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 20-72-00184

НазваниеЭффективная акустооптическая модуляция терагерцевого излучения в сжиженном инертном газе

РуководительНикитин Павел Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2022

Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаакустооптическое взаимодействие, терагерцовое излучение, дифракция Брэгга, ультразвуковые волны, инертные газы, оптические модуляторы

Код ГРНТИ29.37.25

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Акустооптический эффект, состоящий в дифракции света на акустических волнах в среде, используется для создания модуляторов, дефлекторов и фильтров электромагнитного излучения. К преимуществам АО устройств относятся компактность, высокое быстродействие и отсутствие движущихся механических частей, что существенно повышает их надёжность. АО эффект широко используется в коммерческих устройствах в том числе для модуляции излучения (с глубиной модуляции до 90%). Использование двулучепреломляющих монокристаллических сред позволило на несколько порядков улучшить характеристики АО устройств, работающих с излучением ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов [1]. В среднем инфракрасном диапазоне (длина волны порядка 10 мкм) достаточно мало прозрачных двулучепреломляющих кристаллов, а характеризующихся при этом приемлемым значением коэффициента АО качества - единицы. В терагерцевом же диапазоне (длина волны порядка 100 мкм) двулучепреломляющие кристаллы не пригодны для изготовления АО устройств, т.к. даже в самых прозрачных их них интенсивность излучения уменьшается в е-раз при толщине 1 мм. Поэтому наиболее подходящей средой АО взаимодействия является монокристаллический германий (Ge), который является оптически изотропным и прозрачным в инфракрасном и ТГц диапазонах. Именно на его основе изготавливаются серийные АО модуляторы инфракрасного излучения с длиной волны 10.6 мкм. Однако их существенным недостатком является высокое энергопотребление: для достижения 90% глубины модуляции требуется управляющий электрический высокочастотный сигнал с мощностью порядка нескольких десятков ватт [2]. Поскольку глубина АО модуляции обратно пропорциональна квадрату длины волны излучения, то для достижения значительной глубины модуляции необходимо использовать сигнал с мощностью около киловатта, что говорит о практической непригодности использования германия. Поэтому до сих пор не существует коммерческих АО устройств для ТГц диапазона. Тем не менее, интенсивное использование ТГц излучения в научных исследованиях и технике требует создания быстродействующих модуляторов ТГц излучения [3,4]. Единственным способом повышения эффективности АО дифракции, кроме увеличения электрической мощности, является использование среды с высоким значением коэффициента АО качества М2. В ультрафиолетовом и видимом диапазонах - это парателлурит (TeO2), характеризующийся на два порядка большим значением М2, чем другие пригодные для АО кристаллы. Но он не прозрачен в инфракрасном и ТГц диапазонах. Из литературы известна единственная экспериментальная работа, в которой продемонстрировано, что в ТГц диапазоне средой с рекордно высоким значением М2, на 2 порядка большим, чем у германия, является сжиженный (давление 22 атм.) гексафторид серы или элегаз (SF6) [5]. Недавние исследования подтвердили результаты упомянутой работы, из которых следует, что 100% глубины модуляции излучения с длиной волны 119 мкм можно добиться при использовании электрического сигнала с мощностью 50 Вт [6]. Данное вещество является неполярной жидкостью, которая является к тому же и инертной. Поэтому его можно рассматривать, как перспективную среду для реализации в ней АО модуляции ТГц излучения. Для эффективного АО взаимодействия необходимо, чтобы параметры ультразвукового пучка максимально близко соответствовали плосковолновой модели. В упомянутой же работе ширина пьезокерамического излучателя была сравнима с его толщиной. В результате, при приложении переменного электрического сигнала к пьезокерамическому излучателю неизбежно будут сказываться краевые эффекты, приводящие к сложной неоднородной структуре деформации излучателя и, как следствие, ухудшающие параметры ультразвукового пучка с точки зрения АО взаимодействия. Кроме этого, электрический сигнал подавался напрямую на электроды пьезоэлектрического излучателя ультразвука, чей электрический импеданс резонансным образом зависит от частоты. Известно, что ультразвуковой излучатель потребляет максимальную электрическую мощность, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению генератора электрического сигнала. Из этого следует, что в описанных исследованиях лишь часть электрической мощности преобразовывалась в акустическую. Поэтому рамках проекта планируется осуществить эффективную АО модуляцию ТГц излучения, для чего будут решены следующие задачи: 1) оптимизация ультразвукового излучателя для генерации ультразвуковой волны, близкой к модели плоской волны; 2) согласование электрических импедансов ультразвукового излучателя и источника электрического сигнала для увеличения эффективности преобразования электрической мощности в акустическую. Таким образом, изучение АО взаимодействия в ТГц диапазоне с целью разработки электронно-управляемых устройств и эффективных методов управления параметрами излучения является актуальным и потенциально реализуемым направлением исследований. Исследования будут выполнены с использованием монохроматического излучения лазера на свободных электронах, перестраиваемого по длине волны в областях 30-60 мкм и 90-240 мкм, Центра коллективного пользования синхротронным и терагерцевым излучением при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск). Научная новизна исследований состоит в определении оптимальных условий АО модуляции ТГц излучения, при которых достигается минимальное энергопотребление при заданной эффективности взаимодействия, а также – в разработке методов и устройств для электронного управления пространственно-частотными характеристиками пучков ТГц излучения. [1] https://intraaction.com/wp-content/themes/Divi/pdf/ATMModSeries08991.pdf [2] https://intraaction.com/wp-content/themes/Divi/pdf/AGM-406B1.pdf [3] L. Consolino, S. Bartalini, P. De Natale "Terahertz Frequency Metrology for Spectroscopic Applications: a Review" // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves volume, 2017, Vol. 38, Pp.1289–1315. doi: 10.1007/s10762-017-0406-x [4] Liu Yu, Liu Hao, Tang Meiqiong, Huang Jiaoqi, Liu Wei, Dong Jinying, Chen Xueping, Fu Weiling, Zhang Yang "The medical application of terahertz technology in non-invasive detection of cells and tissues: opportunities and challenges" // RSC Advances, 2019, Vol. 9, Pp. 9354-9363. doi: 10.1039/C8RA10605C [5] Durr W. Acousto-optic interaction in gases and liquid bases in the far infrared // Int. J. Infrared and Millim. Waves, 1986, Vol.7, No.10, Pp. 1537-1558. doi: 10.1007/BF01010756 [6] Nikitin P.A., Knyazev B.A., Voloshinov V.B., Scheglov M.A. Observation of acousto-optic diffraction of terahertz radiation in liquefied sulfur hexafluoride at room temperature // IEEE Transactions on terahertz science and technology, 2020, Vol. 10, № 1, Pp. 44-50. doi: 10.1109/TTHZ.2019.2948821

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет: 1) Исследована зависимость глубины АО модуляции ТГц излучения в сжиженном гексафториде серы от размера (ширины) излучателя звука в направлении, ортогональном плоскости АО взаимодействия. На её основе будет определён оптимальный размер излучателя, при котором структура звукового поля наиболее близко соответствует плосковолновому приближению, а глубина АО модуляции ТГц излучения максимальна. 2) Исследована зависимость глубины АО модуляции ТГц излучения от параметров блока электрического согласования импедансов генератора и излучателя ультразвука. Результаты исследований позволят определить оптимальную электрическую схему блока согласования и номиналы, входящих в него элементов. Использование блока электрического согласования повысит эффективность преобразования электрической мощности в акустическую, а также расширит полосу частот ультразвука, при которой реализуется АО модуляция. На сегодняшний день известна лишь несколько работ по исследованию АО взаимодействия в ТГц диапазоне. Из них следует, что использование сжиженного гексафторида серы в качестве среды АО взаимодействия позволяет на несколько порядков повысить эффективность АО взаимодействия. Однако, в данных исследованиях реализована АО модуляция ТГц излучения с неоптимальными размерами излучателя ультразвука, а также не уделено внимание электрическому согласованию излучателя ультразвука и генератора. Устранение этих недостатков позволит повысить глубину АО модуляции и снизить энергопотребление АО модулятора ТГц излучения.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---