Скорнякова Н.М., Мачихин А.С. «Акустооптические и спектральные технологии» Оптический журнал, 90, № 11, с. 3-5 (2023)

Вниманию читателей предлагается подборка научных статей, подготовленных по результатам выступлений на 17-й Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков – 2023» (ОМИП-2023), проходившей с 26 по 30 июня 2023 г. в Национальном исследовательском университете «МЭИ» при поддержке Института теплофизики СО РАН и Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН. Данные статьи посвящены актуальному и быстро развивающемуся направлению современного оптико-электронного приборостроения – акустооптическим и спектральным технологиям и приборам. Основные тенденции развития данного направления можно охарактеризовать следующим образом. 1. Поиск и исследование новых акустооптических материалов. Значительные усилия ученых направлены на исследование различных режимов акустооптического взаимодействия в перспективных материалах (двуосных кристаллах, гиротропных средах и др.) для создания эффективных (быстродействующих, широкодиапазонных и пр.) устройств управления оптическим излучением. При этом особое внимание привлекают формирование и акустооптическая дифракция структурированных пучков (Бесселя, Гаусса–Лагерра и др.), обладающих особыми свойствами (самовосстановление, острая фокусировка и пр.). 2. Расширение функциональных возможностей акустооптических устройств. Уникальные особенности акустооптических компонентов (модуляция и синтез передаточной функции, фильтрация неполяризованного излучения, многочастотная дифракция и др.) вкупе с их миниатюрностью и полностью электронным управлением открывают возможности создания приборов и аппаратно-программных комплексов для репродукции цвета по заданным координатам, перестраиваемой спектральной фильтрации объемных (стереоскопических) изображений, оптического манипулирования микрообъектами, мультиплексированной цифровой голографии и решения других задач. 3. Разработка метрологического обеспечения видеоспектрометров. Важной практической задачей, связанной с применением методов и приборов для получения спектральных изображений, является разработка методов и средств, обеспечивающих прецизионное определение спектральных характеристик объектов в произвольных точках поля зрения: процедур пространственной, спектральной и радиометрической калибровки видеоспектрометров, коррекции получаемых с их помощью мульти- или гиперспектральных данных, а также поверки таких приборов. 4. Переход от гиперспектральных методов и приборов к мультиспектральным. Существует много приложений, требующих быстрой регистрации и совместной обработки нескольких спектральных изображений, соответствующих интервалам длин волн, в которых наиболее контрастно отображаются физико-химические свойства исследуемых объектов. Подобная мультиспектральная аппаратура, обеспечивающая высокую скорость сбора минимально необходимого объема пространственно-спектральных данных, находит широкое применение в биомедицинских диагностических устройствах, системах технического зрения, устанавливаемых на летательных, в том числе беспилотных, аппаратах, приборах для картирования вегетационных индексов и решения других сельскохозяйственных задач.

Купрейчик М.И., Балакший В.И., Пожар В.Э. «Квазиколлинеарная акустооптическая дифракция в двуосном кристалле Tl₃PSe₄» Оптический журнал, 90, № 11, с. 17-28 (2023)

Предмет исследования. Характеристики квазиколлинеарной геометрии акустооптической дифракции в двуосном кристалле Tl₃PSe₄. Цель работы. Получение характеристик кристалла Tl₃PSe₄, которые показывают возможность и перспективность создания перестраиваемых квазиколлинеарных акустооптических фильтров инфракрасного диапазона спектра. Метод. Анализ квазиколлинеарной акустооптической дифракции в кристалле Tl₃PSe₄ проведен на основе метода связанных волн в сочетании с методами фурье-оптики. Для расчета фазовых и групповых скоростей, а также компонент тензоров дифракции взаимодействующих оптических и ультразвукового пучков использован ковариантный подход. Параметры квазиколлинеарных акустооптических фильтров оценивались по известным формулам, обобщенным на случай акустооптического рассеяния в оптически двуосной среде. Основные результаты. Рассчитаны параметры анизотропии используемой в предлагаемых акустооптических фильтрах сдвиговой акустической моды, распространяющейся в различных направлениях плоскости YZ. Для широкого диапазона срезов данной плоскости определена необходимая для практической реализации режима квазиколлинеарного взаимодействия взаимная ориентация звуковой и оптической граней акустооптической ячейки. Проведены оценки основных характеристик квазиколлинеарных акустооптических фильтров на кристалле Tl₃PSe₄. Исследовано влияние расходимости падающего оптического пучка на форму и ширину функции их пропускания. Выявлены наиболее оптимальные варианты фильтров с точки зрения спектрального разрешения и потребляемой мощности. Установлено, что данные акустооптические фильтры заметно превосходят существующие аналоги по угловой апертуре и энергетической эффективности. Практическая значимость. Предлагаемые в работе варианты акустооптических фильтров могут быть использованы для решения задач спектрального анализа в диапазоне длин волн от 2 до 8 мкм, не требующих от акустооптического прибора слишком высокого спектрального разрешения. Ключевые слова: акустооптика, двуосные кристаллы, акустическая анизотропия, квазиколлинеарное взаимодействие, перестраиваемые акустооптические фильтры, некритичный фазовый синхронизм, спектральное разрешение

Батшев В.И., Пожар В.Э., Кананыхин О.А. «Исследование качества передачи стереоскопического изображения при акустооптической дифракции в кристалле парателлурита» Оптический журнал, 90, № 11, с. 29-38 (2023)

Предмет исследования. Рассмотрена задача получения спектральных стереоскопических изображений в оригинальной конфигурации, где для фильтрации пары световых пучков используется один акустооптический фильтр. Цель работы. Определение характера изменения качества изображения при изменении угла разведения пучков в акустооптическом фильтре для дальнейшей оптимизации спектральной стереосистемы. Метод. Исследуемая схема построения требует реализации дифракции света на ультразвуке в направлениях, отклоненных от плоскости (–110), используемой в классических широкоапертурных акустооптических фильтрах на кристалле TeO₂. Для этого создан измерительный стенд, позволяющий определить характеристики качества изображения при азимутальном повороте акустооптической ячейки. Основные результаты. На основе полученной серии изображений штриховой и радиальной мир были измерены значения контраста и разрешающей способности при различных углах поворота и показано, что эти характеристики снижаются довольно медленно, и это позволяет варьировать угол разведения пучков в разрабатываемой стереоскопической системе в значительных пределах (до 16°). Практическая значимость. Проведенное исследование демонстрирует возможность эффективного использования рассматриваемой схемы акустооптической фильтрации пары пучков в стереоспектральных устройствах, перспективных для систем технического зрения.

Беляева А.С., Романова Г.Э., Шарикова М.О. «Оценка точности воспроизведения цвета перестраиваемым источником на базе акустооптического фильтра» Оптический журнал, 90, № 11, с. 39-49 (2023)

Предмет исследования. Перестраиваемый источник с использованием акустооптической фильтрации, позволяющий управлять количеством, положением и интенсивностью выделенных спектральных линий и обеспечивающий возможность воспроизведения цвета в пределах широкого цветового охвата. Цель работы. Оценка точности воспроизведения цвета перестраиваемого источника на основе акустооптического фильтра и факторов, которые влияют на эту характеристику, а также разработка алгоритма, позволяющего обеспечить оптимальный выбор спектральных компонентов для воспроизведения цвета с минимальной погрешностью. Методы. При использовании макета перестраиваемого источника, который позволяет регистрировать спектральные характеристики воспроизводимого цвета, а также определять цветовые координаты, и разработанного алгоритма проанализирована точность воспроизведения цвета и выполнена оценка источников погрешности. Основные результаты. Проведенный анализ параметров источника показал, что в настоящее время по точности воспроизведения цвета разработанный перестраиваемый источник с учетом предложенного в работе алгоритма выбора базовых компонентов можно отнести к рабочему эталону. В ходе исследования также были определены пути повышения точности воспроизведения цвета. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют оценить возможности применения перестраиваемого источника с использованием акустооптической фильтрации и сформировать рекомендации для повышения точности воспроизведения цвета. Предложенные решения могут найти применение в оптических системах визуальных колориметров для оценки цветового порога различия в широком цветовом охвате, не реализуемом ранее.

Польщикова О.В., Горевой А.В. «Управление параметрами двойной акустооптической спектральной фильтрации в цифровой голографии» Оптический журнал, 90, № 11, с. 50-61 (2023)

Предмет исследования. Внеосевые цифровые голограммы, полученные при акустооптической спектральной фильтрации излучения широкополосного источника. Цель работы. Оценка эффективности методов управления параметрами двойной акустооптической спектральной фильтрации с точки зрения увеличения длины когерентности излучения и повышения качества внеосевых цифровых голограмм. Метод. Для измерений использовалась установка внеосевой цифровой голографии на основе классического интерферометра Маха–Цендера. Осветительная ветвь установки содержит широкополосный источник излучения и две акустооптические ячейки с возможностью раздельного управления их частотой и ориентацией, в выходных каналах интерферометра проводится регистрация интерференционных изображений и измерение спектра излучения. Обработанные цифровыми методами экспериментальные данные одиночной и двойной акустооптической фильтрации сравнивались с результатами математического моделирования акустооптического взаимодействия. Основные результаты. Показано, что изменения управляющей частоты и ориентации акустооптических ячеек при двойной фильтрации являются эффективными методами адаптивной регулировки параметров записи цифровых голограмм. В частности, длина когерентности при использовании двойной фильтрации возрастает в 1,4 раза по сравнению с одиночной фильтрацией, а при повороте двойного фильтра на 10° – увеличивается в 2 раза. Длина когерентности растет на 35–40% в случае поворота второй ячейки на угол до 3° или сдвига частоты второй ячейки до 1 МГц, однако при этом пиковая спектральная интенсивность падает в 2,5 и 4 раза соответственно. Практическая значимость. Разработаны критерии оценки и рекомендации по выбору способов управления параметрами двойной акустооптической спектральной фильтрации, которые расширяют возможности мультиспектральной цифровой голографии в биомедицинских и технических приложениях, позволяя адаптивно изменять параметры записи голограмм, увеличить эффективное поле зрения и повысить точность восстановления амплитудных и фазовых изображений.

Поляков М.П., Батшев В.И., Мачихин А.С., Пожар В.Э. «Унифицированная оптическая схема акустооптического видеоспектрометра видимого диапазона спектра» Оптический журнал, 90, № 11, с. 62-70 (2023)

Предмет исследования. Методы проектирования унифицированных оптических схем акустооптических видеоспектрометров различного назначения. Цель работы. Создание унифицированной оптической схемы, работающей как с одиночным, так и с двойным акустооптическим монохроматором, без снижения качества изображения. Метод. Представленный метод проектирования оптических схем акустооптических видеоспектрометров состоит из двух этапов: формирование в системе автоматизированного проектирования оптических схем особых мультиконфигурационных и оптимизационных параметров для расчета оптической схемы и последующей пространственно-спектральной калибровки готового акустооптического видеоспектрометра. Основные результаты. Представлен малогабаритный реконфигурируемый видеоспектрометр видимого диапазона спектра с акустооптическим монохроматором в параллельных пучках апертурных лучей. Особенностью данного прибора является унифицированная оптическая схема, которая может работать как с одиночным, так и с двойным акустооптическим монохроматором. Описаны этапы проектирования акустооптического видеоспектрометра, указаны особенности расчета унифицированной оптической схемы. Проведен анализ рассчитанной унифицированной оптической схемы. Оценено качество изображения оптической схемы для двух ее конфигураций. Проведено сравнение конфигураций унифицированной оптической схемы с двукратной и однократной монохроматизацией. Показано, что одиночный акустооптический монохроматор может работать в увеличенном угловом поле с предварительно проведенной специализированной пространственно-спектральной калибровкой. Приведены особенности данных конфигураций акустооптического видеоспектрометра и возможности их применения в реализации спектральных приборов для решения различных прикладных задач. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектировании унифицированных оптических схем, пригодных для использования как с одиночными, так и с двойными акустооптическими монохроматорами без снижения качества изображения.

Морозов А.И., Мачихин А.С., Козлов А.Б., Пожар В.Э. «Оптический пинцет с акустооптическим управлением» Оптический журнал, 90, № 11, с. 71-78 (2023)

Предмет исследования. Брэгговская дифракция лазерного пучка на многочастотной акустической волне в кристалле парателлурита с образованием нескольких пучков, отклоняемых в задаваемых направлениях. Цель работы. Создание средства одновременного контролируемого перемещения нескольких прозрачных микрочастиц по произвольным траекториям с использованием лазерного пучка, управляемого акустооптически. В частности, разрабатываются такие режимы работы оптического пинцета с акустооптическим управлением, которые позволяют автоматически манипулировать одновременно несколькими микрообъектами, варьировать число ловушек, их силу и траектории. Метод. Перемещение частиц осуществляется путем управления положением оптической ловушки, образованной фокусированным лазерным пучком, отклоняемым в двух направлениях разработанным многоканальным акустооптическим дефлектором. Управление процессом пространственного упорядочивания частиц осуществляется автоматически после задания для каждой из них индивидуальной траектории на экране. Основные результаты. Собрана экспериментальная установка (стенд) на базе биологического инвертированного микроскопа. Она позволяет отображать на экране в реальном времени положение и частиц, и ловушек. На примере микрочастиц пищевых дрожжей продемонстрирована возможность одновременного управления ансамблем микрообъектов с помощью многоканального двухкоординатного акустооптического немеханического дефлектора. Практическая значимость. Разработанные аппаратно-программные средства могут найти применение в биомедицине и материаловедении для автоматизированного, прецизионного и высокопроизводительного манипулирования микрообъектами.

Шарикова М.О., Баландин И.А., Батшев В.И., Козлов А.Б. «Пространственно-спектральная коррекция акустооптического видеоспектрометра» Оптический журнал, 90, № 11, с. 79-89 (2023)

Предмет исследования. Пространственно-спектральные искажения, возникающие при акустооптической дифракции, которые необходимо учитывать при построении оптической системы и калибровке акустооптического прибора. Цель работы. Пространственно-спектральная коррекция видеоспектрометров на основе акустооптических перестраиваемых фильтров, разработка методики выравнивания коэффициента пропускания во всем рабочем спектральном диапазоне. Метод. Для получения неискаженных данных требуется корректировать как спектральные, так и пространственные неоднородности. Процедура калибровки состояла из аппаратной настройки акустооптического прибора и программно-математической коррекции. Управление функцией пропускания фильтра осуществляется двумя параметрами: частотой и мощностью ультразвука, которые, в свою очередь, определяются частотой и эффективной амплитудой электрического сигнала. Частота определяет положение функции пропускания, т.е. длину волны работы акустооптического фильтра. Амплитуда задает мощность ультразвука, которая определяет интенсивность прошедшего через фильтр излучения. Полный учет неравномерности коэффициента пропускания во всем спектральном диапазоне достигается постобработкой. Основные результаты. Предложена методика выравнивания мощности излучения за счет изменения подаваемой мощности ультразвука. Разработанное программное обеспечение позволяет минимизировать искажения, вносимые акустооптическими фильтрами, с целью визуальной оценки информации. Методика апробирована на видеоспектрометре ближнего инфракрасного диапазона с двойной акустооптической фильтрацией. Практическая значимость. Представленный метод дает возможность проводить аппаратную калибровку гиперспектральных устройств на основе акустооптических фильтров, а также осуществлять программную коррекцию отображаемых результатов в реальном времени. Разработанный метод универсален и подходит и для других видеоспектрометров на основе акустооптической фильтрации. Он позволит поднять акустооптические методы на более высокий уровень как в надежности полученных данных, так и в удобстве использования таких приборов. Ключевые слова: акустооптика, акустооптический фильтр, акустооптический видеоспектрометр, гиперспектральная визуализация, пространственно-спектральная калибровка

Хасанов И.Ш., Благова Т.В. «Исследование структуры пластиковых изделий, изготовленных методом 3D печати, в субтерагерцовом излучении» Оптический журнал, 90, № 11, с. 90-101 (2023)

Предмет исследования. Структуры пластиковых изделий исследовались в субтерагерцовом диапазоне в проходящем свете, изготовленные методом моделирования послойным наплавлением при различных параметрах трехмерной печати, таких как шаблон и доля заполнения. Цель работы. Установление влияния параметров трехмерной печати (таких как шаблон и доля заполнения) на оптические характеристики 3D печатных пластиковых изделий для выявления возможностей субтерагерцовой визуализации в исследовании и неразрушающем контроле пластиковых изделий и определения необходимости учета указанных параметров при создании элементов терагерцовой оптики. Метод. Субтерагерцовая визуализация с использованием излучения компактного источника 300 ГГц и терагерцовой камеры. Разрешение изображений повышалось методом субпиксельного сканирования. Основные результаты. Приведен обзор применений метода моделирования послойным наплавлением трехмерной печати для создания элементов терагерцовой оптики; указано, что во многих исследованиях отсутствуют полные сведения об использованных параметрах печати. Получены изображения пластиковых объектов при различных параметрах трехмерной печати. Установлено различие характеристик изображений, что демонстрирует влияние внутренней субволновой структуры на оптические свойства изделий. Результаты показывают возможность установить долю и тип шаблона заполнения для пластиковых изделий. Практическая значимость. Субтерагерцовая визуализация с использованием излучения компактных источников и терагерцовых камер может стать альтернативным, практичным и конкурентным методом неразрушающего контроля печатных пластиковых изделий. Указана важность, для воспроизводимости научных исследований описывать параметры трехмерной печати для создаваемых оптических элементов терагерцового и субтерагерцового диапазонов. Ключевые слова: тергерцовое излучение, неразрушающий контроль, трехмерная печать, моделирование послойным наплавлением, метод моделирования послойным наплавлением

Шипко В.В., Пожар В.Э. «Алгоритм коррекции геометрических искажений спектральных изображений, регистрируемых акустооптическим гиперспектрометром в условиях угловых отклонений» Оптический журнал, 90, № 11, с. 102-112 (2023)

Предмет исследования. Процесс формирования спектральных изображений акустооптическим гиперспектрометром в условиях угловых отклонений носителя аппаратуры. Цель работы. Разработка модели искажений гиперспектральных изображений, формируемых акустооптическим гиперспектрометром в условиях угловых колебаний беспилотного летательного аппарата, и синтез алгоритма коррекции таких искажений на основе угловых данных от инерциальной навигационной системы. Метод. В основу метода исследования положена фотограмметрическая модель формирования спектральных изображений в условиях угловых отклонений системы регистрации. Основные результаты. Определена связь отклонений гиперспектрометра по углам крена, тангажа и рыскания с характером геометрических искажений регистрируемых спектральных изображений. Разработан алгоритм коррекции искажений спектральных изображений по данным инерциальной навигационной системы. Анализ экспериментальных и численных исследований разработанного алгоритма показал достаточно высокую точность коррекции геометрических искажений изображений, вызванных угловыми колебаниями системы регистрации в диапазоне возможных погрешностей измерений. Практическая значимость. Разработанный алгоритм является вычислительно простым по сравнению с известными, не требует дополнительной системы регистрации эталонных изображений или сложной предварительной калибровки, что позволяет проводить коррекцию гиперспектральных изображений в масштабе времени, близком к реальному, с приемлемым качеством. Ключевые слова: гиперспектральные изображения, геометрические искажения, коррекция, навигационная система, акустооптический фильтр, беспилотный летательный аппарат