Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработана (на уровне изобретения) конструкция акустооптической (АО) ячейки для исследования дифракции монохроматического терагерцового (ТГц) излучения на ультразвуке в неполярных жидкостях при обратной коллинеарной геометрии взаимодействия, реализуемого при нормальных условиях [Заявка №2018117542 от 11.05.2018 г.]. Ячейка представляет собой герметичный контейнер, наполненный прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, в которую погружён излучатель ультразвука. Контейнер снабжён двумя прозрачными для видимого и ТГц излучения окнами из материала с показателем преломления близким к показателю преломления жидкости (для минимизирования френелевских потерь излучения на окнах). Излучатель ультразвука размещён максимально близко к входному окну таким образом, чтобы не перекрывать трека пучка излучения, и ориентирован так, что испускаемый им звуковой пучок падает на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отражённого звукового пучка и пучка излучения, преломлённого на этом окне. Выходное окно не перпендикулярно преломлённому на входном окне пучку излучения, что обеспечивает пространственное разнесение отражённого от выходного окна излучения и пучка, претерпевшего дифракцию (совмещение пучков приведёт к невозможности их разделения). Разработана (на уровне изобретения) и АО-ячейка для наблюдения этого явления в кристалле (Заявка №2018117540 от 11.05.2018 г.). В этой ячейке среда АО-взаимодействия выполнена в форме четырёхгранной призмы, излучатель ультразвука размещён на её боковой грани, причём входная (для ТГц излучения) грань, образует с гранью, содержащей излучатель, угол, обеспечивающий возможность ввода излучения из окружающей среды в призму, прохождение излучения через призму, минуя излучатель, и совпадение трека пучка излучения, преломлённого на входной грани, с треком отражённого от неё ультразвукового пучка. Членами научного коллектива подготовлена конструкторская документация для изготовления АО-ячейки, предназначенной для реализации дифракции монохроматического ТГц излучения на ультразвуке в неполярных жидкостях при обратной коллинеарной геометрии взаимодействия, реализуемого при нормальных условиях. Разработанная АО-ячейка была изготовлена на производственном участке Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН и апробирована на герметичность. Ячейка оснащена специальным модулем для генерации звуковой волны в жидкости. Для согласования акустических импедансов материала пьезопреобразователя и жидкости в кювете, между ними размещался кварцевый буфер, находящийся в акустическом контакте с пьезопреобразователем. Размер последнего был выбран сопоставимым с поперечным сечением пучка ТГц излучения (~1 см). Кварцевый буфер, имел неглубокие поперечные разрезы и его торец был скошен под небольшим углом, во избежание возникновения стоячей волны. Модуль вводился в кювету через отверстие в её боковой стенке и герметизировался специальным клеем-герметиком. Акустический модуль был испытан при наблюдении квазиортогональной АО-дифракции видимого излучения гелий-неонового лазера в дистиллированной воде. В результате апробации были определены электрические характеристики модуля, которые позволили рассчитать отношение поглощаемой электрической мощности к подаваемой на модуль в широком диапазоне частот (от 13 до 33 МГц). Установлено, что модуль эффективно (на уровне 50%) генерирует звук в диапазоне от 17 до 30 МГц. Столь сравнительно широкого диапазона рабочих частот удалось добиться за счёт электрического согласования модуля с генератором электрических сигналов. Разработана аналитическая модель АО-дифракции расходящегося пучка монохроматического электромагнитного излучения в оптически изотропной поглощающей свет среде на гармоническом акустическом поле [Известия РАН, сер. Физ., 2019, Т.83, № 2, c. 239–243]. Получены векторные дифференциальные уравнения, описывающие дифракцию света на ультразвуке в поглощающей среде в режиме Рамана–Ната. Эти уравнения имеют ограничение на отсутствие двулучепреломления. Модель описывает электромагнитное поле в каждом дифракционном порядке как сумму двух линейно поляризованных волн, что возможно только при слабой расходимости излучения. Получена система уравнений связанных мод, как в общем бескоординатном виде, так и в координатном представлении, наиболее удобном для расчетов, поскольку направления осей используемой системы координат связаны с плоскостью АО-взаимодействия. Исследованы режимы прямой и обратной коллинеарной акустооптической дифракции [Известия РАН, сер. физическая, 2019, т. 83, №1, с. 66-69]. Рассчитана оптимальная длина АО-взаимодействия, при которой достигается максимально возможная интенсивность дифрагированного излучения. Получены зависимости оптимальной длины и максимально достижимой интенсивности дифрагированного излучения от величины затухания звука и поглощения излучения в среде. Установлено, что с увеличением затухания звуковой волны оптимальная длина акустооптических ячеек, изготовленных из слабо прозрачных сред, монотонно убывает. Показано, что для прозрачных сред данная зависимость имеет локальный максимум, указывающий на возможность увеличения интенсивности дифрагированного излучения за счет увеличения длины АО-взаимодействия. Полученные зависимости могут быть использованы для разработки акустооптических фильтров. Предложена теоретическая модель, описывающая обратную коллинеарную дифракцию квазимонохроматического излучения на ультразвуке [Оптический журнал, 2019, №3 (в печати)]. Исследовано влияние ширины спектра и формы контура спектральной линии лазерного излучения на эффективность АО-дифракции и ширину полосы АО-взаимодействия. Установлено качественное и количественное влияние формы контура лазерного излучения и ширины его спектра на эти параметры обратной коллинеарной акустооптической дифракции. Разработанная модель может быть использована для проектирования акустооптических устройств (в частности, АО-фильтров), работающих в режиме обратной коллинеарной дифракции. Разработана методика разделения углеродных нанотрубок (УНТ), взвешенных в неполярной жидкости (гексане) и объединённых в микроконгломераты под действием сил Ван-дер-Ваальса. Искомый эффект разделения объединений УНТ был достигнут, когда до внесения в гексан на поверхность УНТ наносились определённые группы химических соединений, в частности: амиллметакрилат, малеиновый ангидрид и фтора. После обработки ультразвуком (35 кГц, 100 Вт) в течение 15 минут гексановых взвесей таких модифицированных присадками УНТ однородность взвеси сохранялась до 30 минут. Поэтому, для акустооптических экспериментов, взвесь УНТ необходимо готовить в ультразвуковой ванне непосредственно перед измерениями. Выполнен информационный поиск сведений об акустооптических свойствах неполярных жидкостей, обладающих относительно большим значением коэффициента акустооптического (АО) качества в ТГц диапазоне. Поскольку этот коэффициент пропорционален шестой степени показателя преломления рабочего вещества и обратно пропорционален кубу скорости звука в нём, то необходимо было подобрать прозрачные в ТГц диапазоне среды с малой скоростью звука и с большим показателем преломления. Систематизация свойств неполярных жидкостей (полярные жидкости сильно поглощают ТГц излучение) позволила собрать данные по АО характеристикам жидких сред на длинах волн 118 и 130 мкм (слабо поглощаются атмосферным воздухом). На основе собранных сведений сделан вывод о том, что для исследования АО взаимодействия в ТГц диапазоне подходят неполярные жидкости (циклогексан, гексан, гексадекан, тетрахлорметан, а также керосин и уайт-спирит), обладающие относительно большим значением коэффициента акустооптического качества в ТГц диапазоне. Расчёты показали, что регистрация дифрагированного ТГц пучка наиболее вероятна при больших мощностях излучения и высокой степени его монохроматичности. Поэтому в экспериментах по исследованию АО взаимодействия в ТГц диапазоне желательно использовать лазер на свободных электронах, мощность излучения которого на лабораторном столе достигает 100 Вт. По материалам работ, выполненных научным коллективом в 2018 году в рамках реализации Проекта, подготовлены пять статей для опубликования в индексируемых в “Web of Science” или ”SCOPUS” журналах, поданы две заявки на патент РФ на изобретение, представлены три устных и два стендовых доклада на международных научно-технических конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Установлено, что невозможно наблюдать явление обратной коллинеарной АО дифракции ТГц излучения ЛСЭ в неполярной жидкости (гексане) при нормальных условиях, ввиду неприемлемо большого дрейфа длины волны излучения ЛСЭ и малой акустической мощности (4 Вт). Тем не менее, по нашему мнению, искомое явление можно реализовать при использовании более интенсивного и широкополосного ультразвукового пучка. Выполнены эксперименты по поляризации ТГц излучения при его прохождении через взвешенные в неполярной жидкости (гексане) углеродные нанотрубки (УНТ), упорядоченные стоячей ультразвуковой волной. Для этих экспериментов спроектирована и изготовлена специализированная кювета. Разработана методика по разделению УНТ в гексане, включающая предварительное их разделение в ультразвуковой ванне и их модификацию фтором. Установлено, что УНТ, структурированные стоячей ультразвуковой волной в виртуальную дифракционную решётку плотности нанотрубок, хорошо поляризуют излучение и могут быть использованы для создания управляемого интенсивностью ультразвука поляризатора ТГц излучения. По результатам исследований подготовлена и подана заявка на изобретение РФ «Управляемый ультразвуком поляризатор ТГц излучения» [Заявка №2019139071 от 2.12.2019 г.], а также представлен доклад на международной конференции. http://armimp.ru/wp-content/uploads/2019/11/CD-ARMIMP-Proceedings-2019-ver-11-11.pdf Систематизированы оптические и акустические свойства кристаллических и жидких сред, пригодных для реализации АО взаимодействия в ТГц диапазоне. На основе полученных данных рассчитаны характеристики АО дефлекторов и фильтров ТГц излучения, использующих эти вещества в качестве сред АО взаимодействия. Показано, что для создания АО дефлекторов целесообразно использовать гексан, циклогексан или антимонид алюминия, а для АО фильтров - гексан. Результаты исследований изложены в рукописях, принятых к печати в рецензируемых журналах: 1) П.А. Никитин «Оценка параметров акустооптических устройств на основе монокристаллов для управления терагерцевым излучением» // Известия РАН, серия физическая. — 2020. — Т. 84, № 2. — С. 234–238. DOI: 10.31857/S0367676520020283; 2) P. Nikitin. Pavel «A review of non-polar liquids as materials for bulk acousto-optic devices operating with terahertz radiation» // Journal of Physics Conference Series. — 2020. Разработана конструкция АО ячейки высокого давления для реализации дифракции ТГц излучения на ультразвуке в сжиженных газах. Основой кюветы является полый стальной цилиндр, снабжённый двумя стальными фланцами с оптическими окнами из TPX-пластика. Кювета имеет электрические разъёмы для подключения излучателя ультразвука к источнику высокочастотного напряжения, порт для напуска и выпуска газа, а также разъём для подключения термопары. Модуль для возбуждения звуковой волны в сжиженном газе был изготовлен из монолитной пьезокерамики ЦТС-19 с размерами 80х8х6 мм. Подготовлена конструкторская документация для изготовления АО-ячейки. Тестовые испытания изготовленной АО ячейки показали, что она способна выдерживать внутренние давления до 100 бар. Реализована АО дифракция ТГц излучения с длиной волны 130 мкм на ультразвуке в сжиженном элегазе (гексафторид серы, SF6). Частота звука составляла 330 кГц, а угол Брэгга – 5 градусов, что соответствовало квазиортогональной геометрии АО взаимодействия. При амплитуде управляющего электрического сигнала 75 В и температуре 24 градуса Цельсия достигнута эффективность дифракции около 1%, что в 4 раза больше, чем известно из литературы. Измерены зависимости эффективности АО дифракции от угла поворота АО ячейки относительно падающего пучка ТГц излучения, от частоты ультразвука и от амплитуды управляющего электрического сигнала. Установлено, что при температуре 26 градусов Цельсия и амплитуде напряжения более 20 В сказывается эффект кавитации в сжиженном газе непосредственно у излучателя звука, что приводит заметному снижению эффективности дифракции. Выполненные исследования описаны в работах: 1) P. Nikitin, V. Voloshinov, B. Knyazev, M. Scheglov «Observation of acousto-optic diffraction of terahertz radiation in liquefied sulfur hexafluoride at room temperature» // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. — 2019. DOI: 10.1109/TTHZ.2019.2948821. 2) P.A. Nikitin, V.V. Gerasimov, V.B. Voloshinov "Acousto-optic modulation of terahertz radiation in liquefied sulfur hexafluoride at room temperature" // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2020. (принята к печати) Измерена зависимость эффективности АО взаимодействия от вариаций давления в диапазоне от 27 до 57 бар при амплитуде управляющего электрического сигнала 75 В. Установлено, что эта зависимость имеет: 1) минимумы при давлениях 33 и 52 бар, в которых эффективность дифракции составляет 0.5% и 0.8% соответственно; 2) максимумы при давлениях 29, 43 и 57 бар, в которых эффективность дифракции составляет 1.1%, 1.3% и 1.0% соответственно. В указанном диапазоне давлений максимальная эффективность АО взаимодействия достигается при давлении 43 бар. Результаты исследований описаны в работе: Никитин П. А. «Зависимость эффективности АО дифракции терагерцевого излучения в сжиженном элегазе от температуры и давления» // Материалы 12-й Международной научно-технической конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации". — Т. 12. — Российское НТОРЭС им. А.С. Попова Москва, 2019. — С. 84–85. http://armimp.ru/wp-content/uploads/2019/11/CD-ARMIMP-Proceedings-2019-ver-11-11.pdf По материалам работ, выполненных научным коллективом в 2019 году в рамках реализации Проекта, приняты к публикации 4 статьи в индексируемых в “Web of Science” или ”SCOPUS” журналах, представлены 4 устных и 1 стендовый доклад на всероссийских и международных научно-технических конференциях, получено 2 патента РФ на изобретение и 1 патент на полезную модель, подана 1 заявка на патент РФ на изобретение.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Определена оптимальная длина АО-модуляторов и АО-фильтров на основе ряда монокристаллических сред. Показано, что при использовании кристаллов оптимальных размеров максимальное количество разрешенных элементов АО-дефлекторов уменьшается с увеличением длины волны излучения, а спектральное разрешение АО-фильтров увеличивается. 2. Разработана модель обратной коллинеарной АО-дифракции ТГц-излучения, учитывающая характеристики источника излучения. Установлено, что эффективность АО-дифракции согласно 3d-модели в 30 раз меньше, чем согласно 1d-модели (в предположении, что пучок излучения характеризуется шириной sigma = 2.5 мм, а расстояние от излучателя ультразвука до входного оптического окна составляет 3 см). Ожидаемая эффективность АО-дифракции составит 2*10^(-6) на 1 Вт управляющей электрической мощности. 3. Исследована обратная коллинеарная дифракция ТГц-излучения в гексане. Получены зависимости эффективности АО-дифракции от ширины пучка падающего на АО-ячейку излучения, а также от расстояния между излучателем ультразвука и входным оптическим окном АО-ячейки. Установлено, что в эксперименте целесообразно использовать пучок ТГц-излучения с полушириной 2.5 мм, а излучатель ультразвука располагать внутри АО-ячейки на расстоянии около 3 см от входного окна. 4. Установлено, что для уверенной регистрации дифрагированного ТГЦ-излучения при обратной коллинеарной дифракции в гексане необходимо использовать звук с мощностью в несколько десятков ватт. 5. Разработана и изготовлена специализированная АО-ячейка высокого давления для исследования квазиортогональной АО-дифракции в элегазе (гексафторид серы) при температурах ниже комнатной. Конструкция АО-ячейки обеспечивает возможность управления температурой среды АО-взаимодействия и обдув оптических окон сухим азотом для предотвращения конденсации на них атмосферной влаги. 6. Экспериментально подтверждено предсказанное разработанной моделью повышение эффективности АО-взаимодействия в сжиженном элегазе с понижением температуры. В частности, отношение интенсивности излучения с длиной волны 130 мкм в первом дифракционном порядке к интенсивности излучения в нулевом порядке составило 0.4% при температуре сжиженного элегаза +25 градусов Цельсия и давлении 26 бар, а при температуре +10 градусов Цельсия и давлении 18 бар - 5%. Амплитуда электрического сигнала, подаваемого на излучатель ультразвука, составляла 75 В. Излучатель был изготовлен из пьезокерамики ЦТС-19 толщиной около 6 мм с размерами излучающей поверхности 80х14 мм. 7. Оптимальная температура, при которой наблюдалась наиболее сильная АО-дифракция ТГц-излучения в сжиженном элегазе, составлет +10 градусов Цельсия.