Разработка методов акустооптики и расчет характеристик акустооптических устройств в среднем и дальнем инфракрасном диапазонеНИР

Development of acoustooptic methods and calculation of characteristics of acousto-optic devices in the middle and far infrared range

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 13 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. Разработка методов акустооптики и расчет характеристик акустооптических устройств в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне
Результаты этапа:
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Разработка методов акустооптики и расчет характеристик акустооптических устройств в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне
Результаты этапа: Проведены измерения угловых и энергетических характеристик поперечной дифракции излучения гелий-неонового лазера на ультразвуке в кристалле КРС-5. При исследовании ультразвукового поля в ячейке полуколлинеарного акустооптического (АО) фильтра установлено, что при отражении продольной акустической волны от входной оптической грани с углом среза 49 градусов возникает квазипоперечная волна, распространяющейся под углом 20° к оси (100),. Коэффициент трансформации продольной волны в квазипоперечную составил величину не менее 80% при теоретическом значении 86%. Указанные параметры соответствуют ранее найденной оптимальной геометрии коллинеарного АО взаимодействия. Кроме того, на специально изготовленных образцах кристалла КРС-5 были проведены оценки затухания акустической волны. Полученные значения порядка 40 дБ/см на частоте 450 МГц оказались в 1,5-2 раза выше, чем значения, известные из литературы, что может указывать на необходимость дополнительной термообработки исследованных в эксперименте образцов. Выполнен расчет характеристик АО дефлекторов и перестраиваемых фильтров, на основе ранее неизученных срезов теллура. В результате анализа выделены перспективные для применения в АО устройствах срезы кристалла. Рассчитаны характеристики АО взаимодействия на сдвиговых акустических волнах, распространяющихся вдоль оси X теллура. Впервые показано, что для оценки величины АО качества необходимо учитывать не только численные значения фотоупругих констант, но и хиральность кристаллической решетки теллура. Показано, что на основе найденного уникального варианта АО рассеяния в двуосных кристаллах может быть создан АО 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 АО 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. Указанное обратное отражение наблюдается в широком интервале углов среза кристалла, составляющем десятки градусов, и не требует выполнения специальных условий. Установлено, что энергетический коэффициент отражения в таких случаях может быть значителен и даже достигать 100%. Предсказанное явление обратного отражения выражено тем более ярко, чем более анизотропной является акустическая среда. Указанные аномальные отражения позволяют разрабатывать новые геометрии АО устройств. Показано, что применение бромида ртути в квазиколлинеарных АО ячейках 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 высокого значения 1500. Проведены расчеты трехмерной структуры акустического поля в кристаллах парателлурита, каломели и бромида ртути. Показано, что дифракционная расходимость пучков с одинаковыми параметрами в каломели и бромиде ртути будет больше, чем в парателлурите в 1.8 и 2.2 раза. Этот результат связан с существенно меньшей скоростью ультразвука в этих материалах и возникает, несмотря на меньшую акустическую анизотропию. Таким образом, меньшая акустическая анизотропия действует на более широкие пространственные спектры пучка, в результате чего пространственный спектр пучка получается либо таким же, как в парателлурите в случае каломели, либо шире в случае бромид ртути. В результате, трехмерная структура акустического поля получается в такой же степени неоднородной. В ходе новых измерений были определены недостающие до полного набора значения продольных коэффициентов АО качества кристалла йодида индия, соответствующих кристаллографическим осям. Кроме того, повторные измерения с вдвое уменьшенной ошибкой подтвердили наибольшее значение АО качества 1100х10-15 с3/кг, соответствующее фотоупругой константе p11, а также значение 860х10-15 с3/кг, соответствующее константе p33. При помощи интерферометрической методики впервые измерены главные показатели преломления орторомбического кристалла йодида индия: nx = 2.42, ny = 2.89, nz = 2.55. Установлено, что кристалл обладает сильной оптической анизотропией ∆n = 0.47, что позволит реализовать в нем необходимые геометрии АО взаимодействия. Полученные экспериментальные результаты подтверждают высокую перспективность данного материала для создания высокоэффективных АО устройств для среднего и дальнего ИК диапазонов. Проведены измерения продольных коэффициентов АО качества кристалла бромида ртути в плоскости (1-10). Наибольшее полученное значение составило 645х10-15 с3/кг, что соответствует эффективной фотоупругой константе (p11+p12+2p66)/2. Сравнительный анализ полученных значений для кристаллов бромида ртути и хлорида ртути показал, что значения их фотоупругих констант очеь близки. Это позволило провести оценки неизвестных коэффициентов АО качества кристалла Hg2Br2 по известным константам хлорида ртути с ожидаемой ошибкой, не превышающей 10%. На основе проведенных оценок предложен вариант высокоэффективной широкоапертурной геометрии АО взаимодействия в плоскости (1-10) кристалла с углом среза 14°. В диапазоне длин волн λ = 8…12 мкм он позволит получить разрешающую способность фильтра более 150 с эффективностью дифракции порядка 1% на 1 Вт мощности ультразвука. Частотный диапазон перестройки фильтра составит 21…31 МГц, а угловая апертура устройства будет свыше 11 градусов, что позволит обрабатывать расходящиеся пучки ИК изображений. 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 АО дефлектора на основе кристалла KRS-5. Показано, что применение фазированных пьезопреобразователей в сочетании с анизотропным режимом АО дифракции качественно меняет геометрию областей АО взаимодействия, что открывает новые возможности для улучшения характеристик АО приборов, а также позволяет создавать приборы принципиально нового типа. В частности, показана возможность реализации модуляторов и дефлекторов световых пучков неполяризованного излучения, что весьма актуально для современной оптоэлектроники.

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".