Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе первого этапа проекта-продолжения участниками коллектива, в соответствии с планом, был выполнен ряд теоретических и экспериментальных работ. В экспериментальных работах можно выделить несколько направлений: (i) Узкополосный двухчастотный лазер с высокодобротным внешним кольцевым резонатором. В работах 2021 г была предложена и исследована новая конфигурация узкополосного двухчастотного лазера. В отличие от предыдущих двухчастотных лазерных конфигураций, мы использовали волоконный кольцевой резонатор, построенный (а затем включенный в конфигурацию) с использованием всего одного волоконного соединителя вместо двух, используемых ранее. Лазер производит непрерывное узкополосное излучение одновременно на частотах накачки и Стокса. Такая конструкция резонатора потенциально снижает оптические потери в кольцевом резонаторе (вдвое по сравнению с предыдущими работами), обеспечивая повышенную добротность. Благодаря этой новой конструкции рабочие характеристики лазера были значительно улучшены. Выходная мощность лазера Бриллюэна увеличена до ∼180 мкВт с ∼100 мкВт, о которой сообщалось ранее при использовании кольцевой конфигурации с двумя ответвителями. Пороговая мощность Бриллюэновской генерации снижена до ~ 1,5 мВт по сравнению с ~ 2,9 мВт. Ширина Лоренцевой линии лазера Бриллюэна уменьшена до ~ 75 Гц с ~ 110 Гц. Насколько нам известно, это самая узкая ширина лазерной линии, о которой сообщалось в DFB-лазерах с автоинжекцией и синхронизацией, в которых используется внешний волоконный резонатор. (ii). В нашей новой конфигурации один и тот же кольцевой волоконный резонатор используется для самозахвата частот двух DFB-лазеров одновременно. Недорогая карта USB-DAQ используется для стабилизации системы, предотвращая скачки мод. Особенно важно, что стабильная работа лазера на двух взаимно синхронизированных частотах обеспечивается механизмом самозахвата частоты, в то время как петля активной обратной связи лишь помогает поддерживать этот режим. Кроме того, механизм самозахвата поддерживает непрерывную синхронизацию DFB-лазера с внешним кольцевым резонатором, обеспечивая идеальную связь лазера с кольцом для генерации двух узкополосных линий со строго фиксированной разницей частот. Перестройка разностной частоты осуществляется током и рабочей температурой DFB лазеров в пределах от 10 МГц до 60 ГГц (измеренные пределы) с шагом ~10 МГц. Измеренные характеристики простого двухчастотного лазера находятся на уровне дорогостоящих аналогов. Ширина линии генерации на обоих частотах составляют <300Гц, а ширина РЧ спектра биений между ними <600Гц. Это является важным результатом, особенно с учетом того, что система не требует серьезной стабилизации температуры. Выходная мощность лазера на каждой из частот составляет ~10 мВт и допускает дальнейшее масштабирование мощности внешними усилителями. Дальнейшее масштабирование мощности по-прежнему возможно с помощью внешних усилителей. (iii) Дополнительные средства для лазерной стабилизации. Для того, чтобы уменьшить влияние окружающего шума, лазерная конфигурация двухчастотного лазера помещалась в термостабилизированный (~25°C) пенопластовый бокс и дополнительный термоконтроль применялся ко всему лазерному блоку в целом таким образом, чтобы всегда поддерживать рабочую точку системы обратной связи в пределах ее динамического диапазона. Это обеспечивало долгосрочную стабильность работы лазера. При этом дрейф частоты лазера составлял <80 МГц, а вариации пиковой частоты радиочастотного спектра биений были ограничены полосой <5 кГц. Важно, что нахождение частоты биений в этих пределах этого диапазона полностью предотвращало скачки мод. (iv) Применение двухчастотного лазера в Бриллюэновском анализаторе (BOTDA). Мы также исследовали возможность применения нашего узкополосного двухчастотного лазера в качестве задающего генератора Бриллюэновского анализатора (BOTDA). Было проведено детальное тестирование BOTDA адаптированной к работе с двухчастотным лазером, оценен ее потенциал для распределенных измерений сдвига Бриллюэновской частоты в тестовой волоконной линии длиной 10 км с пространственным разрешением 1.5 м. Такие же контрольные измерения (той же линии были и с тем же пространственным разрешением) были произведены при помощи коммерческого BOTDA анализатора (OZ-optics, Inc.). Прямое сравнение результатов продемонстрировало отсутствие какого-либо ухудшения характеристик, обусловленных использованием двухчастотного лазера. Важно отметить, что лазерный источник, работающий на двух связанных частотах, значительно упрощает конструкцию BOTDA, в частности, позволяет исключить из схемы широкополосный электрооптического модулятор и высокочастотную электронику. Теоретический анализ был направлен ​​на описание новых механизмов захвата частоты в волоконных лазерах: (i) явление в активных оптических волокнах, подобное Бриллюэновскому рассеянию. Мы описали взаимодействие двух встречных монохроматических волн при их усилении в активном оптическом волокне. Показано, что при встречном распространении волн происходит эффективная перекачка мощности от одной волны к другой через динамическую решетку инверсии населенностей, которую эти волны сами и записывают. Выведена универсальная система динамических уравнений, которая является самодостаточной для описания целого ряда эффектов, обусловленных механизмом инверсии населенностей в активных оптических волокнах (оптическое усиление, выжигание дыр, динамические решетки инверсии населенностей, самосканирование частоты лазера и т. д.). Эта система уравнений была применена для численного анализа нового эффекта (подобного ВРМБ) в оптическом волокне, допированном ионами иттербия. Нами показано, что распространение монохроматической волны через активное волокно придает дополнительное усиление волне, распространяющейся в обратном направлении и сдвинутой по частоте на некоторую определенную частоту, лежащую в кГц диапазоне. Эффект наиболее заметен в конфигурации двунаправленного волоконно-оптического усилителя. Мы показали, что в отличие от Бриллюэновского рассеяния, в волокнах, легированных редкоземельными элементами, перекачка мощности может происходить либо в волну с более высокой (антистоксовой), либо с более низкой (стоксовой) частотой. В накачиваемых волокнах преобладает усиление антистоксовой волны, тогда как усиление стоксовой волны может происходить в световодах без накачки. Мы полагаем, что описанный эффект может быть использован во многих новых фотонных устройствах и расширяет диапазон традиционных приложений Бриллюэновской фотоники (узкополосные лазеры, микроволновая фотоника, распределенные датчики, спектрометрия) на кГц частотную область. В частности, подобно ВРМБ, описанный узкополосный амплитудный отклик сопровождается сильным дисперсионным эффектом, который может быть использован для контроля фазы или групповой задержки обратного оптического сигнала. (ii) Генерация высокочастотной последовательности импульсов в цилиндрических волноводах с бегущей волной показателя преломления. Цилиндрическая волноводная структура с бегущей волной показателя преломления недавно была продемонстрирована как средство для генерации последовательностей импульсов с высокой частотой повторения. Механизм работы подразумевает комбинацию частотной модуляции и модуляционной неустойчивости, которые одновременно испытывает входной непрерывный сигнал (CW), когда он распространяется через цилиндрический волновод. В новой работе мы исследовали ту же идею, но при использовании цилиндрического волновода только как части каскадной волоконной конфигурации, которая теперь включает как пассивные, так и активные сегменты оптического волокна. Новая система позволяет улучшить управление процессом формирования последовательности импульсов в элементах каскадной системы, снижает строгие требования к мощности непрерывного сигнала и обеспечивает дополнительное оптическое усиление для масштабирования пиковой мощности импульса. В частности, используя в качестве входного сигнала слабомодулированную непрерывную волну с низкой амплитудой, мы исследуем и оптимизируем нелинейные механизмы, лежащие в основе его каскадного преобразования в последовательность пикосекундных импульсов киловаттной пиковой мощности. В ходе выполнения работ по первому этапу коллективом опубликовано 2 работs в издании, индексируемом РИНЦ, 11 работ в изданиях индексируемых WebOfScience и Scopus, при этом 3 из них опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль “ WebOfScience ”. Таким образом, план работ выполнен, и цели проекта, намеченные на первый этап, достигнуты.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе второго (заключительного) этапа проекта-продолжения участниками в соответствие с планом был выполнен ряд теоретических и экспериментальных работ. В ходе экспериментов были реализованы и исследованы (i) универсальная экспериментальная установка для записи/считывания бриллюэновской динамической решетки (БДР) в оптическом волокне в непрерывном/импульсном режиме; БДР с записью/считыванием в непрерывном режиме. Экспериментальная установка объединяет три частотных канала с шириной линии генерации <50 кГц. Перестройка разницы частот между первым и вторым каналом составляет от 5 до 18 ГГц, между вторым и третьим каналом от 18 до 54 ГГц. Каждый из каналов снабжен выходным усилителем с максимальной выходной мощностью от 30 мВт (канал 2) до 500 мВт (канал 1). Два канала установки снабжены 10ГГц электрооптическими модуляторами. Непрерывные запись/чтение БДР продемонстрированы в 10 m отрезке оптического PM волокна. Запись осуществлялась интерференцией излучения накачки и встречной стоксовой компоненты при ее генерации в кольцевом резонаторе, а считывание в другой поляризации внешним узкополосным источником. Пик отражения динамической решетки был зарегистрирован при сдвиге ~36 ГГц относительно частоты записывающего стоксового излучения, его ширина ~150 МГц. Эти данные хорошо согласуются с параметрами БДР при импульсной записи в длинных отрезках того же волокна. (ii) Технология изготовления волоконных тейперов с выраженными оптоакустическими свойствами; лазеры с оптоакустическими структурами, включенными в резонатор. Технология изготовления тейперированных волокон основана на использовании рабочей станции Idealphotonics IPCS – 5000PM, которая позволяет контролировать процесс удлинения оптоволокна в пламени водородной горелки. Определены оптимальные параметры (температура, скорость растяжки и пр.) технологического процесса. Достигнуты характеристики тейперов: вносимые потери - <0.3 дБ; минимальный диаметр тейпера - ~1 мкм; длина тейпера - до 60 мм. При исследовании генерации в лазерной конфигурации с тейпером был обнаружен и исследован режим генерации дублетных импульсов. В зависимости от размера тейпера эффект наблюдался на частотах от 25 МГц до 1050 МГц (меньше перетяжка - выше частота). Показано, что время задержки в дуплете можно менять в пределах периода следования импульсов путем регулировки контроллера поляризации. При оптоакустическом резонансе в режиме гармонической синхронизации мод уровень межмодового шума уменьшается на >20дБ. (iii) Технология изготовления узелковых микрорезонаторов и их применения в волоконных лазерах. Разработанная технология позволяет варьировать диаметр микрорезонатора (область свободной дисперсии от нескольких до десятков ГГц). Достигнутые характеристики: максимальная добротность 9∙10^4, потери до 0.5 dBm. Изготовлены уникальные образцы резонаторов с диаметром ~ 6 мм с FSR~10 ГГц равным бриллюэновскому сдвигу. Изготовлена виброизолированная камера, обеспечивающая стабилизацию температуры на уровне ±0.003°С. Продемонстрирована генерация гребенчатого спектра в кольцевом лазере со встроенным микрорезонатором. Частота повторения импульсов соответствовала FSR микрорезонатора. В отдельном эксперименте продемонстрирована возможность десятикратного сужения ширины линии непрерывной генерации полупроводникового лазера за счет эффекта захвата резонансной частоты микрорезонатора. Определены факторы, ограничивающие применение метода с использованием микрорезонаторов. (iv) Конфигурации импульсных бриллюэновских лазеров на основе тулиевых и иттербиевых волокон. Проведено прямое экспериментальное сравнение наносекундных импульсных лазеров на основе тулиевого и иттербиевого волокон, работающих в режиме бриллюэновской модуляции добротности. Изучены особенности тонкой структуры импульсов. Показано, что тулиевый лазер имеет два порога генерации. При достижении первого порога лазер работает в режиме узкополосной непрерывной генерации с одного лазерного выхода, на другом выходе излучение, практически, отсутствует. При достижении второго порога генерации лазер производит импульсы длительностью до ~20 нс, энергия импульсов с обоих выходов примерно одинакова от 25 до 40 мкДж. При этом происходит уширение оптического спектра, вплоть до генерации суперконтинуума (>500 нм). Иттербиевый лазер имеет один порог – только для импульсной генерации, а уширение оптического спектра (до 200 нм) происходит с генерацией нескольких каскадов ВКР. В обоих случаях импульсы имеют тонкую структуру с минимальными элементами >100 пс. При этом в иттербиевом лазере обнаружен устойчивый режим, когда с одного из выходов регистрируется один короткий импульс длительностью ~100 пс. Его пиковая мощностью на 6 порядков превышает среднюю. Такая динамика может быть объяснена синхронизации бриллюэновских компонент на динамической решетке инверсной населенности, возникающей в линейной части резонатора. (v) Конфигурации узкополосных лазеров на основе высокодобротных волоконных резонаторов с сохранением поляризации. Конфигурация 2022 г. узкополосного лазера на основе эффекта с захватом частоты позволила значительно повысить устойчивость работы лазера к внешним воздействиям относительно предыдущих конфигураций на волокне без сохранения поляризации. Лоренцевская ширина линии лазерного излучения сужена на 25% по сравнению с рекордной конфигурацией 2021 г. Другим преимуществом является использование в новой схеме термо-фазосдвигателя вместо пьезо-актюатора, что снижает себестоимость лазера без ухудшения его характеристик. Теоретические работы были связаны с развитием (и последующим применением для численных расчетов) математических моделей для описания (i) отражения узкополосного излучения на рэлеевских рассеивающих центрах в оптическом волокне и в многослойной фотонной структуре. Новые теоретические модели представляют практический интерес для использования в волоконных лазерах и сенсорах. В частности, предложена конфигурация диалектрической структуры, состоящей из четырех различных диэлектрических материалов и обладающая свойствами трех-периодических фотонных кристаллов. Она может быть использована в качестве чувствительного термо-поляризационного переключателя, датчика угла и дистанционного датчика температуры. (ii) генерации высокочастотной последовательности коротких импульсов в полупроводниковых цилиндрических структурах с бегущей волной электрического заряда. Усиление и одновременная модуляция оптической волны типа моды шепчущей галереи возникает при взаимодействии с волной пространственного заряда в полупроводниковом цилиндрическом микрорезонаторе. Так же как схема 2021 г (взаимодействие с акустической волной), новая схема может быть использована для создания генераторов мощных субпикосекундных импульсов с частотой повторения свыше 1 ГГц. (iii) эффектов, сопутствующих генерации гигантских импульсов. Предложен подход к моделированию импульсных лазеров на активных волокнах, который позволяет учесть эволюцию распределения спектра усиления вдоль активного волокна в процессе генерации. Активное волокно характеризуется спектром усиления, распределенным по волокну, и поглотителем, зависящего от времени и локализованного в коротком отрезке на конце волокна. Такой подход позволяет разделить вклады процессов усиления и насыщающегося поглощения в динамике лазера, и использовать для моделирования характеристики волокна, непосредственно измеряемые в эксперименте. В ходе выполнения работ по первому этапу коллективом опубликовано 2 работы в издании, индексируемом РИНЦ, 12 работ в изданиях индексируемых WOS/Scopus, при этом 3 из них опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль WOS/Scopus. Таким образом, план работ выполнен, цели проекта, намеченные на второй этап, достигнуты.