ИСТИНА

На сегодняшний день акустооптические (АО) методы управления оптическим излучением находят широкое применение в различных областях науки и техники. Взаимодействие световых пучков и акустических волн, называемое АО взаимодействием, представляет собой дифракцию светового излучения на акустической волне. АО взаимодействие является одним из основных эффектов, используемых для управления параметрами лазерного излучения. С помощью акустических волн можно эффективно модулировать амплитуду, частоту и фазу световой волны, изменять направление распространения светового пучка. Развитие акустооптических устройств сегодня идет в основном по двум направлениям. Первое – изучение новых геометрий АО взаимодействия, позволяющих улучшить характеристики АО устройств и расширить области применения. Второе – исследование новых акустооптических материалов, например, оптически двуосных кристаллов и сред, в которых можно реализовать АО дифракцию оптического излучения среднего и дальнего ИК диапазона. Еще одним направлением развития АО устройств, пока не получившим должного внимания, но представляющим особый интерес, является создание АО систем, в состав которых введена цепь обратной связи. Ранее было показано, что появление обратной связи в АО устройстве существенным образом расширяет возможности управления поведением системы и нередко позволяет реализовывать качественно новые режимы работы, недостижимые без обратной связи. Обратная связь позволяет, во-первых, улучшить характеристики известных устройств (например, расширить частотный диапазон АО взаимодействия), а во-вторых, создать новые устройства для лазерной физики и оптической обработки информации. Обратная связь в таких системах является по существу гибридной: оптический сигнал в одном из дифракционных максимумов преобразуется в электрический с помощью фотоприемника, а электрический сигнал управляет амплитудой или частотой акустической волны, возбуждаемой в АО ячейке. Введение обратной связи существенно усложняет и качественно меняет поведение АО системы. В ней создаются условия для возбуждения колебаний различного вида, включая хаотические, возникновения бистабильных и мультистабильных состояний, различающиеся амплитудой, частотой и направлением распространения световых волн. Не смотря на то, что изучение АО систем, содержащих цепь обратной связи, проводится в течение уже нескольких десятков лет, данный класс АО систем является по-прежнему перспективной и мало исследованной областью оптической электроники. Такая ситуация обусловлена несколькими причинами. Во-первых, теоретический анализ поведения подобных устройств является весьма сложной задачей. Во-вторых, введение цепей обратной связи открывает столь широкие возможности для создания разнообразных новых АО устройств, что на сегодняшний день исследована лишь малая их часть. Исследовательская работа, выполненная в рамках предлагаемого проекта позволит расширить понимание механизмов функционирования АО систем с обратной связью. Одной из актуальных проблем современной акустооптики является повышение спектральных характеристик АО устройств. Наиболее простым вариантом повышения спектрального разрешения АО приборов видится простое увеличение длины АО взаимодействия. Однако, во-первых, это приводит к необходимости выращивать АО кристаллы все больших и больших размеров, во-вторых, увеличение размеров кристаллов приводит к неравномерному нагреву кристалла в процессе функционирования, что может являться причиной существенного искажения функции пропускания АО устройства и увеличению полосы пропускания, в-третьих, при большой длине АО взаимодействия на характеристики АО дифракции начинают влиять неоднородности светового и ультразвукового пучков, возникающие по причине дифракции на собственной апертуре и воздействия анизотропии среды взаимодействия. В то же время, повышение спектрального разрешения АО устройств позволило бы, например, применять АО фильтры в оптоволоконных линиях связи или конструировать компактные спектральные приборы, обладающие высоким спектральным разрешением. Другим вопросом, требующим решения, является проблема наличия боковых максимумов аппаратной функции АО фильтра, являющихся, по сути, паразитными окнами пропускания фильтра, отрицательно влияющих на спектральные характеристики АО устройств. Существуют способы подавления боковых максимумов функции пропускания – аподизация преобразователя и установка нескольких АО ячеек последовательно. У обоих этих методов имеются недостатки – при аподизации возникают сложности с согласованием АО ячейки, а установка нескольких ячеек друг за другом вызывает усложнение оптической схемы и приводит к кратному удорожанию системы. Таким образом, поиск методов повышения спектрального разрешения и контраста АО фильтров является фундаментальной проблемой для современной акустооптики. В данном проекте предполагается изучить новый подход к решению этой проблемы - введение в систему цепи обратной связи. В ходе выполнения работ по проекту предполагается исследовать АО систему, состоящую из коллинеарного АО фильтра и цепи оптоэлектронной обратной связи. Такая система никем ранее не исследовалась. В то же время, как показали предварительные расчеты и эксперименты, представленные в работах (Mantsevich S.N., Balakshy V.I., Kuznetsov Yu. I. "Acousto-optic collinear filter with optoelectronic feedback", Applied Physics B, Lasers and Optics, vol.123, p.101, 2017; Balakshy V.I., Kuznetsov Yu.I., Mantsevich S.N., "Effect of optoelectronic feedback on the characteristics of acousto-optical collinear filtering", Quantum Electronics, vol.46, pp.181-184, 2016; Mantsevich S.N., Balakshy V.I., Kuznetsov Y.I. "Effect of feedback loop on the resolution of acousto-optic spectrometer", Physics of Wave Phenomena, vol.24, pp.135-141, 2016) показали, что система, предлагаемая в качестве объекта данного исследования, позволяет сузить полосу пропускания коллинеарного АО фильтра и подавить боковые лепестки, улучшая спектральные характеристики. Кроме того, при работе системы в режиме акустооптического генератора (над порогом возбуждения) она фактически является новым типом акустооптического прибора – акустооптическим анализатором спектра оптического излучения, трансформирующим спектр оптического сигнала в спектр электрического сигнала в цепи обратной связи. Перечисленные результаты является важными и актуальными для акустооптики, расширяя границы ее применения. Еще одним интересным эффектом, который был впервые обнаружен в акустооптике, при исследовании данной системы, в случае ее работы над порогом возбуждения, является возможность захвата частоты генерации внешним, более стабильным генератором (Mantsevich S., Balakshy V., "Experimental examination of frequency locking effect in acousto-optic system", Applied Physics B, Lasers and Optics, vol.124, p.54, 2018). Результаты предварительных экспериментов показали, что захват частоты позволяет управлять спектральными характеристиками выходного оптического излучения, а полоса пропускания захваченной системы оказывается существенно уже, чем не захваченной.

To date, acousto-optical (AO) methods of optical radiation control are widely used in various fields of science and technology. The interaction of light beams and acoustic waves, called the AO interaction, is the diffraction of light radiation on the acoustic wave. AO interaction is one of the main effects used to control the parameters of laser radiation. With the help of acoustic waves, it is possible to modulate effectively the amplitude, frequency and phase of a light wave, to change the light beam propagation direction. The development of acoustooptical devices today is mainly focused in two directions. The first one is the invention of the new AO interaction geometries that may improve the characteristics of AO devices and expand the scope of applications. The second is the examination of the new acousto-optic materials, for example, optically biaxial crystals and media, in which AO diffraction may be used to control light with wavelengths from the middle and far infrared. Another area of AO devices development, which has not yet received proper attention, but is of particular interest, is the creation of AO systems, in which a feedback circuit has been introduced. Previously, it was shown that the appearance of the feedback in the AO device significantly enhances the ability to control the behavior of the system and often allows the implementation of qualitatively new operation modes unattainable without feedback. Feedback allows, first, to improve the characteristics of known devices (for example, to expand the frequency range of AO interaction), and secondly, to create new devices of laser physics and optical information processing. The feedback in such systems is essentially hybrid: the optical signal in one of the diffraction maxima is transformed into an electric signal by a photodetector, and the electric signal controls the acoustic wave amplitude or frequency arroused in the AO cell. The introduction of feedback significantly complicates and qualitatively changes the behavior of the AO system. It creates conditions for the excitation of oscillations of various kinds, including chaotic, the occurrence of bistable and multistable states, varying in amplitude, frequency, and light waves propagation direction. In spite of the fact that the examination of AO systems containing a feedback has been conducted for several decades, this class of AO systems is still a promising and poorly explored area of optical electronics. This situation is due to several reasons. First, a theoretical analysis of the behavior of such devices is a very difficult task. Secondly, the introduction of feedback loops opens up so wide opportunities for the creation of a variety of the new AO devices, that to date only a small part of them has been examined. The research work carried out within the framework of the proposed project will expand the understanding of the AO systems with feedback functioning mechanisms. One of the actual problems of modern acoustooptics is the increase of the AO devices spectral characteristics. The simplest variant to improve the AO devices spectral resolution is a simple enlargement of the AO interaction length. However, firstly, this leads to the problem of AO crystals of larger and larger sizes manyfacturing, and secondly, the increase in the crystal size leads to uneven heating of the crystal during operation, which may cause a significant distortion of the transmission function of the AO device and increase the bandwidth. Thirdly, the characteristics of the diffraction AO begin to be affected by the inhomogeneities of the light and ultrasonic beams arising from the diffraction by the self aperture and the influence of the interaction medium anisotropy for the high AO interaction lengths. At the same time, the AO devices spectral resolution enhancement would, for example, allow the use of AO filters in fiber-optic communication lines or compact spectral devices design that wi have high spectral resolution. Another issue that needs to be solved is the problem of the side lobes of the AO filter transmission function, which are, in fact, parasitic filter transmission windows that adversely affect the spectral characteristics of the AO devices. There are ways to suppress the transmission function side lobes - apodization of the transducer and the installation of several AO cells in series. Both of these methods have drawbacks: when apodization occurs, it is difficult to reconcile the AO cells, and the installation of several cells one by one causes a complication of the optical scheme and leads to a multiple rise in the cost of the system. Thus, the search for methods of the AO filters spectral resolution and contrast improvement is a fundamental problem for modern acousto-optics. This project is expected to examine a new approach to solve this problem - the introduction of a feedback into the AO system. In the course of the project, it is proposed to investigate an AO system consisting of a collinear AO filter and an optoelectronic feedback circuit. Such a system has not been examined by anyone before. At the same time, preliminary calculations and experiments presented in the works (Mantsevich SN, Balakshy VI, Kuznetsov Yu. I. "Acousto-optic collinear filter with optoelectronic feedback", Applied Physics B, Lasers and Optics, vol.123, p.101, 2017; Balakshy VI, Kuznetsov Yu.I., Mantsevich SN, "Effect of optoelectronic feedback on the characteristics of acousto-optical collinear filtering", Quantum Electronics, vol. 46, pp.181-184, 2016; Mantsevich SN, Balakshy VI, Kuznetsov YI "The effect of feedback loop on the resolution of the acousto-optic spectrometer", Physics of Wave Phenomena, vol.24, pp.135-141, 2016), has shown that the system proposed as the object of this study allows to narrow the collinear AO filter passband and to suppress the side lobes, enhancing the spectral characteristics. In addition, when the system is operating in the regime of an acousto-optical generator (above the self excitation threshold), it turns out to be the completely a new type of acousto-optical instrument -an acousto-optic optical radiation spectrum analyzer that transforms the spectrum of the optical signal into the spectrum of the electrical signal in the feedback loop. The results mentioned are important and relevant for acousto-optics, expanding the scope of its application. Another interesting effect, which was firstly discovered in acousto-optics during the examination of the presented system, is the possibility of lock the self oscillations frequency in the generation mode by an external, generator with higher stability (Mantsevich S., Balakshy V., "Experimental studies of frequency locking effect in the acousto-optic system ", Applied Physics B, Lasers and Optics, 2018, vol.124, p.54, 2018). The results of preliminary experiments showed that the frequency locking allows controlling the spectral characteristics of the output optical radiation, and the passband of the locked system turns out to be substantially narrower than for the same system that has not been locked.

В ходе выполнения работ по проекту планируется достичь следующих результатов. В теоретической части - построение математической модели, описывающей все режимы работы, возможные при совместном функционировании коллинеарной акустооптической ячейки и цепи электрической обратной связи (работа под и над порогом генерации, определение положения порога генерации, определение полосы пропускания системы в режиме генерации, описание эффекта захватывания частоты системы при работе над порогом генерации); создание расчетных программ, позволяющих проводить симуляцию режимов работы и рассчитывать характеристики изучаемой системы в зависимости от параметров системы. В практической части - модернизация существующей лабораторной установки для всестороннего изучения режимов работы и характеристик предлагаемой АО системы. В результате выполнения работ по проекту будет создана и теоретически описана новая акустооптическая система, отличительной особенностью которой является возможность управлять формой функции пропускания этой системы. Данная система, как следует из предварительных расчетов, обладает рекордно узкой для акустооптических устройств полосой пропускания, функция пропускания системы отличается отсутствием боковых максимумов, являющихся паразитными окнами пропускания. Предполагается изучить возможность применения исследуемой системы в оптоволоконных линиях связи. Научно-исследовательская работа, которую планируется провести, позволит лучше понять закономерности функционирования целого класса оптоэлектронных устройств - акустооптических систем с обратной связью. Планируется публикация работ в высокорейтинговых иностранных научных журналах. Запланированные исследования соответствуют мировому уровню исследований, что подтверждается двумя патентами РФ №2575500 и №2585802.

Идея совместного применения коллинеарного АО фильтра и цепи обратной связи основана на работе (Balakshy V.I., Mantsevich S.N. «Polarization effects at collinear acousto -optic interaction», Optics and Laser Technology, vol. 44, pp. 893-898, 2012). В ней было показано, что при определенном выборе поляризации подаваемого на вход коллинеарной АО ячейки светового излучения, на выходе АО ячейки интенсивность светового излучения будет промодулирована по интенсивности с частотой ультразвука, возбуждаемого в АО ячейке. Возникновение модуляции обусловлено эффектом гетеродинирования поскольку в коллинеарной геометрии АО взаимодействия все световые пучки распространяются вдоль одного и того же направления. Стоит отметить, что использованная геометрия АО взаимодействия, сочетаемая со специфической ориентацией плоскостей поляризации поляризатора и анализатора является единственной в акустооптике, при которой возможно получить амплитудную модуляцию света на бегущей, а не на стоячей акустической волне, что позволяет избавить систему от проблем, связанных с дрейфом температуры АО кристалла в процессе ее работы. Наличие модуляции интенсивности на частоте ультразвука позволяет использовать цепь обратной связи для управления характеристиками АО дифракци. В этих же работах представлена предварительная теоретическая модель изучаемой системы, результаты первых расчетов и предварительных экспериментов, которые показали, что введение цепи обратной связи действительно влияет на характеристики АО дифракции в коллинеарном АО фильтре положительным образом - сужая полосу пропускания, увеличивая эффективность АО взаимодействия и подавляя боковые лепестки функции пропускания.

Целью данного проекта является исследование влияния параметров электрической цепи обратной связи на характеристики акустооптической дифракции на примере АО системы, состоящей из коллинеарной АО ячейки и цепи обратной связи. Предполагается, что введение цепи обратной связи позволит существенно улучшить характеристики АО взаимодействия: повысить эффективность АО дифракции, уменьшить мощность управляющего ВЧ сигнала, подаваемого на пьезопреобразователь АО ячейки с генератора, сузить полосу пропускания АО ячейки и улучшить спектральные характеристики АО системы в целом. Предварительные эксперименты по изучению рассматриваемой системы, проведенные руководителем проекта, подтвердили справедливость данного предположения в части возможности управления формой ее функции пропускания [Mantsevich S.N., Balakshy V.I., Kuznetsov Yu.I. «Acousto-optic collinear filter with optoelectronic feedback » // Appl. Phys. B, Lasers and Optics, V.123, 2017, p.101]. Применение цепи обратной связи при осуществлении спектральной фильтрации излучения посредством коллинеарного АО фильтра является новой, ранее не изученной проблемой в акустооптике и оптической электронике. Кроме того, поскольку большинство систем, в состав которых входит цепь обратной связи, обладают несколькими режимами работы, будет изучена работа данной системы в режиме генерации. В таком случае систему можно назвать акустооптическим генератором, поскольку для ее работы не требуется внешний ВЧ генератор. Еще одним интересным эффектом, который планируется обнаружить и изучить является захватывание частоты данной АО системы, работающей в режиме генерации, при подключении к ней внешнего, более стабильного генератора. Существование эффекта захватывания следует из общей теории колебательных систем, и ранее не наблюдалось в акустооптических устройствах. Обнаружение и исследование эффекта захватывания частоты имеет не только научный, но и практический интерес поскольку в других областях оптической электроники такой эффект используется достаточно часто. Так же, в ходе выполнения работ по проекту, планируется изучение функционирования других акустооптических систем, содержащих цепи обратной связи или управляемых перестройкой электрических параметров систем. Таким образом, результатом выполнения запланированных работ станет значительное расширение понимания закономерностей функционирования целого класса акустоопических устройств.