Лаборатория нелинейной фотоники

Научные результаты:

• Разработаны методы моделирования лазерной генерации и пространственного управления нелинейностью в применении к импульсным волоконным лазерным системам, алгоритмы для объемной численной оптимизации волоконных лазерных систем с нетривиальным волоконным резонатором, новые методы детектирования сигнала, позволяющие снизить количество ошибок на 20–30%, метод управления нелинейной эволюцией импульсов внутри резонатора и получения генерации импульсов различной длительности, знака и величины фазовой модуляции (чирпа), метод регенеративной активной синхронизации мод в волоконном лазере, метод увеличения эффективности нелинейного преобразования частоты на величину до 20–30%.
• Показана необходимость учета влияния начального распределения поля при моделировании волоконных лазеров с длинным и сверхдлинным резонатором для поиска всевозможных аттракторов (метод моделирования).
• Получена формула, описывающая зависимость энергии от длины резонатора для одноимпульсных режимов в длинных волоконных лазерах (закон масштабирования энергии).
• Разработана новая архитектура длинных волоконных лазеров, обеспечивающая два типа синхронизации мод и вариацию дисперсии резонатора для управления формой и шириной генерируемых импульсов (схема).
• Проведена оптимизация свойств насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок, что позволило получить импульсную лазерную генерацию с относительно высоким уровнем мощности в задающем генераторе (экспериментальный образец лазера).
• Определены возможности и ограничения слабонелинейной компрессии лазерных импульсов с положительной частотной модуляцией (чирпом) в волокнах с аномальной дисперсией. Теоретически и экспериментально найдены значения предельных мощностей излучения, ниже которых возможно сжатие импульсов до предела Фурье. Найдено значение оптимальной длины волокна для сжатия импульсов с надкритическим уровнем мощности (формулы/законы).
• Установлено, что двухмасштабные лазерные импульсы обеспечивают более высокую эффективность нелинейно-оптических преобразований, что связано с наличием в структуре таких импульсов фемтосекундных составляющих (суб-импульсов) с высоким уровнем пиковой мощности (схема).
• Разработана схема пространственно-частотного однородного усиления с вариацией мощности менее 3дБ на 100 км.
• Определены оптимальные параметры дисперсии резонатора тулиевого лазера. Получена нелинейная зависимость энергии импульса от длины резонатора.
• Введены новая математическая модель и эффективные параллельные вычислительные алгоритмы для моделирования распространения лазерного излучения в многоядерных оптических волокнах.
• Разработан импульсный полностью волоконный тулиевый лазер с оригинальной гибридной NALM-NOLM схемой с модуляцией добротности за счет насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита и углеродных нанотрубок с рекордно высоким уровнем выходной мощности для лазеров данного типа.
• Продемонстрирована импульсная генерация в волоконном лазере со случайной распределенной обратной связью. За счет вставки в резонатор графенового фильтра и вращателя поляризации лазер генерировал импульсы длительностью 900 пс с широкой перестройкой (свыше двух порядков величины по длительности импульсов и трех порядков величины по частоте повторения).
• Разработаны и изготовлены новые конфигурации насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок и вытянутого оптического волокна. Продемонстрирован эффект насыщающегося поглощения при распространении оптического излучения по волокну. Получена импульсная лазерная генерация в волоконных лазерах с использованием собранных образцов.
• Предложена и исследована новая схема схерхдлинного волоконного ИК-лазера – адиабатический солитонный лазер, синхронизация мод в котором осуществляется с помощью насыщающегося поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок. Главной особенностью предложенной схемы лазера является использование длинного участка стандартного одномодового световода в качестве активной среды, усиление сигнала в котором осуществляется с помощью двухкаскадного ВКР-преобразования излучения. Схема обеспечивает равномерное адиабатическое усиление сигнала вдоль световода; энергия сигнала в предложенной схеме превышает энергию сигнала, достижимую в традиционных солитонных лазерах.
• Продемонстрировано, что увеличение длины линии связи ведет к увеличению коэффициента ошибок. Показано, что минимальный коэффициент ошибок достигается в схеме ультрадлинного лазера с распределенным ВКР-усилением при коэффициенте отражения «входной» брэгговской решетки на длине волны Стоксова сдвига, равном 0.05, вследствие подавления переноса шумов. Показано, что использование для передачи информации в схеме ультрадлинного ВКР-лазера волокон с высокой дисперсией приводит к уменьшению процесса переноса шумов и, следовательно, к уменьшению коэффициента ошибок.
• Разработан волоконный ВКР-лазер для терапии раковых клеток. Разработанный лазер обеспечивает импульсную генерацию с шириной спектра генерации 8 нм в районе 1270 нм, длительностью импульсов 180 пс, частотой следования 18,7 МГц, средней мощностью 100 мВт, пиковой мощностью 26 Вт, энергией импульса 5,3 нДж.
• Установлено, что наибольший стимулирующий эффект лазерного воздействия проявляется в митоген-стимулированных клеточных культурах. При этом как на уровне средних, так и медианных значений прослежена зависимость стимулирующего эффекта и усиления КонА-индуцированной пролиферации МНК от мощности лазерного воздействия.
• Разработан метод кодирования, позволяющий снизить количество символов, наиболее чувствительных к воздействию нелинейных искажений. Получено существенное снижение частоты ошибок (по меньшей мере в два раза) при кодировании и реалистичной разнице между ошибками в символах с малой амплитудой и с большой амплитудой. Для применения метода необходима предварительная оценка оптимальной энтропии для каждой конкретной статистики ошибок, что достигается с использованием теоретических результатов, полученных в работе.
• На основе OFDM предложен новый способ передачи информации по оптической линии для случая дискретного солитонного спектра, использующий не последовательность отдельных модулированных 1-солитонных решений, а общее N-солитонное решение НУШ, параметры которого несут кодированную информацию, причем таким образом, что она может быть кодирована и декодирована с помощью сочетания быстрого преобразования Фурье и нелинейного преобразования Фурье. Описаны основные принципы нового подхода, названного солитонным OFDM (SOFDM), а также возникающие при его имплементации проблемы. Приводятся перспективы, проблемы, оценки скорости передачи информации и некоторые результаты численного моделирования SOFDM. Созданы прототипы двух волоконных лазерных систем: импульсной системы с синхронизацией мод излучения и непрерывной системы, используемой в качестве базовой для получения режимов модуляции добротности и синхронизации мод.
• Показано, что в волоконных лазерах использование эффекта нелинейного спектрального сжатия позволяет повысить спектральную яркость сигнала по сравнению с системами, в которых используются оптические фильтры, а также позволяет избежать дополнительных потерь на оптических фильтрах либо сократить уровень таких потерь.
• Предложены новые схемы волоконных лазеров с использованием эффекта нелинейного спектрального сжатия для компенсации внутрирезонаторного нелинейного уширения сигнала.
• Показано, что устойчивость спектра при распространении на большие расстояния может быть использована для подавления нелинейных эффектов, которые являются основными ограничивающими факторами для роста пропускной способности и скорости передачи данных в современных волоконных линиях связи.
• Разработана и исследована новая высокоэффективная феноменологическая модель двухмасштабных импульсов, позволяющая существенно (вплоть до 2-3 порядков величины) повысить эффективность моделирования применений двухмасштабных лазерных импульсов по сравнению с используемым в настоящее время для этой цели модели на основе обобщенного нелинейного уравнения Шрёдингера. Предложенная модель обеспечивает адекватное описание временных и спектральных свойств двухмасштабных импульсов, а также корректно описывает корреляцию близких продольных мод в оптическом спектре генерации.
• Предложена и исследована усовершенствованная модель аддитивного шума, дающая согласие с экспериментальными наблюдениями, в том числе по высоте пика и пьедестала АКФ двухмасштабных импульсов.
• Выполнена экспериментальная характеризация режимов генерации одно- и двухмасштабных лазерных импульсов по уровню флуктуаций энергии и временной нестабильности следования импульсов на основе исследования радиочастотного спектра волоконного лазера. Показано существенное отличие уровня флуктуаций в различных режимах. Предложен простой метод дифференциации режимов генерации в эксперименте на основе автоматического анализа радиочастотного спектра лазера без использования дополнительных более сложных измерений.
• Получены и исследованы новые режимы генерации двухмасштабных импульсов с рекордно высоким уровнем энергии (до 12 мкДж и выше) для волоконных лазеров без дополнительных каскадов внерезонаторного усиления. Выполнен анализ новых перспективных применений двухмасштабных импульсов; выявлены актуальные приложения, в которых использование двухмасштабных импульсов более эффективно по сравнению с «обычными» полностью когерентными лазерными импульсами.
• Исследована возможность использования эффекта Керра для синхронизации мод излучения волоконного лазера. Разработана схема кольцевого волоконного лазера с оптической системой, в которой эффект Керра модулирует потери внутри резонатора, выполнен расчет параметров схемы и оптимизация на основе экспериментальных измерений. Выявлены возможности обеспечения самостарта лазера. Построена численная модель оптической системы, включающая материал с высоким показателем нелинейного коэффициента преломления для модуляции потерь внутри волоконного резонатора. Показана важность учета эффекта двухфотонной абсорбции. В результате апробации установлено, что наиболее перспективной конфигурацией волоконного лазера с синхронизацией мод на эффекте Керра является кольцевой волоконный резонатор с компенсацией дисперсии, содержащий оптическую систему с кристаллом As20Se40.
• Предложено использовать общее N-солитонное решение НУШ для передачи информации по оптической линии с ядром GLME в качестве носителя кодированной информации. Выявлено наличие относительно сильного ограничения на число отсчетов (менее 100) и связанное с ним ограничение на размер информационного сообщения в данном методе.
• Предложен новый, непараметрический, метод модуляции – солитонный OFDM (SOFDM), не имеющий ограничений на размер информационного сообщения. Метод основан на выборе постоянной мнимой части собственных чисел дискретного спектра солитонов. При этом частоты N-солитонного решения выбираются эквидистантно, что позволяет применить схему OFDM для восстановления данных рассеяния с помощью быстрого преобразования Фурье.
• Разработаны и исследованы методы управления нелинейностью в нелинейном петлевом зеркале (НПЗ) волоконного задающего генератора. Новые методы основаны на использовании в НПЗ двух отрезков активного волокна с независимыми электронно-управляемыми модулями оптической накачки, позволяющими управлять асимметрией НПЗ за счет изменения пространственного профиля усиления внутри НПЗ, а также на использовании одного отрезка активного волокна внутри НПЗ с управлением внутрирезонаторной мощностью излучения вне НПЗ. На основе предложенных методов были разработаны новые схемы импульсных волоконных задающих генераторов, обеспечивающие самостарт генерации, стабильность работы, плавное управление параметрами генерируемых импульсов и переключение режимов генерации (с возможностью получения одно- и двухмасштабных импульсов на выходе из лазера), возможность получения рекордных (для данного класса задающих генераторов без использования дополнительных каскадов внерезонаторного усиления) уровней энергии импульсов в сверхдлинных волоконных резонаторах.
• Установлено, что величина фазовой задержки резонанса КПН увеличивается с ростом частоты сканирования резонанса КПН и при высоких частотах стремится к значению pi/2. Продемонстрирован линейный рост спектральной чувствительности резонанса КПН при частотах сканирования резонанса КПН от 1 кГц и выше. Показано наличие оптимума вблизи значений частоты модуляции 2 кГц и амплитуды модуляции 2 кГц при синхронном детектировании резонанса КПН в бихроматическом возбуждающем поле. Найденные оптимальные значения частоты и амплитуды модуляции соответствуют наибольшему наклону сигнала ошибки и, следовательно, наилучшей стабильности устройства на основе резонанса КПН. Впервые дано описание качественных изменений формы регистрируемого резонанса КПН: появление осцилляций на заднем склоне. Установлено, что частота данных осцилляций в точности совпадает с величиной двухфотонной отстройки в момент формирования осцилляций.
• Разработана новая теоретическая модель для численного расчета различных вариантов последовательностей импульсов бихроматического поля (стандартная схема с двумя импульсами, нестандартная схема со вторым композитным импульсом, бесконечная периодическая последовательность импульсов). Достигнута частотная стабильность 2×10^-13 за 40000 секунд. Разработан и апробирован новый метод увеличения контраста резонанса КПН c применением обратной связи, а за счет быстрой цифровой обработки сигнала ошибки в петле обратной связи данные схемы были улучшены. Новый метод контрастирования резонанса КПН при мощности излучения накачки в 100 мкВт позволил увеличить контраст резонанса КПН на два порядка величины с 1% до 108%, и в 25 раз в динамическом режиме.

Внедрение результатов исследования:

Созданы прототипы коммерческих волоконных задающих генераторов с пассивной синхронизацией мод излучения. Разработки внедряются ООО «Техноскан – Лаб» (г. Новосибирск).

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Создана Стратегическая академическая единица (Центр) «Нелинейная фотоника и квантовые технологии НГУ».

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлены и защищены 2 докторские и 11 кандидатских диссертаций, 10 выпускных квалификационных работ магистра и бакалавра.
• Разработаны и внедрены лекционные учебные курсы: «Дополнительные главы высшей математики», «Основы вычислительной физики» (бакалавриат); «Нелинейная фотоника 1», «Нелинейная фотоника 2» (магистратура), а также 8 курсов повышения квалификации: «Системы и технологии современной фотоники. Технологическое предпринимательство», «Современные мировые тренды фотоники и оптоинформатики. Мировой рынок фотоники», «Технологические инновации фотоники. Коммерциализация наукоемких разработок», «Индустриальная фотоника. Экономическая основа высоких технологий фотоники», «Фотоника и оптоинформатика как среда инновационного развития. Управление наукоемкими инновациями», «Современные технологии фотоники для бизнеса. Инвестиционно-технологические подходы и платформы», «Технологическое брокерство. Продвижение технологий фотоники на рынок».
• Разработаны два учебных пособия: «Основы вычислительной физики. Часть 1» (С. В. Смирнов, РИЦ НГУ, Новосибирск, 2015, 113 с., ISBN 978-5-4437-0429-6) и «Основы вычислительной физики. Часть 2» (С.В. Смирнов, ИПЦ НГУ, Новосибирск, 2017, 104 с., ISBN 978-5-4437-0677-1).
• Ежегодно с 2017 г. проводится Международная школа молодых ученых «Нелинейная фотоника» в рамках гранта РНФ 17-72-30006 (и продленного РНФ 17-72-30006-П)  с целью повышения профессионального уровня научных исследований, расширения кругозора и привлечения к решению актуальных задач в области нелинейной фотоники молодых научных сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов. Тематика Школы охватывает широкий спектр задач в различных областях фотоники, включая нелинейную оптику, лазерную физику, спектроскопию, волоконную и интегральную оптику, обработку оптических сигналов, оптические сенсоры, параметрические эффекты, материалы для фотонных устройств и био-медицинские приложения.

Сотрудничество:

• Астонский университет (Великобритания), Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Научный центр волоконной оптики Российской академии наук (Россия): совместные научные исследования и публикации, повышение квалификации сотрудников лаборатории.
• ГК Техноскан (Россия): совместная разработка новых лазеров, внедряемых группой компаний «Техноскан» при НГУ. Данные лазеры работают в более чем 100 университетах и научных институтах России и более чем в 40 университетах, метрологических и атомных центрах (NIST, PTB, DESI, GSI, BARC, KAERI), транснациональных компаниях (Samsung, Panasonic, LG) в США, Европе, Индии, Китае, Японии и других странах.
• ООО «СитиЭйр» (Россия): проведение совместных научных исследований.
• Также лаборатория сотрудничает с Университетом Тампере (Финляндия) и Физическим институтом им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (Россия).