращение длины резонатора было достигнуто за счет использования диэлектрического высокоотражающего тонкопленочного зеркала, нанесенного на торец активного волокна. Измеренная мгновенная ширина линии лазера при максимальной выходной мощности 2 мВт составила ~100 Гц, а ширина на интервале времени ~100 мкс - 5,5 кГц. Применение искусственного рэлеевского отражателя позволило реализовать одночастотный режим генерации для гольмиевого волоконного лазера со случайной распределенной обратной связью при уровне выходной мощности до 90 мВт. Максимальная выходная мощность составила 370 мВт при мощности накачки 3.9 Вт, при этом ширина линии не превышала 3 пм. 4 В рамках исследования волоконных и интегрально-оптических микроструктур с целью создания оптических сенсорных чувствительных элементов, предложен новый метод селекции в микросферических резонаторах на основе тонкой металлической пленки, что дает возможность разработки новых сверхчувствительных элементов температуры или магнитного поля. Исследованы резонансные свойства оптических цилиндрических резонаторов при травлении оболочки плавиковой кислотой, что дает возможность оценивать данный метод в целях разработки новых микрорезонаторных устройств с прецизионным контролем диаметра резонатора. Также выполнено исследование нового варианта сенсора на основе модового Интерферометра Маха - Цандера, выполненного с помощью утоненного волокна.