Лаборатория Акустооптики и Оптической Обработки Информации

НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ: ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И ОПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Оптоэлектроника - это новый раздел физики и техники, занимающийся вопросами передачи, приема, обработки и хранения информации на основе использования двойных - оптических и электрических - методов и средств. Бурное развитие оптоэлектроники началось в 60-е годы после появления когерентных источников света - лазеров. Лазерное излучение, вследствие высокой частоты колебаний и когерентности, предоставляет совершенно уникальные возможности для передачи и обработки информации. Лазерную несущую можно модулировать не только во времени (как в радиофизических системах), но и в пространстве. Благодаря этому информационная емкость оптического канала связи может на много порядков превосходить емкость радиофизического канала. Однако для реализации всех достоинств лазерного излучения нужны эффективные устройства для управления световыми пучками. Сложность проблемы заключается в том, что на световые пучки нельзя прямо воздействовать электрическими или магнитными полями, в отличие, например, от пучков электронов. Возможно лишь опосредственное изменение параметров световой волны путем воздействия на среду, через которую проходит световой пучок. В настоящее время для управления лазерным излучением применяются в основном два эффекта: электрооптический и акустооптический. В первом случае используются специальные кристаллы, которые меняют свой показатель преломления под действием электрического поля. Акустооптический эффект заключается в дифракции света на фазовой решетке, создаваемой в среде акустической волной. Меняя параметры акустической волны, можно по соответствующему закону изменять амплитуду, частоту, фазу и направление распространения света. В работах, ведущихся в научной группе, используются оба этих эффекта. Исследования проводятся в двух направлениях. Первое имеет фундаментальный характер; оно связано с изучением самих эффектов, особенностей их проявления в разных средах и при разных условиях эксперимента. Второе направление состоит в разработке новых приборов и устройств оптоэлектроники, базирующихся на электрооптическом и акустооптическом эффектах. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были предложены и опробованы новые типы приборов с уникальными характеристиками, не имеющие аналогов в мире.

Субнаправления:

Акустооптическое взаимодействие пучков, имеющих сложную пространственно-временную структуру (проф. В.И.Балакший;комн. 1-65)

Акустооптическое взаимодействие подробно изучено для случая плоских гармонических акустических и световых волн. Однако в большинстве реальных устройств применяются световые и звуковые пучки конечной ширины, имеющие сложный пространственный и временной спектр. Взаимодействие таких пучков и исследуется на кафедре физики колебаний. Акустооптические устройства, как правило, являются линейными по свету и нелинейными по акустическому сигналу. Только в случае слабого акустооптического взаимодействия системы становятся полностью линейными, что значительно облегчает решение задач. Начиная с 1988 г., был проведен большой цикл исследований по оценке влияния расходимости акустического пучка конечных размеров на дифракцию света на нем. Было проведено исследование коллинеарной дифракции света на акустических импульсах различной длительности. Показано, что в этом случае форма импульса может существенно влиять на форму функции пропускания акустооптической ячейки. Импульсы с плавно нарастающими фронтами значительно снижают уровень боковых лепестков функции пропускания акустооптической ячейки. Использование набора коротких импульсов звука, одновременно находящихся внутри акустооптического кристалла, позволяет превратить функцию пропускания акустооптической ячейки в гребенку, пропускающую эквидистантный набор узких спектральных световых линий.
В последнее время значительное внимание уделяется исследованию особенностей дифракции света на многочастотной звуковой волне. Нелинейность акустооптического взаимодействия приводит к обогащению спектра дифрагированных волн комбинационными частотами, что соответствует появлению паразитных сигналов на выходе акустооптических анализаторов спектра радиосигналов. Сотрудниками группы предложены новые методы селекции истинных сигналов и подавления паразитных компонент на выходе спектроанализатора.

Обработка оптических изображений методом акустооптической пространственной фильтрации (проф. В.И.Балакший, комн. 1-65)

Акустооптическая обработка изображений - это направление в акустооптике, которое возникло и развивается в основном усилиями сотрудников нашей научной группы. Еще в 1983 г. было показано, что угловая селективность акустооптического взаимодействия позволяет избирательно воздействовать на пространственный спектр изображения, трансформируя его нужным образом. Благодаря такому воздействию удается удалять из изображения мешающие детали (например, точечную структуру типографских картинок), менять контраст изображения, осуществлять оконтуривание замаскированных предметов и т.д. Настраивая определенным образом акустооптическую ячейку, можно выполнять над оптическим сигналом такие важные операции, как пространственное дифференцирование и интегрирование. Главное достоинство акустооптического метода обработки изображений заключается в возможности быстрой электронной перестройки передаточной функции (путем изменения параметров акустической волны), что позволяет обрабатывать изображения в реальном времени.
Методом акустооптической пространственной фильтрации можно сделать видимыми невидимые фазовые объекты, другими словами, - визуализировать волновой фронт когерентной световой волны. Задача визуализации фазовых объектов нередко возникает в оптике, лазерной физике, биологии, медицине и т.д., для решения которой могут с большой эффективностью применяться разработанные в группе акустооптические датчики волнового фронта. Развивая данное направление исследований, наши сотрудники теоретически и экспериментально показали, что на основе акустооптического взаимодействия можно реализовать голографический процесс нового типа, существенно отличающийся от традиционной голографии. В этом процессе полная информация (не только амплитудная, но также и фазовая), содержащаяся в изображении, преобразуется с помощью особого акустооптического устройства в электрический сигнал, а затем на приемном конце канала связи из этого электрического сигнала с помощью акустооптической ячейки восстанавливается исходное изображение.

Спектральная фильтрация оптических сигналов (доц. Н.В. Поликарпова, доц. С.Н. Манцевич; комн. 1-62)

Были разработаны перестраиваемые акустооптические фильтры, обеспечивающие спектральную фильтрацию произвольно поляризованного света с исключительно высоким разрешением и малой управляющей ВЧ мощностью. На базе таких фильтров создаются компактные быстродействующие спектральные приборы для самых различных отраслей: экологического контроля, военной разведки, космических исследований и др. К важным достижениям можно отнести и разработку акустооптического фильтра, позволяющего увеличить на порядок пропускную способность волоконно-оптических линий связи.

Динамические процессы в акустооптических системах с обратными связями (проф. В.И.Балакший, доц. Ю.И.Кузнецов; комн. 1-65, 1-63в)

Исследования охватывают круг вопросов, представляющих собой новое направление в акустооптике, созданное и развиваемое сотрудниками кафедры физики колебаний. Акустооптические системы с обратными связями являются принципиально нелинейными системами с запаздыванием, в которых возможны сложные динамические явления, включая регулярные колебания различной формы и хаос. На основе таких систем могут быть созданы, в частности, высокоэффективные устройства стабилизации параметров лазерного излучения. В научной группе разработаны и исследованы оригинальные устройства стабилизации интенсивности и направления распространения лазерных пучков с коэффициентом стабилизации более 100. Уникальными свойствами обладает разработанный в группе акустооптический генератор с оптическим гетеродинированием. Такой генератор имеет много общего с лазерами, в частности, в нем наблюдались эффекты синхронизации и конкуренции генерируемых мод. Высокая чувствительность к изменению параметров акустооптического взаимодействия позволяет прогнозировать широкое применение таких устройств в измерительной технике.

Предлагаемые студентам темы научных работ предполагают как теоретические исследования, так и экспериментальную работу на уникальных установках. Студенты, проходящие обучение в группе, получают современные представления не только об оптоэлектронике и оптической обработке информации, но также и о смежных разделах физики: оптике, акустике, кристаллофизике, лазерной физике, без чего невозможна грамотная и плодотворная работа над поставленной проблемой. Поскольку в настоящее время оптоэлектронные приборы широко используются не только в научных исследованиях, но и в повседневной жизни, выпускники кафедры без труда находят работу в фирмах, где их знания оказываются полностью востребованными.

Группа Акустооптики и Оптической обработки информации (2008 г.).
В первом ряду слева направо: ассистент А.Ю.Чернятин, доцент Ю.И.Кузнецов, с.н.с. Н.В.Поликарпова, доцент В.Б.Волошинов, профессор В.И.Балакший

Гранты и премии за научную деятельность

Научные исследования в группе поддерживались грантами фонда Сороса, Российского фонда фундаментальных исследований, программы «Университеты России», Минобрнауки РФ, CRDF и др., а также контрактами с фирмами France Telecom (Франция), Technical Research Institute (Вирджиния, США) и Army Research Laboratory (Мэриленд, США). Исследования ведутся в тесном контакте с учеными США (Университет штата Айова; Университет Колорадо, Болдер; Crystal Technology, Калифорния), Франции (Франс Телеком, Париж), Бельгии (Католический Университет, Левен; Высшая школа по информатике и технологии, Кортрийк; Гентский Университет, Институт Аэрономии Бельгии, Брюссель), Германии (корпорация IPG Group GmbH), Польши (Гданьский Университет) и Колумбии. Научная работа группы была отмечена в 2004 г. премией компании Samsung Electronics, а в 2007 и 2008 гг. – дипломами в конкурсах "Инновационный проект 2007 и Инновационный проект 2008 .
Студенты и аспиранты группы неоднократно поощрялись именными стипендиями:

• стипендией им. акад. Арцимовича (Скрипкин Д.Б., 1998);
• стипендией акад. Келдыша (Поликарпова Н.В., 2002);
• стипендиями фонда Сороса (Никишин В., 1998, Скрипкин Д.Б., 1999, Макаров  О.Ю., 1999, Поликарпова Н.В., 2002);
• стипендией фирмы Samsung (Бабкина Т.М., 2000—2002);
• стипендией фирмы LG Electronics (Поликарпова Н.В., 2002);
• стипендией Президента Российской Федерации (Поликарпова Н.В., 2005).

Аспирантка Поликарпова Н.В. являлась обладателем грантов Правительства Москвы (2003), Американского акустического общества ASA (2005), Американского оптического общества SPIE (2006), Фонда «Династия» (2005), Фонда Содействия Отечественной Науке (2007).

Среди выпускников группы за последние 10 лет — лауреаты конкурса студенческих научных работ им. Р.В. Хохлова (Скрипкин Д.Б., 1999, Бабкина Т.М., 2000, Поликарпова Н.В., 2004, Седов П.И., 2007).

Сайт Лаборатория Акустооптики и Оптической Обработки Информации
Акустооптика и оптическая обработка информации