Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информацииНИР

Acousto-optic and optoelectronic information processing

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: В результате выполнения НИР по первому этапу работы в 2021 году получены следующие результаты: 1. Исследованы особенности акустооптического взаимодействия в пространственно периодическом акустическом поле, создаваемом секционированным пьезопреобразователем с противофазным возбуждением соседних элементов. Основное внимание уделено изучению уникальных вариантов акустооптической дифракции, которые принципиально невозможны в обычных ячейках с несекционированными возбудителями ультразвука. Показано, что при определенных параметрах преобразователя можно получить режим дифракции с рассеянием светового излучения разной поляризации в один и тот же дифракционный максимум. Такая геометрия взаимодействия позволяет управлять неполяризованным излучением без световых потерь. 2. Экспериментально исследованы акустические и акустооптические свойства стекол на основе германия, селена, кремния и теллура, которые представляют несомненный интерес для практических применений в среднем и дальнем ИК диапазонах. Измерены такие характеристики материалов, как скорости продольных и сдвиговых акустических волн, а также значения акустооптического качества для дифракции на продольных и сдвиговых акустических волнах. Определены также значения коэффициентов акустического затухания для продольных и сдвиговых акустических волн. Полученные результаты говорят о высоких значениях акустооптического качества стекол и, в сочетании с широким диапазоном прозрачности (1,5 – 20 мкм), позволяют рассматривать их в качестве перспективных материалов для изготовления устройств акустооптики ИК диапазона. 3. Теоретически и экспериментально изучена актуальная проблема температурной нестабильности характеристик акустооптических приборов. Рассмотрены различные причины такой нестабильности. Обнаружено, что даже на относительно малых частотах ультразвука, порядка 80 МГц, при акустических мощностях, близких к 1 Вт, величина температурного градиента внутри акустооптической ячейки может достигать 15-20 градусов. Показано, что присутствие температурных градиентов приводит не только к сдвигу функции пропускания ячейки, вызванному изменением условий АО синхронизма, но и к существенному искажению ее формы. Разработан оригинальный метод измерения температурных коэффициентов модулей жесткости акустооптических материалов. 4. Предложена и исследована модернизированная геометрия поляризационной призмы Глана на основе ИК кристаллов галогенидов ртути. Актуальность создания высокоэффективных кристаллических поляризаторов с коэффициентом экстинкции, способным достигать 100000:1, обусловлена тем, что в настоящий момент их максимальная рабочая длина волны не превосходит 6 мкм. В отличие от этого, указанные кристаллы прозрачны до 30 мкм. Рассчитанные параметры поляризаторов существенно превышают параметры существующих устройств даже в ближнем ИК диапазоне и при этом не имеют аналогов в дальнем ИК диапазоне.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: В результате выполнения НИР по второму этапу работы в 2022 году получены следующие результаты: 1. Исследована анизотропная дифракция света в пространственно периодическом акустическом поле, создаваемом антифазной решеткой пьезопреобразователя. Определены параметры акустооптической ячейки, при которых образуется область акустооптического взаимодействия с низкой селективностью одновременно по углу падения света и частоте ультразвука. Показано, что в этой области с помощью одной ячейки можно управлять характеристиками как коллимированных световых пучков, так и пучков, несущих изображение. 2. Предложен оригинальный метод измерения продольного распределения амплитуды акустического пучка, заключающийся в возбуждении акустических импульсов, длительностью существенно меньшей времени пробега импульса по всей длине акустооптической ячейки, и регистрации временной зависимости интенсивности непрерывного светового излучения, при его дифракции на импульсе в различных областях ячейки в режиме малой эффективности акустооптического взаимодействия. Такой метод позволяет учесть одновременно действие акустической анизотропии на структуру акустического поля и наличие затухания ультразвука. Метод апробирован на квазиколлинеарной акустооптической ячейке из кристалла парателлурита, использующей отражение акустической волны от входной оптической грани. 3. Экспериментально исследована зависимость коэффициента затухания медленной квазисдвиговой акустической моды в кристаллографической плоскости (001) кристалла парателлурита от направления. Показано, что коэффициент затухания ультразвука в сильно анизотропной среде зависит, в первую очередь, от направления ее волнового вектора в кристаллографической системе координат, а не от угла сноса энергии. Получена оценка диапазона углов среза кристалла, в котором большой угол сноса энергии сочетается с умеренным коэффициентом затухания ультразвуковой волны. Это представляет практическую важность при разработке акустооптических фильтров, использующих квазиколлинеарную геометрию. 4. Исследованы характеристики широкоугольной и спектрально-поляриметрической геометрий акустооптической дифракции в главных плоскостях кристалла HIO3. Рассчитаны угловые и спектральные характеристики спектрально-поляриметрических и широкоугольных акустооптических фильтров в различных срезах кристалла. Выявлены оптимальные срезы кристалла, как для классических изображающих перестраиваемых акустооптических фильтров, так и для специальных широкоугольных фильтров с высоким спектральным разрешением. На основе выполненных расчетов предложен изображающий фильтр, существенно превосходящий по своим характеристикам существующие аналоги на основе одноосных кристаллов.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: В результате выполнения НИР по третьему этапу работы в 2023 году получены следующие результаты: 1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование ряда новых материалов, перспективных для применения в акустооптических устройствах ближнего, среднего и дальнего ИК диапазонов. Одним из таких материалов является кубический кристалл галогенида таллия KRS-5. Кристалл обладает уникально широким диапазоном прозрачности: от видимого (0,61 мкм) до дальнего ИК диапазона (45 мкм). Кроме того, он отличается высоким значением акустооптического качества. Были исследованы его акустические характеристики: измерены скорости продольных и сдвиговых акустических мод для разных направлений их распространения в кристалле, а также коэффициенты затухания ультразвука. 2. Исследованы акустические и акустооптические свойства новых двуосных кристаллов на основе лития: LiGaSe2, LiInSe2) и LiInS2. Главное достоинство этих кристаллов заключается в большой лучевой стойкости: более 40 МВт/см2. Акустооптическим методом измерены скорости продольных акустических волн в направлении главных кристаллографических осей, на основе которых рассчитаны коэффициенты тензора упругости c11, c22 и c33. Также измерены коэффициенты акустооптического качества при дифракции на продольных акустических волнах и для каждого кристалла установлены 9 из 12 фотоупругих констант. 3. Исследованы особенности квазиколлинеарного акустооптического взаимодействия, использующего отражение акустической волны от одной из граней акустооптической ячейки. Главное достоинство квазиколлинеарной геометрии заключается в возможности достигнуть большой длины взаимодействия благодаря сонаправленной ориентации вектора групповой скорости акустической волны и волнового вектора оптического излучения. Такое взаимодействие применяется, например, в дисперсионных линиях задержки, которые используются в системах генерации фемтосекундных лазерных импульсов. Для квазиколлинеарных ячеек на основе тетрагональных кристаллов галогенидов ртути получены соотношения, описывающие зависимости скорости распространения ультразвука, углов сноса акустического пучка, разрешения, частоты акустооптического синхронизма и величины компрессии оптических импульсов от ориентации волнового вектора акустической волны. Установлено, что физические свойства этих кристаллов позволяют получать более высокие значения спектрального разрешения, а также более эффективно управлять длительностью оптических импульсов, чем в устройствах на основе кристалла парателлурита. 4. Исследованы характеристики спектрально-поляриметрической геометрии акустооптической дифракции в двуосных кристаллах. Работающие на основе такой геометрии перестраиваемые фильтры позволяют проводить, наряду со спектральным анализом оптического излучения, попиксельный анализ состояния его поляризации. Эта особенность делает такие приборы пригодными для решения более широкого круга задач обработки оптической информации. 5. Новым направлением работ явилось исследование характеристик низкоселективных режимов дифракции в двуосных кристаллах в фазово-неоднородном акустическом поле, возбуждаемом фазированной решеткой пьезопреобразователей. Интерес к низкоселективным геометриям, обнаруженным ранее членами коллектива, связан с возможностью разработки на их основе специальных акустооптических дефлекторов, способных сканировать оптические пучки с большим углом расходимости. Для практической реализации подобных вариантов взаимодействия наиболее подходят кристаллы ромбической сингонии с геометрией взаимодействия, реализующейся в плоскости оптических осей. При этом для компенсации неточности изготовления акустооптической ячейки было предложено использовать вместо однородного пьезопреобразователя фазированную электронно-управляемую решетку. 6. Впервые предложена и экспериментально реализована схема акустооптического дефлектора для одновременного управления электромагнитным излучением на нескольких длинах волн. Разработанная система осуществляла одновременное отклонение лазерных пучков трех различных длин волн при их дифракции на одной и той же акустической волне. Дифракция каждого пучка наблюдалась при соблюдении условия фазового синхронизма благодаря использованию оптических свойств двуосной кристаллической среды. Реализация такой геометрии АО взаимодействия возможна только в двуосных кристаллах в области квазиплоского участка поверхности показателей преломления. В качестве источников оптического излучения использовались три лазерных диода с длинами волн 633 нм, 532 нм и 442 нм. 7. Несомненно оригинальными можно считать результаты исследования акустического метаматериала – двумерного фононного кристалла на основе плавленного кварца. Такой материал представляет собой образец плавленого кварца, в котором периодически расположены сквозные цилиндрические отверстия, заполненные воздухом. Выбор плавленого кварца объясняется тем, что этот материал является общедоступным и обладает хорошими акустическими и оптическими характеристиками. Показано, что при введении пространственно-периодичной неоднородности происходит снятие вырождения поперечных акустических мод: моды с разной поляризацией распространяются с разной скоростью. А увеличение нормированного диаметра отверстий приводит к заметной анизотропии фазовой скорости как у медленной сдвиговой моды, так и у продольной. Среда становится акустически и оптически анизотропной.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: В результате выполнения НИР по четвертому этапу работы в 2024 году получены следующие результаты: 1. Проведено исследование акустооптического взаимодействия в теллуридном стекле Ga10Ge15Te75. Исследуемое стекло прозрачно в диапазоне длин волн 3 - 17 мкм и может рассматриваться в качестве альтернативы монокристаллу германия, на основе которого в настоящее время делаются коммерческие акустооптические приборы для управления излучением инфракрасного диапазона. В ходе измерений были экспериментально определены скорости продольных и сдвиговых акустических волн, а также величины акустооптического качества при дифракции инфракрасного излучения на длине волны 3.39 мкм. Измеренные значения акустооптического качества M при дифракции на продольной акустической волне оказались приблизительно равны M ~ 1000*10-15 с3/кг и не зависят от поляризации падающего оптического излучения. Кроме того, были измерены скорости продольной и сдвиговой акустических волн. Получены следующие результаты: VL = 2100 м/с и VS = 1260 м/с соответственно. Проведенные исследования показывают перспективность дальнейших исследований теллуридных стекол с целью их применения в качестве основы для акустооптических приборов инфракрасного диапазона, а исследованное в отчетном периоде стекло Ga10Ge15Te75 несомненно является пригодным для построения на его основе прототипа акустооптического модулятора. 2. Изучены акустические и акустооптические свойства оптически двуосных кристаллов семейства LiInSe/S. Данные материалы являются новыми для акустооптики и примечательны широким диапазоном прозрачности. С точки зрения акустических свойств интерес представляют высокие скорости продольных акустических волн, наблюдаемые в кристалле LiInS2, которые позволяют создавать акустооптические устройства с быстродействием, значительно превышающим быстродействие существующих приборов. Измерения величин акустооптического качества, достигаемых в различных геометриях акустооптической дифракции, показали, что хотя данные материалы и не обладают экстремально высокими значениями качества, однако кристалл LiInSe2 позволяет реализовать дифракцию неполяризованного света, поскольку в нем можно получить такую геометрию дифракции, при которой значения качества для обеих поляризаций светового излучения будут примерно одинаковыми. 3. На примере двуосного кристалла йодноватой кислоты (α-HIO3) продемонстрирована перспективность применения специальных геометрий акустооптической дифракции в двуосных кристаллах для генерации оптических гребенок в петле сдвига частоты. Основное внимание уделено ахроматическим вариантам низкоселективного изотропного рассеяния света на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль нормали к плоскости оптических осей двуосного кристалла. Для указанного режима дифракции проведены расчёты частотно-спектральных характеристик акустооптической ячейки. Показано, что при определенном выборе угла падения света на ячейку данный режим в кристалле α-HIO3 позволяет генерировать ультраширокие перестраиваемые оптические гребёнки с плоским спектром в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне из 50000 и более линий, интервал между которыми может быть оперативно изменяем на величину до 30%. 4. Исследована структура двумерной передаточной функции акустооптической ячейки для особых режимов широкоугольной дифракции в двуосном кристалле. Наиболее подробный анализ проводился для вариантов низкоселективного рассеяния света, уникальных режимов широкоапертурного акустооптического взаимодействия с квазиодномерной передаточной функцией и режима с симметричной угловой апертурой дифракции, в котором форма передаточной функции близка к идеальному кругу. Обоснована перспективность применения перечисленных специальных геометрий взаимодействия света и ультразвука в двуосном кристалле в востребованных акустооптических приборах – формирователях амплитудного профиля лазерного пучка, быстродействующих 3D-сканерах, а также высокоразрешающих монохроматорах с расширенным полем зрения. Применительно к монохроматорам установлено, что такой прибор будет при прочих равных условиях иметь тем более высокое спектральное разрешение и широкое поле зрение, чем большей двуосностью будет обладать используемый кристалл. На основании проведенных расчетов предложен конкурентноспособный монохроматор на ромбическом кристалле α-HIO3, превосходящий по величине поля зрения все существующие серийные аналоги на кристалле парателлурита как минимум на 50%. 5. На основе общих подходов к описанию функционирования электронных систем с обратной связью разработана математическая модель и расчетная программа, позволяющая моделировать поведение акустооптической системы с оптоэлектронной обратной связью над порогом возбуждения. В основе изучаемой системы лежит коллинеарный акустооптический фильтр. При превышении порога возбуждения система может функционировать без внешнего генератора радиочастоты. Поведение системы смоделировано для различных рабочих режимов, реализуемых в зависимости от выбора ее рабочих параметров. Моделирование позволило выявить несколько существенно различных режимов работы. (а) Стационарный режим, – когда при включении оптической накачки система через некоторое время выходит в такой режим работы, при котором амплитуда сигнала в цепи обратной связи и интенсивность светового излучения на выходе акустооптического фильтра постоянны. (б) Автоколебательный режим, – когда амплитуда сигнала в цепи обратной связи и интенсивность светового излучения на выходе акустооптического фильтра периодически изменяются с некоторой частотой, определяемой рабочими параметрами системы. (в) Хаотический режим, реализуемый для наибольших значениях коэффициента усиления; при этом амплитуда сигнала в цепи обратной связи и интенсивность светового излучения на выходе акустооптического фильтра изменяются со временем хаотически. Проведенные исследования показали, что границы между режимами определяются величиной коэффициента усиления цепи обратной связи. 6. Выполнен расчет основных акустических характеристик фононного кристалла. В качестве возможной реализации рассмотрен двумерный фононный кристалл на основе плавленого кварца. Такой фононный кристалл представляет собой образец плавленого кварца, в котором периодически расположены сквозные цилиндрические отверстия, заполненные воздухом. Увеличение анизотропии приводит к тому, что в кристалле распространяется три акустические моды с разными скоростями и имеющие различные направления поляризаций. Расчет показал, что рост анизотропии позволяет уменьшить значение фазовых скоростей поперечных и продольных волн от Vпоп=3763 м/с, Vпрод= 5969 м/с в случае сплошного изотропного плавленого кварца, когда сечения поверхностей акустической медленности представляют собой пару окружностей, до Vпоп=1594 м/с, Vпрод= 3759 м/с соответственно. Таким образом, изменяя нормированный диаметр цилиндрических отверстий, представляется возможным навязать фононному кристаллу необходимые распределения и численные значения фазовых скоростей акустических мод.
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Акустооптическая и оптоэлектронная обработка информации
Результаты этапа: 1.Проведено теоретическое и экспериментальное исследование нового оптически изотропного материала – теллуридного стекла Ga10Ge15Te75, перспективного для использования в ИК диапазоне спектра. 2.Исследованы методы повышения пространственного разрешения акустооптического метода визуализации структуры акустического поля в квазиколлинеарных АО ячейках. Проведена оценка предельной длительности радиочастотного импульса, передаваемого цепью согласования АОЯ без искажений спектра. 3.Впервые исследована возможность применения широкоапертурного ахроматического АО взаимодействия в двуосных кристаллах для управления амплитудным профилем коротких оптических импульсов. Расчет выполнен для двуосного кристалла йодноватой кислоты (α-HIO3). 4.Исследованы частотно-спектральные характеристики ахроматической дифракции в широкоугольных АО ячейках на двуосном кристалле йодноватой кислоты с активной фазированной решеткой пьезопреобразователей. 5.Создана система для экспериментального исследования спектральных свойств масляных и акварельных красок. Проведенные модельные эксперименты по получению спектральных изображений тестовых объектов, скрытых под слоями красок, показали, что спектральная фильтрация, реализованная с помощью перестраиваемых АО фильтров, позволяет видеть скрытые объекты в полосах прозрачности красок. 6.Впервые проведено экспериментальное исследование нового двуосного кристалла калий титанил арсената (KTiOAsO4), перспективного для применений в акустооптике. Измерены скорости продольных и сдвиговых акустических волн для разных направлений их распространения. На основе этих данных определены модули упругости акустических волн и углы сноса акустической энергии. Результаты проведенного исследования дают достаточно полную информацию об основных акустических параметрах исследованного кристалла, что открывает возможности для его использования при разработке новых АО приборов.

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".