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. 

Оптические элементы мощной лазерной системы ультракоротких импульсов, 
в том числе стретчер и компрессор, вносят главным образом спектральные фазовые искажения, а усилители – и амплитудные, и фазовые искажения. В результате длительность лазерного импульса после компрессии может значительно превышать Фурье-ограниченный предел, импульс может иметь выраженный 
пьедестал, низкий контраст и т.д. Соответственно, уменьшается пиковая мощность в импульсе. Если в лазерной системе применить специальное дисперсионное устройство – акустооптическую линию задержки, которая вносит в лазерную систему искусственные дисперсии высших порядков, равные по значениям  
существующим, но с обратным знаком, то дисперсии высших порядков лазерного тракта могут быть скомпенсированы, и на выходе после компрессии будет 
получен Фурье-ограниченный импульс.
Рассмотрены функциональные особенности адаптивных дисперсионных методов формирования произвольных спектральных функций пропускания приборов, 
принципиально недостижимые для классических спектральных приборов, например, формирования множества окон прозрачности для задач согласованной оптической спектральной фильтрации, временного профилирования со скоростью 
света ультракоротких лазерных импульсов, спектрального кодирования и т.п. Уделено внимание конструктивным особенностям дисперсионных линий задержки, 
рассмотрен вариант двухкаскадного прибора с разделением функций спектрального амплитудного и фазового управления. Детально представлены особенности работы дисперсионных линий задержки при обработке как широкополосных 
фемтосекундных спектров в субпетаваттной OPCPA лазерной системе на основе 
параметрического усиления в кристаллах KD*P с задающим Cr:forsterite генератором, так и узкополосных субпикосекундных спектров в CPA системах с применением адаптивной коррекции спектрального коэффициента усиления в регенеративном усилителе на основе неодимового фосфатного стекла. 
В четвертой главе рассмотрены физические принципы изготовления акустооптических приборов. Дан обзор наиболее распространенных методов изготовления пьезоэлектрических преобразователей акустооптических устройств. 
Подробно рассмотрена оригинальная вакуумная нанотехнология соединения 
призмы акустооптического кристалла с пластинкой пьезоэлектрического преобразователя. Идея этой технологии заключается в применении комбинации разноименных металлических нанослоев, обладающих высоким коэффициентом 
интердиффузии и высокой степенью взаимной химической активности. Эти металлические слои в вакууме вступают в химическую реакцию с образованием 
устойчивых химических интерметаллических соединений, которые не обладают физическими или химическими механизмами деградации свойств во времени, что обеспечивает высокую стабильность параметров приборов. Предложен 
групповой метод изготовления пьезопреобразователей акустооптических приборов. Проанализировано влияние параметров промежуточного связующего 
слоя на частотную характеристику пьезоэлектрического преобразователя акустооптического устройства. В качестве примеров рассмотрены толстые, тон

кие и ультратонкие связующие слои. Показано, что переход от наноразмерных 
связующих слоев к микроразмерным, вообще говоря, уменьшает полосу эффективно излучаемых в акустооптический кристалл акустических волн. Разработаны алгоритмы расчета и практические методы синтеза согласующих цепей 
акустооптических устройств с использованием диаграммы Смита. Приведены 
практические примеры согласования. Рассмотрены методы увеличения спектрального диапазона перестройки акустооптических фильтров при применении 
пьезопреобразователей из ниобата лития со сформированной регулярной доменной структурой.
Пятая глава посвящена теоретическому исследованию дифракции гармонической плоской оптической волны на акустической волне, представляющей собой сумму нескольких плоских волн с различными частотами колебаний. Такое 
акустооптическое взаимодействие является типичным для работы многолучевых акустооптических модуляторов. Предполагается, что множество акустических частот конечно. Теория многочастотной акустооптической дифракции 
является естественным развитием теории одночастотной дифракции, рассмотренной в гл. 1. Имеются практически важные применения многочастотной акустооптической дифракции, такие как спектральный анализ радиосигналов, генерация символьных образов, коммутация оптических сигналов.
Рассмотрены уравнения связанных волн применительно к изотропной многочастотной дифракции. Для анализа спектрального излучения при многочастотной 
акустооптической дифракции применен формализм диаграмм Фейнмана. Проанализированы интермодуляционные составляющие спектра оптических мод. Рассмотрены особенности анизотропной многочастотной дифракции. Глава завершается большим разделом, в котором представлен анализ многочастотной дифракции 
в устройствах, работающих на высоких частотах и при высокой акустической мощности, когда существенными становятся явления нелинейной акустики. 
Шестая глава посвящена разработке и конструированию электронных систем управления для акустооптических приборов. Акустооптическую систему, 
ориентированную на практическое применение, можно рассматривать как оптоэлектронную систему, включающую три компонента: источник оптического 
сигнала или наблюдаемый объект; акустооптическую среду, в которой происходит взаимодействие оптического сигнала с акустическим полем; электронную 
систему управления, задачей которой является формирование акустического 
поля и динамическое управление параметрами этого поля. Компоненты оптоэлектронной системы являются взаимосвязанными,  выбор параметров одного 
из них определяет параметры других.
С момента изобретения лазера возникла проблема управления лазерным излучением. На этом этапе развития оптоэлектроники типичным источником оптического сигнала  было монохроматическое излучение. Для управления параметрами такого излучения акустооптическими устройствами достаточно было 
иметь генератор с электронной перестройкой частоты и усилитель мощности. 
По мере развития оптоэлектронных систем в области оптической обработки ин

формации становилось ясным, что акустооптические приборы являются эффективными для обработки и управления не только монохроматическими, но и  широкополосными некогерентными источниками оптического сигнала. В этом 
случае  электронная система управления, близкая к оптимальной, может быть 
построена на основе методов прямого цифрового синтеза DDS.
С развитием лазерных технологий в конце XX века появились новые источники лазерного излучения, в которых формируются оптические  импульсы ультракороткой длительности. В сверхмощных лазерных системах ультракороткие 
лазерные импульсы претерпевают и амплитудные, и фазовые искажения. Применение дисперсионных акустооптических линий задержки позволяет управлять формой  импульсов. При этом электронная система управления должна 
синтезировать ЛЧМ радиосигнал и с амплитудной, и с фазовой модуляцией. 
В этом случае оптимальным решением построения электронной системы дисперсионного управления акустооптическими приборами представляется принцип формирования радиосигнала по методам AWG: алгоритмическим расчетам, 
цифровым формированием радиочастотного сигнала произвольной формы.
В седьмой главе подробно рассмотрены принципы работы сканирующих акустооптических систем для УФ, видимого и ИК диапазонов когерентного излучения и приведены примеры их практической реализации. Впервые представлена лазерная сканирующая система для работы в УФ диапазоне с возможностью 
энергетического воздействия на исследуемый объект в области локализации 
единичного пикселя. Показаны перспективы развития сканирующих систем УФ 
диапазона для воздействия когерентным излучением как на органические, так 
и неорганические структуры; картографирования распределений органических 
веществ на поверхности микрообъекта с высоким временным и пространственным разрешением; исследования минеральных примесей в структуре микрообъектов; силового воздействия сфокусированным пучком на выбранные элементы 
исследуемых микрообъектов; решения ряда задач микроэлектроники и  клеточной инженерии, когда в процессе сканирования необходимо получать информацию о локальных координатах исследуемой микроструктуры. Рассмотрены 
различные варианты использования акустооптических приборов в лазерных 
системах отображения информации с дисплеями, использующими пиксельную 
графику, с оптоволоконными и флуоресцентными экранами. 
Большое внимание уделено применению акустооптических сканирующих 
систем ИК диапазона в волоконных линиях связи. Рассмотрена возможность 
использования акустооптических матриц в оптических коммутаторах современных волоконно-оптических сетей архитектуры 8 × 8 каналов (на основе многоканального дефлектора) и 1 × 1024 канала и более (на основе двухкоординатного 
дефлектора). Детально описана технология создания и тестирования оптоволоконных матриц. Показано, что ограничение числа коммутируемых каналов в системе с двухкоординатным дефлектором определяется технологическими возможностями изготовления приемной оптоволоконной матрицы. В  завершение 
рассматривается ряд аспектов создания оптоволоконных коммутаторов на базе 
интегральной оптики. 

Восьмая глава содержит сведения о материалах, в основном монокристаллах,  
наиболее часто применяемых при изготовлении современных акустооптических 
устройств. Подробно рассмотрены наиболее важные для акустооптики свойства 
кристаллов – диапазон прозрачности, показатели преломления и ослабления света, скорость звука, затухание ультразвука, коэффициент акустооптического качества. Обсуждены другие существенные для акустооптического взаимодействия, 
а также для технологии изготовления и условий применения устройств физические и химические свойства кристаллов – плотность, твердость, анизотропия 
модуля Юнга, температурные зависимости коэффициентов расширения, растворимость и т.д. Затронуты метрологические аспекты выбора и оценки качества 
акустооптического материала. Приведены основные контролируемые параметры 
однородности кристаллов и способы их измерения. Рассмотрены структурные дефекты различных размерностей, ухудшающие акустооптические характеристики 
кристаллов, причины их возникновения при росте, а также методы, способствующие уменьшению концентраций дефектов. В табличном виде представлены характеристики материалов, наиболее часто применяемых в акустооптике.
Специальный большой разд. 8.2 посвящен структуре, свойствам, способам 
выращивания и дефектам одного из самых востребованных в фотонике акустооптических материалов – монокристаллов парателлурита, обладающего 
уникальной комбинацией оптических, упругих, фотоупругих и материальных 
констант. Показана динамика развития технологий выращивания, последовательное повышение структурной и оптической однородности этих кристаллов. 
Описаны перспективы дальнейшего улучшения качества парателлурита, связанные с применением уже не только в акустооптике, но и в других новых областях, в частности в ядерной физике.

Авторы 
выражают 
благодарность 
директору 
НТиУЦ 
Акустооптики НИТУ «МИСиС» С.И. Чижикову и сотрудникам Центра К.Б. Юшкову, 
С.П. Аникину, О.Ю. Макарову за ценные дискуссии и помощь в экспериментах. 
Авторы выражают признательность сотрудникам ТвГУ и ТвГТУ И.А. Каплунову, Р.М. Гречишкину, И.В. Талызину, С.Е. Ильяшенко, оказавшим содействие 
при проведении ряда экспериментов, связанных с выращиванием и исследованием свойств акустооптических кристаллов, а также при подготовке и оформлении графических и фотоматериалов. Авторы благодарны сотрудникам ГАИШ 
МГУ имени М.В. Ломоносова В.Ф. Есипову и А.М. Татарникову за концептуальную  помощь, организацию и проведение экспериментальных работ на телескопе, а также профессору кафедры квантовой электроники СПбГПУ Е.Т. Аксенову, любезно предоставившему материалы по интегральной оптике. 
Существенный вклад в подготовку  материалов монографии внесли В.М. Кондратьев, осуществлявший оптические работы при создании акустооптических 
приборов и  Л.А. Рогачёва, выполнявшая работы по оформлению рукописи.
Авторы признательны рецензентам В.И. Балакшему, доктору физико-математических наук, профессору кафедры физики колебаний физического факультета 

МГУ имени М.В. Ломоносова, и Ю.Н. Пархоменко, члену-корреспонденту РАН, 
профессору, заведующему кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС», за труд по рецензированию рукописи и конструктивные рекомендации.
Необходимо назвать имена ученых, к сожалению, ушедших из жизни, без которых  было бы невозможно издание монографии  в данном виде: это – автор, 
доцент кафедры электроники ВорГУ Ю.И. Китаев, главный научный сотрудник 
профессор ГАИШ МГУ им. М.В. Ломоносова В.М. Лютый и профессор кафедры математики НИТУ «МИСиС» В.А. Треногин, один из ярких создателей легендарной системы Физтеха.

Монография – совместный труд коллектива авторов. Авторы глав: В.Я. Молчанов – предисловие, гл. 1, гл. 2 (в работе над разд. 2.3.2 принимал участие 
К.Б. Юшков, разд. 2.6 написан совместно с сотрудником ИКИ РАН Д.А. Беляевым), гл. 3 (в работе над разд. 3.6 принимал участие О.Ю. Макаров, разд. 3.8 
написан совместно с К.Б. Юшковым), гл. 4 (в работе над разд. 4.5 принимал 
участие О.Ю. Макаров); Ю.И. Китаев – гл. 5; Н.П. Солодовников, Ю.И. Китаев – гл. 6; В.Н. Нарвер, А.З. Розенштейн и К.Г. Шаповаленко – гл. 7 (разд. 7.3.4 
написан В.Я. Молчановым); А.И. Колесников – гл. 8. 

Sapere aude... Дерзай знать... Эта книга ориентирована, прежде всего, на молодых исследователей, аспирантов и студентов старших курсов, на развитие 
их  профессиональной творческой интуиции и предвидения. Авторы стремились 
передать читателям дух научной романтики и методологии исследования.
Авторы отдают себе отчет в том, что некоторые положения монографии, 
устремленные в будущее, дискуссионны, и с благодарностью примут конструктивную критику читателей.