Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на решение проблемы эффективного управления характеристиками многомодового излучения за счет индуцированных фс-лазером 3-мерных (объемных) структур показателя преломления (ПП) регулярного и случайного характера внутри многомодового световода, которые позволят фильтровать, модифицировать, преобразовывать, связывать моды между собой, причем контролируемым образом. Это открывает принципиально новые возможности управления многомодовыми пучками как в линейном, так и нелинейном (совместно с эффектами ВКР, Керра, ЧВС и др.) режимах и создавать на этой основе новые технологии и устройства на основе фс-структурированных многомодовых и многосердцевинных световодов (ММС и МСС). 1 год выполнения проекта был посвящен разработке методов характеризации и управления параметрами многомодового излучения с помощью пространственного модулятора света, разработке методов формирования в ММС 3-мерных регулярных структур показателя преломления типа 3D ВБР с помощью поточечной фемтосекундной модификации показателя преломления, исследованию режимов селекции фундаментальной моды или набора мод в ВКР-лазере на основе градиентного ММС с многомодовой диодной накачкой и внутри-волоконными 3D ВБР и получению генерации ВКР-лазера на основе ММС со ступенчатым профилем ПП с диодной накачкой, экспериментальному и теоретическому исследованию совместного действия нелинейных эффектов Керра и ВКР на модовую динамику и качество пучка при ВКР-преобразовании многомодового излучения в градиентном ММС с внутриволоконными 3D ВБР, отработке технологии 3D интерферометрических отражателей в МСС на основе ВБР, записанных в разных сердцевинах, и исследованию ВКР-генерации с ними, изучению влияния рэлеевского рассеяния на фс-индуцированных случайных 1D структурах показателя преломления на характеристики волоконного РОС-лазера. При выполнении работ были получены следующие результаты: 1) Разработаны методы характеризации и управления параметрами многомодового излучения на основе модовой декомпозиции (МД) пучка с использованием пространственного фазового модулятора света (ПМС) и проведено их тестирование на задаче распространения импульсного излучения в градиентных ММС. В частности, реализовано ПО, позволяющее производить измерение модового состава фазовым ПМС в полностью автоматическом режиме. Автоматизированы процедура калибровки и анализа сохранённых данных (реконструкции пучка). Оптимизация процесса генерации фазовых масок, захвата и сохранения данных позволила существенно снизить время разложения по модам. Работоспособность метода МД проверена для оптических импульсах разной природы и длительности от суб-наносекундных до пикосекундных в ММС. Во всех случаях продемонстрировано отличное согласие между измеренным распределением ближнего поля (спекл-картины) и восстановленным по результатам МД. Проведена модификация метода МД для анализа излучения квази-непрерывного выходного излучения многомодового ВКР-лазера, включая сильно-многомодовый пучок диодной накачки и маломодовый пучок стоксова излучения. 2) Разработаны методы формирования 3-мерных структур показателя преломления в ММС с помощью поточечной фемтосекундной модификации. Для задания необходимых профилей структур проведена разработка методов сканирования (развертки) сфокусированного пучка в рамках двух подходов. Первый подход основан на смещении пучка лазерного излучения в фокальной области объектива при изменении угла входа в фокусирующую оптику за счет расположения поворотного оптического элемента перед ней. Второй подход основан на смещении волокна в процессе записи с помощью 3-мерного пьезо-позиционера, на котором закреплена ферула с волокном. По разработанным методам сканирования (развертки) разработаны и созданы устройства и узлы записи для обеспечения сканирования сфокусированного пучка лазерного излучения внутри ММС с градиентным и ступенчатым профилем ПП (а также в МСС), и с их помощью записаны образцы регулярных и случайных структур. 3) Проведены эксперименты по записи 3D ВБР с различными параметрами в различных схемах фемтосекундной записи (поточечная, астигматический пучок, поперечное сканирование) в сравнении с традиционной методом УФ записи ВБР. Исследованы спектральные характеристики 3D ВБР в зависимости от условий записи и выбраны оптимальные. С оптимальными ВБР собран ВКР лазер на основе градиентного ММС с селекцией фундаментальной моды LP01 (качество пучка M2<2 при мощности >50 Вт на 976 нм), который дает рекордное увеличение яркости (BE=73) генерируемого пучка по сравнению с сильно-многомодовым излучением диодной накачки (M2~34 на 940 нм). Продемонстрирована возможность получения моды следующего порядка (LP11) в таком лазере. Реализована каскадная генерация 2го стоксова порядка на 1019 нм с дифракционным качеством пучка (M2~1.3). Кроме того, собран и запущен ВКР лазер с прямой диодной накачкой на основе ММС со ступенчатым профилем показателя преломления, в котором генерируются моды (набор мод) более высокого порядка. 4) Проведено экспериментальное и теоретическое исследование совместного действия нелинейных и линейных эффектов на модовую динамику и качество пучка при ВКР-преобразовании многомодового излучения лазерных диодов в градиентном ММС с внутриволоконными 3D ВБР. Измерены профили пучков накачки и Стокса, их модовый состав с помощью техники МД, исследованы эффекты взаимодействия интенсивных волн сигнала и накачки (выжигание пространственных дыр). Для условий эксперимента проведен численный расчет в модели связанных мод, который хорошо описывает основные эффекты. Детальное сравнение результатов расчета и эксперимента показало, что провал в накачке, вызванный истощением, уширяется из-за сильной случайной связи мод. При этом он преобразуется в узкий и высокоинтенсивный, близкий к одномодовому стоксов пучок, что как следствие, приводит к увеличению яркости. Несмотря на наличие сильной случайной связи мод, стоксов пучок не размывается благодаря совместному действию Керровской самочистки и фильтрации фс-ВБР. Эти эффекты слабо влияют на сильно-многомодовый пучок диодной накачки, поперечный профиль которого в основном определяется случайной связью мод, что приводит к параболической форме на входе и почти однородному истощению на выходе. В аналогичных экспериментах со ступенчатым ММС профиль проходящей накачки имеет профиль близкий к прямоугольному, а стоксов пучок становится многомодовым и сильно изрезанным из-за интерференции, с намного худшим параметром качества (M2~12), чем в градиентном ММС. 5) Разработана технология 3D интерферометрических отражателей в МСС на основе ВБР, записанных в разных сердцевинах с регулярными и/или случайными продольными сдвигами. Исследованы спектральные свойства данных структур в зависимости от их параметров. Создан и исследован ВКР-лазер на основе 7-сердцевинного МСС и 3D интерферометрических отражателей, формируемых с двух концов МСС в периферийных сердцевинах. Показано, что в МСС с перекрестной связью между сердцевинами интерференция приводит к модуляции спектров вблизи порога генерации. В результате, данный метод обеспечивает многоволновую генерацию, а при определенных условиях приводит к селекции одного узкого спектрального пика. Кроме того, селективная запись высокоотражающих ВБР в определенных сердцевинах МСС позволяет задавать форму выходного пучка многосердцевинного лазера и тем самым производить пространственную локализацию выходного стоксова пучка, например, в центральной сердцевине, тогда как накачка и внутрирезонаторное стоксово излучение равномерно распределены между сердцевинами. 6) Изучено влияние рэлеевского рассеяния на фс-индуцированных случайных 1D структурах показателя преломления во внешнем волокне на характеристики эрбиевого волоконного РОС-лазера. В частности, проведена отработка технологии и характеризация записанных образцов случайных структур в ОМС. Показано, что можно получить увеличение уровня рэлеевского рассеяния (РР) до +50 дБ/мм относительно уровня естественного РР стандартного волокна SMF-28e+ при низком уровне наведенных потерь в 5-см образце (<2 дБ). Присоединение рэлеевского отражателя приводит к сужению линии РОС-лазера (~1 кГц) на порядок, примерно также, как и рэлеевское отражение от 25-км катушки волокна SMF-28e+. Использование образца длиной 10 см с рассеянием на уровне +41 дБ/мм и низким уровнем потерь (0,5 дБ) вместо одной из ВБР в схеме эрбиевого лазера с линейным резонатором приводит к одночастотной (<10 кГц) случайной генерации мощностью до 2,5 мВт, с возможностью плавной перестройки внутри линии усиления эрбия за счет перестройки второй ВБР с сохранением узкополосного режима генерации. По результатам 1 года опубликованы 12 статей WoS/Scopus (из них 3 – в журналах 1 квартиля), сделаны 13 докладов на конференциях (из них 2 –приглашенных), проведена Международная школа молодых ученых, привлечен по конкурсу 1 постдок из Германии.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на решение проблемы эффективного управления характеристиками многомодового излучения за счет индуцированных фс-лазером 3-мерных (объемных) структур показателя преломления (ПП) регулярного и случайного характера внутри многомодового световода, которые позволят фильтровать, модифицировать, преобразовывать, связывать моды между собой, причем контролируемым образом. Это открывает принципиально новые возможности управления многомодовыми пучками как в линейном, так и нелинейном (совместно с эффектами ВКР, Керра, ЧВС и др.) режимах и создавать на этой основе новые технологии и устройства на основе фс-структурированных многомодовых и многосердцевинных световодов (ММС и МСС). На 2 год проекта было запланированы исследования возможностей фокусировки многомодового излучения в выбранную моду МСС с интегрированными структурами; перенос технологии 3D интерферометрических отражателей в МСС на ММ световоды и их использования для селекции мод в ММС резонаторах; разработка методов формирования волоконного отражательного интерферометра на торце ММС/МСС и исследование возможностей создания сенсора коэффициента преломления; разработка и сборка схемы импульсного ВКР-лазера на основе градиентного ММС с активной синхронизацией мод и исследование пространственно-временной динамики импульсов; исследование возможностей пространственно-временной синхронизации мод; изучение влияния рэлеевского рассеяния на индуцированных случайных 3D структурах показателя преломления в ММС на характеристики излучения волоконного ВКР-лазера. При выполнении работ были получены следующие результаты: 1) Исследован режим фокусировки многомодового излучения в выбранную моду МСС. Для структурирования пучка с помощью пространственного модулятора (ПМ) осуществлена реализация модифицированного алгоритма Гершберга-Сакстона c точностью позиционирования фокусных пятен ~2%. С использованием реализованного алгоритма проведена фокусировка структурированного пучка как во все 7 сердцевин, так и выбранную сердцевину МСС. Установлено, что процесс структурирования света существенно не влияет на длительность импульса. Обнаружен и исследован эффект концентрации (фокусировки) генерируемого излучения в одну моду при изгибе активного 4-сердцевинного МСС с интегрированными структурами (массив ВБР), предложен механизм, объясняющий эффект. Получена генерация в активном 7-сердцевинном МСС с ВБР. В отсутствие связи мод генерация в разных сердцевинах происходит независимо, а мощность распределяется равномерно с суммарным значением 33 Вт. При этом спектры генерации отдельной сердцевины вблизи порога существенно уже, чем суммарный спектр генерации, однако с ростом мощности их ширины становятся близки (~0.2 нм), т.к. суммарный спектр практически не уширяется. 2) Продемонстрирована возможность переноса технологии 3D интерферометрических отражателей, примененной ранее в МСС, на ММС. Получена и исследована генерация ВКР лазера на основе градиентного ММС и сформированными методом фс-записи интерферометрических отражателей на основе 1D-3D случайных массивов коротких ВБР (14-28 элементов). Продемонстрирована возможность селекции массивом низших поперечных мод (М2~2) и достижения уровня мощности ~30 Вт. Методом модовой декомпозиции (МД) исследовано распределение выходного излучения многомодового ВКР-лазера по поперечным модам градиентного световода в сравнении с пассивными системами. Установлено, что распределение мод стоксова пучка имеет экспоненциальный закон с максимумом для фундаментальной моды, в отличие от распределения Рэлея-Джинса в пассивных системах. Показано, что в пассивных системах со спиральной траекторией пучка, возникающей при его заведении под небольшим углом с отстройкой от центра волокна, присуще наличие углового момента, а метод МД позволил установить, что его величина сохраняется при увеличении пиковой мощности, а распределение энергии по модам стремится к обобщённому распределению Рэлея-Джинса, включающему как главное квантовое число, так и угловой момент. Метод МД расширен на волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, в которых распределение стремится к равномерному. Для этого добавлен выбор базисных функций и реализован поиск азимутальных и радиальных чисел, характерных для волокна с заданными радиусом сердцевины и нормированной частотой. 3) Разработаны основы технологии формирования волоконного отражательного интерферометра (ВОИ) на торце ММС/МСС, продемонстрированы возможности создания узкополосного фильтра в отраженном свете и чувствительного элемента сенсора коэффициента преломления на основе ВОИ. 4) Разработаны схемы импульсного ВКР-лазера на основе структурированного градиентного ММС с активной синхронизацией мод (АОМ модуляция, модуляция накачки), проведено экспериментальное и теоретическое исследование пространственно-временной динамики излучения в различных схемах импульсного лазера. Максимальная пиковая мощность достигнута в схеме с объемным АОМ (~300 Вт) из-за наименьших потерь и двойного прохода волны накачки. Схема с модуляцией усиления имеет намного меньшую пиковую мощность из-за неоптимальной модуляции накачки, однако стабильность генерации ВКР в этом случае выше. 5) Выяснены возможности пространственно-временной синхронизации мод в полностью волоконной схеме ВКР-лазера на основе градиентного ММС и одномодового световода с большой площадью моды (LMA) как с активной модуляцией с помощью АОМ, так и с пассивной синхронизацией. Полученные с АОМ импульсы имеют 100% модуляцию как для 1го, так и 2го стоксовых порядков, причем практически в противофазе из-за их взаимодействия. Длительность отдельных суб-импульсов составляет 5-7 нс, однако анализ их структуры показывает, что они имеют низкую временную когерентность и являются близким к шумовым. Параметр качества составил М2~2.86 и 2.08 для 1го и 2го стоксовых порядков соответственно, что говорит о высокой пространственной когерентности генерируемых пучков при низко-когерентной накачке лазерным диодом (M2~20). Собрана схема и выполнены предварительные эксперименты по пассивной пространственно-временной синхронизации мод в кольцевом резонаторе на основе ММС и LMA световодов. Сделана оценка параметров, при которых возможна активация эффекта Керровской самочистки в ММС. 6) Изучено влияние рэлеевского рассеяния на индуцированных случайных 1D-3D структурах показателя преломления во внешнем ММС на характеристики излучения волоконного ВКР-лазера на основе ММС с внутриволоконными регулярными 3D структурами (многомодовыми ВБР). Показано, что добавление случайных 1D-3D структур слабо влияет на генерацию 1го стоксова порядка ВКР, однако существенно уменьшает порог случайной генерации 2го стоксова порядка, для которого получена мощность 5 Вт с близким к дифракционному качеством пучка (М2~1.6). Также показано, что случайный 1D-3D отражатель можно использовать вместо выходной фс-ВБР и впервые получить случайную генерацию 1го стоксова порядка в структурированном ММС, однако из-за больших потерь в нем выходная мощность в максимуме (для 2D отражателя) составила 6.2 Вт. Кроме запланированных, были получены результаты по исследованию радиационной стойкости ВБР, свойств геликоидальных (спиральных) плазменных филаментов при распространении фс импульсов в ММС с целью их использования для записи спиралевидных 3D структур, проведен расчет параметрической генерации, начата работа по применению ММС для диагностики замораживаемых биообъектов. По результатам 2 года проекта опубликованы 18 статей WoS/Scopus (из них 5 – в журналах 1 квартиля, из них 2 высокорейтинговых, IF≥9), 2 статьи приняты, 1 статья отправлена в печать, участниками проекта сделаны 16 докладов на конференциях (из них 5 – приглашенных), проведена Международная школа молодых ученых, привлечены по конкурсу 3 постдока, защищены 2 кандидатские диссертации. Информация о проекте размещена на сайте лаборатории волоконной оптики ИАиЭ СО РАН https://www.iae.nsk.su/ru/laboratory-sites/l17 .

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на решение проблемы эффективного управления характеристиками многомодового излучения за счет индуцированных фс-лазером 3-мерных структур показателя преломления регулярного и случайного характера внутри многомодового световода, которые позволят фильтровать, модифицировать, преобразовывать, связывать моды между собой, причем контролируемым образом. Это открывает принципиально новые возможности управления многомодовыми пучками как в линейном, так и режимах и создавать новые технологии и устройства на основе фс-структурированных многомодовых и многосердцевинных световодов (ММС и МСС). На 3 год проекта были запланированы исследования возможности применения внутриволоконных решёток и/или интерферометров на торце ММС/МСС, сужения спектра лазерной генерации в МСС резонаторе с модовой связью и 3D массивом ВБР, преобразования частоты генерации ВКР-лазера на основе градиентного ММС в видимый и ИК диапазон при накачке многомодовыми лазерными диодами с разными длинами волн, возможности генерации и применения структурированных пучков, сформированных с использованием пространственного модулятора света, формирования в резонаторе на основе ММС и LMA световодов стабильных пространственно-временных световых структур, применения МСС со случайными структурами в качестве датчиков формы, применения методов машинного обучения для анализа и обработки многомодовых сигналов сенсоров, применения комбинационного рассеяния с использованием многомодовых волокон для мониторинга замораживаемых биообъектов. При выполнении работ были получены следующие результаты: 1. Продемонстрирована возможность формирования приосевого интерференционного зеркала на торце ММС и его применения для селекции мод и перестройки частоты резонатора многомодового ВКР-лазера. Полученная выходная мощность (>23 Вт) демонстрирует достаточно высокую лучевую стойкость напыленного зеркала. Объяснено сужение спектра ВКР-лазера с 2D-3D массивом ВБР в ММС с диодной накачкой, обусловленное интерференцией пучков, отраженных от разных ВБР в массиве. В дополнение к интересной физике это новый технологический подход, который позволяет довольно просто записывать фс импульсами массив коротких ВБР в приосевой области ММС с модовой селекцией. Исследован эффект сужения спектра генерации в МСС резонаторе с модовой связью и 3D массивом ВБР, построена модель и определены физические факторы, приводящие к коллапсу отдельных линий сердцевин в одну узкую линию при наличии сильной оптической связи между ними, основным из которых является гибридизация супермод, когда результирующий спектр определяется средне-геометрическим спектром отражения ВБР в массиве. 2. Продемонстрирована возможность преобразования частоты генерации ВКР-лазера на основе градиентного ММС в ИК диапазон (1019 нм) при накачке многомодовыми лазерными диодами (ЛД) с разными длинами волн (938 и 976 нм). Измеренный параметр качества пучка, а также его широкий спектр говорят о том, что при усилении многомодового излучения ЛД на длине волны 976 нм чистка пучка недостаточна и как следствие преобразование многомодовой ЛД накачки 938 нм в 1019 нм идет, но не достаточно эффективно. Продемонстрирована возможность преобразования пучка ММС ВКР-лазера в видимый диапазон и пути повышения эффективности ГВГ: при низкой мощности получена генерация 488 нм в 1-см кристалле PPLN коэффициентом квадратичной нелинейности 2,8*10-2 Вт-1, собран резонатор с коэффициентом усиления интенсивности на длине волны 976 нм около 40, что позволяет реализовать ГВГ ВКР-лазера во внутрирезонаторной схеме. Продемонстрирована возможность формирования сложных внутриволоконных 3D структур в ММС/МСС, сформированных с использованием пространственного модулятора (ПМ) света, в т.ч. разработана новая методика записи ВБР в статическом волокне с использованием ПМ для изменения положения точек фокусировки внутри сердцевины волокна и продемонстрирована запись сложных 3D ВБР структур с кольцеобразным поперечным сечением, обеспечивающей селективное отражение мод более высокого порядка в многомодовом волокне. Продемонстрированы возможности формирования структурированных пучков с помощью ПМ и исследованы нелинейные эффекты при распространении структурированного пучка в МСС. Обнаружено, что для уложенного прямолинейно МСС наблюдается нелинейная связь между сердцевинами. Показано, что кусок МСС можно использовать как искусственный насыщающийся поглотитель для формирования ультракоротких импульсов. 3. Выяснены возможности формирования на ММС выходе из резонатора LMA лазера стабильных пространственно-временных световых структур и возможности достижения пассивной пространственно-временной синхронизации мод в комбинированном ММС/LMA волоконном резонаторе. Продемонстрированный эффект керровской самочистки для пучка LMA лазера с синхронизацией мод можно использовать создания новых типов гибридных резонаторов для волоконных задающих генераторов с высокой выходной мощностью. 4. Продемонстрированы возможности применения МСС со случайными структурами в качестве датчиков формы. Проведена характеризация структурированных МСС методом OFDR рефлектометрии, модифицированным для опроса 7 сердцевин. Показано, что увеличенное отношение сигнал/шум датчика с записанными распределенными случайными отражателями позволяет восстанавливать форму волокна с меньшей погрешностью по сравнению с датчиком на основе чистого волокна при внесении потерь в оптический канал, а также расширить рабочий диапазон по уровню сигнала. 5. Изучены возможности применения методов машинного обучения для анализа и обработки многомодовых сигналов сенсорных систем мониторинга на основе массивов ВБР в МСС с близкими резонансными длинами волн. Полученная средняя ошибка определения спектрального сдвига резонанса ВБР на обучающих данных превышает 1 нм, что пока недостаточно для определения откликов разных ВБР. Наиболее вероятной причиной недостаточной эффективности нейронной сети является малый объем обучающих данных по сравнению с размерностью решаемой задачи: по 4000 точкам спектра отражения сенсора необходимо предсказать 5 значений спектральных сдвигов резонанса ВБР, что планируется улучшить в дальнейщем. Продемонстрированы возможности применения метода комбинационного рассеяния света с использованием многомодовых волокон для мониторинга замораживаемых биообъектов. Начаты эксперименты по разогреву эмбрионов мыши с помощью волоконного лазера с энергией импульса ~10 мДж, которые не дали однозначного результата. Показано, что основным ограничителем является высокое соотношение площади к объему, из-за которого малый образец быстро охлаждается сразу после лазерного импульса. Начата подготовка новых экспериментов по лазерному разогреву более мощным лазером для образцов с большей теплоемкостью и соотношением объема к площади образца, которые планируется завершить на следующем этапе. 6. Дополнительно исследовались вызванные фс импульсами спиральные плазменные филаменты при распространении в ММС и возможности их использования для записи спиралевидных 3D структур показателя преломления, развивались методы модовой декомпозиции для будущего анализа многомодовых пучков, генерируемых в разных схемах резонаторов ММC ВКР лазера с внутриволоконными и торцевыми структурами, возможности записи ВБР и массивов ВБР для селекции мод в многомодовых висмутовых световодах, возможности применения массивов ВБР для 2D тактильных сенсоров с использованием методов машинного обучения, которые будут продолжены на следующем этапе проекта. По результатам 3 года проекта опубликованы 14 статей WoS/Scopus (из них 2 – в журналах 1 квартиля), а также 4 публикации, индексируемых РИНЦ, 3 статьи отправлены в журналы 1 квартиля, участниками проекта сделаны 22 доклада на ведущих конференциях (из них 2 – пленарных, 5 – приглашенных), проведена Международная школа молодых ученых, защищена 1 кандидатская диссертация, организованы 2 молодежные темгруппы. Информация о проекте размещена на сайте лаборатории волоконной оптики ИАиЭ СО РАН https://www.iae.nsk.su/ru/laboratory-sites/l17 .