Страницы подразделений

Институт в фотографиях

Научные и прикладные результаты лаборатории 18

2023

Оптический частотный рефлектометр на основе самосканирующего волоконного лазера для измерения рассеяния Релея

Работа систем, использующих когерентную оптическую частотную рефлектометрию (КОЧР), основана на анализе интерференции сигнала, идущего по опорному плечу, и сигнала, рассеянного/отраженного в тестовой линии. В данном подходе измеряется зависимость сигнала интерференции от частоты источника излучения, а затем вычисляется рефлектограмма с помощью преобразования Фурье. Рефлектограмма представляет распределение амплитуды рассеяния по длине. В подходе КОЧР определяющими являются свойства источника излучения, поскольку пространственное разрешение определяется диапазоном перестройки источника, а максимальная длина тестовой линии – скачком частоты при перестройке. Источники, способные обеспечить перестройку в большом диапазоне с малым шагом, являются весьма дорогостоящими и сложными. По этой причине, мы предложили создать рефлектометр на базе недорогих самосканирующих лазеров (ССЛ), обладающий простой конструкцией, для задач КОЧР [1]. На этом пути нам удалось достичь значительных результатов: возможность измерений с разрешением до 200 мкм [1], включая распределенные измерения температуры [2]. Кроме того, нами была показана возможность регистрации в тестовой линии как сильно отражающих элементов (ВБР, сколы волокна и др.) [3], так и слабоотражающих – неоднородности показателя преломления (по рассеянию Рэлея). Для измерения последних требуется иметь высокую чувствительность системы (>-100 дБ/мм). Одним из путей увеличения чувствительности является оптимизация параметров интерферометра Маха-Цандера (ИМЦ), используемого в схеме КОЧР, и увеличение чувствительности фотодетекторов [4]. Недостатком этого подхода является искажение формы сигналов регистрируемых импульсов с ростом усиления.
Альтернативным подходом может быть использование оптических усилителей для слабого сигнала интерференции на выходе ИМЦ вместо электрических усилителей для фотодетекторов. В качестве источника перестраиваемого излучения мы по-прежнему использовали ССЛ. Классические ССЛ генерируют последовательность микросекундных импульсов, соответствующих одной продольной моде резонатора, оптическая частота которых изменяется от одного импульса к другому ступенчатым образом. Однако, импульсный характер излучения и использование оптического усилителя накладывают свои требования к обработке сигнала. Для извлечения амплитудной огибающей интерференционного сигнала, несущей в себе информацию о положении и интенсивности отражателей в исследуемой линии, проводится процедура поимпульсной нормировки сигналов, аналогично работе [2]. Также, из сигнала интерференции необходимо вычесть подложку, соответствующую спонтанному излучению, идущему из оптического усилителя. В результате обработки извлекалась зависимость нормированной амплитуды импульса от его номера (частоты). Применение преобразования Фурье к нормированному интерференционному сигналу позволяло вычислить рефлектограмму тестовой линии.
Тестируемая линия была образована отрезком волокна с сохранением поляризации длиной ~1.8 метра, за которым для подавления френелевского отражения от конца линии был привален отрезок бессердцевинного волокна длиной 1.5 метра. В экспериментах измерялись рефлектограммы при различной величине накачки усилителя (см. Рис. 1). Начало и конец тестовой линии соответствуют пикам с координатами 2.6 и 4.4 м соответственно. Данные на рефлектограмме на больших координатах (>4.4 м) соответствуют уровню шумов. Из рисунка видно, что постепенное увеличение мощности накачки оптического усилителя приводит к увеличению на 15 дБ разности между сигналом рассеяния Рэлея в тестируемой линии и уровнем шумов. При этом наблюдается оптимальная мощность накачки усилителя (1.6 Вт), выше которой амплитуда шумов практически не уменьшается [5].OSSL Lab18Res2022

Рис. 1. Изменение рефлектограммы с ростом мощности накачки усилителя.

  1. Ткаченко А. Ю., Лобач И. А., Каблуков С. И. Когерентный оптический частотный рефлектометр на основе волоконного лазера с самосканированием частоты. Квантовая электроника, 49, 1121 (2019).
  2.  Ткаченко А. Ю., Смолянинов Н. Н., Скворцов М. И., Лобач И. А., Каблуков С. И. Когерентный оптический частотный рефлектометр на основе волоконного лазера с самосканированием частоты для сенсорных применений. Приборы и техника эксперимента. (4), 102-108 (2020).
  3.  Ткаченко А. Ю., Лобач И. А., Каблуков С. И. Когерентная оптическая частотная рефлектометрия на основе волоконного самосканирующего лазера: текущее состояние и перспективы развития (обзор). Приборы и техника эксперимента. (5), 24-31 (2023).
  4.  Krivosheina D. A., Tkachenko A. Yu., Lobach I. A., Kablukov S. I. Sensivity Optimization for a Coherent Optical Frequency-Domain Reflectometer Based on a Self-Sweeping Fiber Laser. In «2022 IEEE 23rd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM)». P. 352-355 (2022).
  5. Ткаченко А. Ю., Лобач И. А. & Каблуков С. И. Оптический частотный рефлектометр на основе самосканирующего волоконного лазера для измерения рассеяния Релея. Спецвыпуск Фотон-экспресс-наука "Всероссийская Диановская конференция по волоконной оптике", (6), 280-281 (2023).

2022

Непрерывная динамика интенсивности в волоконных лазерах с самосканированием линии генерации

Впервые продемонстрировано самосканирование линии генерации в волоконных лазерах с непрерывной динамикой интенсивности [1]. Ранее эффект самосканирования проходил только в режиме самопульсаций, в котором генерируемые импульсы разделены периодами тишины длительностью порядка единиц и десятков микросекунд соответственно. Показана, что при самосканировании периоды тишины могут отсутствовать (Рис. 1а). Кроме того, получена генерация последовательности соседних продольных мод в режиме одночастотного самосканирования при слабом перекрытии во времени соседних прямоугольных модовых импульсов (Рис. 1б) [2-4]. При этом ширина линии модовых импульсов менее 4 кГц. Также было показано, что во время перекрытия модовых импульсов происходят параметрические процессы, вклад которых достигает 4% от средней мощности генерации [4]. Данный режим самосканирования в силу большой длительности генерации продольных мод позволяет дольше накапливать измеряемые сигналы при решении практических задач. Подобные лазеры были использованы при измерении спектров отражения волоконных брэгговских решеток [5] и в терагерцовой спектроскопии [6]. OSSL Lab18Res2022

Рис. 1. (а) Динамика интенсивности, (б) динамика последовательных продольных мод иттербиевого непрерывного самосканирующего лазера.

  1. Kashirina, E. K., et al. (2020) Dual-longitudinal-mode CW self-sweeping operation in Er-doped fiber laser.  Opt. Lett. 45(24), pp. 6659-6662.

  2. Drobyshev, R. V., et al. (2021) High-resolution spectral analysis of long single-frequency pulses generated by a self-sweeping Yb-doped fiber laser. Laser Phys. Lett. 18(8), pp. 085102.

  3. Poddubrovskii, N. R., et al. (2022) Regular mode-hopping dynamics in Erbium-doped ring fiber laser with saturable absorber. Opt. Laser Technol. 156, p. 108568.

  4. Poddubrovskii, N. R., et al. (2022) Time-resolved mode analysis in Er-doped self-sweeping ring fiber laser. Laser Phys. Lett. 19(12), p. 125102.

  5. Drobyshev, R. V., et al. (2022) Fiber Bragg grating interrogattion based on self-sweeping Yb-doped ring fiber laser. 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). (June 20 - 24, 2022, Saint Petersburg, Russian Federation), Proc., IEEE, p. R1-16.

  6. Poddubrovskii, N. R., et al. (2022) Generation of tunable THz-radiation with self-sweeping Er-doped fiber laser. Proc. SPIE vol.: 12324 Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies IX, (SPIE Photonics Asia, Online Only, 5–11 December), C. Zhang; X.-C. Zhang and M. Tani, eds., p. 123240F, 8 p. (2022).

2017

Генерация спектрального комба чирпованных импульсов

Предложен новый способ генерации широкополосного когерентного лазерного излучения, основанный на смешении сдвинутых по частоте когерентных импульсов с линейной модуляцией частоты (чирпом) в высоконелинейном световоде. В эксперименте, проведённом по результатам численного моделирования, получены новые спектральные компоненты, образующие спектральный комб чирпованных импульсов с общим диапазоном >300 нм (рис.1). При этом импульсы на новых длинах волн когерентны между собой, а каждый из них сжимается до длительностей в сотни фемтосекунд. Помимо фундаментального значения, предложенный метод также открывает новые возможности для практических применений, среди которых синтез импульсов предельно короткой длительности, генерация в среднем ИК диапазоне, когерентная микроскопия и высокоскоростная передача данных на основе технологии суперканалов.

 рисунок 2

Рис. 1. (а) Нелинейное смешение в фотонно-кристаллическом световоде двух коротких импульсов с линейной частотной модуляцией. Δst - разница частот между импульсами, δ - расстояние между продольными модами внутри импульсов; (b-c) cпектр сигнала на входе (вставка) и выходе нелинейного световода в расчёте (b) и эксперименте (с).

  1. E. V. Podivilov, D. S. Kharenko, A. E. Bednyakova, M. P. Fedoruk, S. A. Babin. Spectral comb of highly chirped pulses generated via cascaded FWM of two frequency-shifted dissipative solitons. Sci. Reports 7,  2905 (2017).

  2. Е. В. Подивилов, Д.С. Харенко, А. Е. Беднякова, М. П. Федорук, С. А. Бабин. Генерация спектрального комба чирпованных импульсов. ВКВО 2017 (Пермь, 3-6 октября 2017 г.), A4-1 (пригл. доклад).

  3. S. A. Babin. Generation of chirped pulses at new wavelengths via Raman and FWM processes in fibers. Advanced Photonics Congress (July 24 - 27, 2017, New Orleans, USA), Proc., OSA, 2017, paper IW1A.1 (invited paper).

  4. E. A. Zlobina, D. S. Kharenko, S. I. Kablukov, S. A. Babin. Four wave mixing of conventional and Raman dissipative solitons from single fiber laser. Opt. Exp. 23 (13), 16589-16594 (2015).

2016

Одномодовый ВКР-лазер на основе многомодового градиентного световода с прямой диодной накачкой

Впервые получена генерация волоконного ВКР-лазера с прямой диодной накачкой в области <1 мкм, где обычные волоконные лазеры практически не работают. Показано, что ВКР-преобразование в резонаторе на основе многомодового градиентного световода и сформированных в нём специальных волоконных брэгговских решёток (ВБР), сопровождается улучшением качества пучка с Мp2~20 (многомодовая накачка на 915 нм) до Мs2~1,2 (одномодовая генерация на 954 нм). Основной вклад в эффект дает слабая (~4%) выходная решётка, сформированная фемтосекундным излучением селективно в центральной области градиентной сердцевины. Дифференциальная эффективность преобразования достигает ~40% при уровне выходной мощности >10 Вт. Продемонстрирована возможность работы такого лазера без выходного зеркала - за счёт рэлеевской распределенной обратной связи. Полученные уровни мощности и качества пучка позволяют эффективно удваивать частоту генерации. Таким образом, предложен и реализован новый тип волоконных лазеров ближнего ИК и видимого диапазона, который может найти применение в биомедицинской диагностике, лазерных дисплеях и др.

Публикации:

  1. S.I. Kablukov, E.I. Dontsova, E.A. Zlobina, I.N. Nemov, A.A. Vlasov, and S.A. Babin, An LD-pumped Raman fiber laser operating below 1 μm, Laser Phys. Lett. 10, 085103 (2013).

  2. S.A. Babin, E.I. Dontsova, and S.I. Kablukov. Random fiber laser directly pumped by a high-power laser diode, Opt. Lett. 38 (17), 3301-3303 (2013).

  3. E.A. Zlobina, S.I. Kablukov, M.I. Skvortsov, I.N. Nemov, and S.A. Babin, 954 nm Raman fiber laser with multimode laser diode pumping, Laser Phys. Lett. 13, 035102 (2016).

  4. С.И. Каблуков, Е.А. Злобина, М.И. Скворцов, И.Н. Немов, А.А. Вольф, А.В. Достовалов, С.А. Бабин, Селекция мод в волоконном ВКР-лазере с прямой диодной накачкой при использовании ВБР в многомодовом градиентном световоде, Квант. электроника 46 (12), 1106-1109 (2016).

  5. E.A. Zlobina, S.I. Kablukov, A.A. Wolf, A.V. Dostovalov, and S.A. Babin, Nearly singlemode Raman lasing at 954 nm in a graded-index fiber directly pumped by a multimode laser diode, Opt. Lett. 42 (1), 9-12 (2017).

  6. Приглашенные доклады на коференциях ACP 2015, Laser Optics 2016, MPLP 2016, Photonics 2016 и устные доклады на LPHYS 2016, Frontiers in Optics 2016.

2015

Одночастотный волоконный лазер с самосканированием частоты

Продемонстрирован волоконный лазер с перестройкой частоты на новых физических принципах. Формирование в активной среде полем стоячей волны динамических пространственных решеток усиления и показателя преломления приводит к генерации последовательности эквидистантных по времени и частоте импульсов. При этом каждый импульс имеет спектральную ширину <1 МГц и связан по фазе с предыдущим. Шаг по частоте от импульса к импульсу составляет ~10 МГц для иттербиевого лазера, генерирующего на ~1,1 мкм, и ~1 МГц для висмутового лазера, генерирующего на ~1,45 мкм (Biсветовод с сохранением поляризации разработан и изготовлен в НЦВО РАН). Доказана возможность практического применения одночастотного волоконного лазера с самосканированием частотыдля опроса волоконных датчиков на брэгговских решётках и для получения коротких импульсов с помощью когерентного сложения мод. Дополнительные преимущества дает максимально простая и надежная схема лазера.

Публикации