Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В проекте исследуются особенности некритичного по углу и длине волны фазового синхронизма при акустооптическом взаимодействии в одноосных и двуосных кристаллах. Данная проблема лежит в основе создания новых типов оптоэлектронных приборов управления лазерными пучками, в том числе широкополосными фемтосекундными лазерными импульсами ближнего и среднего инфракрасного диапазона. На 1 этапе проекта были получены следующие основные результаты: 1) Введено понятие тензора коэффициентов дифракции для волнового пучка электромагнитного излучения в анизотропной среде и рассмотрено применение данного тензора в акустооптике и нелинейной оптике. Анализ собственных значений тензора кривизны волновой поверхности в кристаллах показал, что автоколлимация оптического пучка (бездифракционное распространение), существующее при нулевом значении одного из собственных значений тензора кривизны волновой поверхности, имеет место только в двуосных кристаллах и совпадает с направлениями внешней конической рефракции. Обобщено известное в физической оптике понятие дифракционной длины для оптического пучка в двулучепреломляющих средах: для каждого направления волновой нормали существуют два значения дифракционной длины (максимальное и минимальное), обратно пропорциональные абсолютным значениям собственных значений тензора кривизны. На основании данного метода написана программа вычисления тензора кривизны оптических волновых поверхностей, опубликованная в открытом депозитарии (https://codeocean.com/capsule/0712533/). 2) Выполнен анализ геометрий широкоапертурного фазового синхронизма брэгговской дифракции на основании собственных значений тензора дифракционной расходимости оптических пучков анизотропной среды. Проанализированы общие черты и различия поведения особых точек некритичного фазового синхронизма при анизотропной дифракции в одноосных и двуосных кристаллах. Найдены общие условия существования направлений кубического некритичного акустооптического взаимодействия в плоскостях симметрии одноосных (тетрагональных и тригональных) и двуосных (ромбических и моноклинных) кристаллах. Доказано существование двух точек кубического некритичного фазового синхронизма в орторомбических кристаллах и условное (в зависимости от главных значений тензора диэлектрической проницаемости) существование одной точки кубического некритичного фазового синхронизма в моноклинных кристаллах. Доказано условное (в зависимости от значений упругих констант) существование одновременно квазиколлинеарной и широкоапертурной геометрии дифракции в орторомбических кристаллах и безусловное существование двух различных точек такой дифракции в моноклинных кристаллах. 3) Выполнены теоретические расчеты и экспериментальные измерения полосы фазового синхронизма для некритичной тангенциальной дифракции, используемой в акустооптических дефлекторах. На примере низкочастотной тангенциальной геометрии акустооптического взаимодействия в парателлурите показано, что реализуется некритичный по длине волны фазовый синхронизм с асимметрией функцией пропускания для +1 и -1 порядков дифракции. Несмотря на принципиальную асимметрию частотно-угловых характеристик брэгговской дифракции, приводящую к существованию тангенциальной геометрии дифракции в одноосных кристаллах, полоса фазового синхронизма достаточна для обработки фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью от 30 фс практически без потерь эффективности, обусловленных фазовой расстройкой на краях спектра, как для прямой, так и для обратной дифракции в тангенциальной геометрии. При этом для обоих порядков дифракции существует значительная угловая дисперсия, определяемая как изменением угла дифракции при акустооптическом взаимодействии, так и преломлением пучков на гранях кристалла. Исследование и оптимизация некритичной по длине волны акустооптической дифракции является основой для создания нового типа устройств когерентного сложения фемтосекундных лазерных импульсов. 4) Создана методика численного решения нестационарных уравнений связанных мод акустооптического взаимодействия в дисперсионной среде. Анизотропное акустооптическое взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных – нестационарными уравнениями связанных волн. Показано, что спектральный метод решения таких уравнений позволяет свести задачу к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, аналогичной обыкновенным уравнениям связанных мод для брэгговской дифракции плоских волн, имеющей аналитическое решение для однородного акустического поля. Основные параметры полученной системы уравнений – коэффициент связи и фазовая расстройка – зависят как от частоты оптической волны, так и от дисперсионных параметров двулучепреломляющего акустооптического кристалла – групповых скоростей и квадратичных коэффициентов дисперсии для взаимодействующих волн.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На 2 этапе проекта были получены следующие основные результаты: 1) Выполнена топологическая классификация двумерных передаточных функций (ДПФ) акустооптической брэгговской дифракции в кристаллах произвольной симметрии. Показано существование четырех основных топологических типов двумерной передаточной функции в двухосных кристаллах: • X-тип – крестообразная ДПФ • O-тип – овальная ДПФ • V-тип – каплевидная ДПФ • U-тип – дугообразная ДПФ 2) По результатам анализа поверхностей показателей преломления было показано существование нового типа некритичного фазового синхронизма при акустооптической дифракции – ахроматической коллинеарной дифракции. Доказано, что данный тип дифракции существует только в плоскости оптических осей двухосного кристалла и на конической поверхности вблизи этой плоскости. Проведены расчеты, демонстрирующие качественные и количественные изменения положения геометрического места точек некритичной по длине волны коллинеарной дифракции, были проведены для кристалла йодноватой кислоты (α-HIO3). 3) Теоретически предсказан новый акустооптический эффект – временное расщепление ультракороткого лазерного импульса в режиме сильного акустооптического взаимодействия. Показано, что расщепление импульсов нулевого и первого порядков наблюдается при больших значениях параметра связи, обратно пропорциональных ширине спектра фемтосекундного импульса: Q = qL/π ≥ ω/Δω. 4) Предложен новый способ оптимизации конструкции акустооптических дефлекторов для применения в фемтосекундных лазерных системах, позволяющий снизить нежелательную угловую дисперсию дифрагировавшего лазерного излучения. 5) Разработана и апробирована экспериментальная методика определения основных характеристик акустооптических приборов различной конструкции, основанная на применении программируемых цифровых синтезаторов радиосигналов. Методика повышает точность измерения характеристик акустооптических приборов (ширины полосы синхронизма, эффективности дифракции, оптимальной мощности управляющего сигнала) и существенно упрощает правильную юстировку, благодаря одновременному измерению частотного и амплитудного откликов (https://codeocean.com/capsule/4067727/).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На 3 этапе проекта были получены следующие основные результаты: 1) Разработан и изготовлен экспериментальный образец акустооптического дефлектора для фемтосекундного излучения на центральной длине волны 800 нм. 2) В результате исследования двухлучевой акустооптической дифракции фемтосекундного лазерного излучения в тангенциальной геометрии взаимодействия был обнаружен эффект интерференция нулевого и первого порядков дифракции, приводящий к стационарному перераспределению энергии между пучками с частичной перекачкой энергии из одного пучка в другой. 3) Экспериментально продемонстрирована возможность компенсации угловой дисперсии второго типа акустооптических дефлекторов фемтосекундного лазерного излучения при помощи выбора углов наклона оптических граней кристалла парателлурита в плоскости дифракции. 4) Аналитически показано существование спектрального некритичного фазового синхронизма при коллинеарной акустооптической дифракции вблизи оптических осей двухосных кристаллов. Доказано, что геометрическое место точек спектрального некритичного фазового синхронизма представляет собой эллиптический конус, одна из образующих которого является оптической осью кристалла, а угол раствора пропорционален дисперсии направления оптической оси кристалла. 5) По результатам численного моделирования определены области существования спектрального некритичного фазового синхронизма при коллинеарной дифракции для ряда орторомбических (α-HIO3, LiNa5Mo9O30, α-BaTeMo2O9, Сs2HgBr4) и моноклинных (Pb2MoO5, KY(WO4)2, KGd(WO4)2, β-BaTeMo2O9) двухосных кристаллов. Показано, что в моноклинных кристаллах геометрия спектрального некритичного фазового синхронизма зависит от ориентации диэлектрической системы координат относительно кристаллографической оси симметрии второго порядка. 6) Подана заявка на патент на изобретение «Бихроматический акустооптический дефлектор». Предложена особая конструкция акустооптического дефлектора для одновременного управления фундаментальной частотой и второй гармоникой лазерного излучения инфракрасного диапазона длин волн. Бихроматический дефлектор на основе кристалла парателлурита, в том числе, предназначен для управления фемтосекундным лазерным излучением диапазона длин волн от 800 до 1600 нм его второй гармоникой в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм.