Руководитель Бутов Олег Владиславович зам. директора по научной работе, д.ф.-м.н эл. почта: obutov@mail.ru, obutov@cplire.ru тел.: +7 (495) 629-34-47

Лаборатори волоконно-оптических технологий Московской части института совместно с технологической группой Фрязинского филиала ИРЭ являются одним из ведущих центров научного и научно-прикладного развития отечественных технологий волоконной оптики и оптоэлектроники. В распоряжении лабораторий находится современное оборудование и квалифицированные специалисты, что позволяет проводить исследования и осваивать технологии на высоком международном уровне. В круг интересов научных групп входит разработка и исследование новых материалов для волоконной оптики, развитие волоконных лазерных технологий, волоконная сенсорика.

• Волоконные лазеры и усилители
  
  

  Одним из приоритетных направлений исследований лаборатории волоконно-оптических технологий является создание отечественной элементной и приборной базы фотоники, изучение фундаментальных физических основ для разработки одночастотных волоконных лазеров и усилителей со сверхнизким уровнем собственных шумов. Разрабатываются и исследуются новые волоконные световоды с оригинальным составом и профилем показателя преломления.
  Одночастотные лазеры представляют собой крайне перспективные устройства для высокоскоростной телекоммуникации, квантовой связи, сенсорики и радиофотоники. Использование полностью волоконных схем позволяет легко управлять параметрами лазера, создавать перестраиваемые лазерные систем, лазеры, работающие как в непрерывном режиме, так и в режимах модуляции добротности и синхронизации мод. При создании волоконных лазеров разрабатываются теоретические модели, позволяющие предсказывать и осуществлять управление режимами генерации в резонаторах волоконных лазеров с распределенной обратной связью, так и классических лазеров с Фабри-Перо резонаторами. Неотъемлемой частью работы выступает материаловедческая составляющая, приоритетными задачами которой являются создание и исследование новых составов сердцевин высоколегированных оптических волокон с низким уровнем кластеризации ионов редкоземельных элементов, что позволяет создавать волоконные лазеры сультракоротким резонаторами. Возможность создания лазеров с короткими резонаторами существенно упрощает технологию его изготовления благодаря возможности записи короткой равномерной брэгговской структуры. Кроме того, упрощается стабилизация работы такого лазера. Такие лазеры могут быть использованы в качестве компактных сенсорных элементов или источников когерентного излучения для высокочувствительных акустических и сейсмических приборов для нефтегазовой промышленности, нужд геологоразведки, охранных и навигационных систем.

• Волоконные брэгговские решетки и сенсоры на их основе
  
  

  В настоящее время волоконная оптика не ограничивается вопросами телекоммуникации. На основе волоконно-оптических технологий активно развивается волоконная сенсорика и лазерная физика. Одним из ключевых элементов современной волоконной оптики является волоконная брэгговская решетка, представляющая собой периодическую структуру, записанную в сердцевине волоконного световода. Её характерной особенностью является способность отражать оптическое излучение в узком спектральном диапазоне. Брэгговские решетки находят широкое применение в качестве узкополосных оптических фильтров, используемых при селекции оптических каналов, в качестве зеркал к волоконным лазерам или датчиков физических величин.
    В рамках данного направления исследуются особенности записи и механизмов деградации брэгговских решеток. Проводятся разработки новых волоконных сенсоров и резонаторов к волоконным лазерам, в том числе волоконным лазерам с распределенной обратной связью. Лаборатория имеет широкий спектр технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры для записи и исследования различных брэгговских решеток. В лаборатории проводятся как фундаментальные, так и прикладные исследования новых фоточувствительных материалов для волоконной оптики, изучаются свойства брэгговских решеток в различных условиях эксплуатации. Проводятся работы по исследованию волоконных структур под воздействием высоких температур и ионизирующего излучения. Ведутся работы по внедрению брэгговской сенсорики в нефтегазовую и атомную промышленность.
  Результаты проведенных исследований нашли свою реализацию в виде принципиально нового цельноволоконного датчика изгиба. Совместно с ООО «Пролог» (г. Обнинск) была создана сенсорная система, позволяющая проводить измерения кривизны технологических каналов непосредственно в активной зоне работающего ядерного реактора РБМК-1000. Система была внедрена и эксплуатируется на всех отечественных энергоблоках РБМК-1000.

• Температурная зависимость режимов работы эрбиевых волоконных лазеров с коротким резонатором

  Одночастотные волоконные лазеры являются важными перспективными элементами современных телекоммуникационных и сенсорных систем. Особый итререс вылывают схемы построения лазеров с коротким резонатором на основе активного волоконного световода с высоким уровнем легирования сердцевиной эрбием. Однако присущая такому световоду кластеризация вносит существенные коррективы в режим работы создаваемых лазеров. Так, например, такие лазеры работают, как правило, в импульсном режиме.
  В данной работе впервые наблюдался новый эффект в работе одночастотного лазера на основе высоколегированного световода – переключение между режимами импульсной и постоянной генерации при уменьшении температуры до азотных значений. Теоретически показано, что данный эффект обусловлен неточным соответствием энергий уровней при ап-конверсии, что определяет существенную роль температуры в вероятности ее возникновения. Для обоснования этого предположения были получены оценки для скорости ап-конверсии, которая может меняться с изменением температуры более чем на порядок. Модифицированная нами модель Er3+ лазера предсказывает переход от импульсного к постоянному режиму в зависимости от температуры, и мощности накачки.
  Проведен детальный теоретический анализ природы импульсного режима в Er³⁺ лазерах. Подтверждено общее представление о том, что причиной возникновения импульсов является пассивная модуляция добротности. Однако наш анализ показал, что возникновение импульсов обусловлено не насыщаемым поглощением, а обратным эффектом – поглощением, возрастающим при росте интенсивности генерации.

  а)

  б)

  Рисунок 1 – Изменение частоты и длительности импульсов в зависимости от от мощности накачки (а) и зависимость режимов генерации от температуры и мощности накачки (б).

  Публикации:
  
  • Alexander M. Smirnov, Alexey P. Bazakutsa, Yuri K. Chamorovskiy, Igor A. Nechepurenko, Alexander V. Dorofeenko, Oleg V. Butov, “Thermal Switching of Lasing Regimes in Heavily Doped Er3+ Fiber Lasers”, ACS Photonics, Vol. 5, No.12. pp. 5038-5046 (2018)

• Система измерений на основе нового радиационно-стойкого волоконного датчика изгибных деформаций для применения в активной зоне канальных ядерных реакторов

  В работе представлен принципиально новый метод измерения геометрии каналов энергетических ядерных реакторов РБМК-1000 – одного из критических параметров, влияющих на работоспособность ядерной устоановки. Основная научно-техническая идея заключается в способе измерения параметров деформированной конструкции реактора оригинальным методом, с использованием радиационно- и термически стойкого волоконно-оптического датчика изгибных деформаций на основе брэгговских решеток, записанных в специальном стержне-световоде особой конструкции. Научная идея получила свою реализацию в виде радиационно-стойкой измерительной системы ИКС-49, способной работать в условиях активной зоны реактора и обеспечивать измерения без выгрузки топливных кассет.
  Ключевой особенностью конструкции датчика деформаций, является специально разработанный цельный стержень-световод из кварцевого стекла с внешним диаметром 2,1 мм, который содержит 4 световедущие сердцевины, расположенные по периметру сечения. Роль датчиков деформаций выполняют брэгговские решетки, записанные в сердцевинах. В представленной конструкции по длине стержня было записано по 20 групп датчиков с шагом 0,5 м, что позволяет с высокой точностью отслеживать даже сложную форму изгибов с высоким пространственным разрешением и высокой точностью по величине изгибной деформации. Конструкция датчика позволяет устанавливать стержень непосредственно в центральный канал тепловыделяющей сборки (ТВС). Благодаря высокой радиационной стойкости световода и брэгговских элементов датчик способен работать длительное время в условиях активной зоны ядерного реактора.
  Система сертифицирована и внедрена и в настоящее время используется на всех отечественных энергоблоках типа РБМК-1000, работающих на Курской, Смоленской, Ленинградской АЭС. Внедрение системы позволило решить ключевые задачи повышения безопасности, сокращения сроков восстановительных ремонтов, совершенствования технологии восстановления ресурса реакторов и повышения экономичности энергоблоков, что способствовало возможности дальнейшего продления сроков безопасной эксплуатации семи энергоблоков РБМК-1000 второго поколения до 50 лет. Общий экономический эффект от внедрения системы ИКС-49 в период 2017-2035 гг. не менее 63,9 млрд. руб.

  Рисунок 1 – Структурное изображение участка волоконного датчика

  Публикации:
  
  • Oleg V. Butov, Yuri K. Chamorovskiy, Alexey P. Bazakutsa, Artem N. Fedorov, Igor’ A. Shevtsov, “Optical Fiber Sensor for Deformation Monitoring of Fuel Channels in Industrial Nuclear Reactors”,  26rd International Conference on Optical Fibre Sensors, Lausanne, Switzerland, 23-28 September, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2018), paper TuE103
  • Oleg V. Butov, Alexey P. Bazakutsa, Yuri K. Chamorovskiy, Artem N. Fedorov, Igor’ A. Shevtsov, “All-Fiber Highly Sensitive Bragg Grating Bend Sensor”, Sensors, 19(19), 4228 (2019)
  • Бутов О.В., Базакуца А.П., Чаморовский Ю.К., Федоров А.Н., Шевцов И.А., «Полностью волоконный высокочувствительный датчик изгиба для атомной промышленности», Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, №6 (158), 26-27 (2019)
  • Бутов О.В., Базакуца А.П., Федоров А.Н., Шевцов И.А., Никитов С.А., «Создание радиационно-стойких волоконно-оптических средств контроля режимов работы и диагностики состояния энергетического ядерного реактора», Всероссийская конференция по волоконной оптике (ВКВО-2021), Пермь 5-8 октября 2021 г., Фотон-экспресс, №6 (174), октябрь 2021, 262-263

• Одночастотный непрерывный волоконный лазер для применения в телекоммуникационном диапазоне длин волн (λ~1.55 мкм)

  Одночастотные волоконные лазеры представляют большой интерес для применения в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1500–1600 нм) в качестве компактных, малошумящих и помехоустойчивых источников эталонного сигнала. Первые одночастотные лазеры для этого диапазона базировались на коротких отрезках эрбиевых световодов длиной порядка 10 см с записанными в них брэгговскими решётками, выполняющими функцию зеркал-отражателей. Для получения стабильной генерации в одночастотном режиме и минимизации вероятности эффекта сбивки частоты генерации (mode-hopping) резонатор волоконного лазера должен иметь как можно меньшую длину. Кроме того, в более коротком резонаторе существенно проще поддерживать режимы термо- и виброизоляции. Однако для достижения порога лазерной генерации в резонаторе предельно короткой длины принципиально важно обеспечить высокую эффективность поглощения излучения накачки и высокий уровень усиления сигнала в волоконном световоде. Для этого необходимо обеспечить высокий уровень легирования волоконного световода редкоземельными элементами, что ограничивается их предельной растворимостью в матрице кварцевого стекла. В работе была решена данная проблема путем оригинальной методики изготовления композитного волоконного световода с высоким уровнем содержания оксида фосфора в сердцевине, благодаря чему удалось поднять предельный уровень концентрации ионов эрбия в стекле с минимальной степенью паразитной кластеризации.

  а)

  б)

  Рисунок 1 – Ширина полосы излучения лазера (а) и режимы работы лазера при различных мощностях накачки (б).

  Публикации:
  
  • A.A. Rybaltovsky, O.V. Butov, S.A. Vasiliev, I.A. Nechepurenko, O.N. Egorova, S.L. Semjonov, B.I. Galagan, B.I. Denker, S.E. Sverchkov, “Continuous-wave operation of an erbium-doped short-cavity composite fiber laser,” Results in Physics, 16 (2020), 102832