Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Предложен и экспериментально реализован метод по измерению характеристик динамических структур (спектр отражения и время жизни), формируемых в процессе генерации волоконного лазера с динамической распределенной обратной связью (ДРОС). В основу метода лежит анализ лазерной генерации ДРОС-лазера до и после кратковременного выключения излучения накачки. ДРОС, сформированная во время лазерной генерации, сохраняется в активной среде продолжительное время даже после выключения накачиваюшего излучения. Это приводит к тому, что при возобновлении оптической накачки более эффективное накопление спонтанного излучения происходит на оптических частотах, задаваемых записанной в прошлое включение ДРОС. В волоконных лазерах с ДРОС наблюдается эффект самоиндуцированного сканирования (самосканирования) оптической частоты(/длины волны) генерируемого излучения. Несмотря на постепенное уменьшение ДРОС сохраняется после кратковременного выключения оптической накачки. Это проявляется в том, что при повторном включении накачки процесс самосканирования стартует вблизи предыдущего значения оптической частоты. В случае длительного выключения генерация начинается на существенно других оптических частотах. Измерение максимальной длительности выключения излучения накачки позволило оценить время жизни динамической структуры волоконного иттербиевого ДРОС-лазера порядка 800 мкс. Полученное значение согласуется с временем жизни возбужденного состояния иттербия в исследуемой среде ~750 мкс. Ввод перестраиваемого по частоте пробного излучения в моменты выключения накачки позволяет измерить динамику спектра отражения динамической структуры. Первые результаты показали, что модуляция показателя преломления в динамической решетке составляет порядка 10^-8, что в приближении однородной решетки соответствует коэффициенту отражения ~1%. В качестве следующего шага нами предложен подход по уменьшению искажений в спектре отраженного сигнала, связанных с накоплением излучения пробного сигнала в резонаторе ДРОС-лазера. Для их уменьшения предлагается одновременно с выключением излучения накачки вносить значительные потери в резонатор ДРОС-лазера со стороны плотного зеркала. Использование данной методики измерения спектров отражения в различных модификациях ДРОС-лазера запланировано на следующий год. Предложен подход по стабилизации спектральных параметров перестройки в волоконном самосканирующем ДРОС-лазере с помощью отражателя Майкельсона на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР). Определены основные характеристики отражателя Майкельсона, обеспечивающие стабилизацию границ сканирования. Предложена модель стабилизации границ сканирования в схеме ДРОС лазера с отражателем Майкельсона в терминах эффективного контура усиления, рассматривающая увеличение/уменьшение эффективного усиления за счет интерференционной модуляции для стартовой/конечной границы сканирования соответственно. Также экспериментально установлено, что для стабилизации верхней границы сканирования требуется подбор разности плеч отражателя Майкельсона, позволяющий избежать согласования мод вложенных резонаторов. Практическим результатом работы стало существенное уменьшение флуктуаций границ сканирования. Экспериментально продемонстрировано, что одновременное применение двух ВБР в отражателе Майкельсона позволяет уменьшить флуктуации границ с 1160 до 13 пм и с 110 до 7 пм для начальной и конечной длин волн сканирования соответственно. Создано несколько вариантов схем волоконных тулиевых ДРОС-лазеров с самоиндуцированной динамикой длины волны и генерацией линейно-поляризованного излучения. В первом варианте удалось получить одночастотный режим сканирования в диапазоне 26 нм, где каждый импульс состоит из одной продольной моды. Лазерная частота линейно меняется от импульса к импульсу на частоту межмодовых биений лазера ~8 МГц. При этом продемонстрирована возможность применения тулиевого волоконного ДРОС-лазера для анализа спектра поглощения паров воды в воздухе. В другом варианте схемы ДРОС-лазера спектральная динамика дополнялась обратным сканированием и даже остановкой длины волны самосканирования в результате управления мощностью накачивающего излучения. С помощью контроля мощности накачки удалось производить остановку процесса самосканирования длины волны генерации в ДРОС-лазере (т.е. остановить сканирование без использования внешнего узкополосного спектрального селектора) на произвольном значении из диапазона от 1912 до 1923 нм. При этом значение длины волны генерации измеренное на анализаторе оптических спектров с разрешением 50 пм оставалось постоянным на временах измерения ~5 минут. Таким образом, в нашей работе впервые продемонстрирован волоконный ДРОС-лазер с возможностью активного управления длиной волны генерации.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Осуществлена модернизация схемы для характеризации динамических структур в работающем волоконном ДРОС-лазере, которая позволила измерить спектр отражения структур в диапазоне ~1 ГГц. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с предложенными теоретическими зависимостями. Ширина спектра отражения составила ~50 МГц. Были определены основные параметры ДРОС: модуляция показателя преломления в работающем лазере ~ (1.5±0.1)x10^-8, а отношение амплитуд решеток показателя преломления и усиления составляет ~ 2. Был разработан и исследован неодимовый ДРОС-лазер с регулярной динамикой интенсивности. Ранее режим самосканирвоания частоты в волоконных лазерах наблюдался только для активных сред, работающих по квази-треуровневой схеме (иттербий, висмут, тулий и другие). При этом ранее не сообщалось о получении такого режима в лазере с четырехуровневой схемой генерации. Между тем, неодимовый лазер с длиной волны генерации 1.06 мкм работает по четырехуровневой схеме, и может быть собран на тех же компонентах, что и хорошо известный иттербиевый волоконный лазер. Однако, в отличии от иттербиевой волоконной среды для получения устойчивого режима незатухающих релаксационных колебаний в неодимовом лазере нужно существенно уменьшить спектральную ширину области низких спектральных потерь в резонаторе. Оказалось, что уменьшение ширины спектра генерации с помощью узкополосного селектора, помещенного в резонатор, приводит к генерации регулярных микросекундных импульсов с узкополосным излучением и к самосканированию частоты. В качестве такого селектора нами использовался двухкомпонентный фильтр Лио, который в сочетании с полосовым фильтром и кольцевым волоконным зеркалом образовывал составной отражатель. Нами была проведена оптимизация ширины спектра этого составного отражателя, которая позволила получить диапазон самосканирования ~1.8 нм в области 1065 нм. В ходе оптимизации параметров всего лазера удалось достичь того, чтобы в генерации каждого импульса участвовала практически только одна продольная мода. При этом ширина линии порядка 1 МГц соответствует изменению частоты из-за изменения показателя преломления в активной среде во время генерации единичного импульса. В промежутке между импульсами частота изменяется на величину межмодового интервала резонатора (~7 МГц). Таким образом, для неодимового волоконного лазера был продемонстрирован режим одночастотного самосканирования частоты, аналогичный другим волоконным средам. Максимальная выходная средняя мощность генерации в режиме самосканирования превысила 600 мВт. Проведены измерения быстрой спектральной динамики в тулиевом ДРОС-лазере с помощью техники гетеродинирования. Для этих целей был разработан тулиевый волоконный одночастотный лазер с распределенной обратной связью с шириной линии менее 100 кГц. Исследовалось три характерных режима работы волоконного тулиевого ДРОС-лазера: прямое сканирование, сканирование с меньшей скоростью в обратном направлении и остановка длины волны. Анализ показал, что в случае прямого сканирования наблюдается режим одночастотных импульсов с регулярным частотным скачком между ними величиной порядка 5 МГц. Подобный режим наблюдался и в других волоконных ДРОС лазерах - иттербиевом, неодимовом, висмутовом. Ширина мгновенной линии, которая определяется как частотный чирп на временах генерации каждого импульса, составила 150 кГц. В случае обратного сканирования и остановки длины волны спектральная динамика состоит из серии коротких (с диапазоном порядка 30 МГц) медленно дрейфующих прямых (нормальных) частотных сканов. Разница между обратным сканированием и остановкой длины волны заключается в величине дрейфа. В случае остановки длины волны величина дрейфа практически равна нулю. Как результат, в режиме остановки длины волны, спектральная динамика выглядит как прямое одночастотное сканирование (т.е. пилообразный сигнал в зависимости частоты от времени) с очень короткими сканами, за время которых генерируется всего 5-6 импульсов. На основании, полученных результатов был сделан вывод о вкладе в работу лазера динамических решеток поглощения. Были получены аналитические выражения на временную форму изменения мощности импульса и зависимость частоты генерации от времени (на величину чирпа) для генерации единичного импульса, а также на величину скачка оптической частоты между импульсами. Установлено, что добавление в ДРОС-лазере внешней модуляции мощности накачки приводит к стабилизации частоты следования импульсов, но при этом приводит к прекращению спектральной динамики, вызванной динамическими решетками в активной среде, а также к генерации широкополосного излучения с гигантским количеством продольных мод. Таким образом, было установлено, что техника внешнего модулирования мощности накачки приводит к нарушению динамической распределенной обратной связи в лазере.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Реализованы подходы анализа временной динамики и спектра отражения динамических структур в активных волокнах, не требующие проведения измерений в работающем ДРОС-лазере. Формирование динамической решетки в активном волокне с инверсией осуществляется с помощью внешнего одночастотного перестраиваемого излучения. Определена конфигурация схемы, которая позволяет как измерять спектр отражения, так и находить относительный вклад его вещественной и мнимой части (соотношение между амплитудной и фазовой решетками). Экспериментально зафиксирован скачок фазы в динамической решетке, связанный с переходом от решетки поглощения к решетке усиления в активном волокне при увеличении оптической накачки. Экспериментально показано, что ширина спектра отражения динамической структуры составляет 20 МГц, а величина модуляции показателя преломления увеличивается с ростом мощности накачки и достигает ~3·10^-8. На основе иттербиевого волокна с увеличенной площадью моды был реализован ДРОС-лазер, работающий в режиме одночастотного сканирования с максимальной пиковой мощностью 6 Вт. Установлено, что дальнейшее увеличение выходной мощности ограничено вынужденным рассеянием Мандальштами-Бриллюэна (ВРМБ). Впервые был продемонстрирован тулиевый ДРОС-лазер с накачкой многомодовыми лазерными диодами во внутреннюю оболочку с максимальной пиковой мощностью 3 Вт. Получены режимы прямого и обратного сканирования в области 2030 нм в тулиевом волоконном ДРОС-лазере с накачкой в оболочку с максимальным диапазоном сканирования 12 нм. Исследовано влияние длины волны излучения накачки. Установлено, что при приближении длины волны накачки к пику поглощения тулия пропадает режим прямого сканирования. Разработан программно-аппаратный модуль обработки сигналов в схемах оптических спектрометров, основанных на ДРОС-лазерах с самосканированием частоты. В данном модуле первичная обработка данных – поимпульсная нормировка – реализована на микроконтроллере STM32F303. Результатом работы модуля является последовательность данных в виде амплитуды нормированного сигнала от номера импульса. Номер импульса линейно связан с оптической частотой. Этот нормированный сигнал передается на ПК для дальнейшей обработки. Работа модуля на порядки уменьшила поток данных на компьютер и увеличила скорость обработки по сравнению с прямой передачей оцифрованных данных на компьютер и их последующей обработкой. В своих предыдущих работах для качественной оцифровки сигнала мы использовали, как высокоскоростные интерфейсы на уровне 100 Мбит/с для измерений, так и высокие производительные ресурсы при обработке. С помощью модуля были определены минимальные требования к аналого-цифровому преобразователю: частота дискретизации 5 МГц и разрядность не менее 8 бит. Далее программно-аппаратный модуль был опробован в задаче дальнометрии. Разработан дальномер на базе иттербиевого ДРОС-лазера, принцип работы которого основан на анализе сигнала интерференции между падающим излучением и излучением, отраженным от измеряемого объекта. Экспериментально продемонстрирована возможность измерения расстояний до ~11 м с пространственным разрешением ~0.4 мм, связанным с ограничением диапазона сканирования 10 нм при времени измерения 10 с. Показано, что дальномер имеет высокую чувствительность к вибрациям в измерительном канале. Впервые получен режим сканирования длины волны в эрбиевом ДРОС-лазере без использования дополнительных активных волокон. Диапазон самосканирования достигал 2.8 нм в области 1605 нм. Кроме того, впервые в самосканирующем лазере получен режим двухчастотного сканирования с квазинепрерывной динамикой интенсивности и периодическими всплесками интенсивности. Каждый всплеск соответствует смене низкочастотной компоненты спектра на соседнюю более высокочастотную. Анализ поляризационного состояния выходного излучения показал, что генерируется излучение с линейной поляризацией несмотря на отсутствие поляризующих элементов в схеме, что может быть связано с линейной поляризацией излучения лазера накачки. Мы считаем, что продемонстрированный режим может открыть новый виток развития ДРОС-лазеров, важный как при построении теории, так и для практических применений. Например, в спектрометрах на основе таких лазеров упрощается обработка измеренных спектров, поскольку отпадет необходимость поимпульсного деления сигналов.