Диссертация (Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов как материалы для акустооптики), страница 2

Измерены значения скоростей звука и вычислены на их основе упругиеконстанты кристаллов KGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , позволяющиеопределять скорости и поляризации звуковых волн для произвольныхнаправлений распространения в этих материалах, что необходимо для расчетахарактеристик акустооптических устройств.-- 6 --2. Измеренные значения коэффициентов акустооптического качества кристалловKGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , и вычисленные по этим даннымфотоупругиемодули,позволяютопределитьудельнуюэффективность«изотропной» дифракции световых волн на фазовой дифракционной решетке,созданной ультразвуком, для произвольных направлений распространения.3. Разработанные и апробированные методы определения значений компоненттензора упругости cαβ и фотоупругости pαβ, позволяют проводить измерения ивычисления cαβ и pαβ для моноклинных кристаллов класса 2/m.4.

ВыявленыакустооптическиехарактеристикилазерныхкристалловKGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , позволяющие создавать на их основеэффективные устройства для управления высокоинтенсивным лазернымизлучением.Личный вклад автораВсе результаты, представленные в работе, получены диссертантом лично, либо всоавторстве при его непосредственном участии.Научная новизна результатов и выводов1.В полном объеме исследованы акустические свойства монокристалловсемейства калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO4)2, где RE = Gd,Yb и Lu.

Впервые определены полные матрицы констант жесткости средсαβ в кристаллофизической системе координат. Рассчитаны и построеныугловые диаграммы скоростей звука в пяти плоскостях, наиболееинтересных с точки зрения практического применения. Показано, чтозначения скоростей обладают значительной угловой дисперсией и этонеобходимо учитывать и можно использовать при разработке акустическихи акустооптических устройств на основе рассматриваемых кристаллов.2.Впервые были измерены коэффициенты акустооптического качества M вслучае изотропной дифракции (с сохранением плоскости поляризации) вKRE(WO4)2, где RE = Gd, Yb и Lu.-- 7 --3.По этим данным определены величины соответствующих фотоупругихмодулей pαβ. Полученные результаты позволяют утверждать, что кристаллысемействаKRE(WO4)2являютсязаметноболееэффективнымиакустооптическими материалами, чем кварц SiO2.Практическая значимость работы1.Показано, что кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматовKRE(WO4)2, где RE = Gd, Yb и Lu, могут быть эффективно использованы вприменениях, использующих акустооптические эффекты и требующихвысокой лучевой стойкости.2.Разработан и испытан АО модулятор с высокой лучевой стойкостью,слабо чувствительный к поляризации падающего света.3.Предложены схемы нескольких акустооптических устройств на основеисследуемых оптически двуосных материалов.

Показана возможностьсоздания принципиально новых устройств акустооптики, например,дефлектора с большой угловой апертурой. Проведена оценка возможныхпараметров таких устройств, в том числе определены их рабочиеультразвуковыечастоты.Проанализированавозможностьсозданияустройства нового типа, обеспечивающего и генерацию излучения, иуправление добротностью в одном кристалле.4.Разработаны и аттестованы две методики Государственной службыстандартных справочных данных ГСССД: «Методика экспериментальногоопределения упругих характеристик лазерных кристаллов моноклиннойсингонии для задач акустооптики» и «Методика экспериментальногоопределенияфотоупругиххарактеристиклазерныхкристалловмоноклинной сингонии для задач акустооптики».Апробация работыОсновныерезультатыисследованийдокладывалисьмеждународных и всероссийских конференциях:наследующих-- 8 --1.

21st Annual Student Conference «Week of Doctoral Student 2012», Prague, CzechRepublic, 2012;2. 15th international conference on “Laser Optics 2012”, St. Petersburg, Russia, 2012;3. VII Международная конференция “Фундаментальные проблемы оптики-2012”Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.;4. Фотоника и информационная оптика, МИФИ, Москва, Россия, 2013 г.;5.

Научно-практическаяконференциямолодыхученых,аспирантовиспециалистов «Метрология в XXI веке», Менделеево, Россия, 2013г.;6. ICONO/LAT’13 (International Conference on Coherent and Nonlinear Optics; andLasers, Applications, and Technologies), Moscow, Russia, 2013;7. 6-ая и 7-ая конференции «Акустооптические и радиолокационные методыизмерений и обработки информации» ARMIMP 2013 и 2014, Суздаль, Россия;8. XIV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородныхсредах» («Волны-2014»), Красновидово, Россия, 2014 г.;9. 12th School on Acousto-Optics and Applications, Druskininkai, Lithuania, 2014.Разработанные методы сформулированы в виде сертифицированных методик:1.

Методика ГСССД МЭ 214 - 2013; Росс. научно-техн. центр информации постандартизации, метрологии и оценке соответствия;2. Методика ГСССД МЭ 225 - 2014; Росс. научно-техн. центр информации постандартизации, метрологии и оценке соответствия.ПубликацииМатериалы диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в томчисле в 4 статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, в 9докладах в сборниках трудов конференций.-- 9 --Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из Введения, 3 Глав и Заключения, изложена на109 страницах и содержит 27 рисунков, 13 таблиц, 1 Приложение и 111библиографических ссылок.-- 10 --Глава 1.Определениеупругиххарактеристиккристаллическихматериалов симметрии 2/m на примере семейства KRE(WO4)2Содержание главы 1:Глава 1. Определениеупругих характеристик кристаллических материаловсимметрии 2/m на примере семейства KRE(WO4)2 ................................................... 101.1Введение к главе 1.

Упругость среды ................................................................ 101.2Теоретические основы экспериментального исследования упругих свойствмоноклинных кристаллов ............................................................................................. 131.2.1Направления ориентации кристаллических образцов ............................ 151.2.2Схема установки для исследования скоростей распространенияупругих волн в кристаллических материалах ............................................................

181.2.3Физические свойства кристаллов KRE(WO4)2 , необходимые дляисследования упругих характеристик ......................................................................... 221.3ИзмерениескоростейраспространенияупругихволнвкристаллахKRE(WO4)2 ..................................................................................................................... 261.4Определение констант жесткости кристаллов KRE(WO4)2 ............................. 291.5Угловые диаграммы скоростей распространения упругих волн .................... 361.6Дифракционные картины Шеффера-Бергмана ................................................. 411.7Результаты работы, изложенной в Главе 1 .......................................................

441.1 Введение к главе 1. Упругость средыУпругие характеристики определяют механические и акустические свойствакристаллической среды. Они определяют реакцию кристалла на механическиенагрузки, что прямо или косвенно учитывается при использовании материала влюбом качестве. Эти характеристики играют также ключевую роль прииспользовании материала в качестве основы функциональных элементов иустройств в акустике, акустооптике, акустоэлектронике, ультразвуковой технике[5].

Кроме этого, скорость звука в материале чувствительна к структуре и-- 11 --состоянию кристаллического образца, что может использоваться в качествеконтролируемой величины при создании индикаторов и измерителей различныхфизических характеристик, таких например как температура, наличие примесейили адсорбированных веществ на поверхности.В кристаллах фазовая скорость звуковой волны зависит как от направленияраспространения упругой волны, так и от ее поляризации (моды). Полностью этазависимость определяется тензором упругости материала Cijkl, следовательно,определение скорости звука не сводится только к одному измерению, апредставляет собой сложную многоступенчатую процедуру.Существует несколько различных подходов к определению скоростейраспространения упругой волны, различающихся степенью сложности измерений,необходимым количеством материала и точностью измерений.

Конкретныйспособизмеренийзависитотсвойствматериала,вособенностиоткристаллического класса, к которому принадлежит материал. Так как именнокристаллической структурой определяется число ненулевых компонент тензораупругости и их соотношения.Прежде всего, определение скорости распространения упругих волн можетосуществляться напрямую, например, по временной разнице между звуковымиимпульсами, распространяющихся в ограниченном объеме.

На этом основаншироко известный и давно применяемый метод эхо-импульсов. Для повышенияточности определения скоростей, этот метод был дополнен фазо-импульсноймодуляцией методом МакСкимина [6] или Вильямса. Ультразвуковые методыможно разделить на «резонансные» и «прямые». Резонансные методы основанына определении собственной частоты материала. Квазинепрерывные резонансныеметоды используют составные бруски для достижения плавного градиентаакустического импеданса от материала, в котором возбуждают сигнал, сисследуемым материалом.В случае, если затухание упругих волн в среде слишком высоко дляиспользованияимпульсныхметодов,могутприменятьсяиныеспособыопределения скорости распространения акустически мод – например, основанные-- 12 --на рассеянии оптического излучения (например, рассеяние МандельштамаБриллюэна [7], или с использование акустооптического взаимодействия). Такжеприменяют возбуждение и детектирование упругих волн в твердом теле спомощью мощных лазерных импульсов (оптоакустические методы).

Такиеметоды требуют создания измерительного стенда со сложной оптической частьюи имеют худшую точность, в том числе из-за погрешностей юстировки.Таким образом, определение всех коэффициентов матрицы оказываетсясложной задачей, особенно для материалов низкой симметрии, а потомуразработка и апробация измерительных методик является актуальной задачей.Нижеприведенырезультатыизмеренияупругихсвойствмоноклинныхкристаллов, включая обоснование (теоретические основы) метода и описаниеиспользуемыхсистемкоординат,способовпредварительнойподготовкиобразцов, измерительной аппаратуры и алгоритма измерений и вычислений.Известные значения компонент тензора упругости сαβ необходимы длямоделирования как задач распространения акустической волны в среде, так изадач возбуждения звуковой волны в ограниченном пространстве [8].