Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В проекте впервые рассматривается создание методами акустооптики лазерных полей с программируемой аксиальной симметрией для систем оптических ловушек. В рамках 1 этапа проекта впервые получены фундаментальные результаты для создания нового типа оптических ловушек с управляемым кольцевым полем. Эти результаты являются основой для нового системного применения неколлинеарных акустооптических фильтров в устройствах адаптивного управления угловым спектром лазерных пучков. 1) Разработана оптическая система ловушки с кольцевым полем на основе неколлинеарного акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ). Оптическая схема преобразует коллимированный дифракционно-расходящийся Гауссов лазерный пучок в сфокусированный с угловой расходимостью, соответствующей ширине двумерной передаточной функции АОПФ, осуществляющего фильтрацию углового спектра плоских волн за счет угловой селективности фазового синхронизма, и масштабирует поле для согласования ширины углового спектра с числовой апертурой микрообъектива, осуществляющего преобразование Фурье для поля, то есть преобразование сформированного акустооптическим фильтром углового спектра в кольцевое пространственное распределение. 2) Выполнена аналитическая оптимизация геометрии неколлинеарного акустооптического фильтра на монокристалле парателлурита для управления формой двумерной передаточной функцией и применения в системах синтеза лазерных пучков с управляемым распределением поля. По результатам оптимизации было продемонстрировано, что существуют две оптимальные геометрии неколлинеарного акустооптического взаимодействия в парателлурите, которые могут быть использованы для создания оптической ловушки с кольцевым полем. Первая конфигурация с углом среза кристалла 5,6° оптимальна для пространственной фильтрации лазерных пучков в одночастотном режиме. Вторая оптимальная конфигурация с углом среза 13,8° максимизирует разрешение, что необходимо для эффективного многочастотного управления, синтеза лазерных пучков с программируемым распределением и адаптивного управления их угловым спектром. 3) Разработан и изготовлен неколлинеарный АОПФ на монокристалле парателлурита со следующими параметрами: диапазон рабочих длин волн - 475-900 нм; ширина полосы частот - 170 кГц; временная апертура - 5.5 мкс; управляющая мощность ВЧ-сигнала - 0,7 Вт; эффективность дифракции - более 99 %. Необходимо отметить, что требуемая для решения задач проекта конфигурация АОПФ, реализованная в данном экспериментальном образце, отсутствует в каталогах существующих на рынке производителей серийных акустооптических приборов. АОПФ изготовлен на собственной технологической базе Центра акустооптики НИТУ «МИСиС». 4) Разработана и создана экспериментальная оптическая система формирования управляемого кольцевого распределения лазерного поля на основе акустооптического неколлинеарного фильтра. Программируемый фильтр осуществляет коррекцию углового спектра лазерного пучка, которая преобразуется в пространственное микромасштабное распределение при помощи оптической Фурье-системы. Переключение между различными распределениями интенсивности поля может осуществляться с частотой до 180 кГц. Многочастотное управление акустооптическим фильтром при помощи программируемого генератора позволяет синтезировать различные радиальные распределения поля, включая кольцевое распределение и управляемой шириной и симметричное круговое распределение с постоянной интенсивностью. 5) Типовые методики были разработаны для измерения характеристик АОПФ применения фильтров в спектрометрах и гиперспектральных системах и подробно описаны в литературе (Design and Fabrication of Acousto-Optic Devices, A.P. Goutzoulis and D. Pape Eds., New York, Marcel Dekker, 1994). Они включают измерение аппаратной функции фильтра, перестроечной кривой, зависимости эффективности дифракции от мощности управляющего сигнала, коэффициента экстинкции. Рассматриваемое в проекте применение АОПФ для управления угловым спектром лазерных пучков делает эти стандартные процедуры второстепенными. Разработка новой области применения АОПФ – управления монохроматическими и полихроматическими лазерными пучками – поставила задачу создания новых релевантных методик испытаний АОПФ. Разработанные методики характеризуют все основные системно-значимые параметры акустооптической дифракции, а именно: абсолютную эффективность дифракции в сходящемся сфокусированном лазерном пучке в режиме трансформации углового спектра; двумерную передаточную функцию и ее асимметрию; диапазон рабочих частот фильтра; оптимальную мощность ультразвука в одночастотном режиме, соответствующую максимальной эффективности дифракции. Наряду с теоретическим анализом геометрии АОПФ (п. 2), разработка методик тестирования и калибровки является необходимым условием для дальнейшего развития системного применения неколлинеарных АОПФ в качестве адаптивных устройств управления лазерными пучками. 6) Разработан алгоритм и программное обеспечение для формирования произвольного радиального распределения углового спектра лазерных пучков дисперсионным методом при помощи неколлинеарного акустооптического фильтра, основанное на применении преобразования Френеля к заданной форме спектрального окна пропускания. Величина квадратичного фазового множителя в преобразовании Френеля определяется конфигурацией АОПФ, а именно углом среза кристалла парателлурита и длиной пьезоэлектрического преобразователя. Установлено, что при чирпированном радиочастотном импульсе для управления акустооптическим фильтром пространственных частот действуют соотношения неопределенности между числом разрешаемых элементов N и контрастом модуляции C. Максимум произведения числа разрешаемых элементов на контраст достигается тогда и только тогда, когда эффективная длительность радиосигнала, определяемая фазовым множителем в преобразовании Френеля, равняется 1/2 временной апертуры АОПФ. При любом другом соотношении величин наблюдается либо снижение числа разрешаемых элементов, либо падение контраста модуляции. Кроме того, справедлива симметрия между временным и спектральным представлением импульса, связанными преобразованием Фурье. Соотношения неопределенности можно обобщить не только на АОПФ и акустооптические дисперсионные линии задержки, но и на формирователи лазерных импульсов, основанные на пространственных модуляторах в составе бездисперсионной 4F-линии, используемые в качестве шейперов фемтосекундных лазерных импульсов.  

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
По завершении на 2 этапе проекта исследований одночастотной сфокусированной ловушкой с управляемым пространственным одноцветным кольцевым спектром дальнейшие работы посвящены разработке и создание экспериментальной перестраиваемой мультиспектральной (двухцветной) системы формирования лазерного поля с фемтосекундным титан-сапфировым лазером и мультиспектральным дисперсионным АО фильтром (АОДФ). В соответствии с планом проекта разработка программного обеспечения для АОДФ для дисперсионного управления фемтоскундным лазерным спектром и экспериментальные исследования формирования кольцевых двухцветных лазерных полей от источника будут выполнены на 3 этапе проекта. 1) Одночастотное лазерное поле. На 1 и 2 этапах проекта создана экспериментальная установка для оптической ловушки с управляемым кольцевым лазерным полем с одночастотным лазерным источником излучения на длине волны 532 нм и АО фильтром пространственных частот. Установка испытана в режиме захвата полистироловых частиц диаметром 10 мкм, помещённых в водную суспензию. Освещение образца было построено по схеме Кёлера в геометрии на пропускание с использованием синего светодиодного источника LED с длиной волны 460 нм, дихроичного зеркала DM, тубусной линзы и ПЗС-камеры. В одночастотном режиме стабильный захват частиц кольцевым полем наблюдался при ВЧ частотах управления АО фильтром в интервале 132.8–134.0 МГц и оптической мощности около 20 мВт, что соответствовало диапазону диаметров кольца 30–80 мкм. Впервые продемонстрирован многочастотный режим захвата микрочастиц. С этой целью АО фильтр формировал потенциал из нескольких колец, которые плавно сжимались к центру или расходились от центра. Это приводило к управляемой агрегации или расталкиванию микрочастиц. С помощью численного моделирования методом конечных разностей во временной области (FDTD) определена сила захвата исследуемых частиц для случая одиночного кольца. Она составила порядка 1 пН при жёсткости ловушки порядка 3 пН/мкм. Теоретически определен минимальный размер, около 1 мкм, объектов, для которых возможен стабильный оптический захват при экспериментальных условиях. 2) Выполнено теоретическое исследование, направленное на установление физических причин порождающих угловые дисперсии при работе дисперсионного мультиспектрального акустооптического фильтра на основе парателлурита и методы их компенсации. Угловая дисперсия дифрагированного пучка состоит из двух компонент: первая при выполнении условий фазового синхронизма порождает сканирование лазерного пучка при перестройке длины волны, вторая вычисляется как угловая дисперсия дифрагированного пучка при постоянной частоте ультразвука. В проекте угловая дисперсия проанализирована для квазиколлинеарной геометрии АО взаимодействия в парателлурите. Предложен алгоритм вычисления угловой дисперсии обеих типов на выходе фильтра. Из результатов расчетов следует, что полная компенсация угловой дисперсии АОДФ при помощи наклона выходной грани кристалл невозможна, но величина дисперсии имеет широкий минимум при наклоне выходной грани 2°. В ряде системных требований необходимо, чтобы дифрагированный пучок после фильтра распространялся коллинеарного падающему, при этом имеет место частичная компенсация дисперсии. Эта геометрия АО взаимодействия наиболее подходит для создания двухцветного фемтосекундного лазерного источника. Разработана оптическая конструкция квазиколлинеарного мультиспектрального акустооптического фильтра на основе парателлурита. Расчет проведен для следующих основных характеристик и параметров мультиспектрального фильтра для титан-сапфирового лазера: Диапазон длин волн 750-850 нм; Центральная длина волны 800 нм; Спектральная ширина функции пропускания по уровню -3дБ на длине волны 800 нм при одночастотном управлении в статике 0,24 нм; Эффективность дифракции 800 нм при одночастотном управлении в статике 80% при управляющей мощности 20 мВт и частоте 76 МГц; Диапазон управляющих частот 70-80 МГц; Длина акустооптического взаимодействия 80 мм; Оптическая апертура 4х4 мм; Остаточный коэффициент отражений оптических граней в диапазоне 750-850 нм менее 4%. 3) В соответствии с выполненными расчетами сконструирован и изготовлен квазиколлинеарный АО дисперсионный фильтр (АОДФ) на основе монокристалла парателлурита для перестраиваемого двухцветного лазерного источника в системах оптических ловушек. Изготовление модуля возбуждения ультразвука фильтра выполнено запатентованной вакуумной нанотехнологией с образованием твердых растворов в химически активных нанослоях на площадке НТУЦ Акустооптики НИТУ «МИСиС». 4) Мультичастотное лазерное поле. Создана экспериментальная установка для формирования перестраиваемого мультичастотного излучения в соответствии с расчетной моделью для двухцветного излучения с применением титан-сапфирового фемтосекундного лазера и квазиколлинеарного АОДФ. Средняя мощность фемтосекундного мастер-осциллятора составляет порядка 100 мВт для спектра эффективной шириной 75 нм. Принято решение для увеличения мощности добавить титан-сапфировую CPA систему со стретчером. Выполнены расчетно-теоретические работы по оптимизации стретчера фемтосекундных лазерных импульсов для CPA системы, построенной по принципу усиления чирпированных импульсов. Основной проблемой получения на выходе CPA системы Фурье-ограниченного импульса высокого качества является правильность рекомпрессии в модуле, реализующем обратное сжатие усиленного импульса. Стретчеры с положительной дисперсией принципиально содержат в своей схеме оптические телескопы, которые, обладают существенными аберрациями. Теоретически разработана и предложена альтернативная стретчеру Оффнера конфигурация однорешёточного стретчера. В оригинальной схеме телескоп стретчера образован двумя одинаковыми параболическими зеркалами, расположенными так, что фокус каждого зеркала лежит в вершине другого. Предложенная схема проанализирована методом численной трассировки лучей и сравнена с известными конфигурациями с точки зрения аберраций спектральной фазы, дисперсий четвертого и пятого порядка и остаточного углового чирпа на выходе. Показано, что разработанная конфигурация стретчера обладает малыми аберрациями, в предложенной конфигурации отсутствуют аберрации спектральной фазы по пятый порядок включительно. Рассмотрен обобщенный случай фемтосекундного стретчера на одной дифракционной решетке с произвольным трехзеркальным телескопом. С помощью аналитического подхода методом матриц Костенбаудера получены соотношения между геометрическими характеристиками стретчера в общем случае: дисперсия групповой скорости в зависимости от положения дифракционной решётки, размеры пучков на оптических элементах, чувствительность различных конфигураций к продольным разъюстировкам. Дисперсия четвертого порядка, угловой чирп на выходе стретчера, чувствительность к поперечным разъюстировкам зеркал телескопа исследованы численно методом трассировки лучей. Для измерения пространственного распределения потенциала при двухцветном излучении мишени разработана следующая методика. Измерительный стенд состоит из фемтосекундного мастер-осциллятора, АОДФ с системой управления (компьютером, генератором сигналов и усилителем), системы формирования лазерного пучка (телескопа и Фурье-линзы), АО фильтра пространственных частот, системы переноса изображения, микрообъектива, анализатора профиля лазерного пучка, прецизионного линейного транслятора, оптического измерителя мощности. Измеряемое кольцевое поле оптической ловушки проецируется непосредственно на анализатор профиля лазерного пучка, расположенный на трансляторе в фокальной плоскости микрообъектива. Поскольку в анализаторе профиля используется монохромная матрица ПЗС, измерения на двух длинах волн проводятся по отдельности. Как показано в пункте 5, АОДФ обеспечивает независимое управление двумя окнами прозрачности, поэтому такая методика измерений возможна. Диапазоны частот, в которых работает АО фильтр пространственных частот, также не перекрываются для двух длин волн спектра, преобразование двух компонент полихроматического излучения в кольцевые поля также происходит независимо. Для одной из используемых длин волн измеряются распределения интенсивности при различных положениях анализатора профиля вблизи фокальной плоскости микоробъектива, после чего АО фильтр пространственных частот перестраивается на другую частоту. Изменение частоты сигнала, подаваемого на пространственный фильтр осуществляется с постоянным шагом от частоты широкоапертурного фазового синхронизма (двумерная передаточная функция) до максимальной частоты. Измерения повторяются для второй из длин волн. 5) Испытания и исследования АОДФ в полихроматическом (двухцветном) режиме при дисперсионном методе управления. Для синтеза ВЧ-сигналов с заданным спектром, имеющим два прямоугольных окна, был применен, разработанный авторами проекта, дисперсионный метод формирования спектральных функций пропускания. В соответствии с АО конфигурацией фильтра и параметрами фемтосекундного лазерного излучения: центральная длина волны 800 нм; ширина спектра 75 нм по уровню -3 дБ; ширина спектра 130 нм по уровню 1/e^2 были установлены оптимальные параметры ВЧ-сигналов: полная ширина окна пропускания 100 нм; ширина каждого окна пропускания меняется от 1,0 до 5,0 нм; положение окон пропускания на фемтосекундном спектре от 760 до 840 нм. Были рассчитаны управляющие ВЧ-сигналы для фильтра и спектры лазерного излучения, им соответствующие. ВЧ-сигналы вычислены при помощи преобразования Френеля от суммы двух прямоугольных окон при условии, что они обеспечивают равные ширины окон спектрального пропускания с заданным величинам 1,0; 2,5; 5,0 нм. Высокая эффективность дифракции позволила получить следующие мощности сигналов в режиме формирования двухоконных функций пропускания 19; 52; 106 мВт, соответственно. Мощность ВЧ-сигнала пропорциональна ширине мгновенно пропускаемого спектра. Для измерения характеристик двухцветного излучения создана специализированная экспериментальная установка. Исследованы спектры излучения, пропускаемых фильтром при различной ширине окна пропускания и амплитуде ВЧ-сигнала. Минимальная ширина окна пропускания выбралась равной 0,24 нм, что, фактически, соответствует аппаратной функции фильтра. Синтезируемый дисперсионный ВЧ-сигнал при этом, фактически, является одночастотным, а его огибающая представляет собой основной лепесток функции sinc. При увеличении ширины окна пропускания происходит переход от одночастотного сигнала с огибающей вида sinc к ЛЧМ сигналу с квазипрямоугольной огибающей. При этом, дисперсионный метод синтеза таких сигналов автоматически поддерживает правильную амплитудную калибровку радиосигналов. Изменение мощности ВЧ сигнала осуществляется масштабированием вычисленных ВЧ-сигналов по амплитуде. Результат такой калибровки представлен в экспериментальных данных измеренных спектров пропускания: максимумы эффективности дифракции на центральной длине волны окна пропускания достигаются при одной и той же величине коэффициента масштабирования. Результаты измерения амплитудно-спектральных характеристик дисперсионного мультиспектрального АО фильтра получены впервые и значимы также и для верификации и уточнения теоретических моделей управления АО шейпингом фемтосекундных лазерных импульсов и учета особенностей этих моделей для корректрного вычисления управляющих ВЧ-сигналов. Измерения двухцветного режима пропускания выполнены в диапазоне длин волн 36 нм от центральной длины волны 800 нм с шагом 7,2 нм (всего 11 различных положений спектральных линий, 55 комбинаций пар линий). Экспериментально измеренные спектры демонстрируют независимость и прецизионность управления положением каждой линии, обеспечиваемую дисперсионным алгоритмом формирования управляющих ВЧ сигналов. Экспериментальные данные показывают, что программируемое смещение одной из линий пропускания АОДФ не влияет на интенсивность и положение другой линии, а соотношение интенсивностей этих линий определяется только соотношением интенсивностей в спектре излучения. 6) Подготовлена и подана заявка на изобретение № 2021132965 от 12.11.2021 «Способ формирования двухцветного кольцевого лазерного поля и устройство для его осуществления (варианты)», авторы В.Я. Молчанов, Д.В. Обыденнов, К.Б. Юшков.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1) В рамках 3 этапа была решена одна из основных задач, поставленных в проекте – создание экспериментальной установки формирования трехмерных аксиально-симметричных распределение интенсивности фемтосекундного лазерного излучения, основанной на новом физическом принципе: акустооптической фильтрации пространственных частот. В созданной установке используются два различных акустооптических (АО) прибора независимо управляющих частотным и угловым спектром лазерного пучка: 1) АО дисперсионный фильтр (АОДФ) на основе квазиколлинеарной геометрии дифракции; 2) АО фильтр пространственных частот (АОФПЧ) на основе неколлинеарной геометрии дифракции. Разработана оптическая схема спектрально пространственной фильтрации лазерного пучка и программное обеспечение для синхронизированного управления двумя АО фильтрами. Управление спектром излучения осуществляется с помощью АОДФ, работающего в режиме программируемого многополосного фильтра. Управление пространственным спектром осуществлялось неколлинеарным фильтром в многочастотном режиме управления, позволяющем управлять несколькими спектральными компонентами излучения независимо. 2) Проведен ряд экспериментов, демонстрирующих возможности спектрально пространственной фильтрации фемтосекундного излучения титан-сапфирового лазера (центральная длина волны 800 нм, ширина спектра 80 нм) для создания оптических ловушек: доказана возможность прецизионной селекции нескольких длин волн лазерного излучения из непрерывного спектра и независимого управления их пространственными спектрами посредством неколлинеарного АО фильтра пространственных частот. Эксперименты проведены для различной ширины спектральных окон пропускания фильтра от 1 до 7,5 нм, при различном числе полос пропускания и при различных комбинациях соответствующих им частот фазового синхронизма в фильтре пространственных частот. Продемонстрированы распределения полей для двухцветной (790 и 800 нм) и трёхцветной (790, 800 и 810 нм) конфигурации. Таким образом, применение дискретного набора из нескольких длин волн излучения позволяет формировать сложные распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости, что невозможно при монохроматическом лазерном излучении. 3) Продемонстрирована возможность создания цилиндрических распределений интенсивности поля «темного» фемтосекундного лазерного пучка с минимумом интенсивности в центре с соотношением размеров ~10:1. Кольцевое распределение интенсивности излучения с диаметром ~100 мкм наблюдалось в области длиной более 1 мм вдоль оси пучка. Независимо, в темной области на оси пучка может быть сформирован максимум интенсивности лазерного излучения на другой длине волны. Таким образом, реализуется возможность формирования оптических трехмерных ловушек с динамически реконфигурируемой пространственной и спектральной структурой поля. 4) Полученные на 3 этапе результаты полностью соответствуют изначальной цели проекта – созданию нового направления в пространственном управлении структурой лазерных пучков на основе акустооптического взаимодействия. Для этой цели используются физические особенности фазового синхронизма акусптооптической дифракции в двулучепреломляющих кристаллах, акустооптические приборы оригинальной разработки с рекордными характеристиками разрешения и эффективности, прецизионные алгоритмы управления акустооптическими приборами. Дисперсионная акустооптическая аппаратура решает задачи адаптивного управления спектральными и пространственными характеристиками лазерного поля с высоким быстродействием