Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На первом этапе научного проекта «Исследование частотных и шумовых характеристик генератора оптических гребенок в среднем ИК-диапазоне на основе фемтосекундного Cr:ZnSe лазера» (1 июля 2020 –30 июня 2021 года) выполнены следующие работы: был проведен анализ различных механизмов синхронизации мод для имеющегося макета фемтосекундного лазера на основе Сr:ZnSe для повышения стабильности частотных характеристик лазера. В результате создан лабораторный макет фемтосекундного лазера на кристалле Cr:ZnSe работающий в двух режимах – режиме связанных импульсов и режиме одиночного импульса. Длительность импульса для каждого режима составила 800 фс, частота повторения импульсов 129,5 МГц и выходная мощность 20 мВт. Проведены исследования стабильности частотных и шумовых характеристик фемтосекундного лазера на кристалле Cr:ZnSe, работающего в двух режимах генерации. Была разработана схема узкополосного лазера на кристалле Cr:ZnSe, обеспечивающая перестройку длины волны. Был создан лабораторный макет узкополосного лазера на кристалле Cr:ZnSe. Макет работает на длине волны 2452 нм и выходной мощностью 5 мВт, ширина спектральной линии лазерного излучения составляет 5,64 ГГц. Также за первый этап реализации научного проекта опубликовано три статьи в журналах входящих в базу Scopus и Wos.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках второго года выполнения проекта была проведена работа по оптимизации лабораторного макета узкополосного лазера на кристалле Cr:ZnSe, который был разработан в рамках первого года реализации проекта. Работы по оптимизации были разделены на две группы, а именно получение одночастотного режима работы лазера на кристалле Cr:ZnSe и измерение ширины линии. Был проведен расчет основных параметров трехзеркального резонатора общая длина которого составила 360 мм, что соответствует расстоянию между соседними продольными модами резонатора 416,7 МГц. Для получения одночастотного режима генерации в резонатор лазера были добавлены два специальных элемента: 1. поляризационно-интерференционный фильтр (TF1), который был изготовлен из кристаллического кварца с ориентацией оптической оси параллельно входной грани, толщиной 2 мм; 2. интерферометр Фабри-Перро (SF1) изготовленный из пластинки CaF2 толщиной 3 мм и напылёнными на обе поверхности покрытиями, коэффициент отражения которых составлял 30 %. Измерения ширины линии одночастотного лазера были проведены с использованием метода оптического гетеродинирования и был измерен сигнал биений двух одночастотных лазеров, полученная ширина линии одночастотного лазера на кристалле Cr:ZnSe составляет 10 кГц. Таким образом, в рамках второго года выполнения проекта был разработан одномодовый одночастотный узкополосный лазер на кристалле Cr:ZnSe с шириной линии 10 кГц, возможностью плавной перестройки длины волны в диапазоне 2,3 – 2,48 мкм и максимальной выходной мощностью до 35 мВт. С использованием разработанного узкополосного лазеры были проведены измерения ширины линии гребенки оптических частот для фемтосекундного лазера на кристалле Cr:ZnSe, который был разработан в рамках первого года реализации данного проекта. По итогам измерений получено, что отношение сигнал-шум биений составляет 10 дБ, а также он меньше на 45 дБ по отношению к основным пикам частоты повторения фемтосекундного лазера. Данные результаты не являются наилучшими, но приемлемы для проведения измерений в рамках проекта. По полученным результатам измерения ширины линии гребенки оптических частот для фемтосекундного лазера на основе Cr:ZnSe кристалла можно сказать, что она составляет 161 кГц, данная величина является достаточно хорошим результатом, если сравнивать её с другими фемтосекундными лазерами. Так, например, для эрбиевых волоконных фемтосекундных лазеров без дополнительной стабилизации эта величина составляет от 30 кГц до 900 кГц в зависимости от метода синхронизации мод и режима работы лазера, а для фемтосекундного лазера на кристалле титан-сапфира ширина линии гребенки может достигать нескольких десятков кГц. Далее в рамках второго года выполнения проекта были проведены экспериментальные исследования частотных и шумовых параметров гребенки оптических частот для различных режимов синхронизации мод фемтосекундного лазера. Первый режим работы был реализован с компенсационными пластинками из фторида магния и выходным зеркалом лазерного резонатора с пропусканием 2%. В такой конфигурации лазер работал в режиме одиночных импульсов с выходной мощностью 15 мВт, частотой повторения 129.5 МГц, отношением сигнал/шум для режима синхронизации мод 54.8 дБ на первой гармонике радиочастотного спектра и длительностью импульса 3 пс. Центральная длина волны лазерной генерации составляла 2.453 мкм, а ширина спектра 4 нм. Второй режим был реализован с компенсационными пластинками из фторида магния и выходным зеркалом резонатора 5%. В такой конфигурации лазер работал в режиме одиночных импульсов с выходной мощностью 45 мВт, частотой повторения 129.5 МГц, отношением сигнал/шум 43.2 дБ и длительностью импульса 3.6 пс. Центральная длина волны лазерной генерации составляла 2.45 мкм, а ширина спектра 3 нм. Третий режим был реализован с компенсационными пластинками из сапфира и выходным зеркалом резонатора 2%. В такой конфигурации лазер работал в режиме связанных импульсов с выходной мощностью 18 мВт, частотой повторения 129.5 МГц, отношением сигнал/шум 44.1 дБ и длительностью одиночного импульса 2.3 пс и временным интервалом между соседними импульсами в пачке 16.7 пс. Центральная длина волны лазерной генерации составляла 2.457 мкм, а ширина спектра 5 нм. Все три режима генерации обладают достаточно высоким отношением сигнал-шум, что указывает на качество синхронизации мод, при этом наибольшее значение 54.8 дБ реализуется для режима одиночного импульса, когда в резонаторе установлены пластинки из фторида магния и выходное зеркало с пропусканием 2 %. Данный режим обладает максимальным значением относительной девиации Аллана σy = 5.64•10^(-8) для времени усреднения, равного 1-ой секунде, по сравнению с режимами работы, когда реализуется генерация связанных импульсов. Необходимо отметить, что изменение (с 2 до 5 %) пропускания выходного зеркала резонатора позволяет не только увеличить выходную мощность Cr:ZnSe лазера с 15 до 45 мВт (при фиксированной мощности накачки и незначительном увеличении длительности импульса), а также улучшить стабильность частоты повторения до значения σy = 1.83•10^(-8) для времени усреднения, равного 1-ой секунде. Таким образом, данная работа демонстрирует возможность реализации лазера на кристалле Cr:ZnSe пассивной синхронизации мод в естественных условиях, что является значительным преимуществом, создающим возможность широкого применения данной технологии.