Акустооптические устройства в системах с цепями обратной связи

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-12-00057

НазваниеАкустооптические устройства в системах с цепями обратной связи

Руководитель Манцевич Сергей Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова акустооптический эффект, электрическая и оптическая обратная связь, спектральное разрешение, спектральная фильтрация, оптические гребенки, обработка изображений

Код ГРНТИ29.37.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день акустооптическое (АО) взаимодействие является одним из основных эффектов, применяемых для управления параметрами светового излучения. Магистральными направлениями развития акустооптики являются поиск новых АО материалов, обладающих лучшими свойствами, и изучение новых геометрий взаимодействия. Однако существуют и другие способы улучшения характеристик АО устройств. Данный проект направлен на исследование возможностей управления или улучшения характеристик АО систем, появляющихся при введении цепей электрической и оптической обратной связи. Электрическая обратная связь в АО устройствах создается, преобразованием оптического сигнала одного из дифракционных максимумов на выходе АО ячейки в электрический, с помощью фотоприемника, и использованем этого сигнала для управления параметрами акустической волны в АО ячейке. Оптическая обратная связь реализуется за счет перенаправления части дифрагированного светового излучения на оптический вход АО ячейки и его сложения с сигналом оптической накачки. Не смотря на то, что изучение АО систем, включающих цепи обратной связи, проводится уже нескольких десятков лет, данный класс АО устройств является по-прежнему мало исследованным. Выполнение работ по проекту позволит существенно улучшить понимание механизмов функционирования АО систем с обратной связью, определить возможности, которые они предоставляют, и расширить их применение. Одной из актуальных и фундаментальных проблем акустооптики является повышение спектральных характеристик АО устройств. Наиболее простым способом повышения спектрального разрешения представляется увеличение длины АО взаимодействия, однако, это приводит к необходимости выращивать АО кристаллы больших размеров, существуют и фундаментальные механизмы, ограничивающие эффективность такого решения. В данном проекте предполагается продолжить изучение нового подхода к улучшению характеристик АО устройств, основанного на введении цепи электрической обратной связи. Ранее было показано, что наличие электрической обратной связи позволяет сузить полосу пропускания коллинеарного АО фильтра и подавить боковые максимумы аппаратной функции, улучшая спектральные характеристики. В ходе выполнения работ по проекту предполагается впервые изучить влияние электрической обратной связи на передаточные функции АО взаимодействия, рассмотреть воздействие обратной связи на параметры квазиколлинеарной АО дифракции и подробно исследовать поведение системы над порогом генерации. Вторым направлением работ является изучение возможностей, которые предоставляет использование АО фильтров, для генерации оптических частотных гребенок (ОГ). Один из способов получения ОГ основан на последовательном сдвиге частоты излучения непрерывного лазера с использованием электрооптических (ЭО), AO или квадратурных модуляторов, работающих в режиме односторонней модуляции, совместно с цепью оптической обратной связи. Такая система называется петлей смещения частоты. Данный вариант генерации открывает возможность создания перестраиваемых ОГ, поскольку спектральный интервал между линиями ОГ задается частотой ВЧ генератора управляющего модулятором, и может варьироваться от МГц до десятков ГГц. Стоит отметить, что в то время как ОГ на основе ЭО модуляторов широко используются, ОГ на основе АО устройств не столь популярны и слабо изучены, несмотря на то, что они обладают некоторыми преимуществами, описанными в литературе, и имеют большой потенциал. В ходе работ по проекту предполагается впервые подробно исследовать возможности применения АО фильтров для генерации ОГ. Данное исследование будет включать изучение возможностей для генерации ОГ, которые предоставляет использование АО устройств на основе оптически двуосных кристаллов. Также планируется впервые изучить возможность совместного использования АО фильтров и оптических микрорезонаторов в системах генерации ОГ и перспективы применения безмодовых лазеров для генерации различных типов ОГ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Манцевич С.Н., Костылева Е.И., Данилин А.Н., Хоркин В.С. Generation of dual and quad-optical frequency combs in the injected radiation free mode-locked frequency-shifted feedback laser Frontiers of Optoelectronics, т. 16, номер статьи 21, стр. 1-14 (год публикации - 2023)
10.1007/s12200-023-00079-y

2. Манцевич С.Н., Слиньков Г.Д., Балакший В.И. Optoelectronic Feedback Influence on the Spectral Transmission of Collinear Acousto-Optic Diffraction Proc. Int. Conf. "2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-5 (год публикации - 2023)
10.1109/WECONF57201.2023.10147997

3. Балакший В.И., Манцевич С.Н., Купрейчик М.И. Dynamic Processes in a Collinear Acousto-Optic Generator Based on the Effect of Optical Heterodyning Proc. Int. Conf. "2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-4 (год публикации - 2023)
10.1109/WECONF57201.2023.10147954

4. Поликарпова Н.В., Марунин М.В. Nonreciprocal Reflection of Elastic Waves from a Free Boundary in a Paratellurite Crystal Proc. Int. Conf. "2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-5 (год публикации - 2023)
10.1109/WECONF57201.2023.10147976

5. Манцевич С.Н., Слиньков Г.Д. Влияние оптоэлектронной цепи обратной связи на спектральное пропускание коллинеарных акустооптических ячеек Труды 26-й международной научной конференции “Волновая электроника и инфокоммуникационные системы”, СПб, ГУАП в 3 частях, Ч.3, С.62-66 (год публикации - 2023)

6. Манцевич С.Н., Слиньков Г.Д. Wide-angle acousto-optic diffraction spectral selectivity enhancement by optoelectronic feedback introduction Proceedings of 10th Convention of the European Acoustics Association "Forum Acusticum 2023", p. 1-4 (год публикации - 2023)

7. Поликарпова Н.В., Марунин М.В. Невзаимное отражение упругих волн от свободной границы в кристалле парателлурита Труды 26-й международной научной конференции “Волновая электроника и инфокоммуникационные системы”, СПб, ГУАП в 3 частях, Ч.3 С.78-81 (год публикации - 2023)

8. Манцевич С.Н., Костылева Е.И., Хоркин В.С. Dual optical frequency combs generation with frequency-shifted feedback laser, method, and applications Proceedings SPIE, т. 12768, номер статьи 127680R, стр.1-10 (год публикации - 2023)
10.1117/12.2687195

9. Манцевич С.Н., Костылева Е.И. Temperature impact on acoustic wave reflection in quasi-collinear acousto-optic devices Journal of the Acoustical Society of America, том 156, номер 3, стр. 1964-1972 (год публикации - 2024)
10.1121/10.0029027

10. Купрейчик М.И., Балакший В.И. Optical Frequency Comb with Broadly Tunable Spacing Generation with Achromatic Wide-Angle Acousto-Optic Diffraction in LiNa5Mo9O30 Biaxial Crystal Proc. Int. Conf. "2024 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-4 (год публикации - 2024)
10.1109/WECONF61770.2024.10564637

11. Костылева Е.И., Манцевич С.Н. Temperature effect on acoustic waves reflection condition in anisotropic crystals INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, стр. 4526-4529(4) (год публикации - 2024)
10.3397/IN_2024_3472

12. Дьяконов Е.А., Поликарпова Н.В. Исследование разноцветных покрытий изображений с использованием акустооптического мультиспектрального сканирования Сборник статей XXVII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы",, том 3, стр. 71-75 (год публикации - 2024)

13. Манцевич С.Н., Балакший В.И. Наблюдение мультистабильности в акустооптическом генераторе Сборник статей XXVII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 101-105 (год публикации - 2024)

14. Манцевич С.Н., Балакший В.И. Условие баланса фаз в акустооптическом генераторе Сборник статей XXVIII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 106-110 (год публикации - 2025)

15. Манцевич С.Н., Слиньков Г.Д., Поликарпова Н.В., Балакший В.И. Collinear acousto-optic filtering of divergent optical beams in the presence of optoelectronic feedback Optics Communications, том 552, номер статьи 130114, стр. 1-8 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optcom.2023.130114

16. Хоркин В.С., Мильков М.Г., Манцевич С.Н., Купрейчик М.И., Лобанов С.И., Веденяпин В.Н. Acoustic and acousto-optic properties of lithium based biaxial crystals: LiGaSe2, LiInSe2 and LiInS2 Optical Materials, том 157, номер статьи 116202, стр. 1-8 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116202

17. Поликарпова Н.В., Дьяконов Е.А. Acousto-Optic Methods for Multispectral Scanning of the Multi-Layer Image in the Field of Art History Proc. Int. Conf. "2024 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-4 (год публикации - 2024)
10.1109/WECONF61770.2024.10564597

18. Костылева Е.И., Манцевич С.Н. Структура акустического поля в квазиколлинеарных акустооптических ячейках на основе кристалла диоксида теллура Сборник статей XXVII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 80-84 (год публикации - 2024)

19. Манцевич С.Н., Костылева Е.И. Application of frequency-shifted feedback laser optical frequency combs for distance and refraction coefficient measurements Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, том 12997, номер статьи 1299708, стр. 1-7 (год публикации - 2024)
10.1117/12.3022272

20. Манцевич С.Н., Балакший В.И. Multistability Observation in Acousto-Optic Generator Proc. Int. Conf. "2024 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-5 (год публикации - 2024)
10.1109/WECONF61770.2024.10564613

21. Костылева Е.И., Манцевич С.Н. Acoustic Field Structure Study in Tellurium Dioxide Quasi-Collinear Acousto-Optic Cells Proc. Int. Conf. "2024 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF)", серия IEEE Xplore Digital Library, стр. 1-4 (год публикации - 2024)
10.1109/WECONF61770.2024.10564609

22. Дьяконов Е.А., Поликарпова Н.В. Акустооптическая мультиспектральная съемка как метод исследования красочных слоев картин Сборник трудов 17-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», стр. 133-136 (год публикации - 2024)

23. Манцевич С.Н., Костылева Е.И. Особенности акустических свойств кристалла парателлурита Сборник трудов 17-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», стр. 92-96 (год публикации - 2024)

24. Балакший В.И., Манцевич С.Н., Купрейчик М.И. Автоколебательные режимы в акустооптическом генераторе Сборник статей XXVII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 19-23 (год публикации - 2024)

25. Мильков М.Г., Хоркин В.С., Веденяпин В.Н., Лобанов С.И. Акустооптические и акустические свойства оптически двуосных кристаллов на основе лития Сборник статей XXVII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 106-110 (год публикации - 2024)

26. Хоркин В.С, Костылева Е.И., Манцевич С.Н., Вельмужов А.П, Тюрина Е.А., Суханов М.В., Ширяев В.С. Acoustic and acousto-optic properties of Ga10Ge15Te75 glass Journal of Non-Crystalline Solids, том 648, номер статьи 123299, стр.1-7 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jnoncrysol.2024.123299

27. Мильков М.Г., Кокшайский А.И., Балакший В.И. Акустические свойства двуосного кристалла калий титанил арсената KTiOAsO4 Акустический журнал, №6, т.71 (год публикации - 2025)

28. Манцевич С.Н., Костылева Е.И., Данилин А.Н., Брюквина Д.А., Миньков К.Н., Дмитриев Н.Ю. Spectral enrichment of optical microresonator combs by means of frequency-shifting loop Physical Review A, т.111, номер статьи 043509, стр.1-8. (год публикации - 2025)
10.1103/PhysRevA.111.043509

29. Купрейчик М.И., Манцевич С.Н., Балакший В.И. Applications of achromatic low-selective acousto-optic diffraction in alpha-iodic acid biaxial crystal for tunable optical frequency comb generation WAVE ELECTRONICS AND ITS APPLICATION IN INFORMATION AND TELECOMMUNICATION SYSTEMS, т.8, №1, стр.1-5 (год публикации - 2025)
10.1109/WECONF65186.2025.11017251

30. Манцевич С.Н., Балакший В.И., Дьяконов Е.А. Collinear acousto-optic diffraction based optoelectronic oscillator Optics Communications, т.588, номер статьи 131934, стр.1-9 (год публикации - 2025)
10.1016/j.optcom.2025.131934

31. Манцевич С.Н., Балакший В.И. Phase balance condition in acousto-optic generator WAVE ELECTRONICS AND ITS APPLICATION IN INFORMATION AND TELECOMMUNICATION SYSTEMS, т.8, №1, стр.1-5 (год публикации - 2025)
10.1109/WECONF65186.2025.11016983

32. Манцевич С.Н., Костылева Е.И., Данилин А.Н., Балакший В.И. Dual- and quad-FSF laser optical frequency comb application for time delay variation associated measurements Applied Optics, т.64, №3, стр.670-676 (год публикации - 2025)
10.1364/AO.547480

33. Костылева Е.И., Манцевич С.Н. Влияние полосы согласования акустооптической ячейки на спектральный состав акустического импульса Сборник статей XXVIII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", т.3, стр. 82-82 (год публикации - 2025)

34. Хоркин В.С., Мильков М.Г., Купрейчик М.И., Хохлов Н.А., Ежикова Е.В. Акустические и акустооптические свойства кристалла LNM Сборник статей XXVIII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 119-122 (год публикации - 2025)

35. Мильков М.Г., Купрейчик М.И., Хоркин В.С., Хохлов Н.А., Ежикова Е.В. Акустооптические устройства на оптически двуосном кристалле литий натрий молибдена Сборник трудов XXXVII Сессии российского акустического общества, стр. 725-730 (год публикации - 2025)
10.34756/GEOS.2025.17.39211

36. Балакший В.И., Манцевич С.Н., Купрейчик М.И. Колебательные процессы в акустооптической системе с гибридной обратной связью Сборник трудов XXXVII Сессии российского акустического общества, стр. 732-737 (год публикации - 2025)
10.34756/GEOS.2025.17.39211

37. Манцевич С.Н. Методика определения типа пластика по характерным спектральным особенностям в ближнем ИК диапазоне Сборник трудов 18-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», стр. 55-59 (год публикации - 2025)

38. Мильков М.Г., Хоркин В.С., Купрейчик М.И., Балакший В.И., Манцевич С.Н., Хохлов Н.А., Ежикова Е.В. Акустические свойства кристалла литий натрий молибдена Сборник трудов XXXVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления: физика и применения» имени профессора А. П. Сухорукова, стр. 171-173 (год публикации - 2025)

39. Купрейчик М.И., Манцевич С.Н., Балакший В.И. Применение низкоселективной акустооптической дифракции в системах генерации оптических частотных гребенок Сборник статей XXVIII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 91-95 (год публикации - 2025)

40. Дьяконов Е.А., Поликарпова Н.В. Устройства на основе кристалла парателлурита для обработки изображений: новые применения Сборник статей XXVIII Международной научной конференции "Волновая электроника и инфокоммуникационные системы", том 3, стр. 66-72 (год публикации - 2025)

41. Купрейчик М.И., Манцевич С.Н., Балакший В.И. Акустооптические ячейки с фазированным пьезопреобразователем в системах генерации оптических частотных гребенок Сборник трудов XXXVII Сессии российского акустического общества, стр. 718-723 (год публикации - 2025)
10.34756/GEOS.2025.17.39211

42. Дьяконов Е.А., Манцевич С.Н. Формирование оптической частотной гребенки в акустооптической системе с обратной связью при воздействии двух близких частот Сборник трудов XXXVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления: физика и применения» имени профессора А. П. Сухорукова, стр. 37-40 (год публикации - 2025)

43. Манцевич С.Н., Костылева Е.И., Юшков К.Б., Молчанов В.Я. Experimental observation of reflected acoustic beam tilting with temperature in quasi-collinear acousto-optic filters Applied Acoustics, т.233, номер статьи 110632, стр. 1-7 (год публикации - 2025)
10.1016/j.apacoust.2025.110632

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Во второй год выполнения проекта, в соответствии с заявленным планом исследований, получены следующие результаты. Теоретически и экспериментально исследовано поведение оптоэлектронной системы на основе коллинеарного акустооптического (АО) фильтра с гибридной обратной связью (ОС) над порогом возбуждения. Были рассчитаны различные режимы работы исследуемой системы – стационарный, автоколебательный, импульсный и хаотичеcкий. Границы между режимами функционирования определяются величиной коэффициента усиления цепи ОС, конкретные значения которого зависят, например, от мощности оптической накачки. Существование различных рабочих режимов обусловлено возможностью обратной перекачки света в нулевой порядок дифракции при больших мощностях ультразвука. Переходные процессы в исследуемой системе также были изучены экспериментально. Исследовано влияние сдвига фазы электрического сигнала в цепи ОС на функционирование системы в целом и на оптические передаточные функции в частности. Эксперименты показали, что быстродействием системы можно эффективно управлять, изменяя коэффициент усиления ОС или мощность оптической накачки. Зарегистрированы стационарный и автоколебательный режимы работы. Наблюдение остальных режимов функционирования было невозможно по причине специфической зависимости эффективности АО дифракции от мощности ультразвука в используемой коллинеарной АО ячейке (АОЯ), отличающейся от теоретической и не позволяющей реализовать сильную обратную перекачку света из первого порядка дифракции в нулевой. Обнаружено, что изменение фазы электрического сигнала в цепи ОС позволяет наблюдать мультистабильные состояния, характеризующиеся различием амплитуды и частоты ВЧ сигнала в цепи ОС. Что соответствует различным интенсивностям дифрагированного светового излучения и изменению формы передаточных функций АО дифракции. Следовательно, изменение фазы электрического сигнала позволяет управлять пространственным спектром оптического излучения на выходе системы. Создана аналогичная экспериментальная система, использующая квазиколлинеарную АОЯ. Отличительной особенностью применения квазиколлинеарной геометрии АО дифракции в построении систем с оптоэлектронной ОС является малая угловая апертура, что создает сложности в юстировке и реализации оптического гетеродинирования, используемого для создания сигнала в цепи ОС. Исследован новый механизм, обуславливающий искажение функций пропускания квазиколлинеарных АОЯ - зависимость направления распространения рабочего акустического пучка от температуры кристалла. В рабочем температурном диапазоне таких АОЯ величина отклонения может достигать значений, существенно влияющих как на эффективность АО дифракции, так и на полосу брэгговского синхронизма. Получено и проанализировано аналитическое выражение, позволяющее рассчитывать спектр двойной ОГ, генерируемой с использованием одной АОЯ. Данное выражение позволило показать, что при дифракции на двухчастотном ультразвуке ОГ имеет такой же вид, как при одночастотном, но каждая n-я линия распадается на (n+1) близких линий, частотный интервал между которыми равен разности частот ультразвуковых волн, возбуждаемых в АОЯ. При этом сумма интенсивностей получаемых линий двойной ОГ равна интенсивности линии соответствующей одиночной гребенки, а огибающая двойной ОГ - функция Гаусса. Проведены эксперименты по генерации двойных ОГ с использованием одной АОЯ, подтвердившие результаты расчетной модели. Показано, что при малой разнице частот ультразвуковых волн, двойная ОГ имеет огибающую, соответствующую расчетной, полученной из аналитического выражения. Продолжено исследование функционирования АО системы с петлей смещения частоты в режиме безмодового лазера. Проведены модельные эксперименты, целью которых было оценить возможности использования такой системы для измерения малых расстояний и показателей преломления оптических материалов и волокон. Предложена схема системы, позволяющей проводить такие измерения, проведены оценки точности измерений. Показано, что использование двойных или четверных ОГ, получаемых в безмодовом лазере за счет одновременной подачи двух или трех близких частот на пьезопреобразователь АО ячейки предпочтительнее, чем использование одиночных ОГ, за счет наличия существенно большего количества спектральных линий в одном и том же частотном диапазоне, что позволяет точнее определять величину смещения частоты при изменении времени задержки. Продолжено экспериментальное исследование возможности генерации ОГ в системе, сочетающей оптический микрорезонатор и АО фильтр. Проведены модельные эксперименты, в которых роль ОГ, генерируемой микрорезонатором, выполняли два лазера, длинны волн излучения которых различались на 15 ГГц. Данные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного подхода – наблюдались две ОГ, спектральная ширина которых перекрывала интервал между линиями накачки и составила более 20 ГГц. Перестройка частоты ультразвука в АО ячейке позволяла совместить линии двух генерируемых ОГ. Проведенные эксперименты позволили определить диапазон мощностей оптической накачки, обеспечивающий генерацию ОГ в петле смещения частоты с наибольшим числом линий и сформировать требования к спектру ОГ микрорезонатора. Проведен всесторонний анализ характеристик различных вариантов низкоселективного АО рассеяния, реализующихся в условиях внешней конической дифракции, в ромбическом кристалле LiNa5Mo9O30 (LNM). Установлено, что для получения широкополосных перестраиваемых АО гребенок с небольшим спектральным интервалом между линиями наиболее подходит вариант низкоселективной геометрии АО взаимодействия, реализующийся в плоскости оптических осей. В то же время для генерации ультрашироких перестраиваемых АО гребенок с большим интервалом между линиями оптимальны режимы низкоселективного АО рассеяния на продольной акустической волне, распространяющейся по нормали к этой плоскости. Проведены оценки параметров АО гребенок, получаемых с использованием обозначенных вариантов дифракции в кристалле LNM. Показано, что при должном выборе среза этого кристалла ширина генерируемой с помощью АО устройства на его основе оптической гребенки может превышать 300 нм, а относительный диапазон перестройки частотного интервала между ее линиями может достигать 40%. Исследованы характеристики особого режима анизотропной широкоапертурной дифракции, максимизирующего угловую апертуру АО ячейки на двуосном кристалле. Проведены оценки спектрального разрешения и угловой апертуры видео-фильтров, использующих такую геометрию в кристалле LNM, как при работе без цепи оптоэлектронной обратной связи, так и при ее включении. Подтверждены преимущества применения такой геометрии дифракции в видео-фильтрах и в АО формирователях профиля пучка.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с заявленным планом исследований, получены следующие результаты. Исследованы системы с обратной связью (ОС) на основе АО ячеек (АОЯ) с квазиколлинеарной и квазиортогональной геометриями дифракции. Различие между этими геометриями в том, что в первой нельзя управлять величиной временной задержки. Во второй задержка определяется временем распространения акустической волны от плоскости пьезопреобразователя до светового пучка и может меняться. Система с ОС на основе квазиколлинеарной АОЯ функционирует в одномодовом режиме. Введение ОС позволило более чем в 5 раз сузить полосу пропускания, увеличить спектральный контраст и эффективность АО дифракции. Система с ОС на основе квазиортогональной геометрии АО дифракции функционирует в многомодовом режиме. Количество мод и частотный интервал между ними определяются временем задержки. Для квазиортогональной АОЯ изучены переходные характеристики, их вид характерен для интегрирующих систем. Быстродействие определяется временем задержки. Продолжено исследование системы с ОС на основе коллинеарной АОЯ. Построена математическая модель, объясняющая наличие мультистабильности над порогом возбуждения, проявляющейся в скачках рабочей частоты и интенсивности выходного светового сигнала при изменении фазы электрического сигнала в ОС. Причиной наличия мультистабильности является связь фазы эклектического сигнала с АО расстройкой через условие баланса фаз и особая форма функции пропускания, формирующей сигнал в цепи ОС. Модель позволила построить полные карты рабочих режимов системы. Мультистабильность можно использовать для реализации бинарного кодирования выходного оптического сигнала за счет управления величиной сдвига фазы в цепи ОС. Величина напряжения, задающая фазовый сдвиг, кодируется одновременно в интенсивности выходного светового излучения и рабочей частоте. Изучено влияние температуры квазиколлинеарного АО фильтра на его функции пропускания, экспериментально подтверждено влияние температуры АОЯ на направление распространения акустического пучка. Изменение температуры АОЯ меняет скорости падающей, отраженной акустических волн, и условия отражения, поэтому рабочий пучок отклоняется от изначально заданного направления. Изучены особенности генерации оптических частотных гребенок (ОГ) в АО системах с петлей смещения частоты (ПСЧ). Получена генерация ОГ в системе, сочетающей оптический микрорезонатор и АО фильтр. Эксперименты показали, что ОГ микрорезонатора можно использовать для оптической накачки ПСЧ при этом следует соблюдать условие кратности спектрального интервала между линиями ОГ микрорезонатора и частоты ультразвука в АОЯ, отвечающей за смещение частоты в ПСЧ. В теоретической части построена модель генерации двойных ОГ при подаче двух ВЧ сигналов с различными частотами на одну АОЯ. Получено выражение показывающее, что двухчастотный сигнал, при условии близости этих частот, можно представить, как сигнал, обладающий одновременно амплитудной и частотной модуляцией. Показано что во временно́м представлении излучение на выходе системы представляет собой последовательность импульсов с переменной частотой следования и формой. Выходной сигнал будет повторяться с периодом модуляции управляющего сигнала, радиочастотный спектр ОГ будет содержать наборы гармоник частоты модуляции, сосредоточенные вблизи частот, кратных частоте. Сопоставление расчетов с результатами экспериментов показало, что теория позволяет объяснить характерные особенности спектров двойных ОГ - форму огибающей и модуляцию интенсивности линий спектра по амплитуде. Модель справедлива как для ОГ, генерируемых в ПСЧ, так и для ОГ безмодового лазера. Проведен анализ характеристик ахроматических вариантов низкоселективного АО рассеяния в ромбическом кристалле α-HIO3, реализующихся на продольной акустической волне вдоль оси Y в условиях внешней конической рефракции. Установлено, что такая геометрия позволяет создавать широкополосные АО сдвигатели частоты лазерного излучения даже в области выраженного спектрального дрейфа лучевых оптических осей. Проведены оценки предельных параметров АО ОГ, получаемых в ПСЧ с использованием подобных АОЯ. Установлено, что при длине волны накачки 1 мкм ширина генерируемой гребенки может превышать 27 нм, а относительный диапазон перестройки ее межмодового интервала достигает 8%. Исследована возможность компенсации ошибки в выведении звуковой грани АОЯ широкополосного сдвигателя частоты лазерного излучения С-диапазона, работающего на основе низкоселективной дифракции в плоскости оптических осей ромбического двуосного кристалла LNM, за счет использования активной четырехэлементной фазированной решетки пьезопреобразователей. Установлено, что в этом случае требования к точности ориентирования образца кристалла понижаются с десятых долей угловой минуты до технологически приемлемой величины ≈0.1°. Проведено моделирование огибающей спектра АО гребенок, синтезируемых с использованием такого АО прибора в ПСЧ. Установлено, что при длине волны лазера накачки 1.53 мкм предельная ширина гребенки превышает 32 нм, а диапазон перестройки ее межмодового интервала достигает 25 МГц. Проведены экспериментальные исследования АО взаимодействия в кристалле LNM на продольных и сдвиговых акустических волнах. Получены 9 компонент тензора упругости, позволяющие рассчитать параметры акустических волн для произвольного направления в LNM. Измерены величины АО качества при дифракции на продольных акустических волнах, распространяющихся вдоль кристаллографических осей. Рассчитаны значения первых девяти компонент фотоупругого тензора кристалла LNM. Для обозначенных вариантов АО дифракции кристалл LNM обладает умеренными значениями АО качества. Максимальная величина М2 (8.8 ± 1.3)·10^-15 с3/кг наблюдается при дифракции излучения с поляризацией по оси X, распространяющегося вдоль оси Y, на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси X. При той же геометрии АО дифракции излучения с ортогональной поляризацией М2 = (8.6 ± 0.9)·10^-15 с3/кг. Это позволяет реализовать АО дифракцию неполяризованного оптического излучения. Проведено исследование АО дифракции на сдвиговой акустической волне, распространяющейся вдоль оси Z и поляризованной по оси Y. Падающий и дифрагированный свет распространялись в плоскости XZ, содержащей оптические оси кристалла. В указанной геометрии изучена анизотропная АО дифракция – падающая оптическая волна поляризована вдоль оси Y, а дифрагированная поляризована в плоскости XZ. Измерены зависимости угла Брэгга от частоты синхронизма для случая АО взаимодействия в плоскости оптических осей кристалла LNM и для плоскостей, повернутых на ±2, ±3, ±4 градуса от плоскости XZ. Для анизотропной геометрии АО взаимодействия измерена эффективность дифракции, измерено АО качество М2 = (2.35 ± 0.3)·10^-15 с3/кг. Определена величина фотоупругой постоянной p44.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта имеют практическое применение. Прежде всего это касается результатов изучения АО устройств на оптически двуосных кристаллах. Так, предложено несколько вариантов АО модуляторов неполяризованного излучения, также предложены модуляторы добротности, сдвигатели частоты и широкоугольные АО фильтры. Все предложенные устройства имеют характеристики, превосходящие существующие образцы. Таким образом, проведенная исследовательская работа важна для улучшения характеристик существующих АО устройств и оптоэлектронных систем на их основе.