Анизотропное акустооптическое взаимодействие в кристаллах теллура

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В.ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 535.241.13:534Князев Григорий АлексеевичАНИЗОТРОПНОЕ АКУСТООПТИЧЕКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕВ КРИСТАЛЛАХ ТЕЛЛУРАСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета Московскогогосударственного университета им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математическихнаук, доцент В.Б.ВолошиновОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудник ИРЭ РАНВ.М.Котовкандидатнаук,физико-математическихзаместительдиректораНТЦАКУСТООПТИКИ МИСиСВ.Я.МолчановВедущая организация:Федеральное государственноеунитарное предприятие НИИ «Полюс»Защита состоится 18 сентября 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного советаД 501.001.67 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова поадресу: 119992, ГСП-2, г.

Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В.Ломоносова,физический факультет, аудитория им. Р.В.ХохловаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан «__» _________________ 2008 годаУчёный секретарь диссертационного совета Д 501.001.67А.Ф.КоролёвАктуальность темы исследованияОдной из проблем современной радиофизики является задача управленияхарактеристиками электромагнитной волны. К этим характеристикам относятся:интенсивность волны, её частота, поляризация, а также направление распространения.Данная проблема связана с необходимости передачи и обработки информации сиспользованием оптического излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетовогодиапазонов длин волн.

На сегодняшний день существуют и успешно применяютсяразличные способы управления светом. Одним из них является использованиеакустооптического эффекта.Акустооптика исследует явление взаимодействия световых лучей с ультразвуковымиволнами, распространяющимися в среде, например, кристалле. Вследствие фотоупругогоэффекта под действием акустической волны в кристалле формируется периодическаяфазовая структура, на которой происходит дифракция света. Ультразвуковые волны вматериале обычно возбуждаются с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта.Насегодняшнийденьдостаточноширокоприменяютсяоптоэлектронныеустройства, использующие эффект дифракции света на ультразвуке, которые позволяютуправлять всеми параметрами светового луча, а также обрабатывать информацию,носителем которой являются как световые, так и звуковые волны.

Основу таких устройствсоставляет акустооптическая ячейка, в которой происходит взаимодействие света сультразвуковой волной. К достоинствам акустооптических устройств управленияхарактеристиками света относятся относительно высокое быстродействие, достаточнонизкое энергопотребление, простота управления, надежность, компактность и т.д.Одной из наиболее важных особенностей акустооптического взаимодействияявляется то, что каждой длине волны оптического излучения λ соответствуетопределенная частота ультразвука. Благодаря этому становится возможным практическинезависимо управлять одновременно несколькими лучами света с разной длинной волны,а также создавать акустооптические фильтры, в том числе и фильтры изображений.

Хотяакустооптические устройства уступают в быстродействии оптоэлектронным устройствам,использующим иные эффекты для управления светом, фильтрация оптического излученияпо длинам волн сегодня зачастую осуществляется акустооптическими методами. Этосвязано с тем, что акустооптические фильтры по своим характеристикам уступаютмногимклассамприборов,напримерэшеле-спектрометрам,однакопоследниесущественно проигрывают оптоэлектронным приборам, т.к. не допускают перестройки.Более того, благодаря применению анизотропных материалов в акустооптике удаетсяосуществитьспектральнуюфильтрациюизображений.Дляэтогоприменяетсяширокоапертурная геометрия взаимодействия света и звука.

Также с помощьюакустооптических фильтров можно производить фильтрацию пространственных частотсветовых полей.Среди основных характеристик акустооптической ячейки можно выделить нескольконаиболееважных:эффективностьдифракции,спектральноеразрешение,пространственное разрешение, а также рабочий диапазон длин волн. Максимальнаяэффективность акустооптического взаимодействия реализуется при выполнении условияфазовогосинхронизма.Эффективностьопределяетсяотношениеминтенсивностипродифрагировавшего света к интенсивности падающего на ячейку монохроматическогоизлучения длины волны λ, соответствующей условию Брэгга. Эффективность зависит отмощности акустической волны, размеров области, где происходит акустооптическоевзаимодействие, а также от коэффициента акустооптического качества M2 среды, вкоторой это взаимодействие происходит.

Следует отметить, что кроме перечисленныхфакторов на эффективность дифракции также влияет длина волны света. Как и для всехспектральныхприборов,дляакустооптическихустройствнаблюдаетсяобратнопропорциональная зависимость эффективности взаимодействия от квадрата длины волнысвета λ.Пространственное и спектральное разрешение акустооптического фильтра зависят отскорости звука в материале ячейки, частоты ультразвука, а также от размеров областиакустооптического взаимодействия. Длина волны света тоже влияет на разрешениефильтра.

Очевидно, что диапазон волн, в котором может работать акустооптическийфильтр, ограничен областью прозрачности материала.Таким образом, все характеристики акустооптической ячейки определяютсясвойствами среды, в которой происходит взаимодействие света и звука, а также размеромобласти взаимодействия. Размеры последней ограничены из-за затухания ультразвука исложностей возбуждения протяженных пьезоэлектрических преобразователей. Следуетподчеркнуть, что современные акустооптические фильтры, а также дефлекторы имодуляторы обладают весьма хорошими характеристиками в основном за счетиспользования анизотропного акустооптического взаимодействия, которое наблюдаетсятолько в кристаллических материалах.

Более того, для акустооптики интересны кристаллыс большой анизотропией как оптических, так и акустических свойств.Для улучшения характеристик акустооптической ячейки необходимо увеличиватьдлину взаимодействия оптического излучения с ультразвуком, а также подбиратьматериалы с низкими значениями скоростей распространения света и звука. Увеличениедлины акустооптического взаимодействия обычно осуществляется за счет повышенияразмера пьезопреобразователя, возбуждающего ультразвук в кристалле. Также дляулучшенияспектральногоразрешенияиэффективностидифракцииприменяютколлинеарную и близкую к коллинеарной геометрию акустооптического взаимодействия.В данной диссертации рассмотрены некоторые альтернативные методы повышенияхарактеристик акустооптических ячеек.

Например, улучшение может быть получено засчет многократного прохождения света через звуковой пучок.Следует отметить, что аппаратная функция акустооптической ячейки, определяющаяспектральную полосу пропускания фильтра, не является равномерной, а кроме основногомаксимума обладает также и боковыми максимумами. Величина этих максимумов можетдостигать величины 11% по сравнению с основным. Очевидно, наличие побочныхмаксимумов аппаратной функции акустооптического фильтра может привести кограничениям в работе прибора или к ограничению спектральных характеристик системыфильтрации. Поэтому, кроме уменьшения ширины полосы пропускания акустооптическойячейки, необходимо подавление боковых максимумов аппаратной функции фильтра.Акустооптические приборы обеспечивают работу в ультрафиолетовом, видимом,ближнем и среднем инфракрасном диапазонах оптического спектра.

В большинствеприборов, предназначенных для видимого и ближнего инфракрасного света, применяютсямонокристаллы парателлурита (TeO2). Этот материал характеризуется высокой величинойкоэффициента акустооптического качества M2 = 1.2·10 -15 с3/г, что объясняет весьма малыевеличины мощности управляющего электрического сигнала, требуемые для работыприборов на основе кристалла парателлурита. К сожалению, кристаллы диоксида теллурапрозрачны в диапазоне длин волн 0.35 мкм < λ < 5 мкм, поэтому материал не пригодендля использования в ультрафиолетовом, а также в среднем и дальнем инфракрасномдиапазоне длин волн света.Для фильтрации ультрафиолетового излучения достаточно успешно применяютсяакустооптические ячейки на основе кристаллов дигидрофосфата калия KDP и кварца SiO2.Несмотря на то, что подобные материалы обладают относительно малым коэффициентомакустооптического качества, для KDP M2 = 4·10 -18 с3/г, а для кварца M2 = 1,5·10 -18 с3/г,акустооптическиефильтры,предназначенныедляработысультрафиолетовымизлучением, обладают достаточно хорошими характеристиками.

Это связано с тем, что иразрешение, и эффективность дифракции повышаются с уменьшением длины волны.Ксожалению,поаналогичнойжепричинеразработкаэффективныхакустооптических устройств, предназначенных для применений в среднем и дальнеминфракрасном диапазонах, остается нерешенной задачей акустооптики. Основныетрудности связаны именно с обратно пропорциональной зависимостью эффективностидифракции от квадрата длины волны света λ.

Расчет показывает, что для работы в среднеми дальнем инфракрасном диапазоне с такой же высокой эффективностью, какую кристаллпарателлурита обеспечивает в видимом свете, необходимо использование материалов скоэффициентом акустооптического качества не менее M2 = 100·10 -15 с3/г. Однако даже в100 раз меньшее значение акустооптического качества парателлурита M2 = 1.2·10 -15 с3/гсчитается чрезвычайно большим. К сожалению, в акустооптике известно маломатериалов, акустооптическое качество которых достигает данной величины, а тем болеепревосходит ее на два порядка.