Разработка математической модели коллинеарного фильтра на основе кварца (SIO₂) и его практическая реализация

Цель работы. Разработка и апробация теоретической модели акустооптического квазиколлинеарного перестраиваемого фильтра на кристаллическом кварце, работающего в спектральном диапазоне 0,25– 0,4 мкм со спектральным разрешением 0,2 нм. 

Методы. В работе анализируются основные свойства акустооптических перестраиваемых фильтров на базе кристаллов различных классов. На основе литературного анализа и проведенных расчетов предложена и практически реализована опытная модель АОПФ. Изучение физических свойств фильтрации света на кристалле  α-SiO₂ осуществлялось экспериментальным методом. Практические исследования спектральной перестройки устройства по экспериментальным оптическим частотам были проведены в предлагаемой ультразвуковой системе стоячей волны в соответствии с перестроечной характеристикой. На основе известных экспериментальных данных предложена теоретическая модель описания полосы пропускания с учетом пьезоэлектрических эффектов. 

Результаты. Показано влияние анизотропии кристаллов на их акустоэлектрические свойства. Определены оптимальные кристаллографические параметры работы фильтров на кристалле оксида кремния. Разработана компьютерная модель АОПФ, реализованная на базе численных расчетов в среде Wolfram Mathematica. Экспериментально выявлено, что в красной части исследуемого спектра наблюдается максимальная интенсивность частот дифрагированного света, что соответствует наиболее близким к собственным частотам пьезопреобразователя, одновременно в синем и фиолетовом спектрах, было замечено наименьшее пропускание. Практическими исследованиями подтверждено, что уширения полос пропускание фильтра происходит вследствие увеличения расходимости света. 

Выводы. Обоснована и разработана математическая модель акустооптического квазиколлинеарного перестраиваемого фильтра на кристаллическом кварце, на основе которой выполнен расчет АОПФ, работающего в спектральном диапазоне 0,25–0,4 мкм со спектральным разрешением около 0,2 нм. 

1. Экспериментальные исследования оптических характеристик акустооптического фильтра, работающего в диапазоне 450…1700 нм / В. И. Батшев, А. Б. Козлов, М. О. Шарикова, А. С. Мачихин, Г. Н. Мартынов, А. В. Горевой [и др.] // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 12. С. 1220–1226. https://doi.org/10.31857/S0033849422120026

2. Yushkov K. B., Makarov O. Yu., Molchanov V. Y. А. Novel protocol of hyperspectral data acquisition by means of an acousto-optical tunable filter with synthesized transmission function // Optics Letters. 2019. Vol. 44, nо. 6. P. 1500. https://doi.org/10.1364/OL.44.001500

3. Перестраиваемый акустооптический фильтр для спектральных диапазонов 450…900 нм и 900…1700 нм / В. И. Батшев, А. С. Мачихин, А. Б. Козлов, С. В. Боритко, М. О. Шарикова, А. В. Карандин [и др.] // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65, № 7. С. 667–673.

4. Yushkov K. B., Gurov V. V., Molchanov V. Y. Engineering of AOTF transfer function for phase imaging microscopy and optical trapping // Optics InfoBase Conference Papers. Optica Publishing Group, 2021. P. ETu3B.5. https://doi.org/10.1364/OL.44.001500

5. Carrier-envelope phase stabilization and control using a transmission grating compressor and an AOPDF / L. Canova, X. Chen, A. Trisorio, R. Lopez-Martens, A. Assion, G. Tempea [et al.] // Optics Letters. 2009. Vol. 34. P. 1333–1335. https://dx.doi.org/10.1364%2FOL.34.001333

6. Юшков К. Б. Цифровой алгоритм управления программируемыми акустооптическими фильтрами: численное моделирование контраста и быстродействия // Известия вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62, № 11. С. 875–889.

7. Юшков К. Б., Молчанов В. Я., Хазанов Е. А. Соотношение неопределенности для модулированных широкополосных лазерных импульсов // Успехи физических наук. 2021. Т. 191, № 8. С. 874–881. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.06.038793

8. Теория и практика современной акустооптики / В. Я. Молчанов, Ю. И. Китаев, А. И. Колесников, В. Н. Нарвер, А. З. Розенштейн, Н. П. Солодовников [и др.]. М.: МИСиС, 2015. 459 с.

9. Беляева А. С., Романова Г. Э. Анализ эффективности принципиальных схем перестраиваемого источника на базе акустооптического фильтра // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64, № 11. С. 933–940. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2021-64-11933-940

10. Применение акустооптического эффекта / М. С. Петрова, И. С. Долгополов, Е. А. Антонычева, А. В. Сюй // Бюллетень научных сообщений. 2019. № 24. С. 25–32.

11. Wolfram S. An elementary introduction to the wolfram language. Third Edition. Campaign, Il.: Wolfram Media, 2023. 376 p.

12. Bernard E. Introduction to machine learning. Campaign, Il.: Wolfram Media, Inc. 2021. 422 p.

13. Bass M. Handbook of Optics. New York: McGraw-Hill Companies, 1995. 1606 p.

14. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Vol. 2. New York: Academic Press, 2010. 1024 p.

15. Макарова Д. Г., Ефремов В. С. Применение дисперсионных формул материалов в субмиллиметровом диапазоне длин волн // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. 2012. № 1(17). С. 122–132.

16. Изменение структуры и свойств кварца, последовательно имплантированного ионами Zn и F, в процессе термических отжигов / В. В. Привезенцев, А. Н. Палагушкин, Э. А. Штейнман, А. Н. Терещенко, Н. Н. Колесников, А. В. Макунин [и др.] // Труды научно-исследовательского института системных исследований Российской академии наук. 2019. Т. 9, № 2. С. 24–31. https://doi.org/10.25682/NIISI.2019.2.0003

17. Власова К. В., Коновалов А. Н., Макаров А. И. Синтетический кристаллический кварц как оптический материал для силовой оптики // Известия вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62, № 6. С. 490–498.

18. Российский синтетический кристаллический кварц как материал для выходных каскадов мощных лазерных систем / А. Н. Коновалов, К. В. Власова, А. И. Макаров, Н. Ф. Андреев, И. Е. Кожеватов, Д. Е. Силин // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2019. № 2(107). С. 112–118.

19. Колобов А. Ю., Сычева Г. А. Синтез непрозрачного кварцевого стекла для производства огнеупорной кварцевой керамики // Физика и химия стекла. 2021. Т. 47, № 3. С. 273–285. https://doi.org/10.31857/S0132665121030057

20. Люминесценция кварца под действием ударной волны / В. И. Веттегрень, А. В. Воронин, В. С. Куксенко, Р. И. Мамалимов, И. П. Щербаков // Физика твердого тела. 2014. Т. 56, № 2. С. 315–317. https://doi.org/10.1134/S106378341402032