Эксπир
Регистрация / Вход

Наноструктурированные световоды для нового поколения источников и преобразователей световых импульсов и оптических сигналов

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3040
Организация
МЛЦ МГУ
Руководитель работ
Желтиков Алексей Михайлович
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Внебюджетные средства
1 млн

Работы должны проводиться в рамках критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.

Этапы проекта

1
22.03.2007 - 31.08.2007
Целью работы является разработка и экспериментальное тестирование модифицированных системой воздушных отверстий наноструктурированных (НС) световодов с активно формируемыми дисперсионными и нелинейно-оптическими свойствами. Развитие этой технологии позволит разработать новый класс компактных полностью волоконных источников мощных сверхкоротких световых импульсов и систем обработки оптических сигналов. Частотный профиль дисперсии и пространственный профиль распределения электромагнитного поля в собственных модах НС-световодов целенаправленно формируются путем микро- и наноструктурирования оболочки и сердцевины волокна. На этой основе создаются новые волоконно-оптические устройства, обеспечивающие высокоэффективное спектральное и временное преобразование лазерных импульсов с начальными длительностями от десятков наносекунд до нескольких циклов светового поля (единицы фемтосекунд) в широком диапазоне пиковых мощностей от сотен ватт до нескольких гигаватт.

Для выполнения задач и целей проекта использовался комплексный подход, основанный на экспериментальных исследованиях с использованием лазерных систем на кристаллах титаната с сапфиром и хром-форстерита с импульсами фемтосекундной длительности и наносекундный лазерные комплексы, а также теоретический анализ с использованием элементов численного моделирования. В ходе выполнения проекта были также усовершенствованы технологические процессы изготовления микроструктурированных волокон.

На первом этапе работ «Выбор направления исследований. Разработка новых нано- и микро-структурированных волокон. Создание и испытание микро- и наноструктурирован-ных волокон для преобразования частоты лазерного излучения», проведены поисковые и фундаментальные научные исследования по следующим направлениям:
  Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Показано, что микро- и нанострукутурированные волокна могут играть ключевую роль в создании новых волоконно-оптических систем для генерации сверхкоротких лазерных импульсов и управления их параметрами.
  Осуществлено моделирование экспериментальных образцов нано- и микроструктурированных волокон со специальными профилями дисперсии. - Выполнено моделирование дисперсионных свойств и модового состава нано- и микроструктурированных волокон. Показано, что активное формирование частотного профиля дисперсии и пространственного профиля поля в собственных модах МС-световодов открывает уникальные возможности для достижения высокоточного баланса дисперсии в широком спектральном диапазоне, что используется для разработки новых классов волоконно-оптических источников сверхкоротких световых импульсов.
  Созданы и испытаны микро- и наноструктурированных волокна со специальными профилями дисперсии для высокоэффективного преобразования частоты. Проведены необходимые расчеты и осуществлено математическое моделирование. Показано, что методы нанооптики позволяют сформировать частотные профили дисперсии собственных мод в МС-волокнах, обеспечивающие высокоэффективное преобразование частоты фемтосекундных лазерных импульсов и приводящие к генерации перестраиваемого излучения в широком спектральном диапазоне. Целенаправленное микро- и наноструктурирование оболочки и сердцевины оптических волокон позволяет осуществить высокоэффективное спектральное и временное преобразование лазерных импульсов с начальными длительностями от десятков наносекунд до нескольких циклов светового поля в широком диапазоне пиковых мощностей от сотен ватт до нескольких гигаватт.
  Разработаны методики экспериментальных исследований, проведена подготовка экспериментальных образцов волокон, а также испытательных стендов. Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов волокон. - Оптимизированы условия для преобразования частоты и управления фазой фемтосекундных лазерных импульсов в микро- и наноструктурированных волокнах. Исследование распространения излучения в МС-волокнах позволяет наблюдать новые режимы нелинейно-оптических взаимодействий сверхкоротких лазерных импульсов. Новые волоконные структуры и материалы с большими оптическими нелинейностями обеспечивают высокие эффективности спектрального и временного преобразования сверхкоротких лазерных импульсов и позволяют реализовать методы генерации широкополосного излучения с регулируемыми спектральными, временными и фазовыми характеристиками
Исследованы режимы фазового согласования, обеспечиваемого за счет фазовой само- и кросс-модуляции (включая модуляционные неустойчивости). Показана возможность использования микроструктурированных световодов для эффективного преобразования спектра наносекундных лазерных импульсов за счет процессов параметрического четырехволнового взаимодействия и вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Найдены режимы, обеспечивающие эффективное преобразование наносекундных лазерных импульсов в широкополосное излучение белого света (суперконтинуума). Показано, что сильная параметрическая связь стоксовых и антистоксовых ВКР-компонент, возникающая вблизи нуля дисперсии групповой скорости, позволяет существенно увеличить спектральную ширину и повысить качество спектра излучения суперконтинуума.
- Разработаны методы эффективного параметрического преобразования частоты за счет солитонных явлений. Проведено сопоставление результатов эксперимента с результатами расчетов и математического моделирования. Показано, что волокна с благоприятным профилем дисперсии, обеспечивающие высокую эффективность процесса генерации третьей гармоники (ГТГ) в поле солитонной накачки позволяют существенно расширить функциональные возможности фемтосекундных лазерных источников ИК-диапазона, открывая пути использования таких лазерных систем для инициирования и время-разрешенного исследования широкого класса фотохимических и фотобиологических процессов.
Все направления исследований, осуществленных в рамках данного проекта, имеют как фундаментальное значение в связи с изучением механизмов взаимодействия лазерного излучения с микро- и наноструктурными объектами, так и практическое значение в связи с разработкой новых типов материалов и приборов оптоэлектроники, в частности преобразователей частоты лазерного излучения.
Развернуть
2
01.09.2007 - 31.10.2007
Проведено обобщение результатов предыдущего этапа работ.
Разработаны физические принципов новых типов источников излучения для целей нелинейной спектроскопии и время разрешенных измерений на основе микро- и наноструктурированных волокон. Выполнены работы, демонстрирующие эффективность подобных источников излучения в экспериментах по спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света, нестационарному поглощению и четырехволновому взаимодействию.
Проведены патентные исследования.
Выполнена оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. Проведена оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР. Сформулированы технические требования для технического задания на разработку продукции.

3. Результаты
Для выполнения задач и целей проекта использовался комплексный подход, основанный на экспериментальных исследованиях с использованием лазерных систем на кристаллах титаната с сапфиром и хром-форстерита с импульсами фемтосекундной длительности и наносекундный, а также теоретический анализ с использованием элементов численного моделирования. В ходе выполнения проекта были также усовершенствованы технологические процессы изготовления микроструктурированных волокон.
Созданы и испытаны нанострукутрированные волокна со специальными профилями дисперсии для высокоэффективного преобразования частоты. Исследованы различные стратегии нелинейно-оптического преобразования спектра фемтосекундных лазерных импульсов в наноструктурированных каналах микроструктурированных волокон. Показано, что выполнение условий фазового согласования для процессов четырехволнового взаимодействия с участием высших волноводных мод позволяет достигать высоких эффективностей нелинейно-оптического преобразования частоты фемтосекундных импульсов низкой энергии. Исследованы сценарии наиболее эффективных режимов трансформации спектра. Продемонстрирована возможность высокоэффективного мультиплексного преобразования частоты неусиленных фемтосекундных импульсов титан-сапфирового лазера субнаноджоулевых уровней энергии в наноструктурированных каналах микроструктурированных волокон.
Показано, что микроструктурированные волокна со специальным профилем дисперсии позволяют создать высокоэффективные источники перестраиваемых по частоте сверхкоротких импульсов с гладкой огибающей и регулируемым чирпом для спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света с высоким временным разрешением. Измерена длительность и групповая задержка импульсов антистоксова излучения, генерируемого в микроструктурированных волокнах фемтосекундными импульсами излучения хром-форстеритового лазера. Перестраиваемые по частоте фемтосекундные импульсы, формируемые в микроструктурированных волокнах, использованы для получения сигнала КАРС из раствора толуола и образцов кристаллического кремния.
  Проведен анализ оптических свойств систем полых волноводов, изготавливаемых на основе технологии микроструктурированных волокон. Показано, что такие структуры могут быть использованы для обнаружения малых изменений показателя преломления заполняющего структуру аналита и образования (био)молекулярных нанослоев на стенках структуры. Основанные на этом принципе сенсорные системы обеспечивают высокие чувствительности регистрации малых изменений показателей преломления аналита и обнаружения монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на поверхности оболочки волновода. Для подобных сенсорных устройств не требуется внешний интерферометр, т.к. интерферометрическая система (типа интерферометра Фабри--Перо) интегрирована непосредственно в волновод. Предлагаемые волноводные сенсоры обеспечивают возможность интеграции на платформе единого чипа и позволяют создавать системы для параллельного экспресс-мониторинга нескольких (био)аналитов.
Предложен метод однопучковой микроспектроскопии когерентного комбинационного рассеяния света на основе волоконно-оптического синтезатора управляемых последовательностей сверхкоротких импульсов, вместо пространственного модулятора света на основе жидких кристаллов, в своей оптической схеме использует микроструктурированное волокно со специальным профилем дисперсии, совмещающее функции преобразователя спектра лазерного излучения от единственного источника накачки и синтезатора профиля фазы генерируемых последовательностей сверхкоротких импульсов, используемых для когерентного возбуждения и зондирования комбинационных переходов атомарных и молекулярных систем. При распространении исходного излучения накачки в микроструктурированном волокне со специальным профилем дисперсии лазерный импульс распадается на последовательность сверхкортоких импульсов за счет явления модуляционной неустойчивости. Частота и фаза этих импульсов настроена на определенный резонанс исследуемых комбинационных молекулярных переходов. Использование коротких импульсов позволяет добиться высокого временного разрешения, а эффективная фокусировка и нелинейно-оптическая природа этого метода спектроскопии позволяют говорить о высоком пространственном разрешении (КАРС-микроспектроскопии).
Проведены патентные исследования. На основании проведенных патентных исследований поданы две заявки на получение патентов.
Выполнена оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. Все направления исследований, осуществленных в рамках данного проекта, имеют как фундаментальное значение в связи с изучением механизмов взаимодействия лазерного излучения с микро- и наноструктурными объектами, так и практическое значение в связи с разработкой новых типов материалов и приборов оптоэлектроники, в частности преобразователей частоты лазерного излучения. Работа соответствует по своему исполнению лучшим мировым стандартам, о чем свидетельствует значительное количество публикаций в ведущих отечественных и зарубежных журналах (в 2007 году было опубликовано 20 научных статей по тематике государственного контракта, в том числе 7 - в российских и 13 - в зарубежных изданиях).
  Создаваемый научно-технический задел обеспечит в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на высоком уровне. Результаты работ будут способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.
Проведена оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР. Сформулированы технические требования для технического задания на разработку продукции. Результаты НИР по созданию микроструктурированных и наноструктурированных волокон могут быть использованы при проведении ОКР в институтах и предприятиях, занимающихся изготовлением оптических волокон, в частности, в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (Москва); Федеральном государственном унитарном предприятии Научно-исследовательском и технологическом институте оптического материаловедения (Санкт-Петербург); ООО «Технология и Оборудование для Стеклянных Cтруктур» (Саратов). Результаты НИР по разработке и созданию новых эффективных источников перестраиваемого излучения могут найти применение для метрологических и спектроскопических измерений в отраслевых НИИ, вузах и Институтах РАН, для создания компактных оптических параметрических усилителей (ОАО КДП (МО, Троицк)).
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
92 млн
Количество заявок
241
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007 - 2008, 11 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Количество заявок
72
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
48
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных»
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
136
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Геномные и посттеномные технологии создания лекарственных средств» (мероприятие 1.2 Программы)
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
43