Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии

DOI: 10.52150/2522-9117-2025-39-19

І. М. Любека1,*, начальник виробничого відділу
К. В. Агарков1, оператор з вирощування кристалів

1 ТОВ “Крис-Тех”, Україна
* Автор для листування: i.liubeka@crys-teh.com

АКУСТООПТИЧНІ ПРИСТРОЇ НА ОСНОВІ КРИСТАЛІВ TeO₂: КОСМІЧНА СПЕКТРОМЕТРІЯ, МЕДИЦИНА ТА КВАНТОВІ СИСТЕМИ. (ОГЛЯД)

Анотація. Діоксид телуру (TeO₂, парателурит) залишається ключовим матеріалом у фотоніці завдяки високому акустооптичному показнику якості, сильній двопроменезаломлюваності та широкій прозорості. Пристрої на основі TeO₂ – модулятори, дефлектори та перенастроювані фільтри – широко застосовуються для керування пучком, спектрального відбіру та поляризації. У цьому огляді детально розглянуто три основні напрями, у яких такі пристрої стали критично важливими: космічна спектрометрія, медицина та квантові технології. У космічних дослідженнях акустооптичні перенастроювані фільтри (AOTF) з TeO₂ інтегровані у провідні наукові інструменти, такі як NOMAD (ESA, ExoMars), SuperCam (NASA, Perseverance), а також спектрометри місій Китаю Chang’e. Ці системи забезпечують високороздільний спектральний аналіз поверхонь і атмосфер планет, розкриваючи інформацію про мінералогію, леткі речовини та потенційну придатність до життя. У медичній сфері акустооптичні частотозсувні пристрої (AOFS) та волоконно-оптичні лазерні доплерівські віброметри на основі TeO₂ дозволяють здійснювати точні, неінвазивні вимірювання вібрацій слухових кісточок середнього вуха. Такі системи  використовуючи безпечне та гнучке телеком-діапазонне випромінювання, відкривають нові можливості в отологічній діагностиці. Використання TeO₂ підкреслює міждисциплінарний характер акустооптики, яка об’єднує фізику, інженерію та медицину. Квантові технології – це, можливо, найперспективніший напрям. Акустооптичні модулятори та дефлектори з TeO₂ є незамінними для керування світлом на рівні окремих фотонів: швидкого частотного зсуву, фазової стабілізації, маршрутизації та генерації просторових мод. Завдяки можливості інтегруватися у бі-частотні інтерферометри та багатоканальні квантові мережі, ці пристрої стають ключовими елементами квантового інтернету, квантових комунікацій та масштабованих квантових обчислень. У цілому, такі перспективні напрями вимагають не лише масштабування виробництва TeO₂-кристалів, але й постійного підвищення їхньої якості. Метою цього огляду є демонстрація конкретних прикладів застосування пристроїв на основі TeO₂ у різних галузях та підкреслення їхнього зростаючого значення для фотоніки нового покоління.

Ключові слова: діоксид телуру, акустооптичні пристрої, акустооптичний перенастроюваний фільтр, акустооптичний модулятор, акустооптичні частотозсувні пристрої, космічна спектрометрія, квантові комунікації, квантова інтерферометрія.

Посилання для цитування: Любека І. М., АгарковК. В. Акустооптичні пристрої на основі кристалів TeO₂: космічна спектрометрія, медицина та квантові системи. (Огляд). Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2025. Вип. 39. С. 309-324. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2025-39-19

References

  1. Babachenko, O. I., Liubeka, I. M., Kononenko, G. A., Podolskyi, R. V., Safronova, O. A. & AgarkovK. V. (2024). Obtaining TeO2 single crystal for acousto-optic applications: raw materials, growth process, and properties. (Review). Fundamental and applied problems of ferrous metallurgy, 38, 542-565. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-542-565
  2. Lim, S., Baek, S., Whitlow, J., D’Onofrio, M., Chen, T., Phiri, S., Crain, S., Brown, K. R., Kim, J., & Kim, J. (2024). Design and characterization of individual addressing optics based on multi-channel acousto-optic modulator for 171Yb⁺ qubits. arXiv:2402.13560
  3. Chen, Y., Li, W., Hyyppä, J., Wang, N., Jiang, C., Meng, F., Tang, L., Puttonen, E., & Li, C. (2021). A 10-nm Spectral Resolution Hyperspectral LiDAR System Based on an Acousto-Optic Tunable Filter. Sensors, 19, 1620. https://doi.org/10.3390/s19071620.
  4. Waz, A. T., Masalski, M., & Morawski, K. (2024). Fiber-Based Laser Doppler Vibrometer for Middle Ear Diagnostics. Photonics, 11, 1152. https://doi.org/10.3390/photonics11121152
  5. Radpour, R., Delaney, J. K., & Kakoulli, I. (2022). Acquisition of High Spectral Resolution Diffuse Reflectance Image Cubes (350–2500 nm) from Archaeological Wall Paintings and Other Immovable Heritage Using a Field-Deployable Spatial Scanning Reflectance Spectrometry Hyperspectral System. Sensors, 22, 1915. https://doi.org/10.3390/s22051915.
  6. Braverman, B., Skerjanc, A., Sullivan, N., & Boyd, R. W. (2020). Fast Generation and Detection of Spatial Modes of Light using an Acousto-Optic Modulator. https://doi.org/10.1364/OE.404309
  7. Chang, I. C .(1981). Acousto-Optic tunable filters. Opt. Eng., 20, 824–829. https://doi.org/10.1117/12.7972821
  8. Harris, S. E., & Wallace, R. W. (1969). Acousto-Optic Tunable Filter. J. Opt. Soc. Am., 59, 744–747. https://doi.org/10.1364/JOSA.59.000744
  9. Chang, I. C. (1974). Noncollinear acoustooptic filter with large angular aperture. Appl. Phys. Lett.  25, 370–372. https://doi.org/10.1063/1.1655512
  10. Pustovoit, V. I., & Pozhar, V. E. (1999). Acousto-optic spectrometers for Earth remote sensing. Earth Obs. Syst. 3750, 243–249.
  11. Korablev, O., Bertaux, J.-L., Fedorova, A., Fonteyn, D., Stepanov, A., Kalinnikov, Y., Kiselev, A., Grigoriev, A., Jegoulev, V., Perrier, S., et al. (2006). SPICAM IR acousto-optic spectrometer experiment on Mars Express. J. Geophys. Res., 111. https://doi.org/10.1029/2006JE002696
  12. Li, J., Gui, Y., Xu, R., Zhang, Z., Liu, W., Lv, G., Wang, M., Li, C., & He, Z. (2021). Applications of AOTF Spectrometers in In Situ Lunar Measurements. Materials, 14, 3454. https://doi.org/10.3390/ma14133454
  13. Xu, R., Li, C., Yuan, L., Lv, G., Xu, S., Li, F., Jin, J., Wang, Z., Pan, W., Wang, R., Wang, M., Xie, J., Yang, J., Wang, J., & He, Z. (2022). Lunar Mineralogical Spectrometer on Chang’E-5 Mission. Space Science Reviews, 218(41). https://doi.org/10.1007/s11214-022-00910-6
  14. Neefs, E., Vandaele, A. C., Drummond, R., Thomas, I. R., Berkenbosch, S., Clairquin, R., Delanoye, S., Ristic, B., Maes, J., Bonnewijn, S., Pieck, G., Equeter, E., Depiesse, C., Daerden, F., Van Ransbeeck, E., Nevejans, D., Rodriguez-Gómez, J., López-Moreno, J.-J., Sanz, R., Morales, R., Candini, G. P., Pastor-Morales, M. C., Aparicio del Moral, B., Jeronimo-Zafra, J.-M., Gómez-López, J. M., Alonso-Rodrigo, G., Pérez-Grande, I., Cubas, J., Gomez-Sanjuan, A. M., Navarro-Medina, F., Thibert, T., Patel, M. R., Bellucci, G., De Vos, L., Lesschaeve, S., Van Vooren, N., Moelans, W., Aballea, L., Glorieux, S., Baeke, A., Kendall, D., De Neef, J., Soenen, A., Puech, P.-Y., Ward, J., Jamoye, J.-F., Diez, D., Vicario-Arroyo, A., & Jankowski, M. (2015). NOMAD spectrometer on the ExoMars Trace Gas Orbiter mission: Part 1—Design, manufacturing and testing of the infrared channels. Applied Optics, 54(28), 8494–8520. https://doi.org/10.1364/AO.54.008494
  15. Bertaux, J.L., Fonteyn, D., Korablev, O., Chassefi`ere, E., Dimarellis, E., Dubois, J.P., Hauchecorne, A., Cabane, M., Rannou, P., Levasseur-Regourd, A.C., Cernogora, G., Quemerais, E., Hermans, C., Kockarts, G., Lippens, C., de Maziere, M., Moreau, D., Muller, C., Neefs, B., Simon, P.C., Forget, F., Hourdin, F., Talagrand, O., Moroz, V.I., Rodin, A., Sandel, B., & Stern, A. (2000). The study of the martian atmosphere from top to bottom with SPICAM light on mars express. Planet. Space Sci., 48, 1303–1320. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(00)00111-2
  16. Fouchet, T., Reess, J.-M., Montmessin, F., Hassen-Khodja, R., Nguyen-Tuong, N., Humeau, O., Jacquinod, S., Lapauw, L., Parisot, J., Bonafous, M., Bernardi, P., Chapron, F., Jeanneau, A., Collin, C., Zeganadin, D., Nibert, P., Abbaki, S., Montaron, C., Blanchard, C., Arslanyan, V., Achelihi, O., Colon, C., Royer, C., Hamm, V., Beuzit, M., Poulet, F., Pilorget, C., Mandon, L., Forni, O., Cousin, A., Gasnault, O., Pilleri, P., Dubois, B., Quantin, C., Beck, P., Beyssac, O., Le Mouélic, S., Johnsson, J. R., McConnochie, T. H., Maurice, S., & Wiens, R. C. (2021). The SuperCam Infrared Spectrometer for the Perseverance Rover of the Mars 2020 mission. Icarus. Preprint, submitted November 1, 2021. https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.15428
  17. Statement of Brimrose Corporation. Brimrose. URL: https://www.brimrose.com/brimrose-statement
  18. He, Z. P., Wang, B.,Y., Lv, G., Li, C. L., Yuan, L. Y., Xu, R., Chen, K., Wang, J. Y. (2014). Visible and near-infrared imaging spectrometer and its preliminary results from the Chang’E 3 project. Rev. Sci. Instrum, 85, 083104. https://doi.org/10.1063/1.4891865
  19. Li, C. L., Xu, R., Lv, G., Yuan, L. Y., He, Z. P., Wang, J. Y. (2019). Detection and calibration characteristics of the visible and near-infrared imaging spectrometer in the Chang’e-4. Rev. Sci. Instrum., 90, 103106. https://doi.org/10.1063/1.5089737
  20. Xu, R., Li, C., Yuan, L., Lv, G., Xu, S., Li, F., Jin, J., Wang, Z., Pan, W., Wang, R., et al. Lunar Mineralogical Spectrometer on Chang’E-5 Mission. Space Sci. Rev. (under review). https://doi.org/10.1007/s11214-022-00910-6
  21. Masalski, M., Waz, A., Błauciak, P., Zatonski, T., & Morawski, K. (2021). Handheld laser-fiber vibrometry probe for assessing auditory ossicles displacement. J. Biomed. Opt., 26, 077001
  22. Peacock, J., Dirckx, J., & Von Unge, M. (2014). Magnetically driven middle ear ossicles with laser vibrometry as a new diagnostic tool to quantify ossicular fixation. Acta Otolaryngol., 134, 352–357.
  23. Semenenko, H., Wright, S., Lollie, M, Flórez, J., Hoban, M., & Curchod, F. (2020). Quantum Communication 101. NASA SCaN
  24. Li, W., Deng, Q., Guo, X., & Li, X. (2023). An acousto-optic modulator based bi-frequency interferometer for quantum technology. arXiv:2210.00406v3
  25. Lim, S., Baek, S., & Whitlow, J., et al. (2024). Design and characterization of individual addressing optics based on multi-channel acousto-optic modulator for 171Yb+ qubits. arXiv:2402.13560v1
  26. Mathevet, R., Chalopin, B., Massenot, S. (2020). Single photon beat note in an acousto-optic modulator-based interferometer. Am. J. Phys. 88, 313
  27. Kawasaki, A. et al. (2022). Generation of highly pure single-photon state at telecommunication wavelength. Opt. Express, 30, 24831

Рукопис надійшов до редакції 17.07.2025
Рекомендовано до друку 21.10.2025
Опубліковано онлайн 01.12.2025

No widgets added. You can disable footer widget area in theme options - footer options

Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Logo