Коллинеарная дифракция света на ультразвуке в оптически анизотропной среде

Актуальность темы

исследования.

Взаимодействие световых и звуковых волн (акустооптический эффект) заключается в дифракции света на акустической волне [1, 2]. Это связано с тем, что акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызывает периодическое изменение показателя преломления этой среды, т. е. является дифракционной решёткой. Так как среда при этом не теряет своей прозрачности для света, такая решётка является фазовой. Явление дифракции света на ультразвуке (акустооптической дифракции) было предсказано Л. Бриллюэном в 1922 году [3] и впервые наблюдалось экспериментально в 1932 году П. Дебаем и Ф. Сирсом (США) [4] и одновременно Р. Люка и П. Бикаром (Франция) [5]. Большое значение имели также выполненные в 1930;е годы основополагающие работы Ч. Рамана и Н. Ната (Индия) [6] и С. М. Рытова (СССР) [7]. Однако по-настоящему интенсивное развитие акустооптики и её практического применения началось в 1960;е годы после создания лазеров и продолжается по сей день.

В настоящее время на основе акустооптического эффекта создано большое количество различных по принципу действия и назначению практических устройств [1, 2, 8 — 18], позволяющих управлять интенсивностью оптического излучения (модуляторы), направлением его распространения (дефлекторы), а также анализировать его спектральный состав и выделять из входного сигнала узкую полосу частот (анализаторы спектра и фильтры). В последнее время всё большее распространение получают системы оптической обработки информации. В таких системах также используются акустооптические элементы, позволяющие, например, осуществлять пространственную фильтрацию оптических изображений в режиме реального времени, что является несомненным преимуществом.

Кроме того, акустооптические устройства применяются при решении других задач радиофизики: для анализа спектрального состава радиосигналов (также в режиме реального времени), визуализации акустических полей и пр. Наконец, дифракция света на ультразвуке используется для исследования свойств материалов: определения скорости и затухания акустической волны, изучения анизотропии кристаллов и т. д.

Подавляющее большинство акустооптических элементов (акустооптических ячеек) изготавливаются на основе кристаллов. При этом наиболее широкие возможности для разнообразных практических применений открываются при использовании кристаллов, обладающих выраженной анизотропией как оптических, так и упругих свойств. С другой стороны, акустооптическая дифракция в анизотропной среде сама по себе представляет гораздо больший фундаментальный интерес, чем изотропный случай, тем более что последний в основном уже хорошо изучен. Поэтому внимание исследователей в последнее время сосредоточено именно на анизотропных средах [18 — 22].

Одним из частных случаев акустооптического взаимодействия является коллинеарное взаимодействие, при котором волновые векторы всех взаимодействующих волн направлены вдоль одной прямой [23 — 79]. Такая геометрия обладает определёнными преимуществами. В частности, за счёт увеличения длины взаимодействия света и ультразвука возрастает эффективность дифракциикроме того, повышается селективность акустооптического взаимодействия, что приводит к сужению полосы частот взаимодействия. Поэтому коллинеарная геометрия чаще всего используется в акустооптических фильтрах [23 — 74, 80 — 82].

Однако реализация кол линеарной акустооптической дифракции во многих случаях сопряжена с определенными проблемами. Две наиболее часто встречающиеся из них — это несовпадение направлений фазовой и групповой скорости волны (как оптической, так и акустической), распространяющейся в кристалле, и симметрия структуры кристалла, приводящая к отсутствию фотоупругого и, следовательно, акустооптического эффекта. Преодолению этих трудностей уделяется в последнее время повышенное внимание [83 — 100, А1 — А8].

Вместе с тем, коллинеарное взаимодействие как частный случай анизотропной дифракции представляет также и фундаментальный научный интерес. Поскольку в оптически анизотропной среде возможна как анизотропная, так и изотропная дифракция, выяснение физических механизмов, приводящих именно к анизотропной дифракции (в том числе коллинеарной) является важным для понимания физики акустооптического взаимодействия. Эти механизмы остаются до настоящего времени не до конца изученными.

Наконец, развитие акустооптической техники и, в частности, повышение разрешающей способности фильтров приводят к тому, что на работе акустооптических приборов начинают сказываться эффекты, которыми до настоящего времени обычно пренебрегали. К числу таких эффектов относится, например, эффект Доплера. Поскольку наибольшим разрешением обладают фильтры с коллинеарной (или квазиколлинеарной) геометрией взаимодействия, влияние эффекта Доплера скажется в первую очередь на работе именно таких устройств. Актуальность этой проблемы возрастает с повышением частот ультразвука, тенденция к которому также имеет место в современной акустооптике.

Решению вышеперечисленных задач, связанных с коллинеарным акустооптическим взаимодействием в оптически анизотропных средах, посвящена данная диссертационная работа.

Цели диссертационной работы.

Цели диссертационной работы состояли в исследовании различных аспектов коллинеарного акустооптического взаимодействия в оптически анизотропной среде как с точки зрения фундаментальной науки, так и в свете практических применений коллинеарной дифракции в акустооптических фильтрах. В работе были поставлены следующие задачи:

1. Теоретическое исследование коллинеарной анизотропной дифракции света на ультразвуке, в частности исследование среды акустооптического взаимодействия как слоистой оптически анизотропной среды с различной ориентацией соседних слоёв. Оценка эффективности дифракции в рамках разработанной модели.

2. Экспериментальное обнаружение и исследование коллинеарной дифракции расходящегося светового пучка на ультразвуке в кристалле парателлурита вдоль направления, в котором взаимодействие плоских волн не имеет места.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование невзаимных свойств акустооптического взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции, в частности обусловленного эффектом Доплера различия акустических частот брэгговского синхронизма при распространении света в противоположных направлениях. Оценка влияния указанного эффекта на полосы пропускания коллинеарных акустооптических фильтров.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во введении содержится обоснование актуальности темы исследований, излагаются цели диссертационной работы, приводится краткое содержание работы, отмечается научная новизна и практическая значимость проведённых исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации результатов работы.

Выводы к главе IV.

В четвёртой главе диссертации проведено исследование невзаимных свойств АО взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции. Показано, что при приближении акустических частот к сверхвысокочастотному диапазону сдвиг частоты ультразвука, обусловленный невзаимным эффектом, становится сравнимым с шириной полосы пропускания коллинеарного фильтра.

1. Проведено теоретическое исследование невзаимного эффекта для случая коллинеарной АО дифракции. Получено аналитическое выражение для разницы частот ультразвука (невзаимного сдвига), соответствующих условию синхронизма, при распространении света в противоположных направлениях. Показано, что дисперсия показателя преломления материала усиливает невзаимный эффект.

2. Установлено, что необходимым и достаточным условием проявления невзаимного эффекта является обращение направления распространения света относительно ультразвука (или наоборот), т. е. изменение взаимной ориентации волновых векторов взаимодействующих волн. Смена номера порядка дифракции сама по себе не приводит к невзаимному эффекту.

3. Проведён расчёт невзаимного эффекта для различных АО материалов, использующихся в режиме коллинеарной дифракции. Показано, что невзаимный эффект приводит к сдвигу полосы пропускания коллинеарного фильтра. На частотах порядка 1 ГГц и выше этот сдвиг оказывается сравнимым с шириной полосы.

4. Невзаимный эффект зарегистрирован экспериментально в АО ячейке на кристалле ниобата лития на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси х. Установлено, что относительное смещение полосы пропускания ячейки при изменении направления распространения света на противоположное достигает в исследованном фильтре 50%, что при ширине полосы пропускания по свету АХ = 1,5 А составляет дХ = 0,75 А.

5. Обнаружено, что в кристалле 1л№)03 частота ультразвука, соответствующая условию синхронизма, сильно зависит от температуры кристалла и при нагреве на 1 °C уменьшается приблизительно на 500 кГц. Установлено, что причиной дрейфа частоты является уменьшение скорости звука, величина которого на таком температурном интервале составляет насколько метров в секунду.

6. Проведённое исследование доказывает необходимость учёта невзаимного эффекта при проектировании АО устройств с высоким спектральным разрешением и работающих на сверхвысоких акустических частотах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе исследованы различные аспекты коллинеарной дифракции света на ультразвуке в оптически анизотропной среде. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано, что оптически анизотропная среда с распространяющейся в ней акустической волной подобна слоистой двулучепреломляющей среде с различной ориентацией соседних слоев. Полученные в рамках этой модели аналитические выражения для эффективности дифракции и коэффициента АО связи согласуются с выражениями, полученными ранее обычными АО методами. При помощи исчисления Джонса на основе разработанного метода проведены расчёты эффективности дифракции в наиболее распространённых АО материалах.

2. Установлено, что угол поворота осей оптической индикатрисы под действием акустической волны очень мал практически во всех двулучепреломляющих средах (порядка 10″ 4 — 10″ 5 радиан). В то же время, показано, что эффективность дифракции не зависит от величины двулучепреломления материала и, следовательно, от угла поворота осей. Полученный результат объясняет тот факт, что в акустооптике одинаково успешно применяются материалы как с большим, так и с малым двулучепреломлением.

3. Впервые обнаружена и экспериментально исследована коллинеарная дифракция расходящегося света на ультразвуке в направлении [110] парателлурита. Показано, что дифракция в направлении, запрещённом для АО взаимодействия плоских волн, имеет место при использовании расходящегося светового пучка. Установлено, что при длине волны света X = 0,63 мкм дифракция происходит в кристалле на частоте ультразвука /= 149,2 МГц, а ширина акустического частотного диапазона растёт с увеличением расходимости света и при расходимости ~ 4° в воздухе составляет А/~ 50 кГц, что соответствует оптической полосе пропускания фильтра АХ — 2,1 А.

4. Исследованный макет АО фильтра на парателлурите обладает высоким спектральным разрешением (Я ~ 3000), большой эффективностью дифракции (80%) и широкой угловой апертурой (несколько градусов). Поперечная структура дифрагированного света (крестообразная с тёмным провалом в центре) позволяет также, осуществлять дифференцирование (оконтуривание) оптических изображений. Полученные данные говорят о возможности создания коллинеарного фильтра на основе кристалла Те02, использующего расходящийся свет, с возможностями дифференцирования оптических изображений.

5. Исследованы невзаимные свойства АО взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции. Получено аналитическое выражение и проведены расчёты различия частот ультразвука, соответствующих условию синхронизма, при распространении света в противоположных направлениях. Невзаимный эффект зарегистрирован экспериментально в АО ячейке на кристалле ниобата лития. Установлено, что относительное смещение полосы пропускания ячейки при изменении направления распространения света на противоположное достигает в исследованном фильтре 50%, что при ширине полосы пропускания фильтра по свету АХ = 1,5 А составляет величину 5Х = 0,75 А.

6. Показано, что при приближении акустических частот к сверхвысокочастотному диапазону сдвиг частоты. ультразвука, обусловленный невзаимным эффектом, становится сравнимым с шириной полосы пропускания коллинеарного фильтра. Эффект также усиливается при переходе на более короткие длины волн света. Это доказывает необходимость учёта невзаимного эффекта при проектировании АО устройств с высоким спектральным разрешением и работающих на сверхвысоких акустических частотах.