Коллинеарная дифракция света на ультразвуке в оптически анизотропной среде, страница 4

Эксперимент проводился на красном свете(λ = 632,8 нм), которому соответствует акустическая частота коллинеарной дифракции141I / I max0,8120,60,40,20883,0883,2883,4883,6F, МГцРис. 3. Зависимости интенсивности дифрагированного света от частоты ультразвукадля противоположно направленных световых пучковF ≈ 883 МГц (продольная мода, V = 6,6 км/с). Эффективность дифракции достигала 7 %при мощности ультразвука P ≈ 500 мВт и длине кристалла L = 4,1 см, что представляетсобой характерные значения для этого материала. На рис. 3 приведены зависимостиинтенсивности дифрагированного света от частоты ультразвука для двух направленийраспространения света.

На графике чётко видно несовпадение указанных кривых.Значение невзаимного сдвига оказалось равным δF ≈ (104 ± 10) кГц при ширине полосычастот взаимодействия ∆F ≈ (210 ± 10) кГц. Таким образом, в данном фильтре отношениеневзаимный сдвиг / полоса частот составляет величину δF/∆F ≈ 50 %. Так же как иразрешение, это отношение должно быть одинаковым по звуку и по свету, т. е.δF/∆F = δλ/∆λ.

Отсюда можно рассчитать разность длин волн падающего света,соответствующих условию синхронизма, при неизменном значении частоты ультразвука.В данном случае оно оказывается равным δλ ≈ 0,75 Ǻ. Независимость акустическойчастотысинхронизмаотзнакадифракционногопорядкатакжепроверенаэкспериментально.Таким образом, показано, что невзаимный эффект приводит к смещению полосыпропускания коллинеарного акустооптического фильтра.

На сверхвысоких акустическихчастотах это смещение оказывается сравнимым с шириной полосы, поэтому невзаимный15эффект должен учитываться при разработке акустооптических устройств, оперирующихтакими частотами. Учёт этого фактора становится особенно важным в случае, если вфильтре используется многократное прохождение света через ультразвуковой столб илименяется взаимная ориентация волновых векторов света и ультразвука. Однако даже вотсутствие многократных прохождений света через ячейку или каких-либо отраженийдобавка к акустической частоте брэгговского синхронизма, обусловленная эффектомДоплера, на сверхвысоких частотах может оказаться весьма существенной.В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:1. Показано, что оптически анизотропная среда с распространяющейся в нейакустической волной может рассматриваться как слоистая периодическая среда сразличной ориентацией соседних слоёв.

Полученные в рамках этой модели аналитическиевыражения для эффективности дифракции и коэффициента акустооптической (АО) связисогласуются с выражениями, полученными ранее другими АО методами. При помощиисчисления Джонса на основе разработанного метода проведены расчёты эффективностидифракции в наиболее распространённых АО материалах.2. Установлено, что угол поворота осей оптической индикатрисы под действиемакустической волны очень мал практически во всех двулучепреломляющих средах(порядка 10-4 – 10-5 радиан). В то же время, показано, что эффективность дифракции независит от величины двулучепреломления материала и, следовательно, от угла поворотаосей. Это означает, что в акустооптике одинаково успешно можно применять материалыкак с большим, так и с малым двулучепреломлением.3.

Впервые обнаружена и экспериментально исследована коллинеарная дифракциярасходящегося света на ультразвуке в направлении [110] парателлурита. Показано, чтодифракция в направлении, запрещённом для АО взаимодействия плоских волн, имеетместо при использовании расходящегося светового пучка. Установлено, что при длиневолны света λ = 0,63 мкм дифракция происходит в кристалле на частоте ультразвукаf = 149,2 МГц, а ширина акустического частотного диапазона растёт с увеличениемрасходимости света и при расходимости ~ 4° в воздухе составляет ∆f ≈ 50 кГц, чтосоответствует оптической полосе пропускания фильтра ∆λ = 2,1 Ǻ.4. Исследован макет АО фильтра на парателлурите, обладающий высокимспектральным разрешением (R ≈ 3000), большой эффективностью дифракции (80 %) иширокой угловой апертурой (несколько градусов).

Кроме того, установлено, чтопоперечная структура дифрагированного света – крестообразная с тёмным провалом вцентре – позволяет осуществлять дифференцирование (оконтуривание) оптическихизображений. Таким образом, доказана возможность создания коллинеарного фильтра на16основекристаллаTeO2,использующегорасходящийсяоптическийпучок,свозможностями дифференцирования изображений в монохроматическом свете.5.

Исследованы невзаимные свойства АО взаимодействия в режиме коллинеарнойдифракции. Получено аналитическое выражение и проведены расчёты различия частотультразвука, соответствующих условию синхронизма, при распространении света впротивоположных направлениях. Невзаимный эффект зарегистрирован экспериментальнов АО ячейке на кристалле ниобата лития. Установлено, что относительное смещениеполосы пропускания ячейки при изменении направления распространения света напротивоположное достигает в исследованном фильтре 50 %, что при ширине полосыпропускания фильтра по свету ∆λ = 1,5 Ǻ составляет величину δλ = 0,75 Ǻ.6.

Показано, что при приближении акустических частот к сверхвысокочастотномудиапазону сдвиг частоты ультразвука, обусловленный невзаимным эффектом, становитсясравнимым с шириной полосы пропускания коллинеарного фильтра. Эффект такжеусиливается при переходе на более короткие длины волн света.

Это доказываетнеобходимость учёта невзаимного эффекта при проектировании АО устройств с высокимспектральным разрешением и работающих на сверхвысоких акустических частотах.Список публикаций по теме диссертации1. Доброленский Ю.С. Экспериментальное исследование дифракции в запрещённомнаправлении в кристалле парателлурита. – Тезисы 10-й межд. конф. студентов,аспирантов и молодых учёных по фунд. наукам “Ломоносов-2003”, секция “Физика”. –М., 2003, стр. 138 – 140.2.

Доброленский Ю.С. Применение дифракции в запрещённом направлении дляфильтрации оптических сигналов и обработки изображений. – Тезисы 8-й межд. конф.“Системный анализ и управление”. – Евпатория, 2003, стр. 70.3. Dobrolenskiy Y.S., Parygin V.N. Experimental Research of Collinear Diffraction AlongDirection Forbidden by Crystal Symmetry in Paratellurite. – Abstracts 6th Int.

conf. for youngresearchers“WaveElectronicsandItsApplicationsintheInformationandTelecommunication Systems”. – St. Petersburg, 2003, pp. 40 – 41.4. Dobrolenskiy Y.S., Parygin V.N. Experimental Research of Collinear Diffraction AlongDirection Forbidden by Crystal Symmetry in Paratellurite. – Proc. 6th Int.

conf. for youngresearchers“WaveElectronicsandItsApplicationsintheTelecommunication Systems”. – St. Petersburg, 2003, pp. A2-29 – A2-32.17Informationand5. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B., Parygin V.N. Collinear Acousto-Optic Interaction ofDivergent Beams in Crystal of Paratellurite. – Archives of Acoustics (quarterly), 2004, v. 29,№ 3, p. 505.6. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B., Parygin V.N. Collinear Acousto-optic Interaction ofDivergent Beams in Paratellurite Crystal. – Proc.

SPIE, 2005, v. 5828, pp. 16 – 24.7. Доброленский Ю.С., Волошинов В.Б., Парыгин В.Н. Коллинеарная дифракциярасходящегося светового пучка на ультразвуке в кристалле парателлурита. – Опт. испектр., 2005, т. 98, № 4, стр. 673 – 678.8. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B., Parygin V.N. Collinear Acousto-Optic Filter on theBase of Paratellurite Crystal.

– Proc. 2nd Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers(CAOL-2005). – Yalta, 2005, pp. 208 – 211.9. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B. Efficiency of Collinear Acousto-Optic Interaction inAnisotropic Media. – Abstracts Int. Congress on Optics and Optoelectronics (COO-2005). –Warsaw, 2005, p. 116.10. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B. Efficiency of Collinear Acousto-Optic Interaction inAnisotropic Media.

– Proc. SPIE, 2005, v. 5953, pp. 59530B-1 – 59530B-9.11. Dobrolenskiy Y.S. Non-Reciprocal Effects of Acousto-Optic Interaction in BirefringentMedia. – Abstracts 35th Winter School on Wave and Quantum Acoustics. – Ustron, Poland,2006, p. 30.12. Dobrolenskiy Y.S. Non-Reciprocal Effects of Acousto-Optic Interaction in BirefringentMedia.

– Archives of Acoustics (quarterly), 2006, v. 31, № 1, p. 124.13. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B. Non-Reciprocal Effects of Acousto-Optic Interaction inOptically Anisotropic Media. – Abstracts 9th Int. conf. for young researchers “WaveElectronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, NonDestructive Testing, Security and Medicine”. – St. Petersburg, 2006, p. 22.14. Dobrolenskiy Y.S. Non-Reciprocal Effects of Acousto-Optic Interaction in VariousMaterials. – Scientific works 7th Int. young scientists conf.

“Optics and High TechnologyMaterial Science (SPO 2006)”. – Kiev, 2006, p. 114.15. Dobrolenskiy Y.S., Voloshinov V.B., Zyuryukin Y.A., Yulaev A.N. Non-Reciprocity ofAcousto-Optic Interaction: Investigation of Collinear Diffraction. – Abstracts 10th Int. conf.for young researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information andTelecommunication Systems”.

– St. Petersburg, 2007, p. 20.16. ДоброленскийЮ.С.,ВолошиновВ.Б.Эффективностьколлинеарногоакустооптического взаимодействия в анизотропной среде. – Вестн. Моск. ун-та, сер. 3,Физ., астр., 2007, № 3, стр. 30 – 34.1817. Доброленский Ю.С., Волошинов В.Б., Зюрюкин Ю.А. Влияние невзаимного эффектана работу коллинеарного акустооптического фильтра. – Квант. электр., 2008, т. 38,№ 1, стр. 46 – 50.19.