Коллинеарная дифракция света на ультразвуке в оптически анизотропной среде

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В.ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 535.241.13:534Доброленский Юрий СергеевичКОЛЛИНЕАРНАЯ ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ В ОПТИЧЕСКИАНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЕСпециальность: 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 технических наук, ведущийнаучный сотрудник ИРЭ РАНС.Н.Антоновкандидатфизико-математическихнаук, старший научный сотрудникВНИИФТРИ В.М.ЕпихинВедущая организация:Федеральное государственноеунитарное предприятие НИИ«Полюс»Защита состоится 21 февраля 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 501.001.672А.Ф.КоролёвОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияВзаимодействие световых и звуковых волн (акустооптический эффект) заключаетсяв дифракции света на акустической волне. Это связано с тем, что акустическая(ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызываетпериодическоеизменениепоказателяпреломленияэтойсреды,т.е.являетсядифракционной решёткой. Так как среда при этом не теряет своей прозрачности для света,такаярешёткаявляетсяфазовой.Первыетеоретическиеиэкспериментальныеисследования акустооптической дифракции относятся к 20-м – 30-м годам XX века.Однако по-настоящему интенсивное развитие акустооптики и её практическогоприменения началось в 1960-е годы после создания лазеров и продолжается по сей день.В настоящее время на основе акустооптического эффекта создано большое числоразличных по принципу действия и назначению практических устройств, позволяющихуправлять интенсивностью оптического излучения (модуляторы), направлением егораспространения (дефлекторы), а также анализировать его спектральный состав ивыделять из входного сигнала узкую полосу частот (анализаторы спектра и фильтры).

Впоследнее время всё большее распространение получают системы оптической обработкиинформации. В таких системах также используются акустооптические элементы,позволяющие, например, осуществлять пространственную фильтрацию оптическихизображений в режиме реального времени, что является несомненным преимуществом.Кроме того, акустооптические устройства применяются при решении других задачрадиофизики: для анализа спектрального состава радиосигналов (также в режимереального времени), визуализации акустических полей и пр.

Наконец, дифракция света наультразвуке используется для исследования свойств материалов: определения скорости изатухания акустической волны, изучения анизотропии кристаллов и т. д.Подавляющее большинство акустооптических элементов (акустооптических ячеек)изготавливаются на основе кристаллов. При этом наиболее широкие возможности дляразнообразных практических применений открываются при использовании кристаллов,обладающих выраженной анизотропией как оптических, так и упругих свойств. С другойстороны, акустооптическая дифракция в анизотропной среде сама по себе представляетгораздо больший фундаментальный интерес, чем изотропный случай, тем более чтопоследний в основном уже хорошо изучен.

Поэтому внимание исследователей впоследнее время сосредоточено именно на анизотропных средах.3Однимизчастныхслучаевакустооптическоговзаимодействияявляетсяколлинеарное взаимодействие, при котором волновые векторы всех взаимодействующихволн направлены вдоль одной прямой. Такая геометрия обладает определённымипреимуществами. В частности, за счёт увеличения длины взаимодействия света иультразвука возрастает эффективность дифракции; кроме того, повышается селективностьакустооптическоговзаимодействия.взаимодействия,Поэтомучтоприводитксужениюколлинеарнаягеометриячащевсегополосычастотиспользуетсявакустооптических фильтрах.Однако реализация коллинеарной акустооптической дифракции во многих случаяхсопряжена с определенными проблемами. Две наиболее часто встречающиеся из них – этонесовпадение направлений фазовой и групповой скорости волны (как оптической, так иакустической), распространяющейся в кристалле, и симметрия структуры кристалла,приводящая к отсутствию фотоупругого и, следовательно, акустооптического эффекта.Преодолению этих трудностей уделяется в последнее время повышенное внимание.Вместе с тем, коллинеарное взаимодействие как частный случай анизотропнойдифракции представляет также и фундаментальный научный интерес.

Поскольку воптически анизотропной среде возможна как анизотропная, так и изотропная дифракция,выяснение физических механизмов, приводящих именно к анизотропной дифракции (втом числе коллинеарной) является важным для понимания физики акустооптическоговзаимодействия. Эти механизмы остаются до настоящего времени не до концаизученными.Наконец,развитиеакустооптическойтехникии,вчастности,повышениеразрешающей способности фильтров приводят к тому, что на работе акустооптическихприборов начинают сказываться эффекты, которыми до настоящего времени обычнопренебрегали.

К числу таких эффектов относится, например, эффект Доплера. Посколькунаибольшим разрешением обладают фильтры с коллинеарной (или квазиколлинеарной)геометрией взаимодействия, влияние эффекта Доплера скажется в первую очередь наработе именно таких устройств. Актуальность этой проблемы возрастает с повышениемчастот ультразвука, тенденция к которому также имеет место в современнойакустооптике.Решению вышеперечисленных задач, связанных с коллинеарным акустооптическимвзаимодействием в оптически анизотропных средах, посвящена данная диссертационнаяработа.4Цели диссертационной работыЦели диссертационной работы состояли в исследовании различных аспектовколлинеарного акустооптического взаимодействия в оптически анизотропной среде как сточки зрения фундаментальной науки, так и в свете практических примененийколлинеарной дифракции в акустооптических фильтрах.

В работе были поставленыследующие задачи:1.Теоретическое исследование коллинеарной анизотропной дифракции света наультразвуке, в частности исследование среды акустооптического взаимодействия какслоистой оптически анизотропной среды с различной ориентацией соседних слоёв.Оценка эффективности дифракции в рамках разработанной модели.2.Экспериментальноеобнаружениеиисследованиеколлинеарнойдифракциирасходящегося светового пучка на ультразвуке в кристалле парателлурита вдольнаправления, в котором взаимодействие плоских волн не имеет места.3.Теоретическоеиэкспериментальноеисследованиеневзаимныхсвойствакустооптического взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции, в частностиобусловленного эффектом Доплера различия акустических частот брэгговскогосинхронизма при распространении света в противоположных направлениях.

Оценкавлиянияуказанногоэффектанаполосыпропусканияколлинеарныхакустооптических фильтров.Научная новизна работы1.Показано, что оптически анизотропная среда с распространяющейся в нейакустической волной подобна слоистой периодической среде с различнойориентацией соседних слоёв. В рамках разработанного метода дано объяснениенезависимости эффективности дифракции от величины двулучепреломленияматерила.2.Впервые обнаружено и экспериментально исследовано явление коллинеарнойдифракции расходящегося света на ультразвуке в кристалле парателлурита внаправлении, запрещённом для акустооптического взаимодействия плоских волн.Показано, что при использовании расходящегося света коллинеарная дифракцияимеет место.

Измерены эффективность и полоса частот дифракции.3.Исследованы невзаимные свойства акустооптического взаимодействия в режимеколлинеарнойдифракции,соответствующихусловиювчастностисинхронизма,5несовпадениепричастотультразвука,распространениисветавпротивоположных направлениях. Получено аналитическое выражение и проведенырасчёты разности этих частот в различных материалах. Невзаимный эффектзарегистрирован и исследован экспериментально в кристалле ниобата лития;результаты эксперимента оказались в хорошем соответствии с теорией.Практическая значимость работыУстановлено,чтовеличинадвулучепреломленияматериаланевлияетнаэффективность дифракции.

Это означает, что в акустооптике могут одинаково успешноприменяться материалы как с большим, так и с малым двулучепреломлением.Обнаруженное явление коллинеарной дифракции расходящегося светового пучка наультразвуке в запрещённом направлении может быть использовано на практике. Вчастности, высокая эффективность дифракции и узкая полоса частот взаимодействияделают возможным создание коллинеарного фильтра на кристалле парателлурита сиспользованиемрасходящегосясвета.Крометого,поперечнаяструктурадифрагированного света позволяет осуществлять дифференцирование (оконтуривание)оптических изображений.Показано, что при приближении акустических частот к сверхвысокочастотномудиапазону доплеровские сдвиги частоты ультразвука становятся сравнимыми с ширинойполосы пропускания коллинеарного фильтра. Это обстоятельство должно учитыватьсяпри проектировании акустооптических устройств, обладающих высоким разрешением иработающих на сверхвысоких акустических частотах.

Такой учёт становится особенноважным для систем с многократным прохождением света через ультразвуковой столб илииспользующих отражение оптических и/или акустических пучков.Теоретическая значимость работыРазвита теория коллинеарного акустооптического взаимодействия, в частности,разработан новый подход к изучению коллинеарной анизотропной дифракции на основеоптики анизотропных сред.

Показано, что коллинеарное взаимодействие оптической иакустической волн в акустооптической ячейке может рассматриваться как процессраспространения света через последовательность повёрнутых друг относительно другадвулучепреломляющих пластин.