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 21-72-30024

НазваниеФундаментальные задачи и новые технологии фотоники многомодовых волоконных световодов с регулярными и случайными 3-мерными структурами

РуководительБабин Сергей Алексеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словамногомодовый световод, многосердцевинный световод, волоконная брэгговская решётка, 3-мерная структура, волоконный лазер, ВКР лазер, волоконный сенсор, градиентный световод, чистка пучка, диодная накачка, перестраиваемый, одночастотный, модовая декомпозиция, глубокое обучение

Код ГРНТИ29.33.35


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Фотоника в настоящее время бурно развивается и фактически превратилась в самостоятельную область науки, осуществляя связь между фундаментальными задачами лазерной физики и нелинейной оптики и актуальными практическими задачами, направленными на разработку новых лазерных и оптико-информационных технологий. Современные фотонные технологии генерации, приема-передачи, усиления, преобразования оптических сигналов основаны на волоконных, интегрально-оптических и гибридных схемах. Волоконные световоды при этом являются базовыми элементами телекоммуникационных, лазерных, сенсорных и других практических систем. В виду ограниченной пропускной способности стандартных одномодовых световодов, в последнее время активно исследуются многомодовые волоконные световоды, позволяющие увеличить пропускную способность за счет пространственного уплотнения, т.е. передачи излучения не в одной, а во многих поперечных модах. При этом их практическое использование пока ограничено из-за технических сложностей управления параметрами отдельных мод, а также наличия взаимодействия мод при их распространении как из-за линейных, так и нелинейных эффектов, которые проявляются при увеличении мощности излучения и сильно усложняют пространственно-временную динамику многомодового излучения. Исходя из этого, исследования в мире ведутся как в направлении поиска стабильных пространственно-временных световых структур, формирующихся, в частности, при передаче мощных сверхкоротких импульсов, так и возможностей управления многомодовыми пучками контролируемым образом. В проекте предлагается модифицировать многомодовые световоды за счет индуцированных фемтосекундным лазером малых поточечных изменений показателя преломления и формирования внутри многомодового световода 3-мерных (объемных) структур как регулярного, так и случайного характера, а также их комбинации. Как показали наши недавние предварительные исследования элементов таких структур типа многомодовой волоконной брэгговской решётки (ВБР), они могут существенно влиять на характеристики многомодового излучения. Развивая эту новую платформу фотоники, планируется провести комплексные исследования физических процессов при взаимодействии многомодового излучения с многомодовыми (в т.ч. многосердцевинными) световодами с внутриволоконными 3-мерными регулярными и случайными структурами как в линейном, так и нелинейных режимах распространения, усиления, генерации и преобразования, а также возможности их влияния на формирование стабильных пространственно-временных световых структур. На основе полученных новых фундаментальных знаний будут разработаны новые фотонные технологии, позволяющие контролируемым образом изменять характеристики многомодового излучения как в коротко-импульсных, так и (квази)непрерывных режимах. На этой основе будут предложены и реализованы новые схемы и элементы лазерных, сенсорных и телекоммуникационных систем с использованием многомодовых световодов с внутриволоконными структурами в качестве источников излучения, усилителей, нелинейных преобразователей, 3-мерных датчиков и других устройств с новыми функциональными возможностями и уникальными характеристиками. Помимо указанных «лазерно-оптических» применений многомодовые/многосерцевинные волокна с интегрированными структурами и системы на их основе имеют большой потенциал для применений в микрообработке материалов и создании «умных» композитов, микрохирургии, биомедицине, биохимии и других областях. В дополнение к научным и технологическим достижениям, в результате выполнения проекта на базе существующей лаборатории волоконной оптики (мирового уровня) предполагается сформировать две новые молодежные лаборатории, специализирующиеся на оптической обработке и передаче сигналов с помощью структурированных многомодовых волокон и 3D сенсорах формы и перемещений и биохимических сенсорах на основе структурированных многосердцевинных волокон, соответственно.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет разработана новая физическая платформа фотоники – многомодовые волоконные световоды с вписанными внутриволоконными 3-мерными струкутрами, дающими световодам принципиально новые качества. На этой платформе будут проведены комплексные исследования физических процессов при взаимодействии многомодового излучения с многомодовыми (в т.ч. многосердцевинными) световодами с внутриволоконными регулярными и случайными объемными структурами как в линейном, так и нелинейных режимах распространения, усиления, генерации и преобразования. На основе полученных новых фундаментальных знаний будут разработаны новые фотонные технологии, позволяющие контролируемым образом изменять характеристики многомодового излучения как в коротко-импульсных, так и (квази)непрерывных режимах. На этом технологическом базисе будут предложены и реализованы новые схемы и элементы лазерных, сенсорных и телекоммуникационных систем с новыми функциональными возможностями и уникальными характеристиками для практических применений. Более конкретно, будут получены следующие результаты, опережающие современный мировой уровень: 1) Разработаны методы характеризации и управления параметрами многомодового излучения на основе модовой декомопозиции и пространственной фильтрации. 2) Разработаны методы формирования регулярных и случайных 3-мерных структур внутри многомодового (ММ) и многосердцевинного (МС) световодов с помощью поточечной фемтосекундной модификации показателя преломления. 3) Изучено совместное действие нелинейных эффектов Керра, Рамана (ВКР) и параметрического четырех-волнового смешения на модовую динамику (взаимодействие) и качество пучка при ВКР-преобразовании многомодового излучения в ММ и МС световодах с внутриволоконными структурами показателя преломления. 4) Экспериментально реализован, изучен экспериментально и описан теоретически режим нелинейной «фокусировки» многомодового излучения в выбранную моду многомодового/многосерцевинного световода с интегрированнымии структурами. 5) Изучено влияние параметров самого световода и интегрированных структур на формирование стабильных пространственно-временных световых структур и возможности получения многомодовых аналогов одномодовых солитонов, диссипативных солитонов, световых "пуль". 6) Отработана технология, созданы образцы и изучены характеристики 3-мерных интерферометрических отражателей в МС световодах на основе ВБР, записанных в разных (связанных) сердцевинах с регулярными и/или случайными пространственным сдвигами. Продемонстрированы возможности селекции как поперечных, так и продольных мод в МС волоконном резонаторе с таким интерферометрическим отражателем. 7) Продемонстрирована возможность переноса технологии 3-мерных интерферометрических отражателей на многомодовые световоды и их использования для селекции поперечных и продольных мод. 8) Разработан метод поточечной фемтосекундной записи по формированию дифракционного варианта отражательного интерферометра непосредственно в сердцевине ММ/МС световода с целью получения узкополосной фильтрации в отраженном свете. 9) Продемонстрирована возможность применения внутриволоконных решёток и/или волоконных отражательных интерферометров на торце ММ и МС световодов для перестройки частоты многомодового лазерного резонатора. 10) Сформированы длинные слабые случайные 3D структуры в ММ и МС световодах и изучено их влияние на пространственную и временную когерентность одно-и многомодовых лазерных пучков 11) Продемонстрирована возможность применения многомодовых световодов с регулярными и случайными структурами в качестве датчиков формы и перемещений. Проведена модификация для структурированных ММ и МС световодов методов ф-OTDR и OFDR, применяемых в одномодовых световодах. 12) Изучены и реализованы возможности методов машинного обучения для анализа многомодовых лазерных пучков и многомодовых сигналов коммуникационных и сенсорных систем. 13) С помощью разработанных технологий будут созданы источники излучения на основе структурированных активных и пассивных ММ и МС световодов с одномодовой и многомодовой накачкой c уникальными выходными характеристиками, в т.ч. в новых спектральных диапазонах (за счет ВКР-преобразования и четырехволнового смешения): - одночастотные лазеры с предельно узкой шириной линией и увеличенной мощностью (на основе активных ММ и МС световодв), в т.ч. с перестройкой в широком диапазоне, - мощные узкополосные одномодовые ВКР-лазеры с перестройкой в широком диапазоне (на основе ММ световодов с одно- и многомодовой накачкой) - мощные одномодовые ВКР лазеры с генерацией на новых линиях и преобразованием в видимый и средний ИК диапазон (на основе ММ и МС световодов с прямой многомодовой диодной накачкой) - импульсные лазеры с активной, пассивной и гибридной синхронизацией мод (на основе ММ и МС световодов с лазерной или прямой многомодовой диодной накачкой), включая высокоэнергетичные ульракороткие импульсы (в том числе пространственно-временные диссипативные солитоны) и их эффективное преобразование в новые спектральные диапазоны. 14) На основе новых источников излучения и компонент на основе ММ и МС световодов с 3D структурами будут созданы экспериментальные макеты следующих систем c демонстрацией принципиальных возможностей для: - оптической обработки и передачи сигналов с помощью ММ и МС световодов для применений в оптической связи, - сенсинга 3D формы и перемещений с помощью МС световодов для применений в микрохирургии, умных композитах, с возможностью расширения функций до биохимических сенсоров.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ