ИСТИНА

Фундаментальной научной проблемой, на которую направлена НИР, является исследование особенностей фотон-фононного взаимодействия в средах с большой анизотропией оптических и физических свойств, в первую очередь, таких как оптически двуосные кристаллы и искусственно создаваемые фотонные и фононные кристаллы. Сильная анизотропия этих материалов качественно меняет закономерности фотон-фононного взаимодействия и требует разработки новых математических и физических методов исследования акустооптических эффектов. Изучение новых эффектов, возникающих при рассеянии фотонов на фононах акустического поля, приведет не только к расширению фундаментальных знаний об особенностях акустооптического взаимодействия, но и откроет новые направления в прикладной акустооптике. Поэтому перспективная цель данной работы состоит в создании в области фотоники и лазерной физики информационных устройств и систем с улучшенными характеристиками для управления параметрами лазерных пучков и обработки оптических сигналов.

The fundamental scientific problem that the research is aimed at is the study of the features of the photon-phonon interaction in media with a large anisotropy of optical and physical properties, primarily, such as optically biaxial crystals and artificially created photonic and phonon crystals. The strong anisotropy of these materials qualitatively changes the patterns of photon-phonon interaction and requires the development of new mathematical and physical methods for studying acousto-optic effects. The study of new effects arising from the scattering of photons by acoustic field phonons will not only lead to the expansion of fundamental knowledge about the features of acousto-optic interaction, but also open up new directions in applied acousto-optics. Therefore, the long-term goal of this work is to create information devices and systems with improved characteristics in the field of photonics and laser physics for controlling the parameters of laser beams and processing optical signals.

Ожидается, что в результате выполнения НИР будут получены следующие результаты. - Будет изучена оригинальная геометрия брэгговской дифракции, обеспечивающая рассеяние неполяризованного излучения одновременно в дифракционные максимумы +1-го и -1-го порядков с взаимно ортогональной поляризацией дифрагированного излучения. - Будет выполнено экспериментально исследование характеристик модуляторов и дефлекторов света, изготовленных из аморфных соединений теллура, селена и германия. - Будет исследовано влияние нагрева акустооптических ячеек оптическим излучением и мощным ультразвуком на характеристики акустооптической дифракции, обусловленного температурной зависимостью скорости ультразвука и показателей преломления. - Будут исследованы характеристики поляризаторов света нового типа, предложенные членами коллектива НИР.

Авторский коллектив НИР в течение многих лет занимается исследованиями в области акустооптики. Эти исследования проводятся по широкому кругу вопросов, включающему как изучение самого эффекта и особенностей его проявления в разных средах и при разных условиях эксперимента, так и разработку и практическую реализацию новых акустооптических устройств, базирующихся на результатах теоретического анализа эффекта. Научная группа занимает лидирующее положение в мире в области акустооптики, о чем свидетельствуют сотни публикаций в ведущих научных журналах, патенты на изобретения, контракты и совместные работы с фирмами США, Франции, Бельгии, Германии и других стран по изготовлению акустооптических приборов для оптических линий связи, экологического мониторинга и космических или иных исследований, гранты РФФИ, РНФ, Technical Research Institute (США), France Telecom (Франция), European Research Office of ARL и др. Многие работы научного коллектива имели пионерский характер и явились основой для постановки аналогичных исследований в нашей стране и за рубежом. Имеющий в коллективе парк научного оборудования позволяет проводить экспериментальные исследования по всем направлениям акустооптики, а также близким областям лазерной физики, акустики и кристаллофизики. Все это, в сочетании с высоким уровнем теоретических исследований, дает возможность создавать акустооптические устройства, не имеющие аналогов в мире. Научный задел подтверждается также тем, что члены авторского коллектива регулярно участвуют в международных выставках и на международных конференциях.

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. 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. 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, в частности таких как KRS-5, LiGaSe2, LiInSe2), LiInS2, HIO3, галогенидов ртути и др. 2. Исследованы особенности квазиколлинеарного акустооптического взаимодействия, использующего отражение акустической волны от одной из граней акустооптической ячейки. 3. Исследованы характеристики спектрально-поляриметрической геометрии акустооптической дифракции в двуосных кристаллах. 4. Исследованы характеристики низкоселективных режимов акустооптической дифракции в двуосных кристаллах в фазово-неоднородном акустическом поле, возбуждаемом фазированной решеткой пьезопреобразователей.