Теория и практика современной акустооптики

Научная монография

Москва  2015

В.Я. Молчанов, Ю.И. Китаев,   
А.И. Колесников, В.Н. Нарвер, А.З. Розенштейн,  
Н.П. Солодовников, К.Г. Шаповаленко 

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
СОВРЕМЕННОЙ 
АКУСТООПТИКИ

УДК 535
 
Т33

Монография издана при организационной и финансовой поддержке 
авторов А.З. Розенштейна и К.Г. Шаповаленко

Р е ц е н з е н т ы :
д-р физ.-мат. наук, проф. В.И. Балакший (МГУ им. М.В. Ломоносова);
д-р физ.-мат. наук, проф., чл.-корр. РАН Ю.Н. Пархоменко (НИТУ «МИСиС»)

Авторы: В.Я. Молчанов, Ю.И. Китаев, А.И. Колесников, В.Н. Нарвер, 
А.З.  Розенштейн, Н.П. Солодовников, К.Г. Шаповаленко

Теория и практика современной акустооптики [Текст] : науч. моногр. / 
В.Я. Молчанов [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 459 с.
ISBN 978-5-87623-483-4

В монографии рассмотрен  широкий спектр теоретических проблем, возникающих при 
изучении взаимодействия света с полем акустической волны, пути их решения  и представлены результаты технической реализации полученных результатов в спектроскопии, 
оптической обработке информации, лазерной технике, оптоволоконной связи, кристаллофизике, микробиологии.
Теоретически обоснована возможность создания акустооптических (АО) адаптивных 
мягких диафрагм для мощных лазерных машин. Впервые представлен дисперсионный вид 
АО взаимодействия, который характеризуется комплексными спектральными аппаратными 
функциями. Рассмотрено формирование произвольных спектральных функций пропускания  монохроматоров, не имеющих аналогов в классической спектрометрии. Представлены 
результаты исследований управления фемтосекундными и субпикосекундными лазерными 
импульсами в OPCPA и CPA лазерных системах посредством АО дисперсионных линий 
задержки. Изложена теория многочастотной дифракции. Рассмотрены гиперспектральные 
и спектрополяриметрические методы и АО аппаратура анализа изображений объектов. Разобраны примеры наблюдательных артефактов. Проанализированы нанотехнологические 
аспекты изготовления АО приборов, которые не имеют физических и химических механизмов деградации свойств во времени, и физические принципы разработки и конструирования электронных систем управления для АО приборов, в том числе дисперсионных. 
Детально рассмотрены принципы работы сканирующих АО систем. Представлена новая 
лазерная система с энергетическим воздействием на исследуемый объект в области локализации единичного пикселя. Уделено внимание созданию и применению АО сканирующих 
систем в волоконных линиях связи. Рассмотрены структура, свойства, способы выращивания и дефекты одного из самых востребованных в фотонике АО материалов – монокристаллов парателлурита. Показана динамика развития технологии выращивания и повышения структурной и оптической однородности этих кристаллов.
Настоящая монография предназначена для исследователей и научных работников в области фотоники, лазерной физики и спектроскопии, может быть рекомендована студентам 
старших курсов и аспирантам соответствующих специальностей. 
УДК 535

ISBN 978-5-87623-483-4
© Коллектив авторов, 2015

Т33

ОГЛАВЛЕНИЕ

К читателю ...................................................................................................................... 8
Предисловие .................................................................................................................... 9
Глава 1. Преобразование пространственного спектра когерентного
излучения при дифракции на акустических волнах ............................................. 16
1.1. Дифракция света на акустических волнах ..................................................... 16
1.1.1. Историческое введение. Основные понятия и определения. 
Дифракция Рамана–Ната и дифракция Брэгга ................................................. 16
1.1.2. Дифференциальный метод решения задачи 
при дифракции Брэгга ......................................................................................... 22
1.1.3. Квантомеханическое представление об акустооптическом 
взаимодействии .................................................................................................... 27
1.2. Теория взаимодействия расходящихся световых и звуковых пучков 
в сильном акустическом поле ................................................................................. 34
1.2.1. Дифракция ограниченной световой волны на ультразвуке .................. 34
1.2.2. Формирование углового спектра пространственных гармоник 
дифрагированной волны ..................................................................................... 36
1.2.3. Модификация профиля лазерного пучка в зоне акустооптического 
взаимодействия. Акустооптическое устройство как мягкая лазерная 
диафрагма ............................................................................................................. 38
1.2.4. Распределение поля дифрагированного света в дальней зоне 
при сильном взаимодействии ............................................................................. 43
1.2.5. Различие между дифракцией света на акустических волнах 
и дифракцией на отверстии ................................................................................ 45
Библиографический список .................................................................................... 49
Глава 2. Спектральные акустооптические приборы в астрофизике и в космосе ......53
2.1. Спектральные акустооптические фильтры. Основные определения ......... 53
2.2. Особенности приборов на монокристаллах парателлурита 
для ультрафиолетового диапазона длин волн ....................................................... 58
2.3. Концепция акустооптического спектрометра изображений ........................ 62
2.3.1. Спектрометр изображений. Основные определения ............................. 62
2.3.2. Искажения спектральных изображений 
при акустооптической фильтрации .................................................................... 66
2.4. Спектральные акустооптические системы 
для неполяризованного излучения ......................................................................... 74
2.5. Астрономический спектрометр изображений ............................................... 80
2.5.1. Акустооптический спектрометр изображений ...................................... 82
2.5.2. Астрономические наблюдения с акустооптическим 
спектрометром ...................................................................................................... 85
2.6. Спектральные акустооптические приборы в космических 
исследованиях ........................................................................................................... 96
Библиографический список .................................................................................. 103

Глава 3. Адаптивные дисперсионные линии задержки 
для фемтосекундных лазерных систем ................................................................ 113
3.1. Адаптивное управление спектральными амплитудами 
и фазами электромагнитного излучения с помощью пространственного 
фотон-фононного взаимодействия в кристалле ................................................. 113
3.2. Акустооптические приборы: дисперсионные линии задержки 
и перестраиваемые фильтры с квазиколлинеарной геометрией 
взаимодействия в монокристалле парателлурита  ............................................. 120
3.3. Варианты оптимизации квазиколлинеарного взаимодействия 
в различных приборах в зависимости от системных требований .................... 124
3.4. Уменьшение углового чирпа 
дифрагированного фемтосекундного пучка ....................................................... 130
3.5. Спектральные характеристики квазиколлинеарных 
акустооптических устройств на монокристалле парателлурита 
в монохроматическом режиме .............................................................................. 133
3.6. Квазиколлинеарные акустооптические устройства УФ диапазона 
длин волн на основе монокристалла KDP .......................................................... 136
3.7. Особенности управления спектральной амплитудой 
и спектральной фазой фемтосекундных импульсов .......................................... 143
3.7.1. Особенности спектрального синтеза аппаратной функции 
дисперсионной линии задержки при управлении спектральными 
амплитудами. Согласованная трансформация оптического спектра ........... 143
3.7.2. Аспекты управления спектральной фазой фемтосекундного 
импульса. Двухкаскадная дисперсионная линия задержки .......................... 149
3.8. Дисперсионные методы формирования произвольных спектральных 
функций пропускания квази-ЛЧМ сигналом для задач согласованной 
оптической спектральной фильтрации ................................................................ 155
3.9. Дисперсионная обработка 
широкополосных фемтосекундных спектров ..................................................... 162
3.9.1. Дисперсионная линия задержки в ОРСРА фемтосекундной 
лазерной системе................................................................................................ 162
3.9.2. Трансформация широкополосного спектра фемтосекундных 
лазерных импульсов дисперсионной линии задержки ................................. 165
3.10. Дисперсионные линии задержки для обработки узкополосных
 спектров. Спектральная коррекция субпикосекундных лазерных импульсов 
в регенеративном усилителе на основе неодимового фосфатного стекла ...... 167
Библиографический список .................................................................................. 174
Глава 4. Системы возбуждения ультразвуковых волн 
в акустооптических приборах ............................................................................... 181
4.1. Пьезопреобразователи акустооптических устройств ................................. 181
4.2. Нанотехнология изготовления пьезопреобразователей методом 
вакуумной интердиффузии атомов в химически активных ультратонких слоях. 
Входной импеданс пьезопреобразователя со связующим слоем ..................... 185

4.3. Задача электрического согласования ............................................................ 197
4.4. Толстые, тонкие и ультратонкие связующие слои ...................................... 200
4.5. Алгоритмы и методы синтеза согласующих цепей 
акустооптических устройств по диаграммам Смита ......................................... 204
4.6. Увеличение спектрального диапазона перестройки акустооптических 
фильтров при применении пьезопреобразователей из ниобата 
лития с регулярной доменной структурой .......................................................... 210
Библиографический список .................................................................................. 215
Глава 5. Многочастотная акустооптическая дифракция .................................... 219
5.1. Многочастотная изотропная дифракция Брэгга .......................................... 219
5.1.1. Уравнения связанных волн при многочастотной 
акустооптической дифракции .......................................................................... 219
5.1.2. Применение метода медленно меняющихся амплитуд 
к уравнениям связанных волн .......................................................................... 222
5.1.3. Диаграммы Фейнмана ............................................................................. 223
5.1.4. Интегралы по пути .................................................................................. 224
5.1.5. Вычисление интегралов по пути ........................................................... 227
5.1.6. Спектральный состав излучения при многочастотной 
акустооптической дифракции .......................................................................... 228
5.1.7. Правила отбора путей ............................................................................. 230
5.1.8. Эффективность многочастотной дифракции ....................................... 231
5.1.9. Кроссмодуляция оптических мод 
при многочастотной дифракции ...................................................................... 233
5.1.10. Интермодуляционные составляющие спектра оптических мод ...... 235
5.2. Анизотропная многочастотная дифракция .................................................. 237
5.2.1. Векторные диаграммы 
при анизотропной акустооптической дифракции .......................................... 237
5.2.2. Многочастотная акустооптическая 
дифракция при сканирующих акустических пучках ..................................... 241
Глава 6. Разработка и конструирование электронных систем управления 
для применения в области акустооптики............................................................. 256
6.1. Общие принципы построения электронных систем управления 
для применения в области акустооптики ............................................................ 256
6.2. Основы конструирования генераторов ......................................................... 261
6.2.1. Неуправляемые генераторы .................................................................... 261
6.2.2. Управляемые генераторы 
с электронной перестройкой частоты. ............................................................. 268
6.2.3. Переходные процессы в ТВГ ................................................................. 272
6.2.4. Шумы ТВГ ................................................................................................ 273
6.2.5. Схемотехнические особенности и устойчивость колебаний ТВГ ..... 274
6.2.6. ТВГ с быстрой перестройкой частоты .................................................. 277
6.2.7. Структурная схема задающего генератора для акустооптических 
устройств на основе ТВГ c быстрой перестройкой ....................................... 280

6.3. Выбор усилителей ВЧ мощности для акустооптических систем ............. 309
6.3.1. Современные технологии конструирования широкополосных 
усилителей .......................................................................................................... 309
6.3.2. Основные параметры усилителя ВЧ мощности ................................... 312
6.3.3. Балансный широкополосный усилитель с регулируемой 
выходной мощностью ....................................................................................... 317
6.3.4. Акустооптические фильтры ................................................................... 318
Библиографический список .................................................................................. 326
Глава 7. Акустооптические сканирующие системы для ультрафиолетового 
и инфракрасного когерентного излучения .......................................................... 329
7.1. Акустооптические сканирующие системы для ультрафиолетового 
излучения ................................................................................................................ 330
7.1.1. Диапазоны УФ спектра ........................................................................... 330
7.1.2. Лазеры УФ диапазона .............................................................................. 331
7.1.3. Акустооптические дефлекторы и сканеры для УФ излучения .......... 333
7.1.4. Лазерные сканирующие системы для УФ излучения 
с лучевым воздействием на объект  ................................................................. 339
7.1.5. Перспективные лазерные 
сканирующие системы для УФ излучения ..................................................... 343
 7.2. Акустооптические лазерные информационные системы  ........................ 347
7.2.1. Акустооптическая лазерная информационная система 
векторного отображения информации  ........................................................... 348
7.2.2. Акустооптическая лазерная информационная система 
с оптоволоконным экраном .............................................................................. 352
7.2.3. Лазерная информационная система с УФ лазером .............................. 354
7.3. Применение акустооптических сканирующих систем ИК диапазона 
в волоконных линиях связи ................................................................................... 357
 7.3.1. Структура современных волоконно-оптических сетей ...................... 358
7.3.2. Полностью оптические маршрутизаторы ............................................. 362
7.3.3. Возможная реализация структуры матрицы оптического 
коммутатора на элементах MEMS ................................................................... 369
7.3.4. Матрица оптического коммутатора на многоканальном 
акустооптическом элементе на базе кристалла арсенида галлия ................. 371
7.3.5. Матрица оптического коммутатора на акустооптическом 
элементе на основе кристалла парателлурита ................................................ 381
7.3.6. Технологии создания и тестирования оптоволоконных матриц ........ 386
7.4. Акустооптические оптоволоконные коммутаторы на базе 
элементов интегральной оптики .......................................................................... 392
7.4.1. Характеристика акустооптических 
оптоволоконных коммутаторов ........................................................................ 392
7.4.2. Оптимизация параметров функциональных элементов 
интегрального акустооптического коммутатора ............................................ 393
7.4.3. Материалы для интегральной акустооптики ........................................ 394
7.4.4. Планарные оптические волноводы и линзы ......................................... 396

7.4.5. Расчет параметров геодезической линзы с учетом аберраций ........... 397
7.4.6. Устройства возбуждения поверхностных акустических волн............ 399
Библиографический список .................................................................................. 403
Глава 8. Акустооптические материалы ................................................................ 407
8.1. Основные требования к акустооптическим материалам............................ 407
8.2. Дефекты в акустооптических кристаллах .................................................... 416
8.3. Монокристаллы парателлурита ..................................................................... 419
8.3.1. Структура и свойства парателлурита .................................................... 419
8.3.2. Способы выращивания кристаллов парателлурита ............................ 435
8.3.3. Структурные и оптические дефекты в кристаллах парателлурита .... 441
Библиографический список .................................................................................. 455

К читателю

Предсказанное А. Эйнштейном в начале XX века фотон-фононное взаимодействие и желание физиков с его помощью определить тепловые флуктуации звука 
в конденсированных средах в 1922 году было строго описано Л. Бриллюэном и дало 
начало разделу теоретической физики, называемому сегодня «акустооптика». С этого 
момента и на протяжении последующих 40 лет до создания лазеров акустооптика являлась областью многочисленных теоретических исследований, авторы которых, соревнуясь друг с другом, использовали множество прекрасных аналитических средств 
для доказательства существования и единственности решений уравнений, найденных в жестких граничных условиях, иногда применяя при этом методы, слабо связанные с физической сущностью изучаемого явления. По меткому замечанию крупнейшего американского профессора акустооптики А. Корпела: «...многое из  того, 
что привело к рождению акустооптики сегодняшнего дня, предано забвению в пыльных томах недавнего прошлого вместе с именами людей, ее создававших». 
Драматизм описанной ситуации лишь подтверждает заслуги первооткрывателя Л. Бриллюэна, предложившего ряд идей, используемых в современной акустооптике: синхронное взаимодействие плоских волн, слабое рассеяние, сдвиг 
частоты, вторичное рассеяние и т.д.
Сегодня акустооптика из раздела теоретической физики превратилась в раздел 
фотоники, имеющий важнейшее научно-практическое значение для решения широкого спектра практических задач, прежде всего, в области обработки оптической 
информации. Следует отметить, что в настоящее время далеко не все возможности 
акустооптики исчерпаны и разработчикам предстоит осознать и использовать их, 
в частности, для временного и спектрального анализа сверхкоротких широкополосных однократных электромагнитных импульсов.
Предлагаемая читателю книга написана сотрудниками Научно-технологического и учебного центра (НТиУЦ) Акустооптики Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и коллегами и партнерами 
из Тверского и Воронежского государственных университетов.
В значительной степени в монографии представлены результаты работы, выполненной в последние 10–15 лет в НИТУ «МИСиС».
Тот факт, что в книгу помимо собственно акустооптики включены такие темы, 
как электронные схемы управления акустооптическими устройствами, а также 
материаловедческие проблемы  выращивания оптически совершенных монокристаллов диоксида теллура, подчеркивает необходимость рассмотрения всех аспектов, в  конечном счете влияющих на характеристики акустооптических систем.
Именно такая тенденция просматривается в деятельности ведущих мировых разработчиков и производителей акустооптики (например, Gooch & Housego). В частности этим представленный труд и отличается от большинства книг по акустооптике.

Директор Научно-технологического и учебного центра 
Акустооптики Национального исследовательского 
технологического университета «МИСиС» 
С.И. Чижиков

Предисловие

В монографии рассмотрен  широкий спектр теоретических проблем, возникающих при изучении взаимодействия света с полем акустической волны, пути 
их решения  и представлены результаты технической реализации полученных 
результатов в спектроскопии, оптической обработке информации, лазерной 
технике, оптоволоконной связи, кристаллофизике, микробиологии. Многие решения запатентованы как в России, так и за рубежом. Настоящая монография 
предназначена для исследователей и научных работников в области фотоники, 
лазерной физики и спектроскопии. 
В монографии восемь глав. В конце каждой главы приведен библиографический список.
Первая глава посвящена теоретическому исследованию преобразования пространственного спектра когерентного  оптического излучения при дифракции 
Брэгга на акустических волнах в изотропной среде в сильном акустическом 
поле при нарушении 1-го борновского приближения. Получен ряд аналитических выражений для дифракции гауссова лазерного пучка в слабом поле. Уделено внимание различию между дифракцией света на акустических волнах и 
классической дифракцией на отверстии. Данная особенность позволяет адаптивно формировать пространственно однородные лазерные пучки методом, отличным от традиционных решений, применяемых в лазерной технике. 
При дифракции на отверстии пространственный спектр световой волны расширяется, так как он определяется сверткой пространственных спектров падающей волны и функции пропускания отверстия. При дифракции световой волны 
на ультразвуковой имеет место эффект ограничения пространственного спектра 
падающей световой волны, и акустооптическое устройство является одномерным 
фильтром пространственных  гармоник  с  окном  прозрачности, определяемым 
конкретным видом распределения акустического  поля  пьезопреобразователя.
Получено выражение для распределения поля многомодового когерентного 
пучка в области взаимодействия в сильном акустическом поле. Существует принципиальное отличие акустооптической дифракции от дифракции на отверстии: 
в области взаимодействия имеет место преобразование профиля  лазерного пучка в плоскости дифракции, а не диафрагмирование. Так, в слабом акустическом 
поле гауссов профиль падающего лазерного пучка преобразуется в новый профиль с плато и плавным уменьшением пропускания на краях, и акустооптическое устройство работает как одномерная мягкая диафрагма падающего излучения. Теоретически обосновано создание акустооптических адаптивных мягких 
диафрагм. Повышение пространственной однородности лазерных пучков существенно  при создании сверхмощных лазерных систем, так как позволяет передавать большую часть энергии лазерного импульса к мишени.
Во второй главе представлены главным образом акустооптические методы гиперспектрального и спектрополяриметрического анализа изображений астрофизических объектов. Дан обзор технических решений устройств фильтрации не

поляризованного излучения. Проведен анализ физических причин, вызывающих 
искажения пространственных спектров объектов при акустооптической фильтрации. Особое внимание уделено введению дополнительных дисперсионных 
элементов в оптический тракт монохроматора изображений. В определенных 
практических применениях компенсация либо, наоборот, искусственное создание более высокой угловой дисперсии монохроматора может являться вредным, 
в других – необходимым. Разобраны примеры наблюдательных артефактов, обусловленных дифракцией на боковых максимумах монохроматора. При наблюдении эмиссионных линейчатых спектров протяженных объектов эффект угловой 
дисперсии монохроматора может быть использован для организации его работы 
в режиме спектрографа изображений, что позволяет пространственно отделить 
искомое изображение в нужных слабых линиях от ложных изображений, порожденных соседними, более интенсивными эмиссионными линиями. 
Первый вариант акустооптического спектрометра изображений был установлен в 2001 году на телескопе Zeiss-600  Южной станции МГУ имени М.В. Ломоносова. Специальный раздел посвящен результатам наблюдений и интерпретации спектральных изображений астрофизических объектов, выполненных 
со спектрометром со времени установки. Высокое спектральное пропускание 
прибора позволило впервые обнаружить на малом телескопе феномен временной переменности спектрального профиля эмиссионной линии Hα сейфертовской галактики NGC 4151. В заключительном разделе рассмотрены особенности 
акустооптической спектральной аппаратуры, установленной на орбитальных 
аппаратах международных космических миссий «Марс-Экспресс» и «ВенераЭкспресс» Европейского космического агентства. 
В третьей главе впервые описан наиболее общий вид акустооптического взаимодействия – дисперсионный, который открывает новые, ранее неизвестные 
функциональные возможности спектральной аппаратуры. Такое взаимодействие 
имеет место, например, в акустооптических дисперсионных приборах при работе в фемтосекундных лазерных системах, в акустооптических спектральных 
системах согласованной фильтрации, при адаптивном формировании произвольных спектральных функций пропускания монохроматоров и т.д. Это новый 
класс акустооптических приборов, который имеет комплексные, а не действительные спектральные аппаратные функции. Адаптивный синтез комплексных 
спектральных аппаратных функций акустооптических устройств мы называем 
дисперсионным, поскольку он основан на искусственном формировании заданных дисперсий высших порядков в оптическом тракте. В дисперсионных 
приборах в общем случае все три спектра, участвующие в акустооптическом 
взаимодействии: спектр оптического излучения на входе прибора, спектр акустического поля  и  спектр дифрагированного излучения на выходе, вообще 
говоря, предполагаются комплексными. Принципиальное отличие электронного управления дисперсионными приборами от обычных заключается в синтезе 
управляющего квази-ЛЧМ акустического сигнала или во введении в управляющий ЛЧМ сигнал амплитудной и фазовой модуляции.