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 14-12-00380

Название«Распространение и акустооптическое взаимодействие электромагнитных и акустических волн в фотонных и фононных кристаллах, структурированных средах и наноматериалах»

РуководительВолошинов Виталий Борисович, Кандидат физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-404 - Физическая акустика

Ключевые словаэлектромагнитные и акустические волны, акустооптическое взаимодействие, фотонные и фононные кристаллы, управление электромагнитным излучением, спектроскопия, микроволновое и инфракрасное излучение, экологический мониторинг атмосферы

Код ГРНТИ29.37.25

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фундаментальной научной проблемой, которая будет решаться в рамках данного проекта, является изучение законов распространения объемных электромагнитных и акустических волн в новых анизотропных материалах, таких как «фотонные» и «фононные кристаллы», наноструктурированные среды и «метаматериалы». Будут изучены ранее не известные закономерности фотон-фононного взаимодействия в данных средах, которые предполагается использовать для решения задач оптоэлектроники, акустооптики и акустоэлектроники. Спектральный диапазон электромагнитных длин волн при этом будет охватывать ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и терагерцевое излучение, длины волн которого отличаются на три порядка и заключены в пределах от 100 нм до 200 мкм. Одной из отличительных особенностей изучаемых физических явлений является то, что длины объемных акустических волн выбраны одного порядка или меньше длины волны электромагнитного излучения, что доказывает новизну и необычность рассматриваемых эффектов. Этим также доказывается обоснованность определения подобной среды фотон-фононного взаимодействия как «фотонного кристалла», в котором акустически индуцированный пространственный период неоднородности диэлектрической проницаемости оказывается сравнимым или меньше длины электромагнитной волны. Ожидается, что на основе акустооптического взаимодействия в разрабатываемых анизотропных средах с малыми пространственными периодам неоднородности будут созданы новые и уникальные приборы управления характеристиками электромагнитного излучения ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и терагерцевого диапазонов, с помощью которых будут решены задачи широкополосной оптической обработки информации и спектрального анализа электромагнитных полей, например, в аэрокосмической разведке и дистанционном экологическом мониторинге химического состава атмосферы Земли.

Ожидаемые результаты
В результате запланированного исследования будут определены закономерности фотон-фононного взаимодействия в средах, которые обусловлены структурой и физическими свойствами новых и активно исследуемых в настоящее время микро- и наноструктурированных сред, определяемых как «фотонные» или «фононные кристаллы» и «наноматериалы». На основе данных взаимодействий будут разработаны принципиально новые устройства для решения ряда задач информационно-коммуникационных технологий, т.е. управления параметрами электромагнитных волн. Например, эти задачи будут решены с помощью новых модификаций акустооптических модуляторов, дефлекторов и фильтров. В частности, запланировано теоретическое и экспериментальное исследование обратного брэгговского коллинеарного взаимодействия в «фотонном» монокристалле германия, в котором на частотах акустических волн в несколько сотен мегагерц, соответствующих длинам волн упругих колебаний порядка 10-15 мкм, будет реализовано управляемое звуком обратное отражение электромагнитного излучения терагерцевого диапазона с длинами волн около сотни микрон. В теоретическом плане будут исследованы особенности распространения объемных акустических волн в «фононных кристаллах» - периодических структурах, в которых сочетаются материалы с различными акустическими характеристиками, такими, как плотность, скорость объемных акустических волн и акустический импеданс. В экспериментальном плане будет реализован и подробно изучен новый режим дифракции света на ультразвуке с поперечным распространением падающего света и звука и коллинеарной ориентацией потока звуковой энергии относительно дифрагированного светового пучка. Наконец, при реализации акустооптического взаимодействия в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра запланировано изучение резонансного рассеяния света на дифракционной решетке «фотонного кристалла», период которой сравним или лишь незначительно превосходит длину волны инфракрасного излучения. Все запланированные работы являются пионерскими и соответствующими мировому уровню исследований. В практическом плане результаты анализа будут реализованы в новых акустооптических приборах, в частности, перестраиваемых фильтрах, специально разработанных и предназначенных для анализа изображений в аэрокосмических системах разведки или экологического контроля за состоянием атмосферы Земли. Результаты исследований будут опубликованы в серии статей в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, а также представлены в виде докладов на российских и международных конференциях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В течение первого года работы по гранту РНФ был исследован теоретически и впервые реализован в эксперименте эффект обратного брэгговского отражения электромагнитного излучения в кристалле германия. В оптически изотропном материале с помощью объемных акустических волн вдоль направления [100] была индуцирована периодическая структура – дифракционная решетка, период которой был равен длине волны ультразвука. Частоты акустических волн были заключены в пределах 288 – 312 МГц, что соответствовало длинам акустических волн 16-18 микрон. Коллинеарно со звуком в кристалл вдоль оси [100] было направлено микроволновое электромагнитное излучение квантового генератора на свободных электронах. Длина волны излучения лазера 140 микрон относились к терагерцевому диапазону электромагнитного спектра. С учетом показателя преломления кристалла n = 4 длина волны излучения в кристалле была равна 35 микрон. Это означает, что индуцированный ультразвуком период структуры был вдвое меньше длины волны электромагнитного излучения. Двукратное превышение периода неоднородности по сравнению с длиной электромагнитной волны указывает на то, что кристалл с индуцированной дифракционной решеткой фактически является «фотонным кристаллом». Таким образом, одним из важных результатов проведенного исследования является наблюдение и изучение обратного брэгговского отражения микроволнового излучения в «фотонном кристалле» с индуцированной объемной волной ультразвука периодической неоднородностью показателя преломления. Вторым эффектом, впервы