НТЦУ - Проект №4884

Резюме

На сьогоднішній день в промисловому виробництві немає ефективних акустооптичних (АО) комірок та й при їх розробці відсутня методологія підвищення ефективності таких комірок, особливо у випадку високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням (для цього потрібні ефективні акустооптичні матеріали з високою променевою стійкістю та малим коефіцієнтом затухання високочастотних акустичних коливань). Це суттєво стримує розвиток тих галузей промислового виробництва, експериментальних технологій чи наукового обладнання, в яких необхідні потужні джерела випромінювання і де перевага в застосуванні акустооптичних пристроїв для високочастотного управління таким випромінюванням є незаперечною. Тому сучасний розвиток інформаційних технологій, засобів телекомунікацій та інших пристроїв ставить перед дослідниками завдання розробки та впровадження в промисловість високоефективних акустооптичних комірок для управління потужним лазерним випромінюванням в області частот до 1ГГц.

Робочим елементом таких акустооптичних комірок є, в основному, кристалічні матеріали низької симетрії (див. номенклатуру товарів відповідних європейських чи світових фірм). Але такі матеріали проявляють суттєву анізотропію акустооптичного ефекту, що вимагає пошуку їх екстремальних значень та відповідної оптимізації геометричних умов акустооптичної взаємодії з метою підвищення ефективності застосування таких матеріалів.

Кінцевою метою проекту є розробка методології створення та оптимізації технічних параметрів акустооптичних комірок із робочими елементами на основі кристалічних матеріалів для найбільш ефективного високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням.

Впродовж звітного періоду були використані такі технічні підходи та методи:

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. Динамічний ехо-імпульсний метод визначення швидкостей поздовжніх та поперечних звукових хвиль в кристалах.
4. Інтерферометричний метод двократних вимірювань для визначення всіх компонент тензора електро- та п’єзо-оптичного ефектів в кристалічних матеріалах різних класів симетрії.
5. Поляризаційно-оптичний метод вимірювання електро- та п’єзо-оптичних коефіцієнтів за двозаломленням в кристалах.
6. Методика розрахунку як за абсолютною величиною, так і за знаком всіх компонент тензора пружно-оптичного ефекту в кристалічних матеріалах різних класів симетрії.
7. Методика 3-D аналізу анізотропії параметричних оптичних ефектів в кристалічних матеріалах та відповідної оптимізації геометрії для електро-, п’єзо- та акустооптичної взаємодій світла в таких матеріалах.
8. Методика дослідження основних технічних параметрів: центральної частоти керуючого сигналу та дифракційної ефективності модуляції для акусто-оптичного модулятора світла.

Впродовж звітного періоду було виконано три етапи: 1) модернізація експериментальних установок та експериментальні вимірювання необхідних параметрів вибраних кристалів; 2) проведення 3-D аналізу просторової анізотропії досліджених ефектів для вибраних кристалів; дослідження умов генерації та поширення звукових хвиль в світлозвукопроводах; 3) розробка методології створення найбільш ефективних АО-комірок та виготовлення макету АО-комірки для високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням.

Головні технічні досягнення

Модернізовано і апробовано технологічні та дослідницькі установки. Удосконалено методики, отримано деклараційний патент на спосіб вимірювань електро- та п’єзооптичних коефіцієнтів. Зокрема:

• вдосконалено установку для вимірювань динамічним ехо-імпульсним методом швидкості поздовжніх та поперечних акустичних хвиль в анізотропних кристалах різних класів симетрії;
• завершена модернізація тискової установки на базі інтерферометра Маха-Цендера для більш точнішого визначення всіх компонент тензора п’єзо-оптичного ефекту в низькосиметричних кристалах, усунуто можливі завади при вимірюванні на інтерферометричній установці абсолютних п’єзо-оптичних коефіцієнтів.

Проведено пошук перспективних акусто-оптичних кристалів та зроблено вибір об’єктів майбутніх досліджень. Проведено рентгено-структурний аналіз, орієнтацію, нарізку, шліфовку та поліровку робочих зразків із монокристалів ніобату літію LiNbO₃ та LiNbO₃:MgO, фосфіту галію GaP, а також кристалів вольфрамату кальцію. Для цих кристалів:

• здійснено необхідні акустичні, електрооптичні та п’єзооптичні вимірювання кристалів та проведено аналіз отриманих результатів;
• проведено вимірювання п’єзооптичних коефіцієнтів різниці ходу та їх температурних залежностей для кристалів вольфрамату кальцію та фосфіту галію на поляризаційно-оптичній установці, а також дослідження індукованих п’єзозмін оптичного шляху зразків цих кристалів на інтерферометричній установці Маха-Цендера та Фізо.

На основі розробленої методології проведення 3-D аналізу просторової анізотропії індукованих оптичних ефектів і знаходження максимальної величини параметра акустооптичної якості для кристалічних матеріалів різних класів симетрії:

• проведені роботи щодо оптимізації геометрії п’єзо-оптичної взаємодії для досліджених кристалічних матеріалів чистого та легованого MgO ніобату літію, вольфрамату кальцію та фосфіту галію;
• побудовані вказівні поверхні та знайдені екстремальні значення параметра акустооптичної якості для кристалічних матеріалів чистого та легованого MgO ніобату літію, бета борату барію та фосфіту галію.

Щодо проектування макету високоефективного акустооптичного модулятора та його випробовування:

• було виготовлено зразки чистого та легованого MgO кристалів ніобату літію із екстремальними значеннями параметра акустооптичної якості для випадків ізотропної та анізотропної дифракцій світла;
• експериментальним методом Діксона на створеній акустооптичній установці було перевірено екстремальні значення параметра акустооптичної якості для випадку ізотропної дифракції світла при поширенні поздовжньої акустичної хвилі у виготовлених зразках;
• спроектовано та виготовлено діючий макет високоефективного акустооптичного модулятора для управління потужним лазерним випромінюванням в області частот до 1ГГц та проведено оцінку його технічних характеристик.

Проведено маркетингові дослідження фірм, які займаються вирощуванням і дослідженням кристалічних матеріалів та виготовленням на їх основі акустооптичних комірок, особливо для високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням.

Співробітництво з іноземними партнерами

Закордонні партнери ознайомлені із ходом виконання проекту, проводяться постійні консультації та обговорення результатів з ними по електронній пошті, в журналах “Optical Material”, “ Applied Optics” та “J.Appl.Phys.” разом із закордонними партнерами опубліковано результати спільних досліджень. Відбувся обмін науковими матеріалами, проведено робочі зустрічі та тематичний семінар, узгоджено план спільних експериментальних досліджень під час візиту наукового керівника проекту Андрущака А.С. до закордонного партнера професора Dr. hab B.SAHRAOUI (Universite D"Angers, France).

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

• Optimization of the effective crystal cutoff searching technique for acousto-optic light modulators // V International Optical Congress “Optics–XXI century” (Topical Meeting on Optoinformatics), 15–18 September, 2008, Saint-Petersburg, Russia;
• Design of optimization technique for electro- and acousto-optical interactions of light in crystalline materials // IX International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, 2-4 October, 2008, Alushta, Crimea, Ukraine;
• Підвищення ефективності модуляторів світла на основі аналізу просторової анізотропії електрооптичного ефекту // XII відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки (ІТРЕ) Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки, 5-7 квітня 2009 р., м. Львів;
• Photoelasticity of CaWO4 crystals // Abstract of the International Scientific Workshop «Oxide Materials for Electronic Engineering – fabrication, properties and application». – Lviv(Ukraine). –June22-26, 2009. – P.185.
• Calcium Tungstate is a Perspective Acousto-Optic Material. Photoelastic Properties. // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science - Proceeding of the 10th International Conference TCSET’2010, 23-27 February 2010, Lviv-Slavske, Ukraine;
• Дослідження частотних залежностей ємностей зустрічно-штиркових перетворювачів для збудження об’ємних акустичних хвиль // XIІІ відкрита науково-тех¬нічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки (ІТРЕ) Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки : Тези доп. – Львів (Україна), 2010;
• Статична фотопружність кристалів вольфрамату кальцію за різницею ходу // XIІІ відкрита науково-тех-нічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки (ІТРЕ) Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки : Тези доп. – Львів (Україна), 2010;
• Кутова стабільність максимумів вказівних поверхонь індукованих ефектів // XIІІ відкрита науково-тех-нічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки (ІТРЕ) Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки : Тези доп. – Львів (Україна), 2010;
• A New Method for Refractive Index Measurement of Isotropic and Anisotropic Materials in Millimeter and Submillimeter Wave Range. // Proceeding of the 18th International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications MIKON-2010, Vilnius (Lithuania);
• Relaxation static photoelasticity in ferroelectrics // ХХІІ International conference, «Relaxational phenomena in solids», Rps-22. Thesesofreports. 14–17 September 2010. – Voronezh. P. 127-128.

Публікації

В рамках виконаного проекту надруковано науково-технічні статті:

1. Андрущак А.С. Просторова анізотропія електро-, п’єзо- та акусто-оптичного ефектів в кристалічних матеріалах твердотільної електроніки. Апробація на прикладі кристалів LiNbO₃ та LiNbO₃:MgO. Частина I. Розробка комплексної методики 3D-аналізу анізотропії індукованих оптичних ефектів в кристалах // Bісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.- 2008.-No.619.-P.165-171.
2. Лаба Г.П., Юркевич О.В., Карбовник І.Д., Кайдан М.В., Думич С.С., СольськийІ.М., Андрущак А.С. Просторова анізотропія електро-, п’єзо- та акусто-оптичного ефектів в кристалічних матеріалах твердотільної електроніки. Апробація на прикладі кристалів LiNbO₃ та LiNbO₃:MgO. Частина II. Заповнення матриць пружних та п’єзоелектричних коефіцієнтів кристалів LiNbO3 та LiNbO3:MgO // Bісник НУ «Львівська політехніка» ЕЛЕКТРОНІКА.-2008-№619.-C.172-180.
3. Demyanyshyn N.M., Mytsyk B.G., Andrushchak A.S., Kost’ Ya.P. Optimization of the effective crystal cutoff searching technique for acousto-optic light modulators // Proceedings of V International Optical Congress “Optics–XXI century” (Topical Meeting on Optoinformatics). – 15–18 September 2008. – Saint-Petersburg, Russia. – P. 335–338.
4. Andrushchak A.S., Mytsyk B.G., Demyanyshyn N.M., Kaidan M.V., Yurkevych O.V. Design of optimization technique for electro- and acousto-optical interactions of light in crystalline materials // Proceeding of 9-th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2008). – Alushta, Сrimea (Ukraine). – October 2-4, 2008 - P. 66-68.
5. Андрущак А.С., Кайдан М.В., Юркевич О.В., Мицик Б.Г., Сольський І.М. Найбільш ефективні акустооптичні модулятори інформаційного сигналу для волоконно-оптичних інфокомунікаційних систем // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання НАН України. – 2008. – Вип.49. – С. 194-201.
6. Мицик Б.Г., Андрущак А.С., Кость Я.П., Сольський І.М. П’єзооптичний ефект у кристалах LiNbO₃:MgO // Журн. фіз. дослідж. – 2008. – Т. 12, №3. – С. 3702(1-5).
7. Mytsyk B.G., Andrushchak A.S., Kost’ Ya.P., Solskii I.M. Piezooptical effect in LiNbO₃:MgO crystals // J. Phys. Invest. – 2008. – V.12, No.3. – P.3702(1-5).
8. Mytsyk B.G., Andrushchak A.S., Demyanyshyn N.M., Kost’ Y.P., Kityk A.V., Mandracci P., Schranz W. Piezo-optic coefficients of MgO doped LiNbO₃:MgO. crystals // AppliedOptics - 2009. - V.48, No.10. - P.1904-1911.
9. Andrushchak A. S., Yurkevych O.V., Mytsyk B.G., Sahraoui B., Kity A.V. Elastic and photoelastic constants of pure and MgO doped lithium niobate crystals // J. Applied Physics. – 2009. – V.106. – P.073510(1-6).
10. Andrushchak N.A., Bobitskii Ya.V., Maksymyuk T.A., Syrotynsky O.I., Andrushchak A.S., Karbovnyk I.D.. A New Method for Refractive Index Measurement of Isotropic and Anisotropic Materials in Millimeter and Submillimeter Wave Range. // Proceeding of the 18th International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications MIKON-2010, Vilnius (Lithuania). P.273-275.
11. Andrushchak A. S., Kaidan M. V., Chernyhivskiy Je. M., Yurkevych O. V., Maksymyuk T. A. , Mytsyk B. G. , Kityk A. V. Application efficiency increasing of LiNbO₃:MgO and GaP crystals for acoustooptical high frequency control of powerfull laser irradiation // Proceeding of 10-th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2010). – Sevastopol, Сrimea (Ukraine). – September 10-14, 2010.-P.172-174.
12. Mytsyk B.G., Demyanyshyn N.M., Andrushchak A.S., Kost’ Ya.P., Parasyuk O.V. and Kityk A.V. Piezooptical coefficients of La₃Ga₅SiO₁₄ and CaWO₄ crystals: A combined optical interferometry and polarization-optical study // Optical Material. – 2010. – V.33, No.1. – P.26–30.
13. Кушнір O. С., Юркевич О. В., Андрущак А. С. Кутова стабільність максимумів вказівних поверхонь фізичних ефектів, індукованих зовнішніми полями // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Електроніка. – 2010. – № 681. – C. 197– 204.
14. Кость Я. П., Андрущак А. С., Мицик Б.Г. Статична фотопружність тетрагональних кристалів за різницею ходу // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Електроніка. – 2010. – № 681. – C. 118– 126.
15. Andrushchak A.S., Chernyhivsky E.M., Gotra Z.Yu., Kaidan M.V., Kityk A.V., Andrushchak N.A., Maksymyuk T.A., Mytsyk B.G., Schranz W. Spatial Anisotropy of the Acoustooptical Efficiency in Lithium Niobate Crystals // J. AppliedPhysics. – 2010. – V.108. – P.103118(1-5).

Отримано патенти України:

1. Андрущак А.С., Тибінка Б.В., Андрущак Н.А., Думич С.С. Інтерферометрично-поворотний спосіб вимірювання показника заломлення оптичних матеріалів. Патент України на корисну модель №39155 від 10.02.2009, Бюл. №3.
2. Мицик Б.Г., Андрущак А.С., Кость Я.П., Юркевич О.В. Поляризаційно-оптичний пристрій визначення індукованої зміни різниці ходу в оптичних матеріалах. Патент України на корисну модель №39218 від 10.02.2009, Бюл. №3.

Перспективи подальшого розвитку

Головний кінцевий результат проекту – розроблена методологія створення та оптимізації технічних параметрів акустооптичних комірок із робочими елементами на основі кристалічних матеріалів для найбільш ефективного високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням 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-, пружно- та акусто-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 оформлення закордоного патенту 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 методології;
• аналіз можливості закупівлі необхідних комплектуючих для серійного виготовлення високоефективних зрізів кристалічних матеріалів як робочих елементів акустооптичних комірок з метою найбільш ефективного високочастотного управління потужним лазерним випромінюванням;
• 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.

Поряд з цим будуть продовжені заходи в напрямку реклами кінцевого продукту проекту та пошуку інших потенційних споживачів продукту за рахунок:

• участі у міжнародних науково-практичних конференціях та семінарах;
• публікацій результатів досліджень у вітчизняних та закордонних журналах;
• модернізації та розширення веб-сайту лабораторії та проекту.

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), SOCC Optoelectronics (USA), Inc., Boulder Nonlinear Systems, Inc., IMRA America, Inc.; німецькі Landwehr Electronic GmbH, APE GmbH, IPAG - Innovative Processing AG, GTU LaserTechnic GmbH; китайські Dayoptics, Inc., Castech-Phoenix Inc. (CASIX); французькі FASTLITE, A.A. Opto-Electronique, англійські AG Electo-Optics, Gooch and Housego PLC, Leysop, Ltd., Lambda Photometrics, 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