Исследование новых эффектов фотон-фононного взаимодействия, обусловленных сильной анизотропией среды взаимодействия, и разработка на их основе акустооптических устройств с улучшенными характеристиками для оптической обработки информацииНИР

Соисполнители НИР

МИСиС Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Исследование новых эффектов фотон-фононного взаимодействия, обусловленных сильной анизотропией среды взаимодействия, и разработка на их основе акустооптических устройств с улучшенными характеристиками для оптической обработки информации
Результаты этапа: Теоретически и экспериментально исследованы эффекты, возникающих при отражении объемных акустических волн от свободной границы в акустооптических кристаллах, характеризующихся сильной анизотропией упругих свойств. Изучено ранее неизвестное явление возникновения отраженной волны, распространяющейся почти навстречу падающей при скользящем падении на границу, и полностью обратное отражение при наклонном падении. Показано, что в широком диапазоне углов среза кристаллов коэффициент отражения акустической мощности в необыкновенно отраженную волну близок к единице. Предложены оригинальные геометрии акустооптического взаимодействия, использующие необыкновенно отраженную волну. Получено наиболее общее решение задачи распространения акустических пучков в анизотропной среде, которое позволяет анализировать влияние акустической анизотропии среды для любых направлений распространения и проводить расчет структуры пучков на любом расстоянии от пьезопреобразователя. На основе полученного решения разработан алгоритм и создана компьютерная программа расчета, позволившая обнаружить и проанализировать ряд неизвестных до сих пор особенностей распространения ультразвука в кристаллах. Для описания влияния акустической анизотропии на расходимость акустического пучка введено понятие лучевого спектра, характеризующего угловое распределение потока акустической энергии. Показано, что лучевой спектр определяет структуру акустического пучка в дальней зоне дифракции. Выполнен расчет лучевых спектров для разных направлений распространения пучка в кристалле парателлурита. Установлено, что лучевой спектр сохраняет свою форму везде, за исключением областей автоколлимации. Впервые обнаружено, что в этих областях имеет место сильная деформация лучевого спектра с его инверсией. Исследовано влияние амплитудной и фазовой неоднородности акустического поля на характеристики акустооптической дифракции. Показано, что амплитудная неоднородность лишь изменяет величину акустической мощности, необходимой для получения заданной эффективности дифракции, тогда как фазовая неоднородность существенно меняет амплитудные, угловые и частотные характеристики акустооптического взаимодействия, что заметным образом сказывается на работе акустооптических приборов. Детальные расчеты выполнены для двух вариантов акустооптического взаимодействия: квазиколлинеарной и квазиортогональной дифракции. Установлено, что в первом варианте акустическая анизотропия может увеличивать интегральную эффективность дифракции, а во втором варианте имеют место эффекты насыщения интенсивности дифрагированного света и сдвига эффективного угла Брэгга. Впервые строго решена задача дифракции света на акустическом пучке с произвольным углом сноса акустической энергии. Изучено влияние угла сноса на характеристики дифракционного спектра для случаев изотропной и анизотропной дифракции света. Показано, что снос пучка не меняет условие Брэгга, но сказывается на эффективности дифракции (из-за изменения длины пути светового луча в акустическом поле) и на ширине углового и частотного диапазона акустооптического взаимодействия (через фазовую расстройку). Сужение диапазона взаимодействия из-за сноса акустического пучка может достигать нескольких раз. Это говорит о том, что снос пучка необходимо учитывать при разработке акустооптических устройств. Впервые изучено влияние акустического сноса на передаточные функции акустооптического взаимодействия. Детальный анализ, выполненный для разных геометрий АО взаимодействия, разных поляризаций падающего света и в различных частотных диапазонах ультразвука, показал, что акустический снос может существенно менять форму, ширину и максимальное значение передаточных функций и соответствующим образом сказываться на интегральной эффективности дифракции.
2 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Исследование новых эффектов фотон-фононного взаимодействия, обусловленных сильной анизотропией среды взаимодействия, и разработка на их основе акустооптических устройств с улучшенными характеристиками для оптической обработки информации
Результаты этапа: Впервые разработан алгоритм расчета и создана компьютерная программа для исследования акустооптического эффекта в двуосных кристаллах. Программа включает в себя ряд подпрограмм, в которых проводится расчет показателей преломления и поляризаций оптических волн; фазовых и групповых скоростей, поляризаций и углов сноса акустических волн; частотной зависимости углов Брэгга; коэффициентов акустооптического качества для изотропной и анизотропной дифракции; угловых, частотных и спектральных характеристик акустооптического взаимодействия. Программа позволяет получить полную информацию о величине эффекта и геометрии акустооптического взаимодействия во всем частотном диапазоне ультразвука в любом срезе любого кристалла. Работоспособность и эффективность этой программы продемонстрирована на примерах двуосных кристаллов: двойного молибдата свинца (Pb2MoO5) и йодноватой кислоты (HIO3). Показано, что благодаря особому типу оптической анизотропии, присущему только двуосным кристаллам, в них реализуются такие виды акустооптического взаимодействия, которые принципиально невозможны в одноосных кристаллах. Это открывает большие перспективы для разработки новых вариантов акустооптических устройств с улучшенными параметрами. Найдены срезы кристаллов с уникально большими значениями акустооптического качества, заметно превосходящими значения, известные по литературным источникам. Эти результаты позволяют поставить исследованные кристаллы в ряд самых эффективных акустооптических материалов и ожидать их широкого применения в акустооптических приборах. В частности, показано, что йодноватая кислота отличается сильным эффектом коллинеарной дифракции и что коллинеарные фильтры, изготовленные из этого кристалла, могут превосходить широко распространенные фильтры на молибдате кальция более чем в 3 раза по разрешению и потреблять в 7 раз меньшую управляющую мощность. Впервые выполнено полное исследование акустических свойств двойного молибдата свинца. На основе экспериментальных измерений скоростей звука и с использованием оригинальной программы последовательного итерационного подбора коэффициентов удалось определить все 13 упругих модулей кристалла, провести расчет поверхности медленностей и углов сноса акустической энергии. Экспериментально исследованы макеты акустооптических устройств на основе кристалла йодноватой кислоты. Одно из устройств в режиме дефлектора обеспечивало сканирование лазерного пучка на 250 разрешимых положений с временем переключения 6.9 мкс. Это же устройство в режиме модулятора позволяло осуществлять модуляцию интенсивности света в полосе до 80 МГц. Можно утверждать, что в результате выполнения Проекта появилось новое направление в акустооптике – акустооптика двуосных кристаллов.
3 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Исследование новых эффектов фотон-фононного взаимодействия, обусловленных сильной анизотропией среды взаимодействия, и разработка на их основе акустооптических устройств с улучшенными характеристиками для оптической обработки информации
Результаты этапа: Впервые изучены особенности анизотропной дифракции света в акустическом поле с пространственно-периодической фазовой модуляцией акустической волны. Выявлен ряд новых, неожиданных закономерностей. Установлено, что при падении света под углом Брэгга дифракция отсутствует, но зато появляются оптимальные углы падения света, заметно отличающиеся от углов Брэгга и имеющие существенно иной вид зависимости от частоты ультразвука. Показано, что при падении света под оптимальными углами эффективность дифракции может достигать практически 100%, несмотря на большую фазовую расстройку между взаимодействующими волнами. Однако для этого требуется акустическая мощность, несколько превышающая мощность, необходимую в случае однородного акустического поля. Передаточная функция АО взаимодействия содержит два максимума первого порядка. В отличие от варианта изотропной дифракции, эти максимумы располагаются не симметрично относительно угла Брэгга и имеют разную ширину, что обуславливается особенностями оптической анизотропией среды. При достаточном числе пространственных периодов встречно-штыревого пьезопреобразователя кривые частотной зависимости оптимальных углов для разных поляризаций падающего света пересекаются. Это открывает уникальную возможность создания АО приборов для управления неполяризованным светом. Отметим, что до настоящего времени эта проблема в акустооптике оставалась нерешенной, а использование поляризаторов для задания нужной поляризации света всегда сопровождалось 50%-й потерей световой мощности.

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".