Исследование широкополосных акустооптических устройств на основе сильно анизотропных кристаллов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В.ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиМакаров Олег ЮрьевичИсследование широкополосных акустооптических устройствна основе сильно анизотропных кристалловСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2012Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физ.-мат. наук, доцентфизического факультета МГУим. М.В.ЛомоносоваВ.Б.ВолошиновОфициальные оппоненты:доктор физ.-мат.

наук, профессорИРЭ РАНВ.В.Прокловдоктор физ.-мат. наук, профессорМеждународноголазерногоцентра МГУ им. М.В.ЛомоносоваА.А.КарабутовВедущая организация:Федеральное государственноеунитарное предприятие НИИ«Полюс»Защита состоится 20 декабря 2012 года в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.67 в МГУ им. М.В.Ломоносова поадресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Воробьевы горы, д.1, стр.2, физическийфакультет, аудитория им. Р.В.ХохловаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан «____» _____________ 2012 годаУчёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67А.Ф.Королёв2Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияАкустооптическиеприборысегодня активновостребованыприразработке и производстве широкого спектра лазерной и оптическойаппаратуры,функционирующейвультрафиолетовой,видимойиинфракрасной областях оптического спектра.

Акустооптические приборы несодержат движущихся механических частей и управляются электроннымсигналом,чтоопределяетихвысокоебыстродействиеиширокиефункциональные возможности. На основе акустооптических приборовсоздаются принципиально новые системы управления, передачи и приемаинформации,которыенемогутбытьреализованытрадиционнымиоптическими методами. Так, создание фемтосекундных лазеров определилопотребность в адаптивных устройствах, компенсирующих искажения спектраи фазы Фурье-компонент фемтосекундных импульсов в оптическомусилительном тракте.

Именно акустооптические методы управления светомнаиболее эффективны при решении этой задачи.На сегодняшний день для управления светом наиболее частоприменяются кристаллы кварца, ниобата лития, парателлурита и германия.Следует отметить, что некоторые из перечисленных, а также и другиеизвестныеакустооптическиематериалыхарактеризуютсясильнойанизотропией физических свойств. При этом сложные и интересные спрактической точки зрения акустооптические явления происходят прираспространении акустических и электромагнитных волн именно в сильноанизотропных твердых телах. Характерным является факт, что изучениюособенностей влияния акустической анизотропии среды на параметрыакустооптического взаимодействия посвящается гораздо меньше работ, чемисследованиям особенностей взаимодействия в оптически анизотропныхсредах. Тем не менее, во многих случаях учетом акустической анизотропии в3силу ее значительной величины нельзя пренебрегать.

В некоторых случаяханизотропию даже следует использовать в акустооптике и на её основеотыскиватьгеометрииперспективныедляакустооптическогосозданияоптоэлектронныхвзаимодействия.Например,прибороввнаучнойлитературе не было информации о методе расчета основных характеристикакустооптических приборов на основе квазиколлинеарного взаимодействия,использующихакустическуюанизотропиюодноосныхкристаллов.Подобный анализ необходим для оценки предельных характеристик вновьразрабатываемых устройств.

Недостаточность теоретической проработкипроблемы ещё недавно сдерживала создание АО приборов высокогоспектрального разрешения для УФ, видимого и ИК диапазонов. Однакоблагодаря прогрессу АО знания в последние годы был создан новый классакустооптических приборов – дисперсионные фемтосекундные линиизадержки. Эти приборы используются для управления спектральнымиамплитудами и фазами фемтосекундных импульсов, причем АО устройстваудается оптимизировать с учетом конкретных приложений.Известно,чтоважнейшейхарактеристикойакустооптическихустройств является их спектральная широкополосность. Тем не менее, до сихпор не было предложено простой теоретической модели, помогающейрассчитывать и синтезировать широкополосные согласующие электрическиецепи в новых модификациях акустооптических приборов.Таким образом, актуальной задачей исследования являлось развитиеимеющегося знания об особенностях акустооптического взаимодействия,проведение более глубокого изучения влияния акустической анизотропиисреды на характеристики дифрагированных световых пучков с цельюсоздания нового поколения АО устройств.

Изложенное выше определяетактуальность настоящего исследования.4Цели и задачи исследованияЦельработысостоялавдетальномтеоретическомиэкспериментальном исследовании возможности использования сильнойакустической анизотропии кристаллов для реализации специфических формакустооптическоговзаимодействия,полезныхдлясозданияакустооптических устройств нового поколения. При этом были поставлены ирешены следующие задачи:1)Исследованиезакономерностейизотропнойдифракциисветанаультразвуке в акустически анизотропной среде, а также исследованиеакустическойанизотропиисредыметодамиакустооптическоговзаимодействия.2)Исследованиевозможностиоптимизацииосновныхпараметровакустооптических приборов на основе квазиколлинеарного взаимодействия водноосных кристаллах и достижения в подобных устройствах рекордныххарактеристик.3)Разработкаисозданиеоптимизированныхширокополосныхквазиколлинеарных акустооптических фильтров для УФ, видимого иближнего ИК спектральных диапазонов.4)Исследованиедисперсионныхлинийзадержкидляадаптивногоуправления Фурье-компонентами спектра фемтосекундных импульсов сцелью формирования импульсов заданной формы.

Разработка и созданиеэкспериментальных акустооптических дисперсионных линий задержки,оптимизированныхпоспектральномуразрешениюиэффективностиконверсии.5) Разработка и реализация методов широкополосного согласованияэлектрическогокомплексногопьезопреобразователяимпедансаАО устройствапромежуточного связующего слоя.5одностороннес учетомнагруженноговлиянияпараметровНаучная новизна1)Зарегистрированвакустооптическомэкспериментеэффектдифракционной невзаимности, приводящий к расширению либо сужениюполосычастотизотропногоакустооптическоговзаимодействиявзависимости от взаимной ориентацией волнового вектора света и вектораУмова-Пойнтингазвука.Методомэкспериментальноисследованвизуализацииакустооптическийакустическихэффектвволнкристаллепарателлурита для различных акустических мод, распространяющихся вплоскости (001) кристалла ТеО2.2) Исследован новый класс АО устройств для фемтосекундной лазернойтехники: дисперсионных линий задержки, работающих одновременно сширокими непрерывными спектрами оптического излучения и акустическогосигнала.

Впервые детально исследованы дисперсионные линии задержки ифильтры для УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, оптимизированныепо эффективности и спектральному разрешению и предназначенные дляобработки фемтосекундных спектров с полосой до 200 нм.3) На базе волоконно-оптической техники создана экспериментальнаяустановка для исследования характеристик широкополосных АО устройств спредельно высоким спектральным разрешением. В акустооптическомфильтренакристаллепарателлуритаполученорекордноезначениеспектральной полосы пропускания 0,24 нм на длине волны света 1550 нм.4) На основе полной эквивалентной электрической схемы Мэзона описанасистема «согласующие цепи – пьезопреобразователь – промежуточный слой– акустооптическая среда» и cмоделирована работа векторного измерителякомплексных импедансов. Показано, что разработанная математическаямодель работы пьезопреобразователя оказывается эффективной для описаниявлияния толщины и материальных констант промежуточного слоя наширокополосность акустооптического прибора.

На основе разработанноймодели получены аналитические формулы для расчета значений LC6элементовсогласующихцепейиосуществленосогласованиеакустооптических устройств без использования векторного измерителякомплексных импедансов.Научная и практическая значимостьНаучная значимость диссертационной работы определяется тем, что врезультате выполнения исследований углублено понимание особенностейвзаимодействия света и звука в кристаллах с высокой анизотропиейфизических свойств. Показано, что акустическая анизотропия средывзаимодействияявляетсянетолькосвойствомматериала,котороенеобходимо учитывать при создании новых приборов, но в ряде случаев иключевым фактором, позволяющим создавать акустооптические устройствановых типов с рекордными характеристиками.

Полученная информацияиспользована для дальнейшего развития теории и практики широкополосныхакустооптических приборов нового поколения.Практическая значимость диссертационной работы заключается вследующем:Разработан практический метод синтеза согласующих электрическихцепей для пьезопреобразователей акустооптических устройств. Применениеметода позволило изготовить акустооптические устройства с рекорднымизначениями рабочего спектрального диапазона: до полутора октав по свету;Разработаноиизготовленосемействоширокополосныхакустооптических фильтров на основе квазиколлинеарного взаимодействиядля спектрального уплотнения и разделения лазерных сигналов в сетяхоптической связи 100 ГГц WDM с малыми перекрестными помехами впринятых для связи S (1491,69 нм – 1529,55 нм), C (1529,75 нм – 1569,59 нм)и L (1569,80 нм – 1611,79 нм) спектральных диапазонах;Разработана двухкаскадная широкополосная спектральная система дляисследованияплазмыспомощью7квазиколлинеарныхфильтровнамонокристаллах KDP и ТеО2 со спектральным диапазоном перестройки 2001000 нм и разрешением не хуже 1 нм;Создана оптимизированная акустооптическая дисперсионная линиязадержкидляфемтосекундныхуправленияимпульсов.спектральнымиЭффективностьамплитудамиифазамипреобразованияспектрафемтосекундного импульса шириной 120 нм при длительности импульса 45фс составила 70%.

Доказана возможность адаптивного управления спектромфемтосекундного импульса в условиях значительной оптической временнойнеопределенности (джиттера).Основные положения, выносимые на защиту1)Экспериментальноеподтверждениезависимостиполосычастотизотропного акустооптического взаимодействия в среде с выраженнойакустической анизотропией от взаимной ориентации векторов фазовойскорости света и групповой скорости звука.2) Сохранение оптической оси лазерной системы и компенсация уширенияуглового спектра фемтосекундного излучения в дисперсионной линиизадержки до значений, меньших дифракционной расходимости лазерногопучка.3) Рекордно узкая спектральная полоса пропускания акустоотпическогофильтра 0,24 нм на длине волны света 1550 нм, использующегоквазиколлинеарное взаимодействие в кристалле парателлурита, достигнутаяза счет оптимизации геометрии акустооптического взаимодействия.4) Оптимизированная линия задержки с высокой эффективностью дифракции70% и возможностью адаптивного управления формой фемтосекундногоимпульса в спектральном диапазоне до 200 нм без потери световоймощности, обусловленной оптической временной неопределенностью 24мкс.85) Акустооптический фильтр для анализа изображений с рекордно широкимдиапазоном перестройки длины волны света 380 – 1100 нм, созданныйблагодаряматематическомумоделированиюработыкомплексногоизмерителя электрических импедансов пьезоэлектрических преобразователейи применению оригинальной программы расчета значений элементовсогласующих цепей.Апробация работыРезультаты проведенных исследований были представлены на следующихнаучных конференциях:1.