Автореферат (Брэгговская дифракция света на ультразвуке в средах с сильной оптической и акустической анизотропией)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ФИЗИКИ КОЛЕБАНИЙНа правах рукописиДЬЯКОНОВ Евгений АлексеевичБРЭГГОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯСВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕВ СРЕДАХ С СИЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙИ АКУСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ01.04.03 − радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква − 2015Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.Ломоносова.Научный руководитель:Волошинов Виталий Борисович, к.ф.-м.н., доцент кафедры физики колебанийфизического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.Официальные оппоненты:КотовВладимирлабораторииМихайлович,быстропротекающихд.ф.-м.н.,ведущийоптическихнаучныйявленийвсотрудниктвердотельныхструктурах Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им.В.А.Котельникова Российской академии наук.Шарангович Сергей Николаевич, к.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедройсверхвысокочастотной и квантовой радиотехники радиотехнического факультетаТомского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.Ведущаяорганизация:Санкт-Петербургскийгосударственный университетаэрокосмического приборостроения, г.

Санкт-Петербург.Защита состоится "_____" ________________ 2015 г. в _____ часов _____ минутназаседаниидиссертационногосоветаД501.001.67вМосковскомгосударственном университете им. М.В. Ломоносова (119991, Москва, Ленинскиегоры, 1, стр.2, физический факультет, ауд. ________).С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московскогогосударственного университета им.

М.В. Ломоносова.Автореферат разослан "_____" ________________ 2015 г.Ученый секретарь диссертационного советаКоролев А.Ф.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияАкустооптическоевзаимодействие,тоестьдифракциясветанаиндуцированной ультразвуком дифракционной решетке в прозрачной для светасреде, известно в физике в течение нескольких десятилетий. Значительный вкладв изучение этого явления был внесен как отечественными, так и зарубежнымиучеными. В настоящее время акустооптическое взаимодействие находит широкиеприменения в устройствах управления лазерным излучением и оптическойобработки информации [1-4].

В первые десятилетия после своего открытия в1920-х гг. дифракция света на ультразвуке наблюдалась лишь в изотропныхсредах − жидкостях и аморфных материалах, и ее исследование носило, восновном,академическийхарактер.Предпосылкидлявозникновенияакустооптики как самостоятельного научно-технического направления появилисьпосле того, как в 1960-е гг. был изобретен лазер. Особые свойства лазерногоизлучения, такие как высокая когерентность, малая расходимость и значительнаяплотность мощности волнового пучка, потребовали поиска эффективныхспособов управления лазерным излучением.

Оказалось, что использованиедифракции света на ультразвуке позволяет создавать быстродействующие инадежные устройства для модуляции, сканирования, а также пространственной ивременной фильтрации световых пучков. Именно с 1960-х гг. начались весьмаактивные исследования дифракции света на ультразвуке, направленные как наразработку методов теоретического описания этого явления, так и на поиск новыхматериалов, представляющих интерес для использования в качестве средывзаимодействия. Важным шагом в развитии акустооптики в тот период сталоисследование и применение дифракции света на ультразвуке в кристаллах,характеризующихся анизотропией оптических и упругих свойств.

Уже к 1980-м гг.подавляющая часть акустооптических устройств была основана именно накристаллических материалах. Оптическая анизотропия среды взаимодействияпозволила реализовать значительное число режимов дифракции, которые не3могут наблюдаться в изотропных средах. При этом упругая анизотропия средывзаимодействия в течение значительного времени практически не принималась вовнимание ввиду того, что в используемых в тот период материалах она выраженавесьма слабо.В последние десятилетия все более широкое применение в акустооптикестали находить кристаллы, обладающие сильной анизотропией не толькооптических, но и упругих свойств.

Интерес к подобным средам объясняется тем,что они, как правило, характеризуются высокими значениями коэффициентовакустооптического качества, то есть позволяют реализовать эффективнуюдифракцию света при сравнительно низкой мощности ультразвуковой волны.Речьидет,впервуюочередь,окристаллахпарателлурита(TeO2),моногалогенидов ртути (Hg2Cl2, Hg2Br2, Hg2I2), теллура (Te) и некоторых других.Упругая анизотропия среды взаимодействия проявляется в том, что поток энергииультразвуковой волны оказывается направленным под некоторым углом понаправлению к фазовой скорости.

Величина этого угла, называемого углом сносаэнергии, может достигать, например, в кристалле парателлурита, величины 74о, всоединениях ртути 70о, а в кристалле теллура − величины 56о. Для сравненияследует отметить, что в кристаллах кварца и ниобата лития, широко применяемыхв акустооптических устройствах с 1970-х гг. и вплоть до настоящего времени,максимальное значение угла сноса не превышает 30о. При исследованииакустооптического взаимодействия в сильно анизотропных материалах оказалось,что процесс дифракции света на ультразвуковых волнах с большими углами сносаподчиняется ряду закономерностей, не характерных для волн с малым сносомэнергии или полным его отсутствием [5-8]. Очевидно, что выявление иисследование этих закономерностей представляет интерес не только дляразработки новых акустооптических приборов, но и как самостоятельная научнаязадача.

Таким образом, исследование дифракции света на ультразвуке в средах,обладающих сильной анизотропией как оптических, так и упругих свойств,является важной проблемой современной акустооптики.4Степень разработанности проблемыНеобходимостьспециальногоисследованиядифракциисветанаультразвуке в средах с сильно анизотропными свойствами возникла достаточнодавно. Процесс дифракции света на ультразвуке в средах с оптическойанизотропией был весьма подробно изучен в ряде исследований, проведенныхеще в 1970-е − 80-е гг. Однако влияние упругой анизотропии, то есть сносаэнергии ультразвуковой волны, на процесс акустооптического взаимодействия донастоящего времени не подвергалось исчерпывающему исследованию. Как былоотмеченовыше,подобноеположениеобъясняетсятем,чторанеевакустооптических устройствах чаще всего применялись ультразвуковые волны сосравнительно небольшими углами сноса энергии.

Тем не менее, проводилисьэкспериментальные исследования дифракции света на наклонных ультразвуковыхстолбах, которые позволили выявить влияние сноса энергии ультразвуковойволны на характеристики акустооптического взаимодействия [9-10].В настоящее время известно сравнительно немного работ, непосредственнопосвященных теоретическому исследованию дифракции света на ультразвуковыхволнах со сносом энергии [5-8]. Как правило, их авторы идут по путимодификацииужеизвестноготеоретическогоаппарата,описывающегоакустооптическое взаимодействие. При этом в математические соотношения,описывающие процесс дифракции света на ультразвуке, вносятся аддитивные илимультипликативные поправки, зависящие от угла сноса энергии ультразвука.Подобный подход позволяет в ряде случаев расширить область примененияизвестной теории акустооптического взаимодействия, однако не позволяетописать такие эффекты и режимы дифракции, которые принципиально не могутнаблюдаться в изотропных средах.

Ограничения существующих методовописания дифракции света на ультразвуке при их применении к средам с сильнойупругой анизотропией были впервые отмечены в работах [5-6].Следует отметить, что в акустооптике существует также ряд эффектов,остающихсямалоизученнымивсилутрудностиихэкспериментальнойреализации и применения. Например, именно по этой причине свойства5низкочастотного режима коллинеарного акустооптического взаимодействияисследованы в настоящее время значительно лучше, чем высокочастотного.Кроме того, известно, что экспериментальная реализация высокочастотногорежима сопряжена со значительными сложностями [11], хотя современныйуровень техники физического эксперимента, в принципе, позволяет возбуждатьультразвуковые волны с необходимыми для этого частотами [12].

Одним изважных свойств коллинеарного акустооптического взаимодействия является егоамплитуднаяневзаимностьИсследования[13-14].этогоэффектавнизкочастотном режиме коллинеарного взаимодействия показали, что для егопроявлениянеобходимыспециальныеусловия,возникающиелишьвспектральных акустооптических фильтрах с высоким разрешением. При этомвопрос о влиянии акустооптической невзаимности на процесс высокочастотногоколлинеарного взаимодействия до настоящего времени не рассматривался.Цели и задачи исследованияЦелью диссертационной работы явилось исследование процесса дифракциисвета на ультразвуке в средах, обладающих сильной анизотропией оптических иупругих свойств. Основное внимание уделено выявлению и рассмотрению техакустооптических эффектов, которые являются пренебрежимо малыми или вовсеотсутствуют при дифракции света на ультразвуке в изотропных и слабоанизотропных средах.Для достижения указанной цели оказалось необходимым сформулировать ирешить следующие задачи:1) Построение теоретической модели дифракции ограниченных световыхпучков на ультразвуке при произвольных направлениях распространениявзаимодействующих волн.2) Исследование свойств брэгговского режима дифракции света наультразвуке при больших углах падения и дифракции света в случае, когдаобласть взаимодействия ограничена в пространстве по двум координатам.6Определение условий, при которых такое ограничение существенно влияет нахарактеристики взаимодействия.3) Изучение нового (полуколлинеарного) режима акустооптическоговзаимодействия, объединяющего в себе признаки известных поперечного иколлинеарного режимов дифракции.