Центр Лазерних Технологій та Наноінженерії

ДБ/ОПТИМА

Назва

Створення інноваційного продукту для найефективнішого та енергоощадного використання анізотропних і наноструктурованих матеріалів в пристроях електро-, акусто- та нелінійної оптики

Зміст проєкту

Проблема, на вирішення якої було спрямовано дослідження:

Системи керування, зокрема, оборонного призначення, в яких вхідний сигнал управляється за рахунок зовнішнього впливу, надзвичайно поширені в сучасних оптоелектронних та лазерних пристроях. Вхідним сигналом для таких пристроїв є електромагнітна хвиля, а керуючим зовнішнім впливом можуть бути електричне або магнітне поле, механічне напруження та акустичні хвилі. Основною проблемою зазначених пристроїв є такі принципові недоліки як велике енергоспоживання, значні масогабарити, низькі частоти керуючих сигналів (у зв'язку з великим затуханням високочастотних сигналів у традиційних електрооптичних, фотопружних та акустооптичних матеріалах), а також низька оптична променева стійкість матеріалів.

Об'єкт і предмет дослідження:

Об'єкт дослідження – анізотропні та наноструктуровані матеріали з високою електро-, п'єзо-, пружно- та акустооптичною ефективністю, включаючи матеріали, в яких присутній перспективний для ефективного впровадження ефект дифракційної фотопружності.

Предмет дослідження – індуковані зовнішніми полями оптичні ефекти в анізотропних та наноструктурованих матеріалах, просторова анізотропія вказаних ефектів і характеристики ефективних фотопружних, електро-, акусто- та нелінійнооптичних комірок на основі цих матеріалів.

Мета і основні завдання дослідження:

Мета роботи – розробка та створення інноваційного продукту і відповідного сервісу для суттєвого підвищення ефективності пристроїв оптоелектроніки з керуючими сигналами малої потужності шляхом вдосконалення та впровадження у виробництво високоефективної інформаційної технології найбільш ефективного застосування електро-, п'єзо- та акустооптичних анізотропних матеріалів як активних елементів таких пристроїв.

Основні завдання наукової роботи:

  1. аналіз ринку можливих споживачів продукту, вибір матеріалів для дослідження, критерієм якого є набір характеристик матеріалу, простота та відпрацьованість промислових технологій отримання (були експериментально досліджені необхідні характеристики вибраних матеріалів, а саме всі компоненти тензорів досліджуваних ефектів);
  2. реалізація на базі лабораторій НУ «Львівська політехніка» універсальної інтерферометричної установки для проведення експериментальних досліджень електро-, п'єзо-, та пружнооптичного ефектів, а також всестороннє дослідження можливостей пріоритетного методу поляризаційно-оптичної коноскопії для точного визначення проблемних компонент тензорів вказаних ефектів та експериментальних вимірювань виготовлених наноструктурованих матеріалів;
  3. визначення на основі побудови вказівних чи екстремальних поверхонь найбільш ефективних геометрій електро-, п'єзо-, акусто- чи нелінійно-оптичної взаємодії, а також відповідних зрізів кристалів (орієнтації зразків відносно кристалофізичних осей анізотропного матеріалу) для їх використання як робочих елементів у пристроях електро-, акусто- чи нелінійної оптики, а також як заповнювачів при виготовленні наноструктурованих матеріалів;
  4. виготовлення зразків обраних матеріалів з найбільш ефективною геометрією досліджених ефектів та їх експериментальна перевірка;
  5. трансфер розробленої ОПТИМА-технології найбільш ефективного застосування анізотропних матеріалів в інноваційний продукт і вироблення програми впровадження результатів досліджень у виробництво;
  6. виготовлення чутливих елементів (фотопружних, електро- та акустооптичних комірок) оптимізованої геометрії з вибраних матеріалів та експериментальне підтвердження їх високої п'єзо-, пружно-, електро- чи акустооптичної ефективності, включаючи малі споживані потужності керуючих сигналів;
  7. пошук оптимальних умов для нелінійно-оптичного застосування вибраних анізотропних та наноструктурованих матеріалів.

Головні результати

На першому етапі було виготовлено зразки, отримано результати вимірювань оптичних, акустичних, електро-, п'єзо- та акустооптичних параметрів вибраних анізотропних матеріалів (SiO2, CTGS, LiTaO3, Pb5Ge3O11, CsH2PO4 та ін.), проведена характеризація методів та об'єктів дослідження. Підібрані та придбані нанопористі матриці із SiO2 та Al2O3 для виготовлення наноструктурованих матеріалів.

На другому етапі було проведено аналіз просторової анізотропії досліджених електро-, п'єзо-, акусто- та нелінійно-оптичних ефектів у вибраних кристалах, розроблено відповідні рекомендації щодо найефективніших геометрій чутливих елементів. Розроблено рекомендації щодо створення наноструктурованих матеріалів.

На третьому етапі було експериментально підтверджено високї електро-, п'єзо-, акусто- та нелінійно-оптичну ефективності виготовлених оптичних комірок, розроблено рекомендації щодо впровадження результатів досліджень у виробництво.

Оригінальність та інноваційні аспекти

На сьогодні існує мало об'єктивних результатів щодо знаходження усіх компонент тензорів фотопружності та електрооптичного ефектів в низькосиметричних анізотропних матеріалах, що зумовлено відсутністю до недавнього часу аналітичного опису фотопружності та електрооптичного ефекту в таких матеріалах і, відповідно, робочих співвідношень для розрахунку цих компонент на основі експериментальних даних. Оскільки автори проєкту провели повний опис відповідних ефектів і запропонували ряд пріоритетних експериментальних методів їх вивчення, то творчий колектив проєкту займає сьогодні лідируюче становище у світі щодо об'єктивного вивчення індукованих зовнішніми полями змін оптичних властивостей кристалічних матеріалів всіх класів симетрії.

Інші дослідники, вивчають, переважно, прості за симетрією або ізотропні матеріали, , досліджують фотопружні характеристики кристалів з метою оцінки внутрішніх напружень під час їх вирощування. В ряді робіт вітчизняних вчених досліджуються оптичні матеріали низької оптичної якості, з великою температурною нестабільністю всіх, зокрема, фотопружних і акустооптичних характеристик, з великим загасанням акустичних хвиль на великих частотах. Практично відсутні роботи з об'єктивними даними щодо повних матриць фотопружних та електрооптичних коефіцієнтів, що свідчить про відсутність або недосконалість методик їх визначення у відповідних лабораторіях, особливо на зразках складних конфігурацій.

Переваги отриманих результатів полягають також у тому, що пріоритетний метод пошуку максимумів фотопружних, електро-, акусто- та нелінійно-оптичних комірок поряд із пошуком найкращих матеріалів, в яких відповідні ефекти є максимальними, дозволяє створювати відповідні пристрої оптоелектроніки з характеристиками, за якими такі пристрої (модулятори, дефлектори, спектральні фільтри, Q-перемикачі та ін.) переважатимуть кращі світові аналоги.

За матеріалами проєкту були зроблені усні та стендові доповіді на міжнародних конференціях

  1. Buryy, O., Andrushchak, A., Danylov, A., Sahraoui, B. "Optimal phase matching for second harmonic generation in monoclinic non-linear optical crystals determined by extreme surfaces method," Proceedings – 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering, TCSET 2022, 2022, Р. 423–427.
  2. Balaban, O., Izhyk, O., Andrushchak, A. "Impedance study of anodic aluminum oxide," 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology, ELNANO 2022 - Proceedings, 2022. – Р. 302–305.
  3. Balaban O., Mitina N., Zaichenko A., Izhyk O., Venhryn B., Andrushchak A., "Promising cathode material based on inorganic nanocomposites for Li+-intercalation current generation," 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2021. – Р. 1–4.
  4. Andrushchak N., Adamiv V., Haiduchok V., Teslyuk I., Yashchyshyn Y., Andrushchak A., "Transmission spectra investigation of nanoporous Al2O3 matrices filled with KDP, ADP and TGS crystals at visible, NIR, and sub-terahertz ranges," 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP) . – 2021. – Р. 1–5.
  5. Mytsyk B., Suhak Y., Buryy O., Demyanyshyn N. Syvorotka N. Sugak D., Fritze H. "New advanced material for photoelastic and acoustooptic modulation of light in UV spectral range. Piezo-, elasto- and acousto-optic properties of CTGS crystal," Advanced trends in radioelectronics, telecommunications and computer engineering (TCSET): proceedings of 15th International conference, February 25–29, 2020, Lviv, Slavske, Ukraine. – P. 516–519.
  6. Demyanyshyn N., Mytsyk B., Buryy O., Andrushchak A. "Lead germanate: An advanced material for infrared electro-optic modulators," Advanced trends in radioelectronics, telecommunications and computer engineering (TCSET): proceedings of 15th International conference, February 25–29, 2020, Lviv, Slavske, Ukraine. – P. 421–424.
  7. Buryy O., Andrushchak A., Chernovol N. "The optimal geometries of phase matching in uniaxial non-linear optical crystals determined by extreme surfaces method," Advanced trends in radioelectronics, telecommunications and computer engineering (TCSET): proceedings of 15th International conference, February 25–29, 2020, Lviv, Slavske, Ukraine. – P. 436–441.

Публікації

В рамках виконаного проєкту надруковано науково-технічні статті:

  1. N. Andrushchak, I. Karbovnyk, R. Lys, "LabVIEW-based Automated Refractive Index Measurements of Optical Materials Using Red Laser, Measurement Science and Technology, 2018. https://doi.org/10.1177%2F2472630319891133
  2. N. Andrushchak, B. Kulyk, P. Goring, A. Andrushchak, B. Sahraoui, "Study of Second Harmonic Generation in KDP/Al2O3 Crystalline Nanocomposite," Acta Physica Polonica A, vol. 133, pp. 856-859, 2018 http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/SPIS/a133-4.html
  3. A. Andrushchak, O. Buryy, N. Andrushchak, Z. Hotra, O. Sushynskyi, G. Singh, V. Janyani, I. Kityk, "General method of extreme surfaces for geometry optimization of the linear electro-optic effect on an example of LiNbO3:MgO crystals," Appl. Opt., vol. 56, Issue. 22, pp. 6255-6262, 2017. https://doi.org/10.1364/ao.56.006255
  4. N. Andrushchak, N. Jaworski, M. Lobur, "Improvement of the Numerical Method for Effective Refractive Index Calculation of Porous Composite Materials Using Microlevel Models," Acta Physica Polonica A, vol. 133, pp. 164-166, 2017. http://doi.org/10.12693/APhysPolA.133.164
  5. O. Buryy, N. Andrushchak, A. Ratych, N. Demyanyshyn, B. Mytsyk, and A. Andrushchak, "Global maxima for the acousto-optic effect in SrB4O7 crystals," Appl. Opt., vol. 56, pp.1839-1845, 2017. https://doi.org/10.1364/AO.56.001839