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 21-19-00528

НазваниеНовые конструкции волоконных световодов для решения практически значимых задач

РуководительБубнов Михаил Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые словаВолоконный световод, волноводные свойства волоконных световодов, микроструктурированный световод, волоконный лазер

Код ГРНТИ29.33.39


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Создание первого волоконного лазера относится к началу 60-х годов прошлого века. При этом структура, использованная в качестве активной среды, лишь крайне отдаленно напоминает конструкцию световода в современном его понимании, а схема лазера, содержащая единственный волноведущий компонент, только условно может быть названа «волоконной». С тех пор, развитие как самих активных волоконных световодов, так и элементной базы, в значительной степени определило нынешнюю популярность волоконных лазеров и их широчайшее применение в самых различных областях. Так создание сначала одномодовых полупроводниковых диодов накачки, а затем многомодовых диодов с высокой яркостью, определяло прогресс в масштабировании выходной мощности волоконных лазеров и усилителей. Создание элементной базы на основе волоконных световодов, например, внутриволоконных брэгговских решеток, объединителей накачки и сигнала, изоляторов и прочего сделало возможной реализацию полностью волоконных лазерных схем, что обеспечило одно из главных преимуществ волоконных лазеров и усилителей – отсутствие необходимости юстировки и, как следствие, беспрецедентную надежность. В свою очередь реализация новых конструкций волоконных лазеров (различные схемы лазеров с синхронизацией мод, с модуляцией добротности, лазерные схемы типа задающий генератор/усилитель мощности и т.п.) открыло дорогу для появления огромного количества импульсных волоконных источников, в том числе достаточно мощных для того, чтобы применяться в сфере обработки материалов. Не меньшую роль в развитии волоконных лазеров сыграла разработка световодов с двойной отражающей оболочкой, а также световодов, активированных различными элементами. Так переход от одномодовых источников накачки к световодам с двойной отражающей оболочкой (и, соответственно, схемам с накачкой по оболочке) позволил значительно увеличить выходную мощность волоконных лазерных систем. В свою очередь использование световодов, легированных ионами различных редкоземельных элементов, и даже переходными металлами (висмутом), сделало возможным расширение спектрального диапазона генерации волоконных лазеров. Тем не менее, примечательно, что наиболее распространенной волноведущей (для излучения сигнала) конструкцией используемых на практике волоконных световодов является простейший случай световода со ступенчатым профиля показателя преломления. В связи с этим можно заключить, что дальнейший прогресс в области волоконных лазеров и усилителей, по всей видимости, может быть связан с развитием и модификацией конструкций волоконных световодов. Так увеличение пиковой и средней мощности возможно лишь за счет разработки и применения конструкций световодов, обеспечивающих одновременно одномодовый режим распространения и высокий порог нелинейных эффектов; получение генерации на новых длинах волн, либо достижение улучшенной эффективности преобразования излучения накачки в сигнал, зачастую связано с необходимостью создания световодов, обеспечивающих увеличенный уровень потерь в спектральной области нежелательной генерации активной среды; оптимизация состава сердцевины световода, и его геометрических размеров так же позволяет существенно улучшить эффективность преобразования излучения накачки в сигнал в имеющихся конструкциях волоконных лазеров. Настоящий проект посвящен разработке и исследованию новых конструкций волоконных световодов и их практическому применению. Необходимо отметить, что сегодня создание новых типов волоконных световодов возможно лишь при теснейшем взаимодействии физики, химии и технологии – не все спроектированные конструкции световодов могут быть реализованы, и часто именно развитие и отработка нового технологического решения позволяет реализовать необходимые конструкции световодов. Более того активные свойства световодов в значительной степени определяются именно составом стекла и лишь решение сложных химических задач по одновременному введению в сетку стекла необходимых элементов позволяет добиться создания световодов с требуемыми свойствами. Так же конструкция световода, будучи идеальной “на бумаге”, в реальном эксперименте может проявить свойства, исключающие ее пригодность для практического использования, что в свою очередь требует обязательного тестирования создаваемых световодов в реальных условиях. В целом проектирование новых конструкций волоконных световодов является важным и не простым направлением волоконной оптики, которое позволит существенно расширить области применения устройств на основе волоконных световодов. К сожалению, к настоящему моменту существует лишь поверхностное понимание процессов, которые могут быть инициированы при создании более сложных структур. Проблема заключается еще и в том, что ограниченное число исследовательских групп в мире может позволить себе разработку и реализацию новых волоконных структур, а так же обладает необходимым аппаратом для их моделирования и оборудованием для их исследования. Именно поэтому большинство работ проводится посредством применения коммерчески доступных волоконных световодов. В связи с этим крайне важным направлением исследований является разработка новых волоконных структур, изучение физики процессов, происходящих в них, исследование технологических аспектов реализации структуры, разработка новых методов волоконной оптики для реализации структур с заданными свойствами. В этом состоит актуальность настоящей работы. Научная новизна проекта, посвященного разработке новых типов волоконных световодов для решения практически значимых задач, состоит в то, что впервые будет проведено детальное экспериментально-теоретическое исследование влияния конструктивных особенностей световода на его волноводные свойства. Так помимо прочего в рамках проекта планируется исследовать новые подходы к подавлению нежелательных мод, внесению спектрально-селективных потерь, обеспечению эффективной генерации на новых длинах волн и т.п. Понимание физики процессов, происходящих при модификации волоконной структуры, откроет новые горизонты для проведения дальнейших исследований и позволит увеличить диапазон применений методов волоконной оптики. Сравнение уже известных структур и разрабатываемых новых конструкций световодов позволит найти оптимальное (с практической и экономической точек зрения) решение для задач, выполнение которых невозможно при использовании стандартных волоконных световодов.

Ожидаемые результаты
В ходе работ над проектом будет рассмотрен ряд новых конструкций волоконных световодов, реализованы и протестированы наиболее перспективные из них (как предложенные в рамках настоящего проекта, так и разработанные ранее), а так же будет исследована возможность практического применения разработанных нестандартных световодов. Основные усилия будут направлены по следующим направлениям: - разработка дизайна, создание и исследование конструкций световодов с дополнительными элементами в отражающей оболочке. В данном случае речь идет как об оптически более плотных элементах (ранее было показана перспективность таких элементов для подавления распространения нежелательных мод, либо для внесения спектрально-селективных оптических потерь), так и элементов с показателем преломления ниже уровня кварцевого стекла, которые при определенной конфигурации так же могут существенно влиять на условия распространения мод в сердцевине световода. Будет спроектирован, реализован и протестирован ряд практически значимых конструкций световодов. В частности, ожидается достичь прогресса в реализации световодов с увеличенной площадью моды, и одномодовым режимом распространения, так же ожидается реализация конструкции световода пригодной для фильтрации излучения в заданном спектральном диапазоне. - Будет исследован ряд конструкций световодов с увеличенным соотношением размера сердцевины к оболочке. Такие конструкции световодов интересны прежде всего для реализации эффективной генерации в спектральных областях 1550 нм (легированные эрбием световоды с накачкой по оболочке), 976 нм (легированные иттербием световоды, работающие по трехуровневой схеме) и 915 нм (легированные неодимом световоды, работающие по трехуровневой схеме). В данном случае планируется как поиск и реализация новых подходов к достижению одномодового режима распространения в световодах с увеличенным соотношением размера сердцевины к оболочке, так и применение уже разработанных подходов к новым задачам (например, реализация эффективного неодимового лазера для спектральной области 915 нм). - применение разработанных световодов для решения практических задач. В данном случае важным аспектом настоящего проекта является исследование возможности реального применения разработанных световодов на практике, в частности, изучение эффектов, не учтенных при моделировании конструкции волоконного световода, которые могут ограничивать и/или даже исключать возможность достижения заданных характеристик лазеров. На основе результатов, полученных в рамках настоящего направления исследований будут модифицироваться требования к разрабатываемым конструкциям световодов и поиск новых, улучшенных конструкций световодов будет выполнен.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ