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 20-12-00348
НазваниеДисперсионная акустооптическая аппаратура для оптических ловушек: новые функциональные возможности
РуководительМолчанов Владимир Яковлевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-301 - Физическая оптика
Ключевые словафотоника, акустооптика, спектроскопия, параллельная обработка спектров, лазерное излучение, фемтосекундные импульсы, управление сверхкороткими лазерными импульсами, дисперсии высших порядков, акустооптическая обработка изображений
Код ГРНТИ29.33.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект 2023 является естественным развитием Проекта 2020, т.к. сфера научных задач и применений в области оптических ловушек стремительно расширяется. Трехлетний период, прошедший после старта Проекта 2020, обозначил новые векторы применений и, соответственно, новые направления исследований.
В литературе отмечается возрастающий уровень требований к динамическому управлению кольцевыми лазерными полями и к их воспроизводимости: не только создание кольцевого лазерного поля, но и перемещение его в пространстве и изменение кольцевой формы. Возникает задача АО управления пространственным лазерным спектром с новыми функциональными возможностями по сравнению с Проектом 2020. Мы видим решение в создании нового фазового управления в АО фильтре пространственных частот (АОФПЧ) для подстройки ориентации акустического фронта в АО кристалле.
Фазовая подстройка угла Брэгга, как правило, противофазная статическая, используется в АО дефлекторах для увеличения разрешенных позиций. Однако, для огромного класса АО приборов: АО спектральных фильтров и АОФПЧ публикации о применении метода фазового управления в литературе отсутствуют. Исключение составляет, по-видимому, работа руководителя Проекта, в которой для увеличения спектрального диапазона АО фильтра предложен противофазный статический метод управления (V.Ya. Molchanov // Acta Phys. Slovaca, 46: 715, 1996). В нашем случае ставится задача динамического управления аппаратной функции пространственных частот. Ожидается что фазовое управление расширит границы области брэгговского синхронизма и, соответственно, области захвата. В Проекте 2023 будет исследован и впервые создан АОФПЧ для управления квазикольцевыми лазерными полями оптических ловушек с фазовым управлением.
Интенсификация исследований с холодными атомами требует их захвата и локализации в определенной зоне вакуумной камеры. При этом геометрия области захвата должна быть изменяемой во времени, например, для создания более высокой концентрации холодных атомов. В Проекте будет создана установка для формирования с помощью АОФПЧ динамических трехмерных полых лазерных полей.
В мире наблюдается лавинообразный рост исследований в области атомных чипов. В этой связи следует отметить, что в России впервые в 2022 году разработан, изготовлен и функционирует в непрерывном режиме первый отечественный однослойный атомный чип для лазерного охлаждения и захвата атомов U-ловушкой холодных атомов Rb. Уникальная установка создана в Лаборатории атомной спектроскопии ИСАН г. Троицк (A.E. Afanasiev et al. // Opt. Laser Tech., 148:, 107698, 2022). Центру Акустооптики НИТУ МИСИС поступило предложение о совместных исследованиях с Лабораторией атомной спектроскопии в части АО формирования лазерных полей для захвата и локализации у поверхности чипа холодных атомов с целью увеличения плотности ансамбля холодных атомов.
Третье направление работ Проекта 2023 это повышение стабильности и воспроизводимости областей захвата, создаваемых АО методами. Параметры АО взаимодействия - акустическая скорость, обыкновенный и необыкновенный показатели преломления АО кристалла, и как следствие, спектральные и пространственные аппаратные функции, зависят от температуры. Источники тепла в АО приборе: пьезопреобразователь, демпфер акустических волн и поглощение акустических волн в кристалле. Температура фильтров на парателлурите в красной – ближней ИК области спектра может достигать 40 и более °С при ВЧ мощности несколько ватт.
В Проекте 2020 возникла идея уменьшить нагрев АОФПЧ заменой демпфера на пьезоприемник (потери на преобразование акустической энергии в электрическую ~1,5 дБ), что понизит температуру АО кристалла и повышает стабильность области синхронизма и ловушки в целом. Решение этой задачи потребует создания экспериментального АОФПЧ с пьезоприемником.
Сформулированные выше направления в тематике исследований Проекта 2023, обладают безусловной новизной и научной перспективой, и являются продолжением тематики Проекта 2020.
Ожидаемые результаты
Трехлетний период, прошедший после старта Проекта 2020, обозначил новые векторы применений и, соответственно, новые направления исследований.
В литературе отмечается возрастающий уровень требований к динамическому управлению лазерными полями и к их воспроизводимости: не только создание кольцевого лазерного поля, но и перемещение его в пространстве и изменение кольцевой формы. Возникает задача АО управления пространственным лазерным спектром с новыми функциональными возможностями по сравнению с Проектом 2020. Мы видим решение в создании нового фазового управления в АО фильтре пространственных частот.
Фазовая подстройка угла Брэгга, как правило, противофазная статическая, известна и используется в акустооптических дефлекторах для увеличения числа разрешенных позиций. Однако, для огромного класса АО приборов: АО спектральных фильтров и АО фильтров пространственных частот публикации о применении метода фазового динамического управления в литературе отсутствуют. Исключение составляет, по-видимому, единственная работа руководителя Проекта, в которой для увеличения диапазона спектральной перестройки АО фильтра предложен противофазный статический метод управления (V.Ya. Molchanov. Acousto-optic TeO2 devices using regular domain structure transducers. Acta Physica Slovaca, v. 46, No. 6, p.715-720, 1996). В нашем случае ставится задача расширения возможностей динамического управления аппаратной функции пространственных частот.
Фазовое управление дает возможность динамически подстраивать ориентацию фронта акустической волны в АО кристалле фильтра, что в определенном приближении эквивалентно динамической подстройке ориентации важнейшего конструктивного параметра АО фильтра: угла среза АО кристалла (что, разумеется, исключено на практике). В Проекте 2023 будет исследован и впервые создан АО фильтр пространственных частот для управления квазикольцевыми лазерными полями оптических ловушек с двухканальным фазовым управлением. Будет создана экспериментальная установка для исследования эволюции области брэгговского синхронизма при фазовом управлении и, соответственно, эволюция области захвата ловушки.
В последнее время значительно возросло число публикаций, посвященных атомной интерферометрии для проведения фундаментальных экспериментов и решения прикладных задач R. Geiger, et al. High-accuracy inertial measurements with cold-atom sensors, AVS Quantum Sci. 2 (2) (2020) 024702. Одним из важнейших подходов в реализации атомной интерферометрии является технология атомных чипов M. Keil, et al. Fifteen years of cold matter on the atom chip: promise, realizations, and prospects, J. Mod. Opt. 63 (2016) 1840; J. Reichel, V. Vuletic (Eds.), Atom chips, John Wiley & Sons, 2011; J. Reichel, Microchip traps and Bose – Einstein condensation, Appl. Phys. B 74 (6) (2002) 469–487.
Атомный чип основан на лазерном охлаждении атомов и последующей их локализации вблизи поверхности атомного чипа с помощью магнитной или лазерной ловушки. В Проекте 2023 будет создана экспериментальная установка в части инструментального формирования динамических трехмерных кольцевых лазерных полей методами акустооптики, в том числе с фазовым управлением, для задач управления и локализации ансамблями холодных атомов. В мире сейчас наблюдается лавинообразный рост исследований в этой области. В России впервые в 2022 году разработан, изготовлен и функционирует первый отечественный однослойный атомный чип для лазерного охлаждения и захвата атомов U-ловушкой, работающий в непрерывном режиме на основе холодных атомов рубидия. Создателем уникальной установки является Лаборатория атомной спектроскопии ИСАН, г. Троицк (A.E. Afanasiev, A.S. Kalmykov, R.V. Kirtaev, A.A. Kortel, P.I. Skakunenko, D.V. Negrov, V.I. Balykin. Single-layer atom chip for continuous operation: Design, fabrication and performance. Optics & Laser Technology, v. 148, 107698, 2022). Руководителю Проекта 2023 поступило предложение о совместных исследованиях с Лабораторией атомной спектроскопии в части динамического акустооптического формирования лазерных полей для захвата и локализации у поверхности чипа холодных атомов рубидия с целью повышения плотности ансамбля холодных атомов.
В Проекте 2023 запланирована разработка и создание термостабильного АО фильтра пространственных частот. Это важная составляющая перехода от обнаружения физического эффекта к созданию действующего экспериментального прибора. Известно, что параметры АО взаимодействия - акустическая скорость, обыкновенный и необыкновенный показатели преломления АО кристалла, и как следствие, спектральные и пространственные аппаратные функции, зависят от температуры. Речь идет о внутренних источниках тепла в АО приборе. Это: пьезопреобразователь электрической энергии в акустическую, демпфер акустических волн и поглощение акустических волн в кристалле. Температура широкоапертурного АО фильтра на основе парателлурита в красной – ближней инфракрасной области спектра может повышаться до 40 °С. Задача повышения стабильности пространственных и спектральных характеристик квазикольцевых лазерных полей, формируемых АОФПЧ, привела к техническому решению этой проблемы, в практике акустооптики не применяемого: к идее замены пассивного акустического демпфера в ранее созданном в Проекте 2020 АО фильтре пространственных частот на пьезоприемник, который трансформирует акустическую энергию в электрическую с малыми потерями и, тем самым, понижает рабочую температуру АО кристалла.
В Проекте 2023 запланирована регистрация ноу-хау и подача патентной заявки на изобретение.
Вышеизложенное показывает научную значимость ожидаемых результатов и их превышение мирового уровня исследований на момент подачи Заявки, демонстрирует создание новых применяемых технологий, не имеющих аналогов. Из вышеизложенного следует реальность практического использования ожидаемых результатов Проекта 2023.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках 1 этапа проекта получены следующие результаты:
1) Создана концепция акустооптического (АО) частотно-фазового управления фильтрацией углового спектра лазерных пучков. Для расширения функциональных возможностей формирования передаточной функции АО-фильтров следует к частотному управлению добавить независимо фазовое управление, влияющее на наклон акустического волнового фронта и тем самым превратить топологию передаточной функции АО-фильтра из функции одной переменной, частоты, в функцию двух независимых переменных: частоты и фазы. Концепция высказана впервые и практически реализована в отчетном периоде теоретически и экспериментально.
2) Выведены уравнения, определяющие вид двумерной передаточной функции, как функции двух параметров частоты f и фазовой задержки ∆φ, которыми мощностью можно независимо управлять в экспериментах. Получено решение для первого порядка дифракции на выходе двух последовательных слоев объемной акустической волны (ОАВ) в виде функции двух фазовых задержек: первая η - рассогласование синхронизма, вторая ∆φ - разница фаз между двумя высокочастотными (ВЧ) сигналами от блока управления. В акустооптическом перестраиваемом фильтре (АОПФ) лазерный пучок имеет широкий угловой спектр и двумерной передаточной функцией фильтра управляет фазовая задержка ∆φ. Показано, что передаточные функции с фазовым управлением качественно отличны от передаточных функций при обычном управлении.
3) Обнаружены новые эффекты, влияющих на передаточную функцию АОПФ. Первый доминирует при малых ∆φ: при ∆φ<π/2 фазовый сдвиг приводит в основном к изменению радиуса кольца синхронизма, причем при малых ∆φ передаточная функция остается симметричной в отличие от обычного управления. В другом случае, π/2<∆φ<π, основным является расщепление передаточной функции. Оба эффекта можно целенаправленно использовать в приложениях на практике.
4) Основная операция, которую можно выполнять только с помощью фазового управления: создание пары концентрических колец, разделенных темной областью и изменение их радиуса и создание протяженных лазерных пучков типа «термоса с двойными стенками». Последнее имеет прямое применение для оптического захвата и манипулирования в темных оптических ловушках, в которых резонансные частицы отталкиваются лазерным полем и их захват происходит в областях с минимальной интенсивностью света. Дальнейшее развитие этой технологии представляется перспективным для захвата ансамблей холодных атомов.
5) Все АО приборы в проекте были разработаны и изготовлены в НТУЦ Акустооптики НИТУ МИСИС по оригинальной запатентованной нанотехнологии. АОПФ с фазовым управлением имеет параметры: материал TeO2, α=12°44`, согласование соответствует диапазону 600-850 нм, апертура 2 мм, пьезопреобразователь (ПП) состоит из одной пьезопластинки с двумя секциями, каждая длиной 8 мм. Каждая секция ПП запитывается независимо от двух каналов генератора с программируемыми фазами.
6) Для тестирования двухканального АОПФ с фазовым управлением создана программа на языке MATLAB, синхронно управляющая двумя генераторами функций. Программа реализует основные тестовые режимы измерения характеристик для двухканального фильтра с фазовым управлением: измерение полосы фазового синхронизма в режиме сканирования частоты ВЧ-сигнала; измерение эффективности дифракции. Реализован особый режим управления, специфичный только для АО-фильтров с фазовым управлением: измерение отклика АОПФ в режиме сканирования фазовой задержки.
7) Измерения двумерной передаточной функции АОПФ с фазовым управлением подтвердили теоретические выводы, изложенные в пунктах 2-4. Продемонстрировано эффективное фазовое управление кольцевой передаточной функцией АОПФ за счет изменения фазовой задержки между каналами при постоянной частоте управляющего сигнала. Визуализировано пространственное расщепление топологической структуры фазового синхронизма для формирования темных кольцевых ловушек.
8) На основе оригинальной концепции повышения температурной стабильности АО-устройств, основанная на активном выводе энергии ОАВ из АО-кристалла, выполнена серия детальных расчетов коэффициентов акустического отражения R методом трансфер-матрицы для структуры реального АО-прибора: кристалл-связующий слой-пьезопластинка с учетом влияния LC согласующей системы ПП, нагруженной на электрическую нагрузку 50 Ом.
9) Разработана новая, существенно усложненная, технология изготовления АО-устройств с двумя преобразователями для двух АО-материалов TeO2 и SiO2. Для верификации теории была изготовлена TeO2 АО-ячейка с двумя ПП. Результаты измерения акустического отражения R методом АО лазерного временного контраста показали, что при электрической нагрузке 50 Ом подключенной к ПП, коэффициент отражения R уменьшается в 6 раз.
10) Основной вывод теории: частотная зависимость коэффициента акустического отражения R от границы раздела кристалл - связующий слой - пьезопластинка определяется только настройкой LC элементов согласующей системы. Настройку R в заданной рабочей полосе частот можно выполнять после изготовления АО-элемента с двумя ПП независимо от физических констант и характеристик конкретного АО-материала и пьезопластинки, архитектуры АО-взаимодействия, применяемой технологии и композиции промежуточных связующих слоев.
11) Разработана принципиальная структура вывода акустической энергии из АО-кристалла реального АО-прибора. Структура есть перестраиваемый акустический резонатор, образованный двумя ПП. Коэффициент отражения от каждого ПП есть функция частоты генератора. Если частота генератора лежит вне частотного диапазона согласующей системы, то в резонаторе возникает система стоячих волн. В полосе согласования акустическая структура теряет резонансные свойства и передает энергию бегущих волн в ПП. Последний преобразует эту энергию в электрическую и по кабелю передает её в удаленную нагрузку 50 Ом.
12) Выполнена разработка акустического прототипа АО лазерного затвора на SiO2 с выводом энергии фотонов и его изготовление. АО-элементы изготовлены по новой двухсторонней технологии. Выполнено детальное изучение феномена вывода электрической энергии из акустического прототипа. В полосе согласования 21–28 МГц, выведенная из лазерного затвора электрическая мощность, чрезвычайно высока и составляет от 60 до 70% мощности 20 Вт, поступающей в АО затвор от генератора. Тем самым подтверждены теоретические выводы и целесообразность практического применения предложенного метода вывода энергии из АО кристалла для повышения температурной стабильности, в частности, в АО затворах лазеров среднего ИК диапазона, где они ранее не применялись из-за перегрева.
Публикации
1. Молчанов В.Я., Юшков К.Б., Даринский А.Н., Третьяков С.А. Phonon energy removal from high-power acousto-optic devices 10th Convention of the European Acoustics Association Forum Acusticum 2023. Torino, Italy: Politecnico di Torino, p. 1208 (год публикации - 2023)
2. Обыденнов Д.В., Юшков К.Б., Молчанов В.Я. Independent multi-color bottle beam generation using acousto-optic spatial shaping of a femtosecond laser beam Optics Letters, v. 48, № 20, p. 5320 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/OL.498581
3. Юшков К.Б., Чижиков А.И., Молчанов В.Я. Acousto-optic transfer function control by a phased-array piezoelectric transducer Photonics, v. 10, № 10, p. 1167 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10101167
4. Обыденнов Д.В., Юшков К.Б., Молчанов В.Я. Acousto-Optic Femtosecond Laser Beam Shaping for Bottle-Beam Generation 2023 International Congress on Ultrasonics. Abstract book. Beijing, PRC: Acoustical Society of China, p. 566 (год публикации - 2023)
5. Юшков К.Б., Чижиков А.И., Гуров В.В., Молчанов В.Я. Acousto-optic spatial filter tuned by a phased-array ultrasonic transducer 2023 International Congress on Ultrasonics. Abstract book. Beijing, PRC: Acoustical Society of China, p. 558 (год публикации - 2023)
6. Аникин С.П., Молчанов В.Я., Рогачева Л.А., Юшков К.Б. Устройство подвода ВЧ сигнала к акустооптическому фильтру -, - (год публикации - )