Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого года выполнения проекта его участниками было проведено моделирование микроструктурированных световодов с полой сердцевиной и различной вращательной симметрией границы раздела сердцевина - оболочка. В результате анализа полученных данных были выбраны две структуры для изготовления, которые показали наименьшие потери в широком диапазоне спектра и одномодовый режим работы. Базируясь на имеющемся технологическом опыте получения кварцевых микроструктурированных световодов со стеклянной сердцевиной участниками проекта были разработаны технологические принципы изготовления световодов с полой сердцевиной и различной вращательной симметрией границы раздела сердцевина - оболочка. Для этого в трубе из кварцевого стекла ручным образом собиралась структура из нескольких соприкасающихся капилляров с идентичными геометрическими параметрами. Капилляры фиксировались определенным образом на внутренней поверхности трубы для предотвращения нарушения их взаимного расположения. Таким образом, формировалась незаполненная стеклом область сердцевины в центральной части сборки. Затем сборка помещалась в печь на башне вытягивания волоконных световодов, в которой разогревалась до требуемой температуры и перетягивалась в полый световод. Для ряда приложений перспективным представляется использование волоконно-оптических датчиков люминесцентного типа, отличающихся быстродействием и высокой чувствительностью. Функционирование подобных сенсоров базируется на использовании эффекта люминесценции, достигаемого за счет легирования материала сердцевины или оболочки световода фосфором или ионами редкоземельных металлов, которые при фотовозбуждении испускают смещенное по частоте излучение. Для создания макета волоконно-оптического элемента (ВОЭ) была синтезирована фотоактивная полимерная композиция, которой был заполнен микроструктурированный световод с полой сердцевиной. Конструкция ВОЭ состояла из многомодового волоконного световода и кварцевого капилляра с внутренним диаметром 0,45 мм длиной 2 см, заполненного термочувствительным материалом. Было проведено экспериментальное исследование макета волоконно-оптического сенсорного устройства на основе фотоактивной композиции из эпоксиакрилата и комплексного соединения Eu3+ с 2-нафтоилтрифторацетоном и триоктилфосфиноксидом для измерения температуры окружающей среды. Установлен экспоненциально спадающий характер зависимости интенсивности люминесценции фотоактивной композиции в составе сенсора от температуры в диапазоне значений от 20 до 100 °C, что обусловлено ее температурным тушением. Также в рамках первого года выполнения проекта была проведена разработка и исследование микроструктурированных световодов из кварцевого стекла, легированного нанокристаллами алюмо-иттриевого граната с ионами неодима, с целью создания прототипа активного ВОЭ, в структуру которого введены высоколюминесцентные нанокристаллы YAG:Nd3+ и работы по заполнению микроструктурированных световодов с полой сердцевиной полимером Pazo и исследованию оптических характеристик образцов волноводных микроструктур с нанесенными слоями полимера Pazo. Для заполнения микроструктурированного световода были протестированы различные методики создания слоев Pazo в структуре световодов. Были опробованы растворы Pazo в диметилформамиде, диметилсульфоксиде и метаноле для того, чтобы выяснить каким из растворов лучше смачивается кварцевое стекло. После заполнения образцы выдерживались при различных температурах от 25 до 100ºС, а затем раствор выкачивался из образцов и они подвергались окончательной сушке. Проведены измерения спектров пропускания для образцов микроструктурированных световодов с нанесенными слоями полимера Pazo и без. В результате измерений было обнаружено, что заполнение полимером приводит к смещению областей пропускания микроструктурированного световода на величину от 10 до 30 нм в зависимости от толщины нанесенного слоя. Для построения математической модели волноводных параметров работы полых микроструктурированных световодов с нанесенными слоями полимера Pazo были измерены его оптические свойства как в изотропном, так и анизотропном состояниях. Было проведено исследование возможности управления поляризационными характеристиками передаваемых световых потоков в двух типах микроструктурированных световодов – на основе структуры из восьми соприкасающихся капилляров, формирующих отрицательную кривизну границы раздела сердцевина-оболочка и на основе структуры из шести несоприкасающихся капилляров. Полученные численные и экспериментальные результаты демонстрируют различные зависимости изгибных потерь для различных поляризаций распространяющегося излучения по волокну, что позволяет рассматривать возможность потенциального использования таких структур в качестве поляризаторов, свойства которого могут управляться изгибом.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках второго года выполнения проекта проведено моделирование основных оптических свойств микроструктурированных световодов с полой сердцевиной для управления поляризационными свойствами передаваемых световых потоков на границе ближнего и среднего ИК-диапазонов, в частности, с сохранением состояния поляризации и поляризующие световоды. Разработанная математическая модель позволяет оценивать значения эллиптичности и азимута состояния поляризации распространяющего излучения по волокну с учетом конструктивных особенностей расположения капилляров в оболочке и потерь излучения в сердцевине. Изготовлены и исследованы поляризационные свойства полых микроструктурированных световодов с низкоразмерной вращательной симметрией – тремя и четырьмя капиллярами в оболочке. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования таких структур для создания устройств управления параметрами поляризации распространяющегося излучения (эллиптичности и азимута) без использования специально наведенной асимметрии структуры оболочки. Разработаны технологические принципы изготовления полых микроструктурированных световодов с несколькими сердцевинами из кварцевого стекла, основанные на использовании только капилляров оболочки для управления относительными размерами сердцевины и капилляров в процессе высокотемпературной трансформации преформы в световод. Это достигается за счет заполнения верхней части преформы специальным стеклообразующим составом, который при термической обработке остекловывается, заполняя собой область сердцевины и промежутки между капиллярами оболочки. В результате подача избыточного давления для формирования в процессе перетягивания преформы в световод осуществляется селективно только в полости капилляров, что препятствует искажению геометрической формы сердцевины и капилляров, имеющих место при одновременной подаче давления. По разработанным технологическим приемам изготовлены преформа и прототип полого микроструктурированного световода с тремя сердцевинами для реализации эффектов ответвления/деления световых потоков, в том числе в среднем ИК-диапазоне. Разработанный в рамках первого года выполнения проекта полимерно-солевой метод синтеза тонкопленочных покрытий адаптирован к полым микроструктурированным световодам из кварцевого стекла. В частности, экспериментально продемонстрировано, что данный метод позволяет получать на внутренней поверхности сердцевины и капилляров оболочки полого световода слои композиционных материалов с активными нанокристаллическими включениями для использования в качестве усиливающей среды. Разработаны методы стабилизации наночастиц в тонких композиционных и оксидных пленках. В частности, сформированные полимерно-солевым методом на поверхности стекол композиционные и оксидные покрытия, содержащие различные структурные формы серебра, характеризуются высокой однородностью, прозрачностью в видимой области спектра и люминесцентными свойствами. Показано, что УФ-облучение существенно изменяет спектрально-люминесцентные свойства таких пленок. Сформированы композиционные покрытия системы ZnO-MgO-Ag на внутренней поверхности капилляров микроканальных фотоактивных элементов из кварцевого стекла. Экспериментально показана высокая эффективность генерации синглетного кислорода покрытиями и микроканальными элементами под действием УФ излучения (370 нм) и фиолетового света (405 нм). Разработана методика формирования слоев из диэлектрических материалов контролируемой толщины на границе раздела сердцевина-оболочка в микроструктурированных световодах с полой сердцевиной. По разработанной методике проведено заполнение пяти различных типов полых микроструктурированных световодов, а именно безузловое волокно с шестью капиллярами, безузловое волокно с восемью капиллярами, октагональное волокно с положительной, отрицательной и нулевой кривизной границы раздела сердцевина-оболочка. По результатам экспериментальных исследований формирования слоев полимера Pazo заданной толщины было показано, что разработанная методика позволяет получать слои полимера с заданной толщиной в волокне с минимальной кривизной капилляров. Экспериментально установлено изменение фотоиндуцированной анизотропии полимерного покрытия, заполняющего полый микроструктурированный световод, и чувствительность таких световодов к ориентации поляризации на входе. Это свидетельствует о возможности создания спектрально перестраиваемых и широкополосных фильтров на основе полученных световодов. Разработаны экспериментальные стенды для исследования особенностей распространения излучения различной поляризации в зависимости от величины фотоиндуцированной анизотропии полимерных покрытий, а также стенд для исследования оптических свойств микроструктурированных световодов с низкоразмерной вращательной симметрией с точки зрения возможности использования данных структур для управления пространственными характеристиками передаваемых световых потоков.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках третьего года выполнения проекта было проведено исследование расположения главных осей у образца 6 капилярного антирезонансного волокна в диапазоне длин волн 2,26 – 2,36 мкм при разных состояниях изгиба световода. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для исследуемого световода с полой сердцевиной характерно незначительное рассогласование расположения главных осей анизотропии от входного к выходному торцу. При этом абсолютное значение рассогласования неодинаково для различных длин волн в пределах одного окна пропускания волокна и условий изгиба световода. Также обращает на себя внимание существование некоторой оптимальной длины волны, для которой отсутствует поворот главных осей, а влияние изгиба незначительно. Полученные результаты позволяют говорить о возможности управления линейной поляризацией на выходе световода путем механического скручивания самого световода. С целью оптимизации геометрии волокна для ведения линейно поляризованного излучения были промоделированы и изготовлены несколько типов световодов с различным числом капилляров – шестью (С6), пятью (С5), четырьмя (С4) и тремя (С3) капиллярами. Для каждого типа волокна было проведено измерение расположения главных осей анизотропии в различных спектральных диапазонах и окнах пропускания. В результате меньшее число капилляров волокна соответствовало большому наклону линейной зависимости угла расположения главных осей анизотропии от длины волны (263,6± 44,6º/мкм для волокна с 4-мя капиллярами). Также волокно С4 демонстрирует поворот осей на 90º при переходе от 1,3 к 1,6 мкм (от четного к нечетному окну пропускания), необходимо отметить, что это свойство, может быть использовано в прототипах устройств управления поляризацией, а именно смена направления вращения для различных длин волн лазерного излучения, что, в комбинации с поляризационным делителем, может быть использовано как волоконный спектральный делитель. В отличие от волокна с 4-мя капиллярами волокно С6 показало практическое отсутствие зависимости расположения главных осей от длины волны в рассмотренном диапазоне. Такое волокно может быть хорошим кандидатом для создания волокон с поддержанием состояния поляризации в широком спектральном диапазоне. Также в рамках третьего года изучено формирование и проведен комплекс материаловедческих исследований (морфология, кристаллическая структура, спектрально-люминесцентные свойства) нанокристаллических оксидных порошков и полученных на их основе тонкопленочных люминесцентных покрытий, в том числе в составе полых микроструктурированных световодов из кварцевого стекла. Был разработан технологический процесс создания активных световодов с полой сердцевиной. С применением разработанной технологии были изготовлены экспериментальные образцы микроструктурированных световодов с полой сердцевиной и с тонкопленочными покрытиями на основе оксида гадолиния (Gd2O3), легированного ионами трехвалентного неодима (Nd3+), для работы в ближнем ИК диапазоне спектра, локализация оптического излучения в котором достигается за счет антирезонансного отражения света. Для разработанных образцов были измерены спектры поглощения, люминесценции и время затухания люминесценции на длине волны 1,06 мкм. Полученные результаты показывают принципиальную возможность получения в составе полых микроструктурированных световодов из кварцевого стекла тонкопленочных люминесцентных покрытий на основе оксидных матриц, легированных ионами редкоземельных металлов, в частности, Nd3+ и Yb3+, полимерно-солевым методом. Преимущество метода заключается в отсутствии необходимости использования технически сложных и практически реализуемых газофазных процессов легирования кварцевого стекла и ограничений, связанных с предельно достижимой концентрацией активатора, что говорит о возможности реализации лазерных источников излучения, когда в качестве активного элемента выступает световод с полой сердцевиной. Были изготовлены образцы световодов с тремя полыми сердцевинами, однако, предложенная технология изготовления таких световодов не позволила изготовить световод с симметричным расположением сердцевин и требует дополнительной оптимизации. Для определения оптимальных параметров заполненных световодов полимером PAZO для реализации устройств управления на третьем этапе выполнения проекта была проведена адаптация математической модели с целью определения необходимых параметров заполнения и разработан новый метод заполнения, который позволяет получить требуемые параметры. Полученные результаты моделирования показывают, что необходимо создавать слои полимера PAZO с толщиной 1 мкм и более. Для этого была разработана новая методика заполнения. С использованием новой методики заполнения были изготовлены образцы полых микроструктурированных световодов, заполненных фоточувствительным полимером Pazo, а также была разработана схема прототипа модулятора, позволяющего динамически управлять параметрами оптического излучения. Предлагаемый модулятор обладает относительно простой конструкцией, обладает низким энергопотреблением и способен выдерживать большие значения оптической мощности. Для измерения усиления оптического сигнала в полученном полом микроструктурированном световоде с тонкопленочными покрытиями на основе YAG:Yb3+ был разработан специальный метод стыковки со стандартным оптическим волокном SMF-28.