Диссертация (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 ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕВ СРЕДАХ С СИЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ01.04.03 − радиофизикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководителькандидат физ-мат. наук, доцентВОЛОШИНОВ В.Б.Москва − 2015−2−ОГЛАВЛЕНИЕВведение ..............................................................................................................................................4Глава 1. Описание акустооптического взаимодействия двумерным уравнениемсвязанных мод .....................................................................................................................................

151.1. Проблема описания дифракции света на ультразвуке в анизотропных средах ........... 151.2. Упрощенный вывод двумерного уравнения связанных мод .......................................... 191.3. Вывод двумерного уравнения связанных мод с учетом поляризации света ................

261.4. Постановка задачи для уравнения связанных мод .......................................................... 341.5. Уравнение связанных мод в неоднородном акустическом поле ................................... 391.6. Особенности двумерного описания дифракции по сравнению с одномерным ...........40Основные результаты главы 1 .................................................................................................. 45Глава 2. Решение двумерного уравнения связанных мод в случае дифракции Брэгга ................

462.1. Постановка задачи дифракции Брэгга .............................................................................. 462.2. Решение задачи в виде функций Бесселя ......................................................................... 492.3. Решение задачи в приближении малой эффективности дифракции ............................. 542.4.

Дифракция Брэгга в неоднородном ультразвуковом поле ............................................. 582.5. Метод последовательных приближений и численное решение ....................................602.6. Пространственное ограничение области взаимодействия и его влияние напроцесс дифракции .................................................................................................................... 65Основные результаты главы 2 .................................................................................................. 75Глава 3.

Коэффициенты акустооптического качества в сильно анизотропной среде .................763.1. Зондирование акустического поля в кристалле парателлурита ..................................... 763.2. Вычисление коэффициентов акустооптического качества из двумернойтеории взаимодействия ............................................................................................................. 813.3.

Зондирование акустического поля в парателлурите. Экспериментальноеисследование .............................................................................................................................. 90Основные результаты главы 3 .................................................................................................. 97−3−Глава 4. Особенности взаимодействия при больших углах дифракции.Полуколлинеарный режим взаимодействия ....................................................................................984.1. Взаимодействие при больших углах дифракции и переход кполуколлинеарному режиму ....................................................................................................

984.2. Двумерное уравнение связанных мод и его решение при полуколлинеарнойдифракции .................................................................................................................................. 1014.3. Особенности обмена энергией между дифракционными порядками приполуколлинеарном взаимодействии ........................................................................................ 1074.4. Влияние затухания ультразвуковой волны на свойства полуколлинеарногорежима дифракции ....................................................................................................................

1134.5. Полуколлинеарное взаимодействие при падении света вдоль ультразвуковогостолба .......................................................................................................................................... 1174.6. Выбор условий для наблюдения полуколлинеарной дифракции .................................. 1214.7. Эксперимент по наблюдению полуколлинеарной дифракции в парателлурите126Основные результаты главы 4 ..................................................................................................

133Глава 5. Низкочастотное и высокочастотное коллинеарное взаимодействие.Амплитудная невзаимность ............................................................................................................... 1355.1. Переход от двумерного уравнения связанных мод к одномерному .............................. 1355.2.

Влияние затухания ультразвуковой волны на свойства низкочастотного ивысокочастотного коллинеарного взаимодействия ............................................................... 1415.3. Амплитудная невзаимность и условия ее наблюдения .................................................. 148Основные результаты главы 5 ..................................................................................................

157Заключение .......................................................................................................................................... 158Литература ........................................................................................................................................... 159Указатель рисунков и таблиц ............................................................................................................. 171−4−Илм қилиш − қудуқ игна билан қазиш билан баробарЎзбек мақолЗаниматься наукой − это всё равно, что копать колодециголкойУзбекская пословицаВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияДифракция света на ультразвуке, или акустооптическое взаимодействие, известно вфизике в течение нескольких десятилетий.

Значительный вклад в изучение этого явления былвнесен как отечественными, так и зарубежными учеными. В настоящее время акустооптическоевзаимодействие находит широкие применения в устройствах управления лазерным излучениеми оптической обработки информации [1-19]. В первые десятилетия после своего открытия в1920-х гг. дифракция света на ультразвуке наблюдалась лишь в изотропных средах − жидкостяхи аморфных материалах, и ее исследование носило, в основном, академический характер.Предпосылки для возникновения акустооптики как самостоятельного научно-техническогонаправления появились после того, как в 1960-е гг. был изобретен лазер, представляющийсобой оптический квантовый генератор.

Особые свойства лазерного излучения, такие каквысокая когерентность, малая расходимость и значительная плотность мощности волновогопучка, потребовали поиска эффективных способов управления лазерным излучением.Оказалось, что использование дифракции света на ультразвуке позволяет создаватьбыстродействующие и надежные устройства для модуляции, сканирования, а такжепространственной и временной фильтрации световых пучков.

Именно с 1960-х гг. началисьвесьма активные исследования дифракции света на ультразвуке, направленные как наразработку методов теоретического описания этого явления, так и на поиск новых материалов,представляющих интерес для использования в качестве среды взаимодействия. Важным шагомв развитии акустооптики в тот период стало исследование и применение дифракции света наультразвуке в кристаллах, которые, как известно, характеризуются анизотропией оптических иупругих свойств.

Уже к 1980-м гг. подавляющая часть акустооптических устройств былаоснованаименнонакристаллическихматериалах.Оптическаяанизотропиясредывзаимодействия позволила реализовать значительное число режимов дифракции, которые не−5−могут наблюдаться в изотропных средах. При этом упругая анизотропия среды взаимодействияв течение значительного времени практически не принималась во внимание ввиду того, что виспользуемых в тот период материалах она выражена весьма слабо.В последние десятилетия все более широкое применение в акустооптике стали находитькристаллы, обладающие сильной анизотропией не только оптических, но и упругих свойств.Интерес к подобным средам объясняется тем, что они, как правило, характеризуются высокимизначениями коэффициентов акустооптического качества, то есть позволяют реализоватьэффективную дифракцию света при сравнительно низкой мощности ультразвуковой волны.Речь идет, в первую очередь, о кристаллах парателлурита (TeO2), моногалогенидов ртути(Hg2Cl2, Hg2Br2, Hg2I2), теллура (Te) и некоторых других.

Упругая анизотропия средывзаимодействия проявляется в том, что поток энергии ультразвуковой волны оказываетсянаправленным под некоторым углом по направлению к фазовой скорости. Величина этого угла,называемого углом сноса энергии, может достигать, например, в кристалле парателлурита,величины 74о, а в кристалле теллура − величины 56о. Для сравнения следует отметить, что вкристаллах кварца и ниобата лития, широко применяемых в акустооптических устройствах с1970-х гг. и вплоть до настоящего времени, максимальное значение угла сноса не превышает30о.