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, впервые зарегистрированным и исследованным при проведении работ по гранту, была «смешанная дифракции света» на дифракционной решетке, созданной в кристалле парателлурита распространяющейся в нем акустической волной. Новый режим дифракции удалось наблюдать благодаря рекордно большой анизотропии акустических свойств, когда углы между фазовой и групповой скоростью акустической волны превышают 70 градусов. Главной особенностью «смешанного взаимодействия» являлось поперечное распространение падающего света относительно акустического столба в кристалле парателлурита и при этом коллинеарное распространение дифрагированного света и потока акустической энергии. Экспериментальная реализация данного режима дифракции оказалась возможной в периодической структуре на достаточно высоких для кристалла парателлурита частотах акустических волн f = 300 МГц, при рекордно широких углах между фазовой и групповой скоростью ультразвука 72 градуса и сравнительно больших длинах волн электромагнитного излучения, принадлежащего к среднему инфракрасному диапазону спектра 3.39 мкм. Индуцированные звуком неоднородности показателя преломления в парателлурите имели малый пространственный период Λ=3 мкм, сравнимый с длиной волны электромагнитного излучения. Одна из главных особенностей зарегистрированного режима акустооптического взаимодействия явилась предсказанная теоретически и подтвержденная экспериментально зависимость полосы акустических частот дифракции от апертуры падающего на звуковой столб светового пучка. Показано, что характер акустооптического взаимодействия при смешанном режиме дифракции зависит не только от длины взаимодействия, оцениваемой поперек звукового столба, но и от диаметра светового луча, пересекающего данный акустический столб. В проведенном эксперименте при двукратном увеличении линейной апертуры светового пучка частотный диапазон смешанной дифракции убывал также приблизительно в 2 раза. Таким образом, впервые была осуществлена экспериментальная проверка выводов теоретического исследования нового эффекта и получено первое экспериментальное подтверждение правильности ранее сделанного предположения о существовании в акустически анизотропных средах «смешанного режима акустооптического взаимодействия». К интересным результатам, полученным при проведении исследований, относится моделирование процессов распространения акустических волн в периодической структурированной среде, состоящей из чередующихся фрагментов материалов с принципиально неодинаковыми физическими свойствами. Проведен расчет и определены акустические характеристики структурированной среды, состоящей из таких материалов, как плавленый кварц, флинт, кристаллический парателлурит и рутил. Характеристики получены при нескольких значениях коэффициента заполнения элементарной ячейки композитного материала. В результате проведенного анализа был сделан вывод, который допускает обобщение на акустические и оптические искусственные периодические среды, например, «фотонные и фононные кристаллы». Доказано, что распространение звука в структурированном материале существенно зависит от класса симметрии составляющих его элементов. Проведенное моделирование также показало, что на скорость распространения звука в акустическом композите оказывает влияние отношение физических параметров составляющих композит компонентов, в частности, плотности, коэффициентов жесткости и импеданса. Наконец, обнаружено, что заметное влияние на скорость звука оказывают геометрические параметры периодически структурированного акустического материала

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В течение второго года работы по гранту РНФ было продолжено теоретическое и экспериментальное исследование эффекта обратного изотропного брэгговского отражения электромагнитного излучения в кристалле германия. В оптически изотропном материале с помощью объемных акустических волн вдоль направления [100] была создана периодическая структура – дифракционная решетка, период которой был равен длине волны ультразвука. Частоты акустических волн были заключены вблизи частоты 300 МГц, что соответствовало длинам акустических волн 17 мкм. Коллинеарно со звуком в кристалл вдоль оси [100] было направлено микроволновое электромагнитное излучение квантового генератора на свободных электронах. Длина волны излучения лазера составляла величину около 140 микрон, т.е. относились к терагерцевому диапазону электромагнитного спектра. С учетом показателя преломления кристалла n = 4 оптическая длина волны в кристалле была равна 34 мкм. Это означало, что индуцированный ультразвуком период структуры был вдвое меньше длины волны электромагнитного излучения. За счет модернизации экспериментальной установки, оптимизации акустооптической ячейки на кристалле германия и совершенствования методики обработки сигналов на выходе приемника электромагнитного излучения новый режим дифракции удалось реализовать с увеличенной эффективностью дифракции по сравнению эффективностью, достигнутой в первый год работы по гранту. Двукратное превышение периода неоднородности по сравнению с длиной электромагнитной волны указывает на то, что кристалл с индуцированной дифракционной решеткой фактически являлся «фотонным кристаллом». Таким образом, одним из важных результатов проведенного исследования является наблюдение и изучение обратного брэгговского отражения микроволнового излучения в «фотонном кристалле» с индуцированной ультразвуком периодической неоднородностью показателя преломления. Вторым эффектом, подробно исследованном при проведении работ по гранту в течение второго года программы, являлась «смешанная» или «полуколлинеарная» дифракции света. Дифракция обеспечивалась дифракционной решеткой, созданной в кристалле парателлурита распространяющейся акустической волной. Главной особенностью «смешанного взаимодействия» являлось использование материала одновременно с акустической и оптической анизотропией. В кристалле парателлурита при этом могло наблюдаться поперечное распространение падающего света относительно акустического столба и одновременно коллинеарное распространение дифрагированного света вместе с потоком акустической энергии. Анализ показал, что экспериментальная реализация данного режима дифракции оказывается возможной в периодической структуре на достаточно высоких для кристалла парателлурита частотах акустических волн f = 400 МГц. Угол между фазовой и групповой скоростью ультразвука при этом равен 57 градусов. Наблюдение взаимодействия возможно лишь при сравнительно больших длинах волн 5.0 мкм электромагнитного излучения, принадлежащих к среднему инфракрасному диапазону спектра. Оказывается, что индуцированные звуком неоднородности показателя преломления в парателлурите имеют малый пространственный период, сравнимый с длиной волны электромагнитного излучения в данном материале. Одна из главных особенностей исследованного режима анизотропного акустооптического взаимодействия явилась предсказанная теоретически и подтвержденная экспериментально зависимость полосы акустических частот анизотропной дифракции от апертуры падающего на звуковой столб светового пучка. Показано, что характер акустооптического взаимодействия при смешанном режиме анизотропной дифракции, как и изотропной, зависит не только от длины взаимодействия, оцениваемой поперек звукового столба, но и от диаметра светового луча, пересекающего данный акустический столб в процессе распространения в кристалле. К интересным результатам, полученным при проведении исследований, относится моделирование процессов распространения акустических волн в периодической структурированной среде. Подобная среда состоит из чередующихся фрагментов материалов с неодинаковыми физическим свойствами. Проведен расчет и определены акустические характеристики структурированной среды, состоящей из кристаллического парателлурита, теллура, селена, кремния и германия. В результате проведенного анализа был сделан вывод, допускающий обобщение его выводов на акустические и оптические искусственные периодические среды, например, «фотонные и фононные кристаллы». В частности, доказано, что распространение звука в структурированных материалах существенно зависит от класса симметрии составляющих его элементов. Проведенное моделирование также показало, что на скорость распространения звука в акустической структурированной среде влияет отношение физических параметров составляющих материал компонентов. В частности, для акустических материалов это - плотность, коэффициенты жесткости или акустического импеданса, а в оптике такими параметрами являются показатели преломления и поляризуемость среды

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В течение третьего года работ по гранту было продолжено теоретическое и экспериментальное исследование обратного изотропного коллинеарного взаимодействия, при котором длина волны акустически индуцированной периодической неоднородности превосходила длину волны электромагнитного излучения. Исследования проводились в кристалле германия. При проведении исследований в 2016 году для увеличения эффективности обратной коллинеарной дифракции была уменьшена длина волны электромагнитного излучения на 10-15% по сравнению с длиной волны в экспериментах 2015 года. Однако эксперимент показал, что переход на более короткие длины волн излучения потребовал и увеличения частоты управляющего акустического сигнала. Это не позволило получить заметного выигрыша в эффективности взаимодействия по сравнению с результатом 2015 года. В качестве среды акустооптического взаимодействия был также выбран кристалл арсенида галлия (GaAs). Показатель преломления арсенида галлия в терагерцевом диапазоне оказался на четверть меньше, чем в германии. Это способствовало снижению частоты синхронизма при взаимодействии. Однако коэффициент акустооптического качества кристалла арсенида галлия в терагерцевом диапазоне оказался приблизительно в 3.5 раза меньше, чем в германии. В итоге, на выходе акустооптической ячейки с кристаллом GaAs были зарегистрированы интенсивности дифрагированного излучения одного порядка с интенсивностью дифрагированного излучения в германии. Теоретический анализ закономерностей обратной дифракции включал в себя расчет интенсивности дифрагированного излучения в зависимости от приложенной акустической мощности и длины области взаимодействия. Анализ был проведен с учетом поглощения оптической и акустической мощности в кристаллах. Расчет показал, что эффективность дифракции в германии в терагерцевом диапазоне при нескольких ваттах управляющей акустической мощности не превышает долей процента. Также численно удалось рассчитать полосу частот дифракции в зависимости от длины области акустооптического взаимодействия. Частотная полоса оказалась на три порядка меньше частоты брэгговского синхронизма обратной коллинеарной дифракции. Эта особенность подтвердила принципиальную возможность применения обратной изотропной коллинеарной дифракции для фильтрации электромагнитного излучения. При выполнении проекта был разработан алгоритм расчета и создана компьютерная программа для расчета структуры акустического поля, создаваемого в акустически и оптически анизотропной среде фазированным пьезопреобразователем с произвольным фазовым сдвигом между соседними элементами. Программа позволяет проводить расчет структуры поля для разного числа секций преобразователя и разных размеров секций и зазоров между ними. В начале расчета задаются параметры акустооптического кристалла и пьезопреобразователя, и рассчитываются все характеристики акустических и оптических волн для выбранного среза кристалла: скорости акустических мод, показатели преломления, углы сноса светового и акустического пучков, их поляризации. Расчет акустического поля в кристалле проводится по оригинальной программе, позволяющей определить амплитудную и фазовую структуру акустического поля для разных направлений распространения ультразвука и на разных расстояниях от преобразователя. Кроме того решена задача акустооптического взаимодействия в акустическом поле, имеющем сложную амплитудную и пространственную структуру. Численным расчетом определяются такие характеристики акустооптического взаимодействия, как эффективность дифракции, оптимальные углы падения света для каждой из собственных оптических мод, угловые, частотные и спектральные диапазоны взаимодействия. Расчеты показали, что эти оптимальные углы существенно отличаются от углов Брэгга и их зависимость от частоты ультразвука имеет необычный вид. Последнее обстоятельство представляет особый интерес, поскольку позволяет надеяться на разработку акустооптических приборов с улучшенными характеристиками Из-за плохой прозрачности большинства известных акустооптических кристаллических сред в терагерцевом диапазоне было проведено исследование взаимодействия электромагнитного излучения и звука в неполярных жидкостях. Были экспериментально исследованы такие жидкости, как циклогексан, гексан, гексадекан, тетрахлорметан, а также керосин и уайт-спирит. При измерениях осуществлялась амплитудная модуляция пучка акустической волной и регистрация низкочастотных сигналов на частоте 15 Гц. Это позволило при измерениях достигнуть заявленной величины отношения сигнал/шум 10:1 на выходе системы регистрации дифрагированного излучения. Измерения показали, что эффективность взаимодействия в циклогексане, гексане, гексадекане и уайт-спирите составила величину 0.02% при подводимой электрической мощности около 3 Вт. Было вычислено акустооптическое качество четырёх жидкостей. В среднем коэффициент качества оказался равным (170 +/- 30) 10-15 с3/кг. В целом, реализованное в эксперименте управляемое ультразвуком отклонение терагерцевого излучения на углы порядка 20, а также модуляция с глубиной в сотые доли процента при подводимой электрической мощности в несколько ватт по эффективности дифракции и углу отклонения оказались одного порядка с результатами, полученными в кристаллах германия и арсенида галлия. В итоге, проведённое экспериментальное и теоретическое исследование доказало перспективность использования неполярных жидкостей для реализации акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне для электронного управления характеристиками электромагнитной волны. В рамках работ по гранту были проведены расчеты геометрии анизотропного акустооптического взаимодействия в плоскости XZ кристалла теллура. На основе расчетов была изготовлена ячейка, при помощи которой наблюдалась дифракция электромагнитного излучения на длине волны 10.6 мкм в образце X-среза с продольной акустической волной. В кристалле наблюдалось явление оптической активности, которое использовалось для создания широкоапертурного фильтра. Из-за относительно низких значений акустической скорости на частотах ультразвука 50-60 МГц длины волн акустических пучков в теллуре были заключены в пределах 20-30 мкм, что сравнимо с длиной волны СО2 лазера 10.6 мкм. Анализ показал, что в случае анизотропной дифракции в плоскости XZ монокристалла теллура эффективная фотоупругая константа равна pэфф = p41sinθ. Экспериментальное исследование анизотропного акустооптического взаимодействия проводилось на кристалле, с входной и выходной гранью, скошенной под углом 11о в плоскости XZ к оси Z. В результате экспериментального исследования была определена абсолютная величина фотоупругой константы p41 теллура. Она оказалась равной p41 = 0.15 ± 0.02. При измерениях интенсивность дифракции составила около одного процента, а управляющая акустической мощность не превышала 1.0 Вт. Созданная ячейка на кристалле теллура была испытана в режиме работы широкоаперурного фильтра. Селекция оптических частот в данном фильтре могла осуществляться в полосе оптических длин волн 0.5 мкм и в угловой апертуре около 40. Этого оказалось достаточно для возможности обработки оптических изображений акустооптическим методом. Единственный недостаток исследованной геометрии взаимодействия в данном срезе кристалла заключался в низком значении коэффициента акустооптического качества. Это объяснялось малой абсолютной величиной угла Брэгга θ =3.50 в акустооптической ячейке, из-за чего эффективная фотоупругая константа pэфф = p41sinθ оказалась в 16 раз меньше значения этого коэффициента p41 = 0.14. К известным проблемам современной акустооптики относится отсутствие эффективных кристаллических материалов для управления электромагнитным излучением ультрафиолетового диапазона. Однако авторы работ по гранту доказали, что на основе кристалла дигидрофосфата калия (KDP) возможно создание эффективно работающего фильтра для анализа изображений в диапазоне длин волн 220-400 нм. Для создания фильтра был использован достаточно протяженный кристалл с длиной взаимодействия света и звука 3.0 см. Необходимость анализа изображений с помощью данного фильтра потребовала разработку прибора с широкой оптической линейной апертурой 1.0 см. Это привело к тому, что площадь пьезоэлектрического преобразователя в фильтре достигала величины 3.0 см2. Толщина преобразователя была равна 20 мкм. Из-за этого статическая емкость возбудителя ультразвука превышала три тысячи пикофарад. Это исключало непосредственное подключение преобразователя к генератору ВЧ мощности из-за шунтирующего влияния статической емкости. Для решения проблемы электрического согласования преобразователь был с разделен на 22 секции каждая длиной вдоль направления света 0.18 см и 1.0 см в поперечном направлении. Эти секции были соединены последовательно, что снизило статическую емкость в 500 раз. Это обеспечило возможность электрического согласования преобразователя с генератором в широкой, порядка октавы, полосе электрических частот. Было зарегистрировано весьма высокое для дигидрофосфата калия значение коэффициента пропускания фильтра T = 15% при одном ватте управляющей акустической мощности. Большая длина преобразователя обеспечила высокое спектральное разрешение в созданном фильтре 1.2 нм на длине волны λ = 350 нм. Следует отметить, что по совокупности технических параметров, т.е. коэффициенту пропускания, спектральному разрешению, диапазону перестройки и угловой апертуре разработанный фильтр на кристалле KDP допускал применение в создаваемой в настоящее время гиперспектральной аэрокосмической системе контроля состояния атмосферы Земли в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного спектра.