КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-19-10694

НазваниеФемтосекундные делители и синтезаторы частоты на холодных молекулах метана

РуководительГубин Михаил Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Года выполнения2016 - 2018

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые словафемтосекундный волоконный лазер, делитель частоты, СВЧ-диапазон, Cr^2+: ZnSe, оптический стандарт частоты, двухмодовый лазер, резонанс насыщенной дисперсии, метан, гелий-неоновый лазер, высоко нелинейный волоконный световод, средний ИК-диапазон

Код ГРНТИ29.33.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время большими темпами проводится модернизация существующей отечественной компонентной базы фотоники, создается специализированная оптоэлектронная и оптическая компонентная база радиофотоники. Особое внимание уделяется разработке передовых образцов измерительной техники в области измерений частоты и времени. Ключевыми элементами частотно-временной аппаратуры для навигации, систем точного времени и эталонных частот, связи, радиоастрономии и других областей промышленности и науки являются различные модификации малогабаритных (наземных и бортовых) стандартов частоты, которые обеспечивают высокий уровень кратковременной и/или долговременной стабильности частоты выходных эталонных сигналов. Периодически, такие стандарты частоты (прецизионные генераторы) калибруются по первичному эталону частоты. Существующие мобильные прецизионные радиогенераторы (водородный мазер, рубидиевые стандарты частоты и другое оборудование на их основе) имеют стабильность частоты в диапазоне 10^(-12) - 10^(-15) при времени усреднения τ = 1 – 1·10^5 с и, фактически, достигли предела своих характеристик и не отвечают современному уровню науки и техники. Исследования в этой актуальной области науки и техники, проводимые в России и за рубежом показывают, что значительное (на 1-2 порядка) повышение кратковременной и долговременной стабильности, воспроизводимости частоты, снижение уровня фазовых шумов стандартов частоты при сохранении их компактности и мобильности возможно только при переходе в оптический диапазон спектра, т. е. при использовании лазерного излучения, стабилизированного по реперным спектральным линиям, лежащим в диапазоне частот ω = 10^14 – 10^15 Гц. По пути разработки оптических стандартов частоты и нового поколения прецизионной частотно-временной аппаратуры на их основе идут ведущие зарубежные и российские научные центры и университеты, занимающиеся метрологией частоты и времени. В настоящее время близки к реализации первичные оптические эталоны частоты с погрешностью 10^(-17) – 10^(-18) на основе ультрахолодных атомов и ионов в световых и электромагнитных ловушках. В СВЧ-диапазоне с использованием техники лазерного охлаждения атомов и лазерного детектирования реперной линий реализовано несколько установок на атомах цезия и рубидия в геометрии «фонтана», на которых достигнуты предельные стабильности ~10^(-16), и которые заменят в ближайшее время традиционные эталоны на тепловых атомах. Однако недостатком всех перечисленных систем, демонстрирующих выдающиеся результаты по точности и воспроизводимости частоты, является громоздкость и сложность, а также необходимость длительного (в течение нескольких суток) времени усреднения сигнала для достижения заданных характеристик. Фактически, они являются в настоящее время сугубо лабораторными установками. В связи с этим существует настоятельная потребность развития другого класса оптических стандартов частоты, не претендующих на эталонную точность, но обладающих высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты 10^(-15) - 10^(-16) и низким уровнем фазовых шумов. Для их реализации необходимо провести целый комплекс научно-исследовательских мероприятий, как теоретического, так и прикладного характера. В этой связи актуальной является цель настоящего проекта, заключающаяся в разработке и исследовании фемтосекундных синтезаторов и делителей частоты на холодных молекулах метана. Такие вторичные стандарты и прецизионные синтезаторы частот будут занимать нишу между малогабаритными прецизионными СВЧ-генераторами (превосходя их по стабильности на 1-2 порядка) и высокоточными эталонами, выгодно отличаясь от последних массогабаритными параметрами, надёжностью и стоимостью. Разработке научных основ создания такого класса вторичных стандартов и прецизионных фемтосекундных делителей и синтезаторов частот посвящен настоящий проект.

Ожидаемые результаты
Разработка и исследование мобильных фемтосекундных делителей и синтезаторов частоты на холодных молекулах метана обладает огромным потенциалом для применения в различных областях науки и техники: астрономические гребёнки частот и прецизионная спектроскопия, атомная оптика, лидары и системы фурье-спектроскопии, оптические часы и метрология времени и частоты, квантовая оптика. Исследование и решение фундаментальных проблем, лежащих в основе получения высокостабильного транспортабельного синтезатора частоты, оказываются особенно важными для понимания целого ряда факторов, определяющих предельные характеристики разрабатываемых синтезаторов, что необходимо для развития современных лазерно-оптических технологий. Ожидаемые результаты будут связаны с решением задач настоящего проекта: 1. Будут разработаны методы создания оптических стандартов частоты на базе непрерывных лазеров с предельно низким уровнем квантовых шумов при использовании в качестве репера ИК-переходы холодных молекул метана. 2. Будет разработана и обоснована оптимальная схема построения компактного мобильного оптического стандарта частоты, позволяющая достичь кратковременной и долговременной стабильности на уровне 10-15-10-16, которая соответствует современному мировому уровню науки и техники. 3. Будут созданы научные основы компактных транспортабельных фемтосекундных синтезаторов частоты; проведено исследование предельно достижимых в фемтосекундных синтезаторах кратковременной и долговременной стабильности выходных СВЧ-сигналов при использовании в качестве репера оптических стандартов частоты на холодных молекул метана. 4. Будут разработаны: - экспериментальные стенды для отработки методов стабилизации лабораторного макета фемтосекундного синтезатора частоты по оптическому стандарту частоты на холодных молекулах метана; - лабораторные макеты оптического стандарта частоты на основе непрерывных лазеров, стабилизированных по линиям насыщенной дисперсии молекулы метана; - лабораторный макет фемтосекундного синтезатора частоты. 5. Будут разработаны методы и средства метрологической оценки стабильности разрабатываемых фемтосекундных синтезаторов, стабилизированных по оптическому стандарту частоты и проведены их экспериментальные исследования. 6. Будет разработан прогноз развития науки и техники в области оптических стандартов частоты, разработаны предложения по применению новых технических решений в высокотехнологичных отраслях промышленности, в частности, в рамках ФЦП «Поддержание, использование и развитие системы ГЛОНАСС на период 2012-2020 гг.». Уровень ожидаемых результатов будет соответствовать лучшим мировым стандартам научной работы, что показывает опыт работы руководителя проекта с нобелевским лауреатом Джоном Холлом, а также совместный проект с Массачусетским технологическим институтом. Экспериментальные исследования будут выполнены на высоком научно-техническом уровне, а проект будет сочетать постоянную совместную работу участников проекта, представляющих три ведущие отечественные научные школы, с зарубежными научными коллективами Миланского политехнического института и Бэйханского университета.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Обоснованы принципы и технические пути построения малогабаритных квантовых стандартов частоты нового поколения на ИК-переходах метана с долговременной стабильностью частоты 10^(-15) – 10^(-16) при времени усреднения 1 – 10^5 с. 2. Разработан и исследован лазер среднего ИК-диапазона на монокристалле Cr2+:ZnSe для нелинейной внутридоплеровской спектроскопии полосы v1 + v4 метана. 3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования резонансов насыщенной дисперсии полосы ν1 + ν4 метана в среднем ИК-диапазоне методом нелинейной внутридоплеровской лазерной спектроскопии. 4. Проведен анализ принципов построения фемтосекундного делителя частоты и обоснование его структурно-функциональной схемы. 5. Получены и исследованы различных режимов генерации сверхкоротких импульсов. 6. Разработана и исследована система термостабилизации на уровне 0,1 °С моноблочного резонатора для повышения долговременной стабильности частоты. 7. Создана и исследована система термостабилизации лазерных кристаллов среднего ИК-диапазона для уменьшения дрейфа частоты из-за тепловой линзы. 8. Исследована возможность стабилизации частоты фемтосекундного волоконного лазера с помощью модуляции источника накачки.

 

Публикации

1. Дворецкий Д. А., Лазарев В. А., Воропаев В. С., Сазонкин С. Г., Леонов С. О., Пнев А. Б., Карасик В. Е., Гарин О. А. Компактный кольцевой эрбиевый волоконный лазер с синхронизацией мод на основе световода с высокой нелинейностью -, RU162919U1 (год публикации - ).

2. Дворецкий Д. А., Лазарев В. А., Воропаев В. С., Сазонкин С. Г., Леонов С. О., Пнев А. Б., Карасик В. Е., Гарин О. А. Компактный кольцевой эрбиевый волоконный лазер с синхронизацией мод на основе световода с высокой нелинейностью Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», Бюл. № 18 (год публикации - 2016).

3. Киреев А. Н., Таусенев А. В., Тюриков Д. А., Шелковников А. С., Шепелев Д. В., Конященко А. В., Губин М. А. Фемтосекундный делитель частоты в СВЧ диапазон с нестабильностью 10^(-14) - 10^(-16) (t=1-100 c) Quantum Electronics, - (год публикации - 2016).

4. Киреев А. Н., Шелковников А. С., Тюриков Д. А., Лазарев В. А., Губин М. А. Monoblock He-Ne/CH4 laser with the short-term and long-term frequency stability better than 1×10^(-14) Proceedings of Frontiers in Optics 2016, FIO 2016, JW4A.180 (год публикации - 2016).

5. Лазарев В. А., Крылов А. А., Дворецкий Д. А., Сазонкин С. Г., Пнев А. Б., Леонов С. О., Шелестов Д. А., Тарабрин М. К., Карасик В. Е., Киреев А. Н., Губин М. А. Stable Similariton Generation in an All-Fiber Hybrid Mode-Locked Ring Laser for Frequency Metrology IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, 63 (7), 7434073, pp. 1028-1033 (год публикации - 2016).

6. Лазарев В. А., Крылов А. А., Сазонкин С. Г., Пнев А. Б., Леонов С. О., Шелестов Д. А., Тарабрин М. К., Карасик В. Е., КиреевА. Н., Губин М. А. All-fiber hybridly mode-locked similariton ring laser for frequency metrology Proceedings - 2016 International Conference Laser Optics, LO 2016, LO 2016, 7549651, pp. R131 (год публикации - 2016).

7. Леонов С. О., Малеев О. В., Лазарев В. А., Тарабрин М. К., Демидов В. В., Карасик В. Е. Scaling Properties of Solid-core Photonic Crystal Fibers to Large-mode-area with d/Λ = 0.55 Proceedings of Advanced Photonics 2016 (IPR, NOMA, Sensors, Networks, SPPCom, SOF), SoW1H.3 (год публикации - 2016).

8. Тарабрин М. К., Лазарев В. А., Леонов С. О., Пнев А. Б., Карасик В. Е., Подмарьков Ю. П., Фролов М. П., Губин М. А. Перестраиваемый твердотельный лазер среднего ИК-диапазона с накачкой диодной линейкой -, RU164950U1 (год публикации - ).

9. Тарабрин М. К., Лазарев В. А., Леонов С. О., Пнев А. Б., Карасик В. Е., Подмарьков Ю. П., Фролов М. П., Губин М. А. Перестраиваемый твердотельный лазер среднего ИК-диапазона с накачкой диодной линейкой Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», Бюл. № 27 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Проведено исследование возможности снижения времени выхода Cs эталона частоты фонтанного типа на номинальную точность с применением метанового задающего генератора с кратковременной стабильностью 1×10-14 (1 с). Лабораторный макет задающего генератора «ЗГ-СH4/100» с выходной частотой 100 МГц превысил почти в 3 раза по кратковременной стабильности частоты (τ = 1 с) Н-мазеры. Лучшее зафиксированное значение СКДО частоты макета «ЗГ-СH4/100» составило 2,5×10-14 для τ = 1 с. В значение СКДО сигнала «ЗГ-СH4/100» (для τ = 1 с) в настоящее время существенный вклад вносит собственный шум дополнительного промышленного синтезатора на выходной частоте 100 МГц. По результатам испытаний выработаны рекомендации, которые позволят повысить кратковременную стабильность выходного частоты макета «ЗГ-СH4/100» до 1×10-14 для τ = 1 с и увеличить время непрерывной работы «ЗГ-СH4/100» с нескольких суток до месяца и более. 2. Система для долговременной температурной стабильности моноблочного резонатора He-Ne/CH4-лазера позволила достичь стабильности температуры на одном часе порядка ∆t=0,02 °C в диапазоне работы системы от 20 до 50 °C. 3. Разработано оригинальное схемное решение моноблочного сканирующего интерферометра Фабри-Перо для установки в резонатора перестраиваемого по частоте Cr2+:ZnSe лазера, что обеспечило работу лазера в режиме двух соседних продольных мод в диапазоне 2,3 – 2,4 мкм. Также разработан способ охлаждения лазерных кристаллов среднего ИК-диапазона с погрешностью 0,1 °С с целью уменьшения тепловых эффектов в активной среде и резонаторе. Проведена оценка предельно достижимой стабильности частоты разрабатываемого стандарта на основе результатов измерения шумов Cr2+:ZnSe лазера, которая составила 2·10-15 при времени усреднения 1 с. 4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния температурных дрейфов и модуляции мощности лазера накачки на выходную частоту повторения импульсов эрбиевого волоконного лазера. Получены экспериментальные оценки df/dT и df/dP, которые составили – 372 Гц / °С и 0,5 Гц/мВт соответственно, полученные значения хорошо согласуются с расчетными значениями. 5. Разработаны и исследованы десять конфигураций лабораторного макета полностью волоконного кольцевого тулиевого лазера с синхронизацией мод при различных значениях суммарной внутрирезонаторной дисперсии в диапазоне от -0,5 до +0,5 пс2. По результатам исследований выбрана оптимальная конфигурация схемы со значениями дисперсии равными -0,023 пс2, в которой наблюдались наиболее широкий спектр 56 нм и минимальная длительность импульсов 140 фс.

 

Публикации

1. А. Н. Киреев, А. В. Таусенев, Д. А. Тюриков, А. С. Шелковников, Д. В. Шепелев, А. В. Конященко, М. А. Губин Femtosecond optical-to-microwave frequency divider with a relative instability of 10^(-14)-10^(-16) (tau = 1-100 s) Quantum Electronics, 46 (12) 1139 – 1141 (год публикации - 2016).

2. В. Воропаев, А. Донодин, В. Лазарев, М. Тарабрин, В. карасик, А. Крылов All-fiber passively mode-locked ring laser based on normal dispersion active tm-doped fiber Frontiers in Optics 2017, paper JTu3A.15 (год публикации - 2017).

3. Воропаев В. С., Донодин А. И., Лазарев В. А., Тарабрин М. К., Карасик В. Е. и Крылов А. А. Волоконный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод на основе активного тулиевого волокна с нормальной дисперсией Научно-технический журнал "Фотон-экспресс", № 6, стр. 31-32 (год публикации - 2017).

4. Донодин А. И., Воропаев В. С., Лазарев В. А., Леонов С. О., Тарабрин М. К., Крылов А. А., Карасик В. Е. Влияние мощности накачки на частоту повторения импульсов в волоконном кольцевом эрбиевом лазере с синхронизацией мод Сборник трудов XXVIII Международной науно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", том 28, стр. 70-73 (год публикации - 2017).

5. М. А. Губин, А. Н. Киреев, Д. А. Тюриков, А. С. Шелковников, А. В. Таусенев, Д. С. Черных, Д. В. Шепелев, А. В. Конященко Methane based microwave reference oscillator 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), pp. 452-455 (год публикации - 2017).

6. Томилов С. М., Тарабрин М. К., Лазарев В. А., Карасик В. Е. Моделирование распределения температур в системе охлаждения активной среды твердотельного лазера для различных конфигураций теплоотвода Сборник трудов XXVIII Международной науно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", том 28, стр. 66-69 (год публикации - 2017).