НТЦУ - Проект №3222

Резюме

Сучасний розвиток новітньої оптоелектронної та лазерної техніки, приладів контролю, різного виду давачів та сенсорних пристроїв вимагає використання нових оптичних матеріалів, які є більш чутливими до дій зовнішніх впливів (електричного поля, механічного навантаження чи акустичної хвилі). Tакі матеріали проявляють суттєву анізотропію оптичних параметричних ефектів, що вимагає пошуку їх екстремальних значень та відповідної оптимізації геометричних умов електро-, п’єзо- чи акустооптичної взаємодій з метою підвищення ефективності застосування таких матеріалів як чутливих елементів різного роду пристроїв, зокрема оптичних модуляторів та дефлекторів. На сьогоднішній день не існує загальної методики вибору оптимальної геометрії зразка із анізотропного низькосиметричного матеріалу, особливо для параметричних ефектів, які описуються тензорами третього і вище рангів, наприклад, для електро-, п’єзо- чи пружнооптичного ефектів. Це пояснюється відсутністю до недавнього часу спрощених методик заповнення матриць таких ефектів для цих матеріалів та складністю аналітичного опису і геометричного відображення просторової анізотропії електро-, п’єзо- та пружнооптичного ефектів.

Основна мета проекту

Розробка методики оптимізації ефективності взаємодій між світлом та прикладеними електричним полем, механічним навантаженням чи акустичною хвилею в анізотропних кристалічних матеріалах всіх класів симетрії. Це забезпечить підвищення ефективності проектування оптичних модуляторів та дефлекторів, що працюють на принципах електро-, п’єзо- чи акустооптичної модуляції світла.

Використані технічні підходи:

1. Метод виготовлення необхідних зрізів кристалів для вимірювання їх оптичних параметрів, що включав такі операції: різка кристалів на основі рентгенівської орієнтації; шліфування вільним абразивом; механічне полірування та хіміко-механічне полірування.
2. Метод перевірки якості кристалів на основі візуального спостереження інтерференційних коноскопічних фігур в поляризованному світлі.
3. Інтерферометрично-поворотний метод вимірювання показників заломлення кристалічних матеріалів.
4. Динамічний ехо-імпульсний метод визначення швидкостей поздовжніх та поперечних звукових хвиль та методика розрахунку всіх членів матриці пружних та п’єзоелектричних коефіцієнтів в кристалічних матеріалах різних класів симетрії.
5. Інтерферометричний метод двократних вимірювань та імерсійно-інтерферометричний метод для визначення всіх компонент тензора п’єзо-оптичного ефекту та необхідних пружних коефіцієнтів в кристалічних матеріалах різних класів симетрії.
6. Поляризаційно-оптичний метод вимірювання п’єзо-оптичних коефіцієнтів за двозаломленням в кристалах.
7. Методика розрахунку як за абсолютною величиною, так і за знаком всіх компонент тензора пружно-оптичного ефекту в кристалічних матеріалах різних класів симетрії при різних термодинамічних умовах.
8. Методика дослідження основних технічних параметрів: а) центральної частоти керуючого сигналу та дифракційної ефективності модуляції або б) статичної напів-хвильової напруги та смуги модулюючих частот відповідно для акусто-оптичного або електро-оптичного модуляторів світла.
9. Методика 3-D аналізу анізотропії параметричних оптичних ефектів в кристалічних матеріалах та методика відповідної оптимізації геометрії для п’єзо- та акустооптичної взаємодій світла в таких матеріалах.

Впродовж звітного періоду було виконано п’ять етапів: 1) вдосконалення експериментальних установок та забезпечення необхідними кристалами; 2) вдосконалення методик та проведення експериментальних вимірювань вибраних кристалів; 3) розробка методик та програмного забезпечення для 3D-аналізу просторової анізотропії параметричних ефектів в низькосиметричних кристалах; 4) оптимізація геометрії електро-, п’єзо- та акустооптичної взаємодій; 5) проектування макету високоефективного акустооптичного модулятора та його випробовування.

Головні технічні досягнення за звітний період

1. Щодо модернізації та створення установок:
• реалізовано установку для перевірки оптичної якості експериментальних зразків на основі спостереження інтерференційних коноскопічних фігур в поляризованому світлі;
• завершена модернізація тискової установки на базі інтерферометра Маха-Цендера для більш точнішого вимірювання п’єзо-оптичних коефіцієнтів в низькосиметричних кристалах, усунуто можливі завади при вимірюванні на інтерферометричній установці абсолютних п’єзо-оптичних коефіцієнтів;
• розроблено, виготовлено необхідні комплектуючі та проведено монтаж установки на основі інтерферометра Майкельсона для вимірювань абсолютних електро-оптичних коефіцієнтів кристалічних матеріалів;
• вдосконалено установку для вимірювань динамічним ехо-імпульсним методом швидкості акустичних хвиль в анізотропних кристалах різних класів симетрії;
• автоматизовано інтерферометричну установку для більш точнішого визначення абсолютних показників заломлення кристалів різних класів симетрії, створено відповідне програмне забезпечення.
2. Щодо придбання необхідних кристалів:
• проведено рентгено-структурний аналіз, орієнтацію, нарізку, шліфовку та поліровку необхідних зрізів вибраних монокристалів лангаситу (La₃Ga₅SiO₁₄), ніобату літію (LiNbO₃) українського, російського та японського виробництв, ніобату літію, легованого MgO, та вольфрамату кальцію (CaWO₄).
3. Щодо розробки методик та експериментальних вимірювань вибраних кристалів:
• вдосконалено інтерферометричний метод двократних вимірювань для визначення всіх компонент тензора п’єзо-оптичного ефекту в кристалічних матеріалах різних класів симетрії;
• модернізовано імерсійно-інтерферометричний метод для визначення необхідних пружних коефіцієнтів в кристалічних матеріалах;
• розроблено методику для розрахунку на основі двократних вимірювань всіх коефіцієнтів матриці лінійного електро-оптичного ефекту в кристалах нецентросиметричних класів симетрії;
• інтерферометричним та поляризаційно-оптичним методом проведено дослідження фотопружності кристалів лангаситу, чистого та легованого MgO ніобату літію та вольфрамату кальцію;
• на акустичній установці проведено вимірювання необхідних швидкостей звукових хвиль та на їх основі розраховані всі п’єзоелектричні та пружні коефіцієнти кристалів лангаситу, ніобату літію українського, російського та японського виробництв та легованого MgO ніобату літію;
• на модифікованій тисковій установці на базі інтерферометра Маха-Цендера проведено вимірювання всіх компонент тензора п’єзо-оптичного ефекту в кристалах лангаситу, ніобату літію українського, російського та японського виробництв, легованого MgO ніобату літію та вольфрамату кальцію.
4. Щодо розробки методик та програмного забезпечення для 3D-аналізу просторової анізотропії параметричних ефектів в низькосиметричних кристаллах:
• завершено розробку методики та виведено робочі співвідношення для заповнення матриць лінійного електрооптичного ефекту в кристалах нецентросиметричних класів симетрії. Проведено апробацію відповідної методики на модельному кристалі ніобату літію та кристалі ніобату літію, легованого MgO;
• вдосконалено методику та відповідне програмне забезпечення для побудови вказівних поверхонь електро-, п’єзо- та пружно-оптичного ефектів для кристалічних матеріалів різних класів симетрії;
• побудовано вказівні поверхні п’єзо- та пружно-оптичного ефекту для досліджених кристалів лангаситу, чистого та легованого MgO ніобату літію;
• розроблено принципи розрахунку та побудовано вказівні поверхні індукованої різниці ходу на прикладі кристалів лангаситу, чистого та легованого MgO ніобату літію;
• розроблено методику розрахунку просторового розподілу параметра акусто-оптичної якості для кристалів.
5. Щодо оптимізації геометрії електро-, п’єзо- та акустооптичної взаємодій:
• продовжено розробку методики розрахунку підвищення ефективності електро-оптичної взаємодії для кристалічних матеріалів нецентросиметричних класів симетрії та її відповідної апробації на прикладі кристалів чистого та легованого MgO ніобату літію;
• проведені роботи щодо оптимізації геометрії п’єзо-оптичної взаємодії для досліджених кристалічних матеріалів лангаситу, чистого та легованого MgO ніобату літію;
• розроблено методику пошуку та знайдені екстремальні значення параметра акустооптичної якості для кристалічних матеріалів лангаситу, чистого та легованого MgO ніобату літію.
6. Щодо проектування макету високоефективного акустооптичного модулятора та його випробовування:
• було виготовлено зразки кристалів ніобіту літію із екстремальними значеннями параметра акустооптичної якості для випадків ізотропної та анізотропної дифракцій світла;
• експериментальним методом Діксона на створеній акустооптичній установці було перевірено значення параметра акустооптичної якості для випадку ізотропної дифракції світла при поширені поздовжньої акустичної хвилі у виготовлених зразках;
• спроектовано та виготовлено діючий макет високоефективного акустооптичного модулятора світла та проведено оцінку його ефективності.

Співробітництво з іноземними партнерами

Закордонні партнери (Univ. Prof. Dr. Wilfried Schranz, Institut fur Experimental Physik, Universitat Wien, Austria та Dr. hab B.SAHRAOUI, Universite D"Angers, France) ознайомлені із ходом виконання проекту, проводяться постійні консультації та обговорення результатів з ними по електронній пошті, в журналах “Optics & Laser Technology”, “Optical Material” та “Optics & Lasers in Engineering” разом із закордонними партнерами опубліковано результати спільних досліджень.

По лінії УНТЦ 15 листопада 2005р. був організований приїзд представника Канади п.Pin Long, президента фірми O/E LAND, який був ознайомлений з нашою лабораторією та науковими дослідженнями, що проводяться в рамках проекту.

За матеріалами проекту були зроблені усні та стендові доповіді на таких міжнародних конференціях:

1. 2^nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers CAOL’2005, September 12–17, 2005, Yalta, Crimea, Ukraine
2. International Conference “Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science” TCSET’2006, 28 February - 4 March 2006, Lviv-Slavske, Ukraine
3. Hауково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Національного університету «Львівська політехніка», 2-4 квітня 2006, Львів, Україна
4. International Conference OPTO 2006, 30 May - 1 June 2006, Nurnberg, Germany
5. International IEEE East-West Design & Test Workshop (EWDTW’06), September 15-19, 2006, Sochi, Russia
6. Symposium on Photonics Technologies for 7th Framework Program, October 12-14, 2006, Wroclaw, Poland
7. International Conference CADSM’2007, February 20-24, 2007, Lviv-Polyana, Ukraine
8. Ювілейна десята науково-техн. конференція професорсько-викладацького складу Національного університету «Львівська політехніка», 3-5 квітня 2007, Львів, Україна
9. 13th International SENSOR Conference, May 22 – 24, 2007, Nurnberg, Germany
10. International Conference «Оксидні матеріали електронної техніки – отримання, властивості, застосування», 28-30 травня 2007, Львів, Україна
11. International Conference “CRYSTAL MATERIAL’2007”, September 17-20, 2007, Kharkiv, Ukraine
12. International Conference «Functional Materials» ICFM’2007, October 1–6, 2007, Partenit, Crimea, Ukraine

Публікації

надруковано науково-технічні статті:

1. Andrushchak A.S., Bobitski Ya.V., Kaidan M.V., Mytsyk B.G., Kityk A.V. and Schranz W. Two-fold interferometric measurements of piezo-optic constants: application to β-BaB₂O₄ crystals // Optics & LagerTechnology.-2005.-V.37.-P.319-328;
2. Андрущак А.С., Бобицький Я.В., Кайдан М.В., Тибінка Б.В. Просторовий аналіз ізотропної та анізотропної дифракцій світла на поперечних акустичних хвилях в кристалах бета борату барію // Укр.фіз.журн. – 2005.-Т.50.-№1.-26-33;
3. Кайдан M.В., Тибінка Б.В., Андрущак А.С., Павликевич М.Й. Просторовий розподіл п’єзоіндукованої зміни різниці ходу на прикладі кристалів ?-BaB2O4 // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання НАН України. – 2005. – Вип. 31. – С. 123-129;
4. Andrushchak A.S. Efficiency increasing of electro- and acousto-optical light modulators as main component of fiber-optical system for information transmission // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science-Proceeding of the International Conference TCSET’2006, 28 February- 4 March 2006, Lviv-Slavske, Ukraine. – P.466-468;
5. Tybinka B.V., Ostrovskij I.P., Andrushchak A.S. Novel computeraided interferometric equipment for refractive index determination of isotropic and anisotropic materials // Proceedings of International Conference OPTO 2006, 30 May - 1 June 2006, Nurnberg, Germany, – P.153-158.
6. Kajdan Mykola, Laba Hanna, Ostrovskij Igor, Demyanyshyn Nataliya, Andrushchak Anatolij, Mytsyk Bohdan Optimization for electro- and acousto-optical interactions in low-symmetric anisotropic materials // Proceeding of IEEE East-West Design & Test Workshop (EWDTW’06), Sochi, Russia, September 15-19, 2006. – P.179-183.
7. Mykola V. Kaidan, Hanna P. Laba, Nataliya M. Demyanyshyn, Anatoliy S. Andrushchak, Bohdan G. Mytsyk Anisotropy of piezo-, elasto- and acousto-optic properties of La3Ga5SiO14 crystal // Proceedings of the Symposium on Photonics Technologies for 7th Framework Program, Wroclaw 12-14 October 2006 – P. 396-399.
8. Mykola V. Kaidan, Hanna P. Laba, Natalya M. Demyanyshyn, Anatolij S. Andrushchak, Bohdan G. Mytsyk Efficiency increasing of electro- and acousto-optical modulators as main component of optical communication network // Proceedings of the Symposium on Photonics Technologies for 7th Framework Program, Wroclaw 12-14 October 2006 – P. 562-565.
9. Anatolij S. Andrushchak, Ivan D. Karbovnyck, Ihor P. Ostrovskij. Automatic interferometric equipment for refractive index determination of isotropic and anisotropic materials // Proceedings of the Symposium on Photonics Technologies for 7th Framework Program, Wroclaw 12-14 October 2006 – P. 525-528.
10. MytsykB.G. and Dem’yanyshyn N.M. Piezo-optic Surfaces of Lithium Niobate crystals // Crystallography Reports.-2006.-V.51, No.4.-P.653-660.
11. Тибінка Б.В., Островський І.П., Андрущак А.С. Автоматизація процесу вимірювання показників заломлення плоско паралельних пластин із оптичних матеріалів інтерферометрично-поворотним методом // Вісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.-2006.-№558.-C.128-132.
12. Андрущак А.С., Дем’янишин Н.В., Мицик Б.Г., І.М.Сольський Фотопружність кристалів лангаситу (La3Ga5SiO14) // Bісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.-2006.-№558.-C.86-91.
13. M.V. Kaidan, B.V. Tybinka, A.V. Zadorozhna, W. Schranz, B. Sahraoui, A.S. Andrushchak, A.V. Kityk The Indicative Surfaces of Photoelastic Effect for Cs2HgCl4 Biaxial Crystals // OpticalMaterial.-2007.-V.29.-P.475-480.
14. Anatoliy Andrushchak, Ihor Tchaikovsky, Nataliya Demyanyshyn, Stepan Dumych, Oleh Yurkevych, Mykola Kaidan, Hanna Laba, Bohdan Mytsyk Optimization technique for piezo- and acousto-optical interactions geometry of light in anisotropic materials for example of pure and MgO-doped lithium niobate crystals // Proceeding of the International Conference CADSM’2007, 20-24 February2007, Lviv-Polyana, Ukraine. – P.18-22.
15. Мицик Б.Г., Андрущак А.С., Гаськевич Г.І. Повне вивчення п’єзооптичного ефекту в кристалах лангаситу. // Укр. фіз. журн. - 2007.-V.52, №8. – 800-809.
16. Винник Д.М., Вороняк Т.І., Фоті Даніель, Андрущак А.С. Енергетичні втрати при збудженні, поширені та взаємодії зі світлом надвисокочастотних об’ємних акустичних хвиль в кристалах ніобату літію // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання НАН України. – 2007. – Вип. 42. – С. 54-60.
17. Вороняк Т.І., Юркевич О.В., Андрущак А.С. Технологія контролю геометрії оптичних поверхонь зразків із кристалічних матеріалів // Bісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.-2007.-№592.-C.157-163.
18. А.С.Андрущак, Б.Г.Мицик, Н.М.Дем’янишин, М.В.Кайдан, О.В.Юркевич. Заповнення матриць лінійного електрооптичного ефекту в кристалах довільного класу симетрії. Апробація методу на прикладі кристалів ніобату літію // Bісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.-2007.-№592.-C.148-156.

одержано патент:

1. Андрущак А.С., Островський І.П., Тибінка Б.В. Спосіб визначення показника заломлення оптичних матеріалів. Патент України на корисну модель №17929 від 16.10.2006.

надруковано тези доповідей:

1. Д.М.Винник, Т.І.Вороняк, А.С.Андрущак. Збудження та поширення об’ємних надвисокочастотних акустичних хвиль в кристалах ніобату літію і їх взаємодія зі світлом // Тези Ювілейної десятої науково-техн. конференції професорсько- викладацького складу Національного університету «Львівська політехніка», 3-5 квітня 2007 р., м. Львів. – С.14.
2. Т.І.Вороняк, О.В.Юркевич, А.С.Андрущак. Технологія контролю геометрії оптичних поверхонь зразків із кристалічних матеріалів // Тези Ювілейної десятої науково-техн. конференції професорсько- викла-дацького складу Національного університету «Львівська політехніка», 3-5 квітня 2007 р., м. Львів. – С.15.

відіслано до друку:

1. A.S. Andrushchak, B.V. Tybinka, I.P. Ostrovskij, W. Schranzand, A.V. Kityk Automated interferometric technique for express analysis of the refractive indices in isotropic and anisotropic optical materials // Optics & LagerTechnology.
2. Laba H.P., Kaidan M.V., Karbovnyk I.D., Dumych S.S., Yurkevych O.V., Solskii I.M., Andrushchak A.S. Complete characterization and 3D-analysis of electro-, piezo- and acoustooptical effects spatial anisotropy in crystalline materials. Part 1. Complеting of elastic and piezoelectric coefficients matrix for pure and MgO-doped lithium niobate crystals // Functional Materials

Перспективи подальшого розвитку

Головний кінцевий результат проекту – розроблена методика оптимізації ефективності взаємодій між світлом та прикладеними електричним полем, механічним навантаженням чи акустичною хвилею в анізотропних кристалічних матеріалах всіх класів симетрії є по своїй суті високотехнологічним та науково-містким продуктом, а тому буде конкурентно-спроможним і на нього при добре поставленій рекламній компанії та відповідному маркетинговому забезпеченні буде попит. Слід також розраховувати на те, що малі фірми, які не претендуватимуть на закупівлю кінцевого продукту, зможуть користуватись за потребою послугою вимірювання всіх компонент тензорів пружного, п’єзоелектричного, електро-, п’єзо- та пружно-оптичного ефектів на нашій створеній базі. Тому, необхідно забезпечити умови для продажу продукту та фінансування послуги для всіх потенційних споживачів. Для цього намічено виконання ряду етапів.

1. Вивчення ринку можливих споживачів продукту в Україні і за її межами.

Поставлене завдання було в основному розв’язане в рамках виконання проекту.

2. Встановлення контактів з потенційними споживачами та маркетингове забезпечення продукту:
• використовуючи список фірм, одержаний в ході виконання проекту, буде проводитися встановлення контактів із знайденими потенційними споживачами продукту;
• будуть вивчені потреби знайдених фірм щодо особливих умов дослідження та технічних характеристик анізотропних кристалічних матеріалів та пристроїв, створених на їх основі, з метою складання контракту чи бізнес-плану, спрямованого на вирішення їхніх специфічних проблем;
• буде здійснено подальші кроки в напрямку захисту інтелектуальної власності, зокрема, буде проаналізовано можливість ліцензування розроблених інновацій і оформлено закордонний патент на розроблену методику;
• з метою рекламування кінцевого продукту та послуги буде проводитися подальша апробація проектної розробки на міжнародних науково-практичних конференціях та семінарах, в публікаціях у вітчизняних та закордонних журналах.
3. Вироблення програми впровадження продукту

Перехід до програми впровадження продукту та реалізації на ринку відповідної послуги залежатиме від поступлення замовлення. Тому у випадку поступлення такого замовлення будуть здійснені наступні заходи:

• співпраця з метрологічною службою для розробки метрологічного забезпечення розробленої методики;
• аналіз можливості закупівлі необхідних комплектуючих для серійного виготовлення високоефективних кристалічних матеріалів для акустооптичних комірок світла;
• переговори із потенційними виробниками, наприклад НВО «Карат», м.Львів, про дрібно-серійне виробництво продукту;
• після підписання фінансового договору із замовником буде організовано випуск відповідної партії продукту;
• паралельно будуть вивчатися можливості продовження фінансування на вдосконалення запропонованої методики та освоєння процедури подачі відповідної заявки на гранти в країнах Європейського Союзу, США, Японії та ін.

Результатами даного науково-технічного проекту можуть бути зацікавлені ті фірми, які займаються випуском пристроїв, робочим елементом яких є кристалічні анізотропні матеріали, наприклад: українські «Центральне конструкторське бюро «Арсенал», м.Київ, Відкрите Акціонерне товариство «Точприлад», м.Харків, ПК «Астроприлад», м.Київ; американські IntraAction Corp., Quanta Tech. Inc., Electro-Optical Products Corp., AOTF Technology Inc., Aurora Photonics Inc., Photonic System Inc. (PSI); німецька GTU LaserTechnic Gmbh; китайська Castech-Phoenix Inc. (CASIX); французька A.A. Opto-Electronique, англійська Gooch & Housego PLC; російські відкрите Акціонерне товариство «Концерн Російські захисні технології» м.Москва, Холо Грейт, м.Санк-Петербург та ін., а також фірми-виробники оптичних кристалічних матеріалів, зацікавлені у проведенні експрес-аналізу їх оптичних параметрів, наприклад: українські НТ Концерн «Інститут монокристалів» м.Харків; Виробничо-дослідне об’єднання «КАРАТ», м.Львів; Елент А, Дніпропетровськ; російські Лабораторія вирощування кристалів Інституту мінералогії та петрографії, Новосибірськ, Элан+, м.Санк-Петербург; швецька Hamamatsu Photonics Norden AB; американські Isomet Corp., NEOS Technologies Inc., Crystal Technology Inc. та ін.

© Лабораторія інфокомунікацій - Україна, Львів, вул. Кн. Романа, 5/620

Тел/Факс: +38(032)258-30-82, email: anatolii.s.andrushchak@lpnu.ua

Designed by Nazariy Andrushchak