Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информацииНИР

Acoustic

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
14 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: Получено общее решение задачи распространения акустического пучка в анизотропной среде, позволяющее рассчитывать амплитудную и фазовую структуру пучка на любом расстоянии от пьезопреобразователя и для любых направлений его распространения в кристалле. Выполнен расчет структуры пучков и их лучевых спектров для различных направлений распространения ультразвука в акустооптических кристаллах парателлурита, теллура и каломели, отличающихся сильной анизотропией упругих свойств. Определены коэффициенты анизотропии для областей фокусировки, дефокусировки и автоколлимации пучков. Решена задача дифракции света в пространственно неоднородном акустическом поле с учетом сноса акустического пучка. Полученные модифицированные уравнения связанных волн позволяют рассчитывать дифракционный спектр в любом режиме дифракции и при любом типе акустооптического взаимодействия. Показано, что снос акустического пучка не меняет условие акустооптического фазового синхронизма, но может существенно сказываться на угловом и частотном диапазонах взаимодействия. Поэтому этот эффект следует учитывать при разработке акустооптических приборов. Исследованы закономерности распространения плоских объемных акустических волн в материалах с сильной анизотропией упругих свойств. Теоретически и экспериментально изучались новые и при этом необычные акустические эффекты, наблюдающиеся на границе раздела между кристаллической средой и вакуумом. На плоской и свободной границе раздела между кристаллом парателлурита и вакуумом наблюдалось скользящее падение плоской объемной акустической волны и непосредственно следующее за ним обратное отражение акустической энергии от границы. Угол между потоками энергии падающей и отраженной волн не превышал в кристалле парателлурита 5 градусов, а в кристалле каломели этот угол был ограничен 10 градусами. К необычным эффектам относится отражение акустической энергии от свободной границы при углах падения, превосходящих 90 градусов и, как обычно, отсчитываемых относительно нормали к отражающей поверхности и волнового вектора акустической волны. В акустооптическом эксперименте также зарегистрирован эффект сильного пространственного сжатия звукового пучка при его отражении от плоской свободной границы раздела двух сред, одна из которых обладает сильной упругой анизотропией. Предсказан и в акустооптическом эксперименте при помощи инфракрасного излучения He-Ne лазера впервые реализован «полуколлинеарный» режим дифракции света на ультразвуке. Данный режим дифракции наблюдается только в акустически анизотропной среде, при этом характеризуется поперечным и коллинеарным распространением, соответственно, падающего и дифрагированного света относительно акустического столба в кристалле.
15 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: Создана экспериментальная установка для наблюдения методами акустооптики эффекта близкого к обратному отражения упругих волн в акустически анизотропной среде. Проведенные в рамках проекта эксперименты подтвердили обнаруженные теоретически свойства отраженных волн в кристалле парателлурита. Предложена конфигурация акустооптического прибора из кристалла парателлурита на основе акустического отражения от грани. Найден угол среза кристалла, обеспечивающий требуемую трансформацию упругой энергии, а также был определен энергетический коэффициент этой трансформации. Расчеты показали, что предложенная схема является вполне реализуемой и необходимая отраженная акустическая мода обладает коэффициентом преобразования, приближающимся к 90%. Это позволяет использовать данную акустическую волну в фильтре оптического изображения, работающего со световыми пучками, имеющими широкую угловую апертуру. Впервые исследовано необычное явление падения акустической волны на плоскую границу раздела кристалл-вакуум, при котором угол падения волны (в классическом понимании этого термина) превосходит 90 градусов. В изотропной среде такой эффект принципиально невозможен. В сильно анизотропной среде, каковой является кристалл парателлурита, это происходит, когда волновой вектор направлен не в сторону поверхности, а от нее. Однако при этом вектор Пойнтинга, наоборот, ориентирован традиционно к границе под углом, меньшим 90 градусов. Предсказано теоретически и реализовано в эксперименте пространственное сжатие отраженного объемного акустического пучка при наклонном падении звука на плоскую границу раздела кристалл-вакуум. Показано, что эффект пространственного сжатия акустического пучка обусловлен акустической анизотропией среды распространения. Разработаны алгоритмы расчета и создана комплексная компьютерная программа для расчета оптических, акустических и акустооптических характеристик кристаллов с низким уровнем симметрии кристаллической решетки (двуосные кристаллы). Двуосные кристаллы, несомненно, представляют большой интерес вследствие особенностей своей оптической анизотропии, которая, в сочетании с акустической анизотропией, существенно меняет условия акустооптического фазового синхронизма, что сказывается на всех характеристиках акустооптического взаимодействия. Разработанная программа применима ко всем группам симметрии кристаллов. Она впервые позволила рассчитывать все оптические, акустические и акустооптические характеристики любых кристаллов для произвольных направлений распространения света и звука. Возможности программы продемонстрированы на примере двуосных кристаллов двойного молибдата свинца (Pb2MoO5), йодноватой кислоты (HIO3) и ванадата висмута (BiVO4) На основе оригинального решения акустической задачи изучены особенности распространения ультразвуковых пучков в средах с сильной анизотропией упругих свойств, в частности, в таких акустооптических кристаллах, как парателлурит (ТеО2), каломель (Hg2Cl2) и теллур (Те). Особое внимание уделено эффектам фокусировки, дефокусировки и автоколлимации пучков, обусловленным сильной акустической анизотропией кристаллов. Получены численные решения задачи дифракции света в неоднородных акустических полях для разных геометрий взаимодействия света и ультразвука и сделаны оценки влияния амплитудной и фазовой неоднородности ультразвуковых пучков на эффективность акустооптического взаимодействия. Эти результаты важны для объяснения наблюдающихся в эксперименте расхождений с классической теорией, не учитывающей реальную структуру акустических пучков.
16 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: Теоретически и экспериментально исследован новый метод визуализации фазовых объектов, основанный на селективных свойствах акустооптического взаимодействия. Показано, что причиной появления эффекта визуализации является возникающая в процессе дифракции света на ультразвуке асимметрия пространственного спектра изображения. Визуализация отсутствует при падении светового пучка под углом Брэгга, а оптимальным является угол падения, соответствующий участку с наибольшей крутизной склона передаточной функции акустооптической ячейки. Контраст визуализированного изображения пропорционален глубине фазового рельефа исходного фазового изображения. Разрешение и контраст определяются расходимостью акустического пучка. При увеличении частоты ультразвука или длины акустооптического взаимодействия контраст возрастает, но разрешение падает. Исследованы зависимости управляющей мощности, фазовой чувствительности, пространственного и углового разрешения от среза кристалла и геометрии взаимодействия. Экспериментальная проверка разработанного метода визуализации проведена со специально изготовленной акустооптической ячейкой из кристалла парателлурита (ТеО2), позволившей регистрировать визуализированные изображения одновременно в двух дифракционных максимумах +1-го и –1-го порядков. Благодаря этому было обеспечено разделение пространственной амплитудной и фазовой модуляции исходного изображения. Исследована коллинеарная акустооптическая дифракция произвольно поляризованного оптического излучения. Установлено, что выходное излучение, в зависимости от взаимной ориентации поляризатора и анализатора, может быть промодулировано по интенсивности либо на частоте ультразвука, либо на удвоенной частоте. Эффект возникает в результате биений разных компонент дифрагированного спектра, частота которых смещена вследствие эффекта Доплера. Разработана и экспериментально исследована новая система фильтрации оптических сигналов на основе коллинеарного акустооптического фильтра с оптоэлектронной положительной обратной связью. Исследована зависимость спектрального разрешения системы от коэффициента обратной связи, мощности светового излучения, фазового сдвига фазовращателя и амплитуды акустической волны. В эксперименте сужение полосы пропускания фильтра составило 37 раз по сравнению с фильтром традиционной геометрии. Исследованы закономерности отражения акустических пучков от свободной границы сильно анизотропных кристаллов и особенности трансформации акустического углового спектра для разных направлений распространения пучков. Разработана математическая модель, позволяющая учесть процесс отражения акустического пучка от грани акустооптической ячейки и изучить влияние отражения на структуру отраженного акустического пучка. Разработанная теория и математическая модель являются достаточно универсальными и могут быть применены к любым акустооптическим материалам и геометриям акустооптических ячеек, использующих в своей работе отражение акустического пучка. Изучено влияние акустической анизотропии среды на интегральный коэффициента отражения, а также на структуру акустических пучков. Установлено, что процесс отражения приводит к существенному изменению как амплитудной, так и фазовой структуры пучка. При этом акустическое поле становится более неоднородным. Следовательно, отражение является дополнительным фактором, кроме дифракционной расходимости пучка и акустической анизотропии среды, влияющим на структуру акустического поля в акустооптической ячейке и, следовательно, на характеристики акустооптической дифракции.
17 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа:
18 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: – Исследованы особенности акустооптического взаимодействия в двуосных кристаллах. Основное внимание уделено областям вблизи оптических осей кристаллов, где эффекты усложняются наличием оптической активности и где имеют место наибольшие отличия в характеристиках дифракционного спектра по сравнению с одноосными кристаллами. Более сложный характер оптической анизотропии, присущий таким материалам, определяет совершенно необычный вид частотных зависимостей углов Брэгга и, как следствие, новые варианты геометрии акустооптического взаимодействия, благодаря которым открываются уникальные возможности для создания устройств со сверхширокими частотными и угловыми диапазонами взаимодействия и, соответственно, лучшими характеристиками по быстродействию и разрешению. При экспериментальном исследовании акустооптической дифракции в двуосном кристалле калий-титанил арсената найдена геометрия взаимодействия с плоским участком волновой поверхности, на которой угловой диапазон взаимодействия в 4 раза больше, чем в изотропном материале. Впервые исследован новый вариант акустооптического взаимодействия, когда условие фазового синхронизма при изотропной дифракции выполняется одновременно для нескольких дифракционных максимумов. Такой вариант рассеяния света возможен только в определенных срезах двуосных кристаллов. – Впервые исследованы закономерности невзаимного акустического отражения на границе кристалл – вакуум. Показано, что, несмотря на невзаимную геометрию отражения в анизотропной среде, имеет место условие взаимности для энергетических коэффициентов отражения. Подобное невзаимное отражение может быть использовано для создания устройств с двумя пьезопреобразователями, возбуждающими одну и ту же акустическую моду посредством разных геометрий отражения. Теоретически и экспериментально исследованы необычные случаи распространения и отражения акустических волн в кристаллах, обладающих сильной акустической анизотропией: распространение акустической волны с рекордным углом акустического сноса, равным 74 градусам; падение волны на границу с углом, превышающим 90 градусов; распространение акустического пучка в близком к обратному направлению при наклонном отражении от границы. – Изучена возможность экспериментальной реализации обратного коллинеарного акустооптического взаимодействия на основе кристалла КRS-5. Найдены оптимальные режимы такой коллинеарной дифракции, определены срезы кристалла с максимальным значение коэффициента акустооптического качества, рассчитана дисперсия качества в диапазоне длин волн 5 - 35 мкм. Разработана схема первого в мире акустооптического фильтра дальнего инфракрасного диапазона, основанная на использовании обратной коллинеарной дифракции. Проанализирована возможность создания искусственной оптической анизотропии в кристалле КRS-5 путем приложения к кристаллу внешнего статического давления и реализации таким способом режима анизотропной дифракции в оптически изотропном кристалле. На основе этих расчетов была создана акустооптическая ячейка, работавшая в варианте акустооптического дефлектора с анизотропной дифракцией. – Впервые выполнено теоретическое и экспериментальное исследование недавно обнаруженного сотрудниками коллектива эффекта электронной перестройки частоты акустических резонансов акустооптического модулятора, используемого для активной синхронизации мод лазера. В приближении плоских акустических волн решена задача возбуждения акустического резонатора Фабри–Перо пластинчатым пьезопреобразователем с учетом реальных параметров ВЧ генератора и элементов согласования преобразователя с генератором. Установлено, что причиной эффекта является изменение фазы акустической волны на границе акустического резонатора с преобразователем, что эквивалентно изменению длины резонатора. В эксперименте изменение согласующей индуктивности в диапазоне от 0.025 до 0.2 мкГн обеспечило перестройку частоты акустического резонанса на 0.19 МГц, что превышает полуширину резонанса. Это позволило сделать вывод, что на основе изученного эффекта можно создать систему автоматической подстройки частоты в акустооптическом модуляторе, работающем в режиме синхронизации мод лазера.
19 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: 1. Теоретически и экспериментально исследованы особенности анизотропного акустооптического взаимодействия в периодически неоднородном акустическом поле, создаваемом фазированной решеткой пьезопреобразователей с противофазным возбуждением соседних элементов. Численные расчеты выполнены для акустооптических ячеек из кристаллов парателлурита и ниобата лития. Показано, что в такой структуре акустооптическое взаимодействие может полностью отсутствовать при падении света под углом Брэгга. Однако существуют углы падения, названные оптимальными, при которых эффективность дифракции может достигать 100%,несмотря на нарушение условия фазового синхронизма. Рассчитаны области акустооптического взаимодействия для разных периодов структуры пьезопреобразователя. Установлен ряд необычных закономерностей акустооптического рассеяния света, которые могут быть полезны при разработке АО устройств нового типа. В частности, показана возможность реализации модуляторов и дефлекторов неполяризованного света с существенно лучшими характеристиками, чем у известных в настоящее время устройств. 2. Проведено теоретическое исследование нового двуосного кристалла Tl3AsS4, перспективного для применения в ближнем, среднем и дальнем ИК диапазонах (до 12 мкм). Низкая кристаллографическая симметрия этого кристалла определяет большое количество ненулевых компонент тензоров упругости и фотоупругости, что в сочетании со сложной оптической анизотропией дает большое разнообразие частотных зависимостей углов Брэгга. Рассчитаны сечения поверхности медленностей для главных кристаллографических плоскостей, определены скорости акустических мод, их поляризации и углы сноса для различных направлений распространения в кристалле. Впервые выполнен расчет коэффициентов акустооптического качества для квазиколлинеарной геометрии взаимодействия. Найдены срезы кристалла, соответствующие максимальному спектральному разрешению. Установлено, что при распространении продольной акустической моды по оси X получаются близкие значения качества для обеих поляризаций падающего света. Этот срез кристалла можно использовать для управления неполяризованным световым излучением, в частности для создания модулятора неполяризованного излучения. 3. Впервые исследованы закономерности невзаимного акустического отражения на границе кристалл – вакуум. Рассмотрена принципиально новая конфигурация взаимного отражения упругих волн в анизотропных средах, в которых дополнительная акустическая волна распространяется навстречу одной из двух отраженных волн. Показано, что отражение дополнительной волны порождает две моды, одна из которых противоположна по направлению исходной падающей волне, а вторая имеет индивидуальное направление. Это приводит к тому, что направления отраженных волн, возникающих при возбуждении в обратном направлении, не совпадают с волнами,генерируемыми в прямом направлении. Рассчитаны все свойства упругих волн в описанной схеме, включая направления, поляризации, углы сноса и коэффициенты отражения. Показано, что, несмотря на невзаимную геометрию отражения в анизотропной среде, имеет место условие взаимности для энергетических коэффициентов отражения. Рассмотренная конфигурация упругих волн в кристалле показала, что в отличие от изотропной среды, в анизотропном материале направления отраженных волн лишь частично совпадают с первоначальной картиной, что говорит о невзаимности акустического отражения в анизотропной среде. С другой стороны, для коэффициентов отражения упругих волн наблюдается симметрия. Подобное невзаимное отражение может быть использовано для создания устройства на основе двух преобразователей, возбуждающих одну моду посредством разных геометрий отражения. 4. Проведено исследование акустооптического взаимодействия в кристалле КRS-5, обладающего низкими значениями скорости акустических волн и перспективного для использования в акустооптике среднего и дальнего инфракрасного диапазона. Рассчитаны коэффициенты акустооптического качества в квазиортогональном и коллинеарном режимах взаимодействия, а также в новом типе полуколлинеарного режима взаимодействия, совмещающем свойства двух указанных режимов. Найдены оптимальные геометрии обратного коллинеарного взаимодействия, обеспечивающие наибольшие значения коэффициентов акустооптического качества при наименьшем затухании ультразвуковой волны. Разработана схема реализации обратного коллинеарного взаимодействия, использующая трансформацию акустических мод из продольной в квазисдвиговую путем отражения от свободной грани кристалла. Показана возможность применения этой схемы в широком спектральном диапазоне инфракрасного оптического излучения от 5 мкм до 35 мкм. Проведена оптимизация размеров кристалла и пьезопреобразователя, соответствующих максимальной эффективности дифракции в зависимости от длины волны излучения. Исследовано изменение поляризации излучения при его коллинеарном взаимодействии с ультразвуком в различных срезах кристалла КRS-5. Подготовлен эксперимент по наблюдению обратной коллинеарной дифракции излучения на длине волны 10,6 мкм, основанный на разработанной схеме взаимодействия.
20 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: За 2020 год получены следующие результаты: Выполнен расчет характеристик акустооптических дефлекторов и перестраиваемых фильтров на основе ранее неизученных срезов кристалла теллура. В результате анализа выделены перспективные для применения в акустооптических устройствах срезы кристалла. Рассчитаны характеристики акустопоптического взаимодействия на сдвиговых акустических волнах, распространяющихся вдоль оси X теллура. Впервые показано, что для оценки величины акустооптического качества необходимо учитывать не только численные значения фотоупругих констант, но и хиральность кристаллической решетки теллура. Показано, что на основе найденного уникального варианта акустооптического рассеяния в двуосных кристаллах может быть создан дефлектор, позволяющий работать не только с коллимированными оптическими пучками, но и с сильно расходящимися пучками, несущими изображение, что предоставляет новые возможности по улучшению характеристик существующих акустооптических приборов. Для кристалла бромида ртути, характеризующегося сильной анизотропией упругих свойств, детально проанализированы особенности аномального отражения акустических волн при углах падения на границу кристалла, превышающих 90 градусов. Показано, что при наклонном падении отраженная волна может распространяться строго назад. Такое обратное отражение наблюдается в широком интервале углов среза кристалла, составляющем десятки градусов, и не требует выполнения специальных условий. Указанные аномальные отражения позволяют разрабатывать новые геометрии акустооптических устройств. Показано, что применение бромида ртути в квазиколлинеарных фильтрах с отражением дает большее спектральное разрешение, чем при использовании кристалла парателлурита в том же спектральном диапазоне. На длине волны 10.5 мкм может быть получено разрешение, достигающее уникально высокого значения 1500. Теоретически и экспериментально показано, что в кристалле KRS-5 можно управлять наведенной оптической анизотропией при помощи внешнего статического давления. Внешнее статическое давление величиной p = 10-12 МПа обеспечивает двукратное расширение полосы частот в режиме геометрии акустооптического дефлектора.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен