Фотонно-кристаллические световоды, записываемые пучком фемтосекундного лазера в кристаллах и стеклах, для построения микрочип-лазеров и генерации суперконтинуума.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 18-19-00733

НазваниеФотонно-кристаллические световоды, записываемые пучком фемтосекундного лазера в кристаллах и стеклах, для построения микрочип-лазеров и генерации суперконтинуума.

Руководитель Охримчук Андрей Гордеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" , г Москва

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова фотонный кристалл; прямая лазерная запись; твердотельный лазер; лазерный кристалл; световод; суперконтинуум; теллуритные стёкла; гидроксильные группы

Код ГРНТИ29.33.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке физико-химических основ записи пучком фемтосекундного лазера фотонно-кристаллических волноводов в объёме лазерных материалов среднего ИК-диапазона (в первую очередь теллуритное стекло, кристаллы ZnS, ZnSe). Несмотря на значительные успехи в технологии и конструировании твердотельных лазеров, которые находят как гражданские, так и военные применения, до сих пор актуальна задача стабилизации пространственных параметров излучения твердотельного лазера, а именно диаграммы направленности и качества пучка. Решение этих задач позволило бы получать стабильные импульсы с высокой энергией и пиковой мощностью, параметры которых (длительность, временной профиль) не зависят от режима работы лазера. Более того, спектральная область, в которой работают простые и надёжные твердотельные лазеры ограничена со стороны больших длин волн примерно 3 мкм. Тогда как для целей диагностики в медицине, мониторинге окружающей среды и химических процессов наблюдается растущий спрос на яркие источники света для среднего инфракрасного диапазона спектра с длинами волн 2-5 мкм. Стёкла на основе TeO2 высоко прозрачны как в видимом и ближнем ИК диапазонах, где производится накачка, так и до длин волн 5-6 мкм. Они обладают высокой химической стойкостью, в том числе к атмосферной влаге, оптимизированные составы устойчивы против кристаллизации, пригодны для изготовления протяжённых оптических элементов, характеризуются значительно более высокими по сравнению с силикатными и фторидными стёклами значениями нелинейного коэффициента преломления и растворимостью редкоземельных оксидов (до 10 % мол.). Для создания волноводов с малыми потерями, приемлемых для построения лазерных источников среднего ИК, требуется низкая концентрация гидроксильных групп, активно поглощающих в области длин волн 2,3 и 3 мкм, уникальная методика получения некоторых составов таких стёкол нами разработана. Работа будет проводиться по трём направлениям 1) создание теоретических основ и реализация новой технологии твердотельных лазеров, которая позволяет формировать модовый состава твердотельного лазера с помощью микро-структурированного волновода, обладающего свойствами фотонного кристалла, прямо в активном элементе. Параметры излучения такого лазера (диаграмма направленности пучка и состояние поляризации, длительность и форма импульса, энергия импульса) будут независимыми от режима работы и устойчивы по отношению к внешним воздействиям, и таким образом приближающими эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров к волоконным лазерам; 2) разработка новой технологии создания фотонно-кристаллических волноводов с высокой оптической нелинейностью для генерации когерентного суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне спектра; 3) разработка новых составов нелинейных оптических сред с низкими оптическими потерями в ближнем и среднем ИК-диапазонах на основе высокочистых теллуритных стёкол с рекордно низким содержанием гидроксильных групп, оптимальных для записи волноводов фемтосекундными импульсами. Технология прямой лазерной записи (direct laser writing) позволяет строить комплексную архитектуру микроструктурирования активных сред твердотельных лазеров, обеспечивающую как волноводные свойства, так и фотонно-кристаллические с угловой фильтрацией. В проекте будет разработан новый класс фотонно-кристаллических волноводов, в которых элементы оболочки представляют собой модифицированные области (треки) с небольшим отрицательным изменением показателя преломления по отношению к сердцевине и остальным окружением. Такого рода фотонно- кристаллические волноводы еще не изучались и не производились. Таким образом расширяется область применения лазеров, как источников излучения, яркость которых вне конкуренции. Микроструктурирование непосредственно активной среды позволит создавать монолитные резонаторы, состоящие из одного «куска» кристалла, что беспрецедентно повышает устойчивость таких излучателей к внешним факторам. Компактные излучатели на основе микро-структурированных кристаллов, размеры которых в несколько раз меньше волоконных лазеров, способны легко встраиваться в технологические системы, где требуется высокая пиковая мощность и энергия импульса, например, для обработки материалов, медицинские приборы, системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, ракетных двигателей, в системы для военных применений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Моторин С.Е., Плехович А.Д., Смаев М.П., Охримчук А.Г., Дорофеев В.В. Высокочистые теллуритные стёкла для нелинейно-оптических применений сборник тезисов XVI Всероссийской конференции и IX Школы молодых ученых, посвященные 100-летию академика Г.Г. Девятых, стр. 192 (год публикации - 2018)

2. Смаев М.П., Лихов В.В., Дорофеев В.В., Колташев В.В., Яценко Ю.П., Пыненков А.A., Охримчук А.Г. Нелинейное распространение фемтосекундных импульсов в волноводе, сформированном прямой лазерной записью в объёме высокочистого теллуритного стекла сборник тезисов XVI Всероссийской конференции и IX Школы молодых ученых, посвященные 100-летию академика Г.Г. Девятых, стр. 205 (год публикации - 2018)

3. Охримчук А.Г., Яценко Ю.П., Смаев М.П., Колташев В.В., Дорофеев В.В. Nonlinear properties of the depressed cladding single mode TeO2-WO3-Bi2O3 channel waveguide fabricated by direct laser writing Optical Materials Express, том 8, вып.11, стр. 3424 (год публикации - 2018)
10.1364/OME.8.003424

4. Охримчук А.Г., Смаев М.П., Лихов В.В., Дорофеев В.В. Mid-IR supercontinuum generation in the waveguide inscribed in a tellurite glass Advanced Photonics 2018, OSA Technical Digest, JTh4A.8 (год публикации - 2018)
10.1364/BGPPM.2018.JTh4A.8

5. Охримчук А.Г., Федотов С.С., Казанский П.Г. Direct Laser Writing with a Sub-Nanosecond Burst of Femtosecond Pulses Exploiting Excitation of a Deformation Wave The 79th JSAP Autumn Meeting, Technical Digest (online), 19p-231B-5 (год публикации - 2018)

6. Охримчук А.Г., Смаев М.П., Прямиков А.Д., Яценко Ю.П., Лихов В.В., Моторин С.Е., Дорофеев В.В. Генерация суперконтинуума в канальном волноводе, записанном пучком фемтосекундного лазера в теллуритном стекле 8-ой Российский семинар по волоконным лазерам. Материалы семинара., 176-177 (год публикации - 2018)
10.31868/RFL2018.176-177

Публикации

1. Кутьин А.М., Плехович А.Д., Балуева К.В., Моторин С. Е., Дорофеев В.В Thermal properties of high purity zinc-tellurite glasses for fiber-optics Thermochimica Acta, Thermochimica Acta 673 (2019) 192–197 (год публикации - 2019)
10.1016/j.tca.2019.01.027

2. Охримчук А.Г., Прямиков А.Д. Гладышев А.В., Алагашев Г.К., Смаев М.П., Лихов В.В., Дорофеев В.В., Моторин С.Е., Яценко Ю.П. Direct laser written waveguide in tellurite glass for supercontinuum generation in 2 μm spectral range Journal of Lightwave Technology (год публикации - 2019)
10.1109/JLT.2019.2954862

3. Охримчук А.Г.,Смаев М.П., Гладышев А.В., Дорофеев В.В. An increase in refractive index contrast in a waveguide inscribed in tellurite glass by means of sub-nanosecond bursts of femtosecond pulses 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC 2019, Category numberCFP19ECL-ART; Code 152846 (год публикации - 2019)
10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8873120

4. Толстик Н., Охримчук А.Г., Смаев М.П., Лихов В.В., Сорокин Е., Сорокина И.Т. Single-Mode Depressed Cladding Buried Waveguide Laser Based on Single-Crystal Cr: ZnS 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO 2019, in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2019), STh1E.6. (год публикации - 2019)
10.23919/CLEO.2019.8749371

5. Охримук А.Г., Смаев М.П., Дорофеев В. Efficient Laser Writing in Glasses With A Sub-Nanosecond Burst of Ultra-Short Pulses International Symposium “Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies” (FLAMN-19), W05, 06-39 (год публикации - 2019)

6. Прямиков А.Д., Алагашев Г. К., Турицын С. К. Light transport and vortex formation in all solid band gap fibres 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC 2019 (год публикации - 2019)

Публикации

1. Федотов С.С., Бутвина Л.Н., Охримчук А.Г. Plastic deformation as nature of femtosecond laser writing in YAG crystal Scientific Reports, 10:19385 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-76143-w

2. Прямиков А.Д., Алагашев Г.К., Фалькович Г., Турицын С.К. Light transport and vortex-supported wave-guiding in micro-structured optical fibres Scientific Reports, 10:2507 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-59508-z

3. Прямиков А.Д., Алагашев Г.К. Vortex supported waveguiding in microstructured optical fibers 22-nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), Tu.B6.3 (год публикации - 2020)
10.1109/ICTON51198.2020.9203377

4. Балуева К.В., Кутьин А.М., Плехович А.Д., Моторин С.Е., Дорофеев В.В. Thermophysical characterization of TeO2-WO3-Bi2O3 glasses for optical applications Journal of Non-Crystalline Solids, 120465 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jnoncrysol.2020.120465

5. Федотов С.С., Бутвина Л.Н., Охримчук А.Г. Пластическая Деформация - Природа Прямой Фемтосекундной Лазерной Записи Волноводов В Кристаллах YAG 9-ый Международный семинар по волоконным лазерам (год публикации - 2020)
10.31868/rfl2020.32-33

6. Алагашев Г.К., Смаев М.П., Гулин А.А., Охримчук А.Г. Роль диффузии ионов в прямой фемтосекундной лазерной записи в теллуритных стеклах 9-ый Международный семинар по волоконным лазерам (год публикации - 2020)
10.31868/RFL2020.34-35

7. Лихов В., Алагашев Г., Липатьев А., Федотов С., Охримчук А. Direct Laser Written Waveguide in YAG:Cr4+ Single Crystal with Low Propagation Loss and Low Depolarization Effect Frontiers in Optics / Laser Science, JW6B.19 (год публикации - 2020)

8. Федотов С.С., Охримчук А.Г. Smooth Writing In YAG Single Crystal with Beam Waist of an Elliptical Cross-Section Frontiers in Optics / Laser Science, JTh4B.40 (год публикации - 2020)

9. Федотов С.С., Бутвина Л.Н., Охримчук А.Г. Plastic Deformation as the Nature of Femtosecond Laser Writing of Waveguides in a YAG crystal Laser Congress / Advanced Solid State Lasers (ASSL ), JTh2A.32 (год публикации - 2020)

10. Охримчук А.Г., Сорокин Е.В., Астраускас И., Прямиков А.Д., Алагашев Г.К., Дорофеев.В.В, Octave spanning infrared supercontinuum generation in direct laser written waveguide Proceedings of 19th International Conference on Laser Optics (ICLO 2020), IEEE Xplore Digital Library, WeR8-31 (год публикации - 2020)

11. Охримчук А.Г., Лихов В.В., Алагашев Г.К., Прямиков А.Д. Supercontinuum generation in a helical waveguide inscribed by a femtosecond laser beam in YAG crystal Proceedings of 19th International Conference on Laser Optics (ICLO 2020), IEEE Xplore Digital Library, WeR8-33 (год публикации - 2020)

12. Дорофеев В.В., Охримчук А.Г., Колташев В.В., Смаев М.П., Моторин С.Е., Балуева К.В., Плехович А.Д. Highly nonlinear tellurite glasses for mid-IR applications Proceedings of 19th International Conference on Laser Optics (ICLO 2020), IEEE Xplore Digital Library, 2020, ThR8-p06 (год публикации - 2020)