2023

Создание антиотражающих микроструктур на поверхности нелинейно-оптических кристаллов фемтосекундным лазерным излучением

А.В.Достовалов, В.Е. Федяй, В.А. Симонов, А.Э. Симанчук, С.А.Бабин (ИАиЭ);

Л.И. Исаенко, А.П. Елисеев, С.И. Лобанов, А.А. Шкляев (ИГМ СО РАН, НГУ);

С.А. Сюбаев , А.А. Кучмижак (ИАПУ ДВО РАН, ДВФУ)

Исследовано воздействие фемтосекундных лазерных импульсов на поверхность нелинейно-оптических кристаллов с высоким показателем преломления (n > 2.5). Найдены оптимальные режимы лазерного воздействия для создания антиотражающих микроструктур на поверхности кристаллов GaSe и BaGa₄Se₇. В первом случае при воздействии ИК фс лазерного излучения на поверхность кристалла созданы образцы антиотражающих микроструктур в виде периодических углублений с глубиной 1,7 мкм и периодом 3 мкм, обладающие пропусканием до 94 %, что существенно превышает исходное пропускание кристаллов (65%) [1, 2]. Во втором случае при воздействии УФ фс лазерного излучения на поверхность кристалла BaGa₄Se₇ была создана структура с периодом 500 нм, увеличивающая пропускание образца с 66% до 84% на длинах волн ≈1,5 мкм [3]. Таким образом, предложен метод создания антиотражающих микроструктур на поверхности нелинейно-оптических кристаллов с высоким показателем преломления, что открывает возможности для создания высокоэффективных источников излучения ближнего и среднего ИК диапазона.

Рис.1 СЭМ изображение антиотражающих микроструктур, созданных на поверхности кристаллов GaSe при воздействии фс импульсов (а), соответствующие спектры пропускания антиотражающих микроструктур, созданных при различных количествах импульсов 1-8 (б), спектры пропускания антиотражающих микроструктур, созданных на поверхности кристаллов BaGa₄Se₇.

Публикации:

1. Yelisseyev, A.; Fedyaj, V.; Simonov, V.; Isaenko, L.; Lobanov, S.; Shklyaev, A.; Simanchuk, A.; Babin, S.; Dostovalov, A. Femtosecond Laser Direct Writing of Antireflection Microstructures on the Front and Back Sides of a GaSe Crystal. Photonics 9, 774 (2022). https://doi.org/10.3390/photonics9100774 (IF= 2.5)

2. A. P. Yelisseyev, L. I. Isaenko, S. I. Lobanov, A. V. Dostovalov, A. A. Bushunov, M. K. Tarabrin, A. A. Teslenko, V. A. Lazarev, A. A. Shklyaev, S. A. Babin, A. A. Goloshumova, and S. A.Gromilov, Effect of antireflection microstructures on the optical properties of GaSe. Opt. Mater. Express 12, 1593-1608 (2022) (IF=2.8)

3. S. Syubaev, E. Modin, S. Gurbatov, A. Cherepakhin, A. Dostovalov, A. Tarasova, P. Krinitsin, A. Yelisseyev, L.Isaenko, A. Kuchmizhak. SWIR anti-reflective nanostructures on nonlinear crystals by direct UV femtosecond laser printing. Appl. Phys. Lett. 123 (6): 061108 (2023) (IF= 4)

Пространственная и спектральная локализация излучения в многосердцевинном волоконном лазере с резонатором на основе 3D массива брэгговских решеток

А.Г.Кузнецов, А.А.Вольф, М.И.Скворцов, А.В.Достовалов, Е.В.Подивилов, С.А.Бабин (ИАиЭ);

 О.Н.Егорова, С.Л.Семенов (НЦВО ИОФ РАН)

Разработана технология фемтосекундной поточечной записи 3D массивов волоконных брэгговских решеток (ВБР) с заданным распределением [1]. В пассивном 7-сердцевинном световоде с резонатором на основе массива плотных ВБР накачка и внутрирезонаторная ВКР генерация распределяются между всеми (связанными) сердцевинами, а выходной пучок ВКР выходит из центральной сердцевины (рис.1), т. е. получена пространственная локализация (сложение пучков). Выходной спектр сужен (<0,2 нм при 5 Вт) из-за увели- ченного поля моды в резонаторе и интерференции пучков, отраженных от разных ВБР [1].   

 В отсутствие оптической связи в 7-сердцевинном активном (Yb) световоде с массивом из 7 ВБР спектр генерации состоит из 7 независимых линий (рис.2a), тогда как в присутствие связи сердцевин спектр коллапсирует в одну линию (рис.2b), т.е. обнаружена спектральная локализация пучков. Построенная модель показывает, что в этом случае происходит гибридизация супермод, а спектр генерации определяется среднегеометриче-ским спектром разных ВБР (~0,1 нм при 33 Вт), сужаясь с увеличением их разброса [2].   

Таким образом предложен новый поход к управлению пространственно-спектральными характеристиками многосердцевинных волоконных лазеров, имеющий фундаментальную и практическую значимость.

Рис.1 Выходной пучок: до порога генерации (накачка) (а) и при 5 Вт ВКР-генерации (Стокс) (б).        

Рис.2 Спектр генерации 7-сердцевинного Yb-лазера: без связи (а), со связью (б) сердцевин.

Публикации:

1. A. Wolf, A. Dostovalov, K. Bronnikov, M. Skvortsov, S. Wabnitz, and S. Babin. Advances in femtosecond direct writing of fiber Bragg gratings in multicore fibers: technology, sensor and laser applications. Opto-Electronic Advances  5 (4) 210055 (2022) Q1 / IF=14.1

2. A.G. Kuznetsov, A.A. Wolf, O.N. Egorova, S.L. Semjonov, A.V. Dostovalov, E.V. Podivilov, S.A. Babin. Spectrum collapse in a 7-core Yb-doped fiber laser with an array of fs-inscribed fiber Bragg gratings. Opt. Lett. 48 (13) 3603-3606 (2023). Q1 / IF=3.6

3. S.A. Babin. Advances in femtosecond laser direct writing of fiber Bragg gratings: technology, sensor and laser applications. VII Int. Conf. "UltrafastLight-2023" (2-4 Oct. 2023, Moscow) пленарный докл.

4. S.A. Babin. New laser regimes in multimode and multicore fibers with femtosecond-pulse inscribed 1D-3D refractive-index structures. Advanced Fiber Laser Conference 2023 (Nov. 12-14, Shenzhen) пленар.

С основными результатами проекта РНФ за 2023 год можно ознакомится здесь.

Статья в газете “Поиск” о результатах проекта в 2023 г. опубликована здесь.

2022

Сужение линии генерации волоконного эрбиевого лазера с помощью естественного и искусственного рэлеевского отражателя

Скворцов М.И., Абдуллина С.Р., Власов А.А., Вольф А.А., Достовалов А.В., Подивилов Е.В., Бабин С.А.

Продемонстрировано экстремальное сужение линии генерации волоконного эрбиевого лазера с распределенной обратной связью (РОС-лазера) за счет дополнительной обратной связи, обеспеченной случайным рэлеевским рассеянием (РР). Измеренная гетеродинным методом долговременная ширина линии РОС-лазера сужается с 6 кГц до 160 Гц для гибридной конфигурации РОС-лазера и катушки одномодового волокна (ОМВ) с интегральным отражением на уровне R~0.003 для естественного РР (рис.1a).  При этом мгновенная (<1 мкс) ширина линии, оцениваемая из частотных шумов (рис.1b), в гибридной конфигурации сужается с 15 Гц до уровня 10^-3 Гц, определяемого электрическими шумами [1, 2]. Показано, что сужение линии РОС-лазера возможно и с компактным рэлеевским отражателем, искусственно сформированным в ОМВ методом фемтосекундной модификации [2,3]. В лазере с полуоткрытым линейным резонатором, состоящем из волоконной брэгговской решётки, активного волокна с высокой концентрацией эрбия (изготовленного НЦВО РАН) и искусственного рэлеевского отражателя длиной 10 см с увеличенным уровнем РР (+41.3 дБ/мм), получена одночастотная случайная генерация мощностью до 2.5 мВт с шириной линии ∼10 кГц с возможностью перестройки длины волны в диапазоне усиления эрбия [4]. Созданные лазеры являются перспективными источниками для приложений в когерентной рефлектометрии.

Публикации:

1. M. I. Skvortsov, S. R. Abdullina, E. V. Podivilov, A. A. Vlasov, D. R. Kharasov, E. A. Fomiryakov, S. P. Nikitin, V. N. Treshchikov, S. A. Babin. Extreme Narrowing of the Distributed Feedback Fiber Laser Linewidth Due to the Rayleigh Backscattering in a Single-Mode Fiber: Model and Experimental Test. Photonics 9(8), 590 (2022).
2. M.I. Skvortsov, S.R. Abdullina, A.A. Wolf, A.V. Dostovalov, A.A. Vlasov, E.V. Podivilov and S.A. Babin. Narrowing of the generation line of a DFB laser to subhertz width in hybrid configuration. International Conference Laser Optics 2022 (St.-Petersburg, 20-24 June 2022), Proc., IEEE Publ., paper WeR1-22 (2022). DOI:10.1109/ICLO54117.2022.9840035
3. M. I. Skvortsov, A. A. Wolf, E. A. Fomiryakov, V. N. Treshchikov, S. P. Nikitin, A. A. Vlasov, A. V. Dostovalov, S. A. Babin. Er-doped fiber laser with regular and random distributed feedback. J. Phys. Conf. Ser., 2249 012016 (2022) doi:10.1088/1742-6596/2249/1/012016.
4. M. I. Skvortsov, A. A. Wolf, A. V. Dostovalov, O. N. Egorova, S. L. Semjonov, and S. A. Babin. Narrow-linewidth Er-doped fiber lasers with random distributed feedback provided by artificial Rayleigh scattering. J. Lightwave Technology 6, 1829-1835 (2022).

Нелинейная динамика многомодового излучения, исследованная методом модовой декомпозиции

Д.С. Харенко1,2,*, М.Д. Гервазиев1,2, Н. Н. Смолянинов1, М. Ферраро3, Ф. Манджини3, М. Дзителли3, С. Вабниц2,3, Е.В. Подивилов1,2, С.А. Бабин1,2
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН
2 Новосибирский государственный университет, 3 DIET, Sapienza University of Rome, Italy

Проведён анализ многомодовых (ММ) пучков, распространяющихся по световолу в режиме керровской самочистки с нулевым [1] и ненулевым [2] орбитальным угловым моментом, и генерируемых в ММ ВКР-лазере [3], с помощью разработанного метода модовой декомпозиции [4]. Установлено, что при увеличении мощности распределение по модам приближается к теоретически предсказанному обобщённому распределению Рэлея-Джинса (соотвующему «термализации» мод при распространении), вид которого зависит от суммарного углового орбитального момента. При непрерывной генерации в ММ ВКР-лазере значительная доля мощности стоксового пучка содержится в фундаментальной моде (~40%), а распределение становится экспоненциальным. Для создания произвольной фазовой маски при декомпозиции используется пространственный модулятор света, так что при освещении масок ММ излучением можно получить информацию как об амплитуде, так и о фазе каждой моды. Последовательный перебор масок позволяет получить полную информацию о модовом составе поля.

Рис. 1. Слева — экспериментальные результаты (столбцы) МД для пучка в режиме самочистки с нулевым (сверху) и ненулевым угловым орбитальным моментом (снизу). Справа — распределение мощности по модам в стоксовом пучке ММ ВКР-лазера. Штриховые и штрих-пунктирные линии — аппроксимации для экспоненциального закона и распределения Рэлея-Джинса соответственно. На вставках — измеренные и восстановленные профили пучков

Публикации:

1. Mangini et al., Statistical mechanics of beam self-cleaning in GRIN multimode optical fibers, Opt. Express 30(7) 10850 (2022)
2. V. Podivilov et al, Thermalization of orbital angular momentum beams in multimode optical fibers, Phys. Rev. Lett. 24, 243901 (2022)
3. S. Kharenko et al, Mode-resolved analysis of pump and Stokes beams in LD-pumped GRIN fiber Raman lasers,” Opt. Lett. 47(5) 1222 (2022)
4. M. D. Gervaziev et al., Mode decomposition of multimode optical fiber beams by phase-only spatial light modulator, Laser Phys. Lett. 18(1) 015101 (2021)

2021

Механизм увеличения яркости пучка при ВКР-генерации в многомодовом градиентном световоде с диодной накачкой

Продемонстрировано ВКР-преобразование сильно-многомодового излучения диодной накачки с улучшением параметра качества пучка M² с ~30 до ~2 и 1.3 для 1 и 2 стоксова порядка соответственно, а яркость генерируемого пучка по сравнению с накачкой увеличивается в 73 раза (рекордное значение для лазеров данного типа) при выходной мощности >50 Вт на 976 нм. При этом профиль пучка накачки до порога генерации соответствует профилю градиентного световода (ГС), а выше порога в его центральной области формируется провал с шириной значительно большей ширины стоксовых пучков, форма которых близка к гауссовой и практически не меняется с ростом мощности.

Построена модель связанных мод с учетом основных физических процессов в ВКР-лазере. Сравнение с экспериментом показало, что помимо процесса ВКР на формирование стоксова пучка принципиальное влияние оказывают эффекты случайной и нелинейной связи поперечных мод при его распространении в 1-км ГС, а также селективное по модам отражение от выходной ВБР, записанной фс-импульсами в приосевой области ГС, а на пучок накачки эти эффекты оказывают слабое влияние. В результате впервые описан эффект увеличения интенсивности стоксова пучка по сравнению с накачкой, рис.1.

Рис. 1. Профили пучков генерируемого стоксова излучения (красный) и накачки (на входе –синий, на выходе – черный, без учета истощения –шриховой) многомодового ВКР-лазера с ГВС в теории и в эксперименте вместе с поперечными сечениями пучков стоксова излучения (вверху) и накачки (внизу).

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант 21-72-30024).

Публикации

1. S.A.Babin, A.G. Kuznetsov, O.S.Sidelnikov, A.A.Wolf,  I.N.Nemov, S.I.Kablukov, E.V.Podivilov, M.P.Fedoruk, S.Wabnitz. Spatio‑spectral beam control in multimode diode‑pumped Raman fibre lasers via intracavity filtering and Kerr cleaning. Sci. Rep. 11, 21994 (2021)
2. A.G.Kuznetsov, S.I.Kablukov, E.V.Podivilov, S.A.Babin. Brightness enhancement and beam profiles in an LD-pumped graded-index fiber Raman laser. OSA Continuum 4(3) 1034-1040 (2021).
3. A.G.Kuznetsov, I.N.Nemov, A.A.Wolf, E.A.Evmenova, S.I.Kablukov, S.A.Babin. Cascaded generation in multimode diode-pumped graded-index fiber Raman lasers. Photonics  8(10), 447 (2021).
4. A.G.Kuznetsov, I.N.Nemov, A.A.Wolf, S.I.Kablukov, and S.A.Babin.Multimode LD-pumped all-fiber Raman laser with excellent quality of 2nd-order Stokes output beam at 1019 nm. Opt. Express 29 (11) 17573-17580 (2021).
5. А.Г.Кузнецов, С.И.Каблуков, Е.В.Подивилов, С.А.Бабин. Исследование пространственных характеристик выходного пучка каскадного ВКР-лазера с многомодовой диодной накачкой. Кв. электр. 51 (12) 1090-1095  (2021).
6. O. S. Sidelnikov, E. V. Podivilov, M. P. Fedoruk, A. G. Kuznetsov, S. Wabnitz, and S. A. Babin. Mechanism of brightness enhancement in multimode LD-pumped graded-index fiber Raman lasers: numerical modeling. Optics Express (in press).

Наноструктурирование поверхности аморфного и кристаллического кремния фемтосекундными лазерными импульсами

Продемонстрировано формирование решеток с субволновым периодом на поверхности аморфного (а-Si) и кристаллического (c-Si) кремния лазерными фс импульсами с длиной волны 1026 нм при латеральном сканированием поверхности образцов.  В случае пленок а-Si впервые получен новый тип структур – гексагональная решетка конусообразных выступов SiO₂ с периодом ~980 нм, чередующихся с подповерхностными включениями поликристаллической фазы Si (Рис. 1 a-в), – что позволило существенно изменить оптические свойства пленки (снижение коэффициента отражения с ~50% до <2% в видимом диапазоне (Рис. 1 г)). Впервые продемонстрировано применение лазерно-индуцированных структур для повышения чувствительности метода флуоресцентной спектроскопии на два порядка, по сравнению со стандартными подходами измерения концентрации аналита. Достигнут режим лазерно-индуцированной кристаллизации пленки a-Si без изменения исходной морфологии поверхности при скорости сканирования 1 мм/с (Рис. 1 д). Для c-Si разработана методика создания массива углублений с периодом 450±5 нм и аспектным соотношением равным 8 путем использования покрывающей пленки гафния толщиной 20 нм, обеспечивающей эффективное возбуждение поверхностных плазмонов (Рис. 1 e, ж).

Рис. 1. (a) Микрофотографии гексагональной решетки микроконусов, записанной на пленке a-Si толщиной 370 нм, и (б) поперечного выреза данной структуры; (в) микрофотографии структур, записанных на пленке a-Si при различных скоростях сканирования, (г) спектры отражения соответствующих структур; (д) оптические снимки в проходящем и отраженном свете области лазерно-индуцированного поликристаллического кремния; (e) микрофотографии решетки, записанной на пластине c-Si, покрытой 20 нм слоем Hf и (ж) поперечного выреза данной решетки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№19-32-90235) и РНФ (№21-72-20162).

Публикации

1. Dostovalov, K. Bronnikov, V. Korolkov, S. Babin, E. Mitsai, A. Mironenko, M. Tutov, D. Zhang, K. Sugioka, J. Maksimovic, T. Katkus, S. Juodkazis, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Hierarchical anti-reflective laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) on amorphous Si films for sensing applications," Nanoscale (2020).
2. Bronnikov, A. Dostovalov, A. Cherepakhin, E. Mitsai, A. Nepomniaschiy, S. A. Kulinich, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Large-Scale and Localized Laser Crystallization of Optically Thick Amorphous Silicon Films by Near-IR Femtosecond Pulses," Materials 13(22), 5296 (2020).
3. Mitsai, A. V. Dostovalov, K. A. Bronnikov, A. V. Nepomniaschiy, A. Y. Zhizhchenko, and A. A. Kuchmizhak, "Crystallization of Optically Thick Amorphous Silicon Films by Near-IR Femtosecond Laser Processing," Solid State Phenomena 312, 134–139 (2020).
4. K. Bronnikov, A. Dostovalov, V. Terentyev, S. Babin, A. Kozlov, E. Pustovalov, E. L. Gurevich, A. Zhizhchenko, and A. Kuchmizhak, "Uniform subwavelength high-aspect ratio nanogratings on metal-protected bulk silicon produced by laser-induced periodic surface structuring," Appl. Phys. Lett. 119(21), 211106 (2021). 

2020

Волоконные лазеры с распределенной обратной связью на основе ВБР, созданных методом поточечной фемтосекундной записи

Разработан новый метод формирования фазовых сдвигов произвольной величины в структуре волоконной брэгговской решетки (ВБР) при поточечной фемтосекундной записи. Ключевым преимуществом метода является возможность модификации показателя преломления в нефоточувствительных волоконных световодов (ВС). Метод позволил изготовить высококачественные резонаторы волоконных лазеров с распределенной обратной связью (РОС-лазеров) на основе различных активных сред. Исследованы особенности режимов генерации созданных РОС-лазеров. В частности, показано, что генерация РОС-лазера на основе ВБР с фазовым π-сдвигом в эрбиевом волоконном световоде происходит исключительно для одной поляризационной моды. Впервые продемонстрирован полностью волоконный гольмиевый РОС-лазер с длиной волны генерации 2.07 мкм. С использованием нового композитного эрбиевого ВС разработки НЦВО РАН получена генерация в рекордно коротком резонаторе длиной 5.3 мм (Рис. 1). Созданные образцы РОС-лазеров являются перспективными источниками для ряда приложений: компактные высокочувствительные датчики физических величин, оптические линии связи, задающие источники для высококогерентных лазерных систем.

Рис. 1: РОС-лазер на основе композитного эрбиевого ВС: a) фотография резонатора, б) схема накачки резонатора, в) зависимость выходной мощности от мощности накачки (на вставке: оптический спектр генерации при максимальной выходной мощности).

Публикации:

1. A. Wolf, A. Dostovalov, M. Skvortsov, K. Raspopin, A. Parygin, and S. Babin, “Femtosecond-pulse inscription of fiber Bragg gratings with single or multiple phase-shifts in the structure,” Opt. Laser Technol., vol. 101, pp. 202–207, 2018.
2. M. I. Skvortsov, A. A. Wolf, A. V. Dostovalov, A. A. Vlasov, V. A. Akulov, and S. A. Babin, “Distributed feedback fiber laser based on a fiber Bragg grating inscribed using the femtosecond point-by-point technique,” Laser Phys. Lett., vol. 15, no. 3, p. 035103, 2018.
3. A. A. Wolf, M. I. Skvortsov, V. A. Kamynin, I. V. Zhluktova, S. R. Abdullina, A. V. Dostovalov, V. B. Tsvetkov, and S. A. Babin, “All-fiber holmium distributed feedback laser at 2.07 μm,” Opt. Lett., vol. 44, no. 15, p. 3781, 2019.
4. M. I. Skvortsov, A. A. Wolf, A. A. Vlasov, K. V. Proskurina, A. V. Dostovalov, O. N. Egorova, B. I. Galagan, S. E. Sverchkov, B. I. Denker, S. L. Semjonov, and S. A. Babin, “Advanced distributed feedback lasers based on composite fiber heavily doped with erbium ions,” Sci. Rep., vol. 10, no. 1, p. 14487, 2020.

2019

Высокопроизводительная запись термохимических лазерно-индуцированных периодических структур на пленках металлов

Впервые продемонстрировано формирование высокоупорядоченных термохимических лазерно-индуцированных периодических структур (ТЛИППС) при воздействии сфокусированного астигматического гауссова пучка (рис. 1). Период структур в зависимости от условий облучения изменяется с 680 нм до 950 нм при использовании длины волны 1026 нм. Ориентация структур определяется направлением поляризации падающего линейно-поляризованного излучения. Максимальная скорость записи зависит от свойств металла, и в случае гафния составляет 3 мм/с, что при размере пучка 150 мкм дает производительность 0.5 мм2/с. Показана возможность практического применения структур для создания элементов защитных голограмм. Исследованный метод формирования ТЛИППС может быть применен для экономически эффективного синтеза амплитудных масок периодических структур, дифракционных решеток с большим периодом, для изменения оптических и физических свойств поверхностей (смачиваемость, коэффициент трения, электропроводность).

Рис. 1. Микроизображение ТЛИППС, сформированной при воздействии астигматического гауссова пучка (зеленый эллипс). Стрелка на рисунке показывает направление сканирования пучка.

Публикации

1. Dostovalov A. V., Korolkov V. P., Okotrub K. A., Bronnikov K. A., & Babin S. A. Oxide composition and period variation of thermochemical LIPSS on chromium films with different thickness //Optics express. – 2018. – Vol. 26. – №. 6. – P. 7712-7723.
2. Dostovalov A. V., Derrien T. J.-Y., Lizunov S. A., Přeučil F., Okotrub K. A., Mocek T., Korolkov V. P., Babin S. A., Bulgakova N. M. LIPSS on thin metallic films: New insights from multiplicity of laser-excited electromagnetic modes and efficiency of metal oxidation //Applied Surface Science. – 2019 – Vol. 491 – P. 650-658.
3. Dostovalov A. V., Okotrub K. A., Bronnikov K. A., Terentyev V. S., Korolkov V. P., & Babin, S. A. Influence of femtosecond laser pulse repetition rate on thermochemical laser-induced periodic surface structures formation by focused astigmatic Gaussian beam //Laser Physics Letters. – 2019. – Vol. 16. – №. 2. – P. 026003.
4. Достовалов А. В., Терентьев В. С., Бронников К. А., Белоусов Д. А., Корольков В. П. Влияние скорости сканирования на формирование ТЛИПСС радиально-симметричным и эллиптическим гауссовым фемтосекундным лазерным пучком //Прикладная фотоника. – 2018. – Т. 5. – № 3. – С. 157-172.

Фемтосекундная запись волоконных брэгговских решеток в многосердцевинных волоконных световодах для сенсорных и лазерных применений

Разработан метод записи однородных и неоднородных волоконных брэгговских решеток (ВБР) в выбранных сердцевинах многосердцевинных волоконных световодов (МВС) с помощью фемтосекундного (фс) лазерного излучения. На основе массива ВБР в 7-сердцевинном МВС был создан датчик, который позволяет восстановить трехмерную форму волоконного световода с высокой точностью (Рис. 1). На основе 2-сердцевинного волоконного световода с перекрестной связью между сердцевинами были реализованы новые схемы волоконных ВКР-лазеров. Показано, что в резонаторе с ВБР, записанной в одной из сердцевин, происходит значительное сужение линии лазерной генерации, по сравнению с широкополосным кольцевым зеркалом. В резонаторе с парой ВБР, записанных в разных сердцевинах, получена многоволновая генерация.

Рис.1: Схема измерения формы МВС с помощью массива ВБР (а) и результат восстановления формы разных форм МВС (б).

Публикации:

1. S. S. Yakushin et al, “A study of bending effect on the femtosecond-pulse inscribed fiber Bragg gratings in a dual-core fiber,” Optical Fiber Technology, vol. 43, pp. 101–105, 2018.
2. A. A. Wolf, A. V. Dostovalov, S. Wabnitz, and S. A. Babin, “Femtosecond writing of refractive index structures in multimode and multicore fibres,” Quantum Electronics, vol. 48, no. 12, pp. 1128–1131, 2018.
3. M. I. Skvortsov et al, “Narrowband Raman fibre laser based on a dual-core optical fibre with FBGs inscribed by femtosecond radiation,” Quantum Electronics, vol. 48, no. 12, pp. 1089–1094, 2018.
4. A. Wolf et al, “Femtosecond point-by-point inscription of 3D FBG arrays in 7-core fibers with straight and twisted cores,” in Proc. of SPIE Vol. 11199, Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors, vol. 11199, p. 1119934, 2019.
5. A. Wolf, A. Dostovalov, K. Bronnikov, and S. Babin, “Arrays of fiber Bragg gratings selectively inscribed in different cores of 7-core spun optical fiber by IR femtosecond laser pulses,” Optics Express, vol. 27, no. 10, p. 13978, 2019.
6. A. Wolf, A. Dostovalov, K. Bronnikov, and S. Babin, “Direct core-selective inscription of Bragg grating structures in seven-core optical fibers by femtosecond laser pulses,” in Proc. SPIE 11029, Micro- structured and Specialty Optical Fibres VI, p. 110290E, 2019.
7. M. I. Skvortsov et al, “Random Raman fiber laser based on a twin-core fiber with FBGs inscribed by femtosecond radiation,” Optics Letters, vol. 44, no. 2, pp. 295–298, 2019.
8. А. А. Вольф и др., “Создание однородных и неоднородных ВБР в 7-сердцевинном волоконном световоде методом фемтосекундной поточечной записи,” Прикладная фотоника, Т. 6, N. 1–2, СС. 48–56, 2019.
9. K. Bronnikov et al, “Durable shape sensor based on FBG array inscribed in polyimide-coated 7-core optical fiber”, submitted to Optics Express, vol. 26, no. 27, 2019.

   2018

   Полностью волоконный ВКР-лазер с прямой диодной накачкой

   Создана новая полностью волоконная лазерная платформа на основе пассивных многомодовых световодов с градиентным профилем показателя преломления.  Прямая накачка в сердцевину световода позволяет преобразовать многомодовое широкополосное излучение мощных лазерных диодов в узкополосное стоксово излучение высокого качества за счет селекции поперечных мод в процессе ВКР-усиления и отражения от волоконных брэгговских решеток (ВБР), записанных фс импульсами в центральной области градиентной сердцевины. Схема позволяет масштабирование за счет использования  объединителя накачки и каскадную генерацию  за счет дополнительного  ВБР резонатора для следующего стоксова порядка или случайной обратной связи (СРОС) в полуоткрытом резонаторе. Показано, что СРОС дополнительно улучшает качество пучка. В ВБР резонаторе получено более 60 Вт с параметром качества  М²=2-2.5, а в схеме со СРОС для 2 порядка - около 30 Вт с М²=1.6 (Рис.1), с суммарной перестройкой в диапазоне 950-996 нм,  практически недоступном для традиционных волоконных лазеров на редкоземельных элементах.          

   

   Рис.1.  Выходная мощность каскадной ВКР-генерации 1-го (954 нм) и 2го (996 нм) порядков в 100-мкм градиентном световоде линейным резонаторам на 954 нм и полуоткрытым резонатором со СРОС на 996 нм (слева) и качество выходного пучка соответственно (справа).

   Публикации:

   1. E. A. Zlobina, S. I. Kablukov, A. A. Wolf, I. N. Nemov, A. V. Dostovalov, V. A. Tyrtyshnyy, D. V. Myasnikov, S. A. Babin. Generating high-quality beam in a multimode LD-pumped all-fiber Raman laser. Express 25 (11), 12581-12587 (2017).
   2. A. Babin, E. A. Zlobina, and S. I. Kablukov. Multimode fiber Raman lasers directly pumped by laser diodes. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24 , 1400310 (2018).
   3. A. Evmenova, S. I. Kablukov, I. N. Nemov, A. A. Wolf, A. V. Dostovalov, V. A. Tyrtyshnyy, D. V. Myasnikov, and S. A. Babin. High-efficiency LD-pumped all-fiber Raman laser based on a 100-μm core graded-index fiber. Laser Phys. Lett. 15, 095101 (2018).
   4. A. Evmenova, A. G. Kuznetsov, I. N. Nemov, A. A. Wolf, A. V. Dostovalov, S. I. Kablukov, S. A. Babin. Cascaded random lasing in a multimode LD-pumped graded-index fiber. Sci. Reports, 17495 (2018).

    

   Волоконный отражательный интерферометр на основе металл-дифракционной структуры с повышенной лучевой стойкостью

    

   Решена ключевая проблема волоконного отражательного интерферометра на основе тонкой металлической пленки, связанная с его низкой лучевой стойкостью (не более 1 мВт на длине волны 1550 нм). Вместо тонкой металлической пленки в структуре его переднего зеркала предложено использовать металл-дифракционную структуру в виде непрозрачной пленки алюминия с отверстием в сочетании с диэлектрическим многослойным покрытием (рис. 1). Это позволило поднять лучевую стойкость структуры более чем в 100 раз за счет перераспределения потерь из омических в дифракционные. Разработана технология изготовления такого интерферометра, который может применяться для селекции длин волн волоконных (волноводных) непрерывных лазеров с мощностью до 100 мВт (при размере пучка ≈10 мкм), получения в них одночастотной и многоволновой генерации, с возможностью быстрой перестройки (с частотой ~1 кГц) в широком спектральном диапазоне (>100 нм на длине волны 1550 нм).

   

   Рис. 1. Схема отражательного интерферометра на основе металл-дифракционной структуры. В составе переднего асимметричного по коэффициентам отражения зеркала З₁ (0 ≈ R₁ << R₂ ~ 1, T₁ > 0, R₃ = 1) использована алюминиевая пленка толщиной h = 30 нм с диаметром отверстия d = 6.7 мкм. Падающее излучение (основная мода волокна) рассеивается из-за дифракции, что существенно снижает количество омически поглощенного света в зеркале З₁.

   Литература

   1. V.S. Terentyev, V.A. Simonov, and S.A. Babin, “Multiple-beam reflection interferometer formed in a single-mode fiber for applications in fiber lasers” // Optics Express, 2016, V. 24, No. 5, p. 4512-4518, DOI:10.1364/OE.24.004512.
   2. V.S. Terentyev, V.A. Simonov, S.A. Babin. «Fiber-based multiple-beam reflection interferometer for single-longitudinal-mode generation in fiber laser based on semiconductor optical amplifier» // Laser Physics Letters, 2017, V. 14, I. 2, p. 25103,
   3. В.С. Терентьев, В.А. Симонов, "Многолучевой волоконный отражательный интерферометр на основе полностью диэлектрической дифракционной структуры" // Квантовая электроника, 2017, 47 (10), 971–976.
   4. В.С. Терентьев, В.А. Симонов. «Метод моделирования асимметричного зеркала для дифракционного отражательного интерферометра в одномодовом волокне» // Прикладная фотоника, 2017, т.4, №2, с.107-120,
   5. В.С. Терентьев, А.А. Власов, С.Р. Абдуллина, В.А. Симонов, М.И. Скворцов, С.А. Бабин, "Узкополосный волоконный отражатель на основе отражательного интерферометра с волоконной брэгговской решеткой", Квант. электроника, 2018, 48 (8), 728–732.

    

   2017

   Формирование термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур фемтосекундным лазерным излучением на пленках различных металлов и сплавов

   Установлено, что на поверхности пленок хрома, титана и нихрома (с содержанием хрома 20%) образуются ТЛИППС с периодом 930, 950 и 980 нм, соответственно при сканировании фемтосекундного ИК лазерного пучка размером 4 мкм и более. На поверхности пленок Ni и NiCr с низким содержанием хрома ТЛИППС не образуются, поскольку никель имеет более высокую теплопроводность, чем Cr и Ti. Обнаружено формирование на оксидных участках ТЛИППС абляционной квазипериодической структуры с периодом 250-300 нм в случае хрома и нихрома (80/20) вследствие возбуждения поверхностных плазмонов на границе раздела металл-оксид. Предложена модель оптических характеристик ТЛИППС. Численный расчет дифракции света на ее основе дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом. Впервые продемонстрирована возможность селективного травления пленок металла через ТЛИППС. Полученные данные создают основу для экономически-эффективного локализованного синтеза периодических микроструктур различного назначения и управления такими свойствами пленок как смачиваемость, коэффициент трения, электропроводность, отражение и пропускание света.

    

   

    

   Рис.1: Изображение периодической структуры ТЛИППС на поверхности Ti (а) и NiCr_80/20 (б), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, изображение ТЛИППС на поверхности Сr, полученное с помощью оптического микроскопа в проходящем свете (с).

   Публикации:

   1. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, and S. A. Babin, “Formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti films by a femtosecond IR Gaussian beam: regimes, limiting factors, and optical properties,” Appl. Phys. B, vol. 123, no. 1, p. 30, 2017.
   2. V Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentyev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, and S. A. Babin, “Study of the formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Cr , Ti , Ni and NiCr films under femtosecond,” Quantum Electron., vol. 47, no. 7, pp. 631–637, 2017.
   3. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentiev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, A. V. Nemykin, and S. A. Babin. Study of TLIPSS formation on different metals and alloys and their selective etching. Proc. SPIE, Vol. 10092: Laser-based Micro- and Nanoprocessing XI, edited by U. Klotzbach, K. Washio, R. Kling, 100921H, 2017.
   4. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentyev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, and S. A. Babin, “Optimal Regimes of Thermochemical LIPPS Formation on Surfaces of Different Metals“, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2016), Shanghai, China, 8 August - 11 September, p. 4932- 4936 (2016).
   5. A. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, S. A. Babin. Simultaneous formation of ablative and thermochemical laser-induced  periodic surface structures on Ti film at femtosecond irradiation. Laser Phys. Lett. 12 (3) 036101 (2015)

          

   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.

    

   

    

    

   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. 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. 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. 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

   Создание волоконных брэгговских решеток фемтосекундным лазерным излучением для лазерных и сенсорных применений

   Разработан метод прямой поточечной записи волоконных брэгговских решеток (ВБР) с помощью излучения фемтосекундного ИК лазера, который позволяет записывать решетки через защитное пластиковое покрытие как в фоточувствительных, так и нефоточувствительных световодах. Cозданные ВБР обладают высокой температурной стойкостью наведенного показателя преломления и механической прочностью. Экспериментальные спектры согласуются с расчетными, что свидетельствует о высокой точности предложенного метода записи ВБР. Длина ВБР варьируется от 0,1 до 10 см. Получены узкополосные ВБР с шириной спектра 16,5 пм. Записанные ВБР успешно применены в волоконных лазерных и сенсорных системах, в частности, как датчики температуры и деформаций в «умных» композитных материалах.

   Публикации:

   1. A. V. Dostovalov, A. A. Wolf, A. V. Parygin, V. E. Zyubin, and S. A. Babin, “Femtosecond point-by-point inscription of Bragg gratings by drawing a coated fiber through ferrule,” Opt. Express, vol. 24, no. 14, pp. 16232–16237 (2016).
   2. A. V. Dostovalov, A. A. Wolf, V. K. Mezentsev, A. G. Okhrimchuk, and S. A. Babin, “Quantitative characterization of energy absorption in femtosecond laser micro-modification of fused silica,” Opt. Express, vol. 23, no. 25, p. 32541 (2015).
   3. V. V. Shishkin, V. S. Terentyev, D. S. Kharenko, A. V. Dostovalov, A. A. Wolf, V. A. Simonov, M. Y. Fedotov, A. M. Shienok, I. S. Shelemba, and S. A. Babin, “Separate temperature and strain measurements in polymer composite material by embedded fiber-optic sensors based on FBGs with increased sensitivity difference,” J. Sensors, vol. 2016, article 3230968 (2016).
   4. Заявка на патент «Способ изготовления волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах», регистрационный номер №2016100632, 11.01.2016.

   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 М_p²~20 (многомодовая накачка на 915 нм) до М_s²~1,2 (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. E.A. Zlobina, S.I. Kablukov, A.A. Wolf, A.V. Dostovalov, and S.A. Babin, “Singlemode Raman lasing at 954 nm in a graded-index fiber directly pumped by a multimode laser diode,” Opt. Lett. 41, in press (2016).
   5. 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).
   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

   • I. A. Lobach, S. I. Kablukov, E. V. Podivilov, S. A. Babin. “Self-scanned single-frequency operation of a fiber laser driven by a self-induced phase grating”, Laser Phys. Lett. 11(4), 045103 (2014)
   • I. A. Lobach, S. I. Kablukov, E. V. Podivilov, A. A. Fotiadi, S. A. Babin. Fourier synthesis with single-mode pulses from a multimode laser. Opt. Lett. 40 (15) 3671-3674 (2015)
   • I. A. Lobach, S. I. Kablukov, M. A. Melkumov, V. F. Khopin, S. A. Babin, and E. M. Dianov. Single-frequency Bismuth-doped fiber laser with quasi-continuous self-sweeping. Opt. Exp. 23 (19), 24833-24842 (2015)
   • Лобач И.А., Каблуков С.И., Мелькумов М.А., Хопин В.Ф., Бабин С.А., Дианов Е.М. Одночастотный висмутовый лазер с самосканированием частот. Фотон-экспресс, №6(126), с.87-88 (2015)

   Нелинейная кинетика волоконного лазера со случайной распределенной обратной связью

   Разработана (совместно с ИТФ им. Л.Д.Ландау РАН) нелинейная кинетика волновой турбулентности открытых циклических систем, в которых корреляционные функции волновых полей сильно изменяются внутри каждого цикла. Модель применена для описания спектра генерации волоконного ВКР-лазера со случайной распределенной обратной связью. Полученное решение сшивается с линейной кинетикой Шавлова-Таунса и описывает эксперимент. Предложенный подход может использоваться для описания свойств волновой турбулентности в многомодовых лазерах, длинных оптоволоконных линиях и других циклических системах.

   Публикации

   • I. V. Kolokolov, V. V. Lebedev, E. V. Podivilov, S. S. Vergeles. Theory of a random fiber laser.ЖЭТФ 146 1295-1300 (2014)
   • D. V. Churkin, I. V. Kolokolov, E. V. Podivilov, I. D. Vatnik, M. A. Nikulin, S. S. Vergeles, I. S. Terekhov, V. V. Lebedev, G. Falkovich, S. A. Babin, and S. K. Turitsyn. Wave kinetics of random fibre lasers. Nature Communications 2, 6214 (2015)
   • D. V. Churkin, S. Sugavanam, I. D. Vatnik, Z. Wang, E. V. Podivilov, S. A. Babin, Y. Rao, and S. K. Turitsyn. Recent advances in fundamentals and applications of random fiber lasers. Advances in Optics and Photonics 7, 516 (2015)

   ---

    

   2014

   Генерация многоцветных солитонных комплексов в волоконном лазере

   Предложена, рассчитана и реализована экспериментальная схема волоконного лазера, которая демонстрирует существование солитонов нового типа – рамановских диссипативных солитонов, генерируемых за счёт вынужденного комбинационного рассеяния диссипативных солитонов в волоконном резонаторе и преобразования шумового рамановского импульса в когерентный импульс на смещённой (стоксовой) частоте за счёт слабой обратной связи. Показано, что предложенная схема позволяет генерировать рамановские солитоны следующих порядков, тем самым формируя многоцветные солитонные комплексы, имеющие большие перспективы применений в когерентной оптической связи и биомедицинской диагностике.

   Публикации:

   • A. E. Bednyakova, S. A. Babin, D. S. Kharenko, E. V. Podivilov, M. P. Fedoruk, V. L. Kalashnikov, A. A. Apolonski. Evolution of dissipative solitons in a fiber laser oscillator in the presence of strong Raman scattering. Opt. Express. 21(18) 20556-20564 (2013)
   • S. A. Babin, E. V. Podivilov, D. S. Kharenko, A. E. Bednyakova, M. P. Fedoruk, V. L. Kalashnikov, A. Apolonski. Multicolour nonlinearly bound chirped dissipative solitons. Nature Communications. 5, 4653 (2014)
   • S. A. Babin, E. V. Podivilov, D. S. Kharenko, A. E. Bednyakova, M. P. Fedoruk, O.V.Shtyrina, V. L. Kalashnikov, A. Apolonski. SRS-driven evolution of dissipative solitons in fiber lasers. Chapter in book “Nonlinear optical cavity dynamics”, ed. by P.Grelu, Wiley-VCH Verlag, 2014 (in press)

   Высокоэффективный волоконный лазер  со случайной распределённой обратной связью

   Предложена и реализована новая схема волоконного ВКР-лазера со случайной распределённой обратной связью за счёт обратного рэлеевского рассеяния в коротком световоде [1, 2]. Получена рекордная абсолютная эффективность (около 70 %) генерации стоксовой волны (1,3 мкм) при мощности оптической накачки ~10 Вт на 1,1 мкм. Генерируемое излучение не содержит модовой структуры в спектре, что имеет большие перспективы при создании мощных лазерных источников для применений в низкокогерентной томографии и лазерных дисплеях.Данные результаты вошли в обзор PhysicsReports [3] и список основных достижений по оптике в 2014 году по версии OSA [4].

   • I. D. Vatnik, D. V. Churkin, S. A. Babin, ”Power optimization of random distributed feedback fiber lasers,” Opt. Express 20(27), 28033-28038 (2012).
   • I. D. Vatnik, D. V. Churkin, E. V. Podivilov, S. A. Babin. High-efficiency generation in a short random fiber laser. Laser Phys. Lett. 11 (7), 075101 (2014).
   • S. K. Turitsyn, S. A. Babin, D. V. Churkin, I. D. Vatnik, M. Nikulin, E. V. Podivilov. Random distributed feedback fibre lasers. Phys. Reports 542 (2), 133–193 (2014).
   • Z. Wang, H. Wu, M. Fan, Y. Rao, I. Vatnik, D. Churkin, E. Podivilov, S. Babin, H. Zhang, P. Zhou, H. Xiao, X. Wang. Random fiber laser: simpler and brighter. Optics and Photonics News, N12: OSA Special Issue “Optics in 2014”, 30 (2014).

   ---

    

   2013

   Ламинарно-турбулентный переход для световых волн в волоконном лазере

   Изучен переход от ламинарного состояния к турбулентному для световых волн, по аналогии с гидродинамической турбулентностью. На примере многомодового волоконного ВКР-лазера продемонстрировано, что ламинарный режим соответствует стабильной генерации с узким спектром (т.н. конденсат с высокой когерентностью) и наблюдается при малых мощностях генерации. При увеличении мощности выше некоторой критической происходит  скачкообразный переход к турбулентному режиму из-за потери пространственной когерентности. При этом спектр генерации резко уширяется и стохастизуется.  Показано, что переход к турбулентности происходит из-за разрушения конденсата за счёт образования и кластеризации темных и серых солитонов.

   Публикации:

   • Д.В.Чуркин, С.В.Смирнов, О.А.Горбунов, Е.Г.Турицына, Г.Фалькович, Е.В.Подивилов, С.А.Бабин, С.К.Турицын. Ламинарный и турбулентный режим генерации в непрерывных волоконных лазерах (пригл. докл.). // Материалы Российского семинара по волоконным лазерам 2012 (Новосибирск, 27-30 марта 2012 г.), ИАиЭ СО РАН, 2012, с.159-160.
   • S.K.Turitsyn, S.A.Babin, E.G.Turitsyna, G.E.Falkovich, E.V.Podivilov,  D.V.Churkin.   Optical Wave Turbulence - chapter in book: Advances in Wave Turbulence, edited by V.Shrira and S.Nazarenko), World Scientific Publ., 2013, 296 pp.
   • E.G. Turitsyna, S.V. Smirnov, S. Sugavanam, N. Tarasov, X. Shu, S.A. Babin, E.V. Podivilov, D.V. Churkin, G. Falkovich, S.K. Turitsyn. The laminar-turbulent transition in a fibre laser. Nature Photonics 7 (4) 783-787 (2013).

   Непрерывный волоконно-оптический параметрический генератор, перестраиваемый в диапазоне 0,92-1,2 мкм

   Предложена и реализована полностью волоконная схема оптического параметрического генератора (ВОПГ) с накачкой непрерывным иттербиевым волоконным лазером. В качестве нелинейной среды применен двулучепреломляющий фотонно-кристалллический волоконный световод. Продемонстрирована возможность перестройки ВОПГ в диапазоне 0,92-1,2 мкм при перестройке лазера накачки на 4 нм. При этом непрерывная перестраиваемая генерация ВОПГ в области ≤1 мкм получена впервые. Выходная мощность и дифференциальная эффективность достигают 460 мВт и 15% соответственно при накачке неполяризованным излучением, что в разы превышает продемонстрированные ранее параметры непрерывных ВОПГ с преобразованием излучения в высокочастотную область спектра.

   Публикации:

   • Злобина Е.А., Каблуков С.И., Бабин С.А. Непрерывная параметрическая генерация в волоконном световоде с сохранением поляризации // Квантовая электроника.– 2011. – Т. 41, № 9. – С. 794– 800.
   • Злобина Е.А, Каблуков С.И, Бабин С.А. Волоконный оптический параметрический генератор на основе волокна с сохранением поляризации // Спецвыпуск «Фотон-экспресс». – 2011. – №6. – C. 99 – 100. Материалы конференции ВКВО 2011.
   • Zlobina E.A., Kablukov S.I., Babin S.A. Phase matching for parametric generation in polarization maintaining photonic crystal fiber pumped by tunable Yb-doped fiber laser // J. Opt. Soc. Am. B. – 2012. – Vol. 29, no. 8. – Pp. 1959 – 1967.
   • Zlobina E.A., Kablukov S.I., Babin S.A. CW parametric generation in polarization maintaining PCF pumped by Yb-doped fiber laser // Proc. of SPIE, Vol. 8426 (SPIE Photonics Europe 2012, Brussels, Belgium, April 16–19, 2012). – Paper 842613 (12 p).
   • Zlobina E.A., Kablukov S.I., Babin S.A. Tunable CW all-fiber optical parametric oscillator operating below 1 μm // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, no. 6. – Pp. 6777 – 6782.
   • Злобина Е.А., Каблуков С.И. Оптические параметрические генераторы на основе волоконных световодов // Автометрия. – 2013. – Т. 49, № 4. – С. 53 – 78.

   ---

    

   2012

   Новый режим генерации мощных фемтосекундных импульсов в иттербиевом волоконном лазере

   Предложена и реализована новая схема волоконного резонатора, в которой процессы синхронизации мод и формирования частотно-модулированных («чирпованных») импульсов разделены и осуществляются в коротком ОМ волокне и длинном волокне с сохранением поляризации (СП), соответственно. Это позволило получить стабильную генерацию чирпованных диссипативных солитонов (ДС) в полностью волоконном резонаторе длиной до 120 м. При этом импульс имеет форму близкую к прямоугольной и сжимается внешним компрессором в ~200 раз (до ~200 фс). Максимальная энергия ДС ограничена эффектом ВКР и для волоконного СП световода с сердцевиной 5.5 мкм равна ∼25 нДж, что почти на порядок больше, чем в других вариантах полностью волоконных схем.

   Публикации:

   • D. S. Kharenko, E. V. Podivilov, A. A. Apolonski, and S. A. Babin. 20 nJ 200 fs all-fiber highly chirped dissipative soliton oscillator. Optics Letters 37(19), 4104-4106 (2012).
   • D. S. Kharenko, O. V. Shtyrina, I. A.Yarutkina, E. V. Podivilov, M. P. Fedoruk, S. A. Babin. Generation and scaling of highly-chirped dissipative solitons in an Yb-doped fiber laser. Las. Phys. Lett. 9(9), 662-668 (2012).
   • D. S. Kharenko, O. V. Shtyrina, I. A. Yarutkina, E. V. Podivilov, M. P. Fedoruk, S. A. Babin. Highly chirped dissipative solitons as a one-parameter family of stable solutions of the cubic-quintic Ginzburg-Landau equation. JOSA B 28(10), 2314-2319 (2011).
   • D. S. Kharenko, E. V. Podivilov, A. A. Apolonski, S. A. Babin, New effects at cavity lengthening of an all-fiber dissipative soliton oscillator. Photonics Global Conference 2012, Conf. Proceedings, paper 3-3F-2 (invited).

   Механизм уширения и форма спектра генерации иттербиевых волоконных лазеров

   Построена модель уширения спектра генерации непрерывных иттербиевых волоконных лазеров, которая впервые позволяет рассчитать выходные характеристики иттербиевого лазера по параметрам его резонатора. В соответствии с моделью форма спектра излучения, состоящего из набора мод с гауссовой статистикой, определяется эффектом фазовой самомодуляции и описывается функцией гиперболического секанса. При этом ширина спектра генерации линейно растёт с увеличением мощности лазера. Модель впервые позволяет рассчитать выходные характеристики иттербиевого лазера по параметрам его резонатора.

   Публикации:

   • S. I. Kablukov, E. A. Zlobina, E. V. Podivilov, and S. A. Babin, Output spectrum of Yb-doped fiber lasers, Opt. Lett,. 37(13), 2508-2510 (2012).
   • A. G. Kuznetsov, E. V. Podivilov, S. A. Babin. Spectral broadening of incoherent nanosecond pulses in a fiber amplifier. JOSA B, 29(6), 1231-1236 (2012).
   • A.V. Denisov, A. G. Kuznetsov, D. S. Kharenko, S. I. Kablukov, and S. A. Babin. Frequency doubling and tripling in a Q-switched fiber laser. Laser Physics, 21(2), 277-282 (2011).
   • S. I. Kablukov, E. A. Zlobina, E. V. Podivilov, S. A. Babin. Modeling and measurement of ytterbium fiber laser generation spectrum”, Proc. of SPIE, Vol. 8433: Laser Sources and Applications (SPIE Photonics Europe 2012 Conf.), T. Graf; J. I. Mackenzie; H. Jelinková; J. Powell, eds., paper 843305 (2012).

   ---

    

   2011

   Многоволновая и перестраиваемая генерация волоконного лазера со случайной распределённой обратной связью

   Получены новые режимы генерации волоконного лазера со случайной распределённой обратной связью (СРОС) на рэлеевском рассеянии: многоволновой (22 линии в диапазоне 1550-1570 нм) и перестраиваемый (плавная перестройка линии в диапазоне 1535-1570 нм). Показано, что рэлеевский СРОС-лазер по основным параметрам превосходит обычный ВКР-лазер с точечными отражателями, реализованный в том же волоконном световоде: бОльшая эффективность генерации (до 60%), слабая конкуренция линий и равномерное распределение мощности по линиям в многоволновом режиме, более равномерная (вариации мощности ~0,1 дБ) перестроечная характеристика, более высокий порог для второй стоксовой компоненты, что позволяет увеличить мощность первой. Построена простая модель, описывающая выходные характеристики рэлеевского СРОС-лазера. Показано, что механизм генерации СРОС-лазера имеет принципиальные отличия от обычного.

   Публикации:

   • E. El-Taher, P. Harper, S. A. Babin, D. V. Churkin, E. V. Podivilov, J. D. Ania-Castanon, and S. K. Turitsyn. Effect of Rayleigh-scattering distributed feedback on multiwavelength Raman fiber laser generation. Opt. Lett. 36 (2), 130-132 (2011).
   • S. A. Babin, A. E. El-Taher, P. Harper, E. V. Podivilov, S. K. Turitsyn. Tunable random fiber laser. Phys. Rev. A 84(2), 021805(R) (2011).
   • S.A. Babin, A.E. El-Taher, P. Harper, E.V. Podivilov, D.V. Churkin, S.K. Turitsyn, Effect of Rayleigh-scattering distributed feedback in multi-wavelength and tunable Raman fibre lasers, European Conference and Exposition on Optical Communications - ECOC 2011 (18-22 Sept 2011, Geneva). Conf. Proc., paper Th.12.LeCervin.7
   • S.A. Babin, A.E. El-Taher, P. Harper, D.V. Churkin, E.V. Podivilov, S.K. Turitsyn. Spectral performance of multi-wavelength and tunable Raman fiber lasers based on the Rayleigh-scattering distributed feedback (invited paper). 20th International Laser Physics Workshop - LPHYS’11 (July 11–15, 2011, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina). Program, paper 8.1.1.
   • С.А. Бабин. Волоконные лазеры со случайной распределенной обратной связью на рэлеевском рассеянии (приглашенный доклад). Фотон-экспресс (Спецвыпуск: 3 Всероссийская конференция по волоконной оптике, г. Пермь, 12-14 октября 2011 г.), 2011, т. 94, № 6, с.92-93.

   ---

    

   2010

   Ультрадлинный волоконный лазер со случайной распределённой обратной связью

   Получена лазерная генерация в схеме волоконного ВКР-лазера с рекордной длиной 270 км. Обнаружен и исследован новый физический эффект в таких «сверхдлинных» волоконных ВКР-лазерах: за счёт рэлеевского рассеяния от случайных неоднородностей показателя преломления микро- и нанометрового масштаба формируется резонатор со случайной распределённой обратной связью. Установлен предел длины волоконных лазеров с точечными отражателями. При увеличении длины более 270 км эффект начинает доминировать над отражением от точечных зеркал (ВБР), формирующих резонатор в продольном направлении.

   Впервые получена стационарная узкополосная (<1,5 нм) лазерная генерация только за счёт усиленного рэлеевского рассеяния в длинном (83 км) пассивном оптическом волокне с высокой (>30%) эффективностью преобразования накачки. Cозданный лазер со случайной распределённой обратной связью (cРОС) отличается от объёмных «случайных» лазеров узким спектром, высокой временной/пространственной стабильностью и качеством выходного пучка. А в отличие от обычных волоконных лазеров с периодическими отражателями (точечными и распределёнными), рэлеевский волоконный cРОС-лазер генерируют «безмодовое» излучение и не имеет принципиальных ограничений по длине, а также может достаточно просто перестраиваться по частоте и генерировать на многих линиях в разных спектральных диапазонах без селекторов и зеркал. Уникальные свойства рэлеевских сРОС-лазеров, открывают новый класс лазерных источников, которые могут найти применения как в фундаментальных и прикладных исследованиях, так и на практике, в частности, в сверхдальней оптической связи и распределённых сенсорных системах.

   Публикации:

   • S. K. Turitsyn, J. D. Ania-Castañón, S. A. Babin, V. Karalekas, P. Harper, D. Churkin, S. I. Kablukov, A. E. El-Taher, E. V. Podivilov, and V. K. Mezentsev. “270-km ultralong Raman fiber laser”, Phys. Rev. Lett., 2009, v. 103, paper 133901.
   • S.K. Turitsyn, S.A. Babin, A.E. El-Taher, P. Harper, D.V. Churkin, S.I. Kablukov, J.D. Ania-Castañón, V. Karalekas, E.V. Podivilov. “Random distributed feedback fibre laser”, Nature Photonics, 2010, v.4, N4, p.231-235.

   ---

    

   2009

   Эффективная генерация второй гармоники излучения многочастотного волоконного ВКР-лазера

   Продемонстрирована эффективная генерация второй гармоники (ГВГ) излучения неполяризованного многочастотного ВКР-лазера в периодически-ориентированном кристалле LiNbO3. При увеличении мощности ВКР-лазера мощность ГВГ возрастала линейно даже тогда, когда ширина спектра ВКР-лазера значительно превышала ширину синхронизма кристалла. Расчёт показал, что основной вклад дают процессы суммирования частот (продольных мод) внутри спектра ВКР-лазера. При этом из-за случайности фаз, обусловленной турбулентным характером уширения спектра ВКР-лазера, эффективность ГВГ увеличивается в 2 раза по отношению к ГВГ одночастотного излучения. При уширении спектра сверх ширины синхронизма кристалла коэффициент увеличения уменьшается. В результате реализован новый источник излучения с длиной волны 655 нм мощностью более 60 мВт, обладающий преимуществами перед традиционными.

   Публикации:

   • S. I. Kablukov, S. A. Babin, D. V. Churkin, A. V. Denisov, D. S. Kharenko. Frequency doubling of a broadband Raman fiber laser to 655 nm, Optics Express, 2009, v.17, N8, p. 5980-5986.
   • S. I. Kablukov, S. A. Babin, D. V. Churkin, A. V. Denisov, D. S. Kharenko. Frequency doubling of a Raman fiber laser. Laser Physics, 2010, v.20, N2, p.334-340.
   • Бабин С.А., Каблуков С.И. Генерация второй гармоники излучения волоконных лазеров. Фотон-Экспресс, cпецвыпуск: Сборник трудов Всероссийской конференции по волоконной оптике 2009. – №6. – 2009. – c.56-57.
   • Харенко Д.С., Денисов А.В., Бабин С.А., Каблуков С.И., Чуркин Д.В. Удвоение частоты волоконного фосфосиликатного ВКР-лазера. Третий Российский семинар по волоконным лазерам (Уфа, 31 марта- 2 апреля 2009 г.). Материалы семинара, с.79-80.

   ---

    

   2007-2008

   Волоконные лазеры, перестраиваемые в широком диапазоне

   В работе реализованы новые лазеры с большим диапазоном перестройки частоты в полностью волоконном исполнении. В качестве селектора частоты применены волоконные брэгговские решётки (ВБР). Предложен и реализован метод синхронной перестройки нескольких ВБР, образующих резонатор лазера. Получен диапазон непрерывной перестройки 45, 65 и 50 нм в спектральных областях 1100, 1550 и 1300 нм для лазеров на основе световодов, легированных иттербием, эрбием и фосфором соответственно. В последнем случае реализована схема ВКР-лазера с синхронной перестройкой резонаторов иттербиевого лазера накачки и фосфосиликатного ВКР-лазера. Показано, что ограничение диапазона перестройки возникает из-за рассогласования резонансных длин волн ВБР при сжатии. Продемонстрирована возможность преобразования перестраиваемого излучения в видимый диапазон.

   Публикации:

   • V. A. Akulov, S. A. Babin, S. I. Kablukov, A. A. Vlasov. Fiber lasers with tunable green output, Laser Physics, 2008, v.18, N11, p.1225-1229.
   • Babin S.A., Kablukov S.I., Vlasov A.A. Tunable fiber Bragg gratings for application in tunable fiber lasers. Laser Physics, 2007, v.17, N11, p.1323–1326.
   • Babin S.A., Churkin D.V., Kablukov S.I., Rybakov M.A., Vlasov A.A. All-fiber widely tunable Raman fiber laser with controlled output spectrum. Opt. Express, 2007, v.15, N13, p.8438-8443.
   • Akulov V.A., Afanasiev D.M., Babin S.A., Churkin D.V., Kablukov S.I., Rybakov M.A., Vlasov A.A. Frequency tuning and doubling in Yb-doped fiber lasers. Laser Phys., 2007, v.17, N2, p.124-129.
   • Абдуллина С.Р., Акулов В.А., Бабин С.А., Власов А.А., Каблуков С.И., Курков А.С., Шелемба И.С. Полностью волоконный иттербиевый лазер, перестраиваемый в диапазоне 45 нм. Квант. электроника, 2007, т.37, N12, с.1146-1148.

   Модовая структура излучения сверхдлинного волоконного ВКР-лазера

   Известно, что спектр излучения лазера состоит из «гребёнки» спектральных компонент (мод), частоты которых отличаются на величину Δ=c/2L, определяющуюся длиной резонатора L и скоростью света в среде c. В работе длина резонатора увеличена до рекордного значения L=84 км в схеме волоконного ВКР-лазера с генерацией вблизи окна прозрачности (~1,5 мкм). Показано, что межмодовый интервал в соответствии с формулой уменьшается до предельно малых величин Δ~1 кГц, а число генерируемых мод достигает N~108. При этом модовая структура разрешима в радиочастотном спектре только при малой мощности излучения. С ростом мощности ширина пика сравнивается с межмодовым интервалом, и спектр из «гребёнки» превращается в «квази-непрерывный». Величина критической мощности обратно пропорциональна длине, и составляет ~100 мВт при L=84 км. Показано, что причиной замывания является дефазировка турбулентного характера из-за нелинейного взаимодействия большого количества генерируемых мод. Реализация сверхдлинного ВКР-лазера непосредственно в линии связи позволяет передавать сигнал почти без затухания, что представляет большой практический интерес.

   Публикации:

   • S. A. Babin, E.V. Podivilov. New physical effects in ultra-long Raman fiber lasers. Laser Physics, 2008, v.18, N2,p.122-128.
   • S. A. Babin, V. Karalekas, E. V. Podivilov, V. K. Mezentsev, P. Harper, J. D. Ania-Castaсуn and S. K. Turitsyn. Turbulent broadening of optical spectra in ultralong Raman fiber lasers. Phys. Rev. A, 2008, v. 77(3), 033803 (5p.).
   • Babin S.A., Karalekas V., Harper P., Podivilov E.V., Mezentsev V.K., Ania-Castañón J.D., Turitsyn S.K. Experimental Demonstration of Mode Structure in Ultra-Long Raman Fibre Lasers. Opt. Lett., 2007, v.32, N9, p.1135-1137.
   • Karalekas V., Ania-Castañón J.D., Harper P., Babin S.A., Podivilov E.V., Turitsyn S.K. Impact of nonlinear spectral broadening in ultra-long Raman fibre lasers. Opt. Express, 2007, v.15, N25, p.16690-16695.

   Турбулентное уширение спектра генерации волоконного ВКР-лазера

   Выяснен механизм уширения спектра генерации волоконного ВКР-лазера в результате теоретического и экспериментального анализа роли различных нелинейных эффектов: насыщения ВКР-усиления, вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, четырёхволнового смешения. Показано, что четырехволновое взаимодействие между различными продольными модами ВКР-лазера, число которых достигает ~106, приводит к стохастизации их амплитуд и фаз и генерации новых спектральных компонент. Развита самосогласованная аналитическая теория на основе волновых кинетических уравнений, применявшихся ранее для описания турбулентности поверхностных, акустических, спиновых и других волн. Теория отлично описывает экспериментальный спектр и его уширение с ростом мощности, причём без подгоночных параметров. Обнаруженное турбулентное уширение спектра ВКР-лазера является уникальным примером проявления одномерной волновой турбулентности света в оптическом волокне.

   Публикации:

   • S. A. Babin, D. V. Churkin, A. E. Ismagulov, S. I. Kablukov, E. V. Podivilov, Turbulence-induced square-root broadening of the Raman fiber laser output spectrum. Opt. Lett., 2008, v.33, N6, p.633-635.
   • Бабин С.А., Исмагулов А.Е., Каблуков С.И., Подивилов Е.В., Чуркин Д.В. Исследование рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в фосфосиликатном волокне и его влияния на генерацию ВКР-лазера. Квант. электр., 2007, т.37, N5, с.495-499.
   • Babin S.A., Churkin D.V., Ismagulov A.E., Kablukov S.I., Podivilov E.V. FWM-induced turbulent spectral broadening in a long Raman fiber laser. JOSA B, 2007, v.24, N8, p.1729-1738.
   • Babin S.A., Churkin D.V., Ismagulov A.E., Kablukov S.I., Podivilov E.V. Broadening of the intra-cavity and output spectra of a Raman fiber laser with a low-Q cavity. Laser Physics, 2007, v.17, N11, p.1279–1285.
   • Babin S.A., Churkin D.V., Kablukov S.I., Podivilov E.V. Homogeneous Raman gain saturation at high pump and Stokes powers. J. Opt. Soc. Am. B, 2006, v.23, N8, p.1524-1530.
   • Babin S.A., Churkin D.V., Ismagulov A.E., Kablukov S.I., Podivilov E.V. Spectral broadening in Raman fiber lasers. Opt. Lett., 2006, v.31, N20, p. 3007-3009.