Автореферат (Особенности акустооптического взаимодействия в кристаллах с сильной акустической анизотропией)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 535.241ВОЛОШИН АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧОСОБЕННОСТИ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯВ КРИСТАЛЛАХ С СИЛЬНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙАНИЗОТРОПИЕЙСпециальность: 01.04.03 – радиофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорБалакший Владимир ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, заведующийотделом Пожар Витольд Эдуардович(НТЦ уникального приборостроения РАН)кандидат физико-математических наук, ведущийнаучный сотрудник Юшков Константин Борисович(НИТУ «МИСиС»)Ведущая организация:Акционерное Общество «Научно-исследовательский институт «Полюс» им.

М.Ф. Стельмаха»Защита состоится «____» ________ 2016 г. в ___ часов ___ минут на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.67 при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу:119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет,центральная физическая аудитория им. Р.В.Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «____» ________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2А.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьВ настоящее время акустооптические (АО) методы управления оптическимизлучением широко применяются в различных областях науки и техники. АО эффектпозволяет менять любые параметры световой волны: амплитуду, частоту, фазу,поляризацию и направление распространения.

Такие АО приборы, как модуляторы,дефлекторы и фильтры отличаются высоким быстродействием, низкой управляющеймощностью, простотой конструкции и высокой надежностью [1-4]. Эти достоинстваобеспечили их широкое применение не только в лазерной физике, но также визмерительной технике, экологии, медицине, военном деле и т.д.В современной акустооптике при изготовлении АО приборов в качестве средыАО взаимодействия используются преимущественно кристаллы, среди которыхособое место занимают такие материалы, как парателлурит (ТеО2), теллур (Те),каломель (Hg2Cl2), бромид ртути (Hg2Br2), TAS (Tl3AsSe3), ниобат лития (LiNbO3) идр., отличающиеся сильной анизотропией оптических и акустических свойств [2].Оптическая анизотропия определяет условие АО фазового синхронизма [2,3]. Чтокасается влияния акустической анизотропии на характеристики АО взаимодействия,то эта проблема до последнего времени оставалась вне поля зрения исследователей.Возможно, причина заключается в сложностях расчета АО эффекта с учетомреальной структуры акустических пучков в анизотропных средах.Акустическая анизотропия дает два основных эффекта.

Во-первых, меняетсяструктура акустического пучка [5]. Например, в парателлурите в направлении [110]расходимость пучка по потоку энергии в 52 раза превышает дифракционнуюрасходимость, вследствие чего дальняя дифракционная зона пучка оказываетсяфактически в пределах кристалла. Вторым эффектом, который тоже обусловленакустической анизотропией, является снос энергии в акустическом пучке [6].Например, в парателлурите угол сноса достигает 74°, а в теллуре – 49°. Снос пучка неменяет условие АО фазового синхронизма; может быть, поэтому на него не обращаливнимание ранее при изучении явления дифракции света на ультразвуке.

Лишь впоследнее время появились работы, посвященные изучению влияния акустическогосноса на характеристики АО дифракции [7,8]. Именно к этому направлениюисследований относится данная диссертационная работа.Следует отметить, что проблема дифракции света на акустическом пучке со3сносом близка к задаче дифракции света на наклонной (косой) дифракционнойрешетке, создаваемой голографическим методом в толстослойной фотоэмульсии илив фоторефрактивном кристалле. В настоящее время область применения статическихбрэгговских решеток очень широка.

Они используются в качестве брэгговских зеркалв полупроводниковых лазерах, при спектральном уплотнении каналов в ВОЛС, вгиперспектральных видео-фильтрах, для голографического хранения информации ит.д. [9,10]. Поэтому неудивительным является большое количество посвященных импубликаций.Анизотропная дифракция света, при которой происходит смена поляризациисветового излучения, в литературе по объемным голографическим решеткамотражена очень слабо.

Но даже существующие публикации имеют малое отношение кзадачам акустооптики. Дело в том, что используемые в АО приборах дифракционныерешеткиявляютсядинамическими.Меняяпараметрыакустическойволны(амплитуду, частоту и фазу), можно быстро перестраивать решетку, и именно этосвойство лежит в основе работы всех АО устройств. Во многих важных устройствах вАО ячейке возбуждаются акустические волны разных частот, поэтому важнойхарактеристикой является полоса рабочих частот f , которая определяет разрешениеи быстродействие приборов. Помимо частотной характеристики, важно знать такжеугловую характеристику, описывающую угловую селективность АО взаимодействия,и спектральную характеристику в тех случаях, когда через ячейку проходитоптический сигнал с широким спектром.

А поскольку в современной акустооптикеиспользуются в основном кристаллы, многие из которых отличаются сильнойанизотропией физических свойств, то изучение влияния акустической анизотропиисреды на характеристики АО взаимодействия является, несомненно, актуальнойзадачей.Первыми, кто обратил внимание на эту проблему, были А.С. Задорин иС.Н. Шарангович, которые в работе [11] решали задачу АО взаимодействия ванизотропной среде с учетом сноса волновых пучков. Однако анализа влияния сносана характеристикиАО дифракциипредставленоне было. В работе [12]В.Б.

Волошинов и О.Ю. Макаров, исследуя изотропную дифракцию света впромежуточном режиме АО взаимодействия, теоретически и экспериментальнопоказали, что при нормальном падении света снос акустической энергии приводит касимметрии в распределении интенсивности света по дифракционным максимумам.4В статье [7], также для варианта изотропной дифракции, был рассмотрен переход отрежима дифракции Рамана-Ната к дифракции Брэгга при увеличении параметраКляйна-Кука и показано, что угловая селективность АО взаимодействия растетбыстрее при наличии сноса акустической энергии. Влияние акустического сноса наработу АО дефлектора проанализировано в работе [8].Таким образом, несмотря на то, что задача дифракции света на наклонномакустическом столбе не может считаться абсолютно новой и, кроме того, имеетпрямой аналог в оптике голографических решеток, до сих пор не былоисчерпывающего исследования, позволяющего судить о том, как снос акустическогопучкаменяетхарактеристикиАОвзаимодействия.Именноврамкахсформулированной задачи лежат исследования данной диссертационной работы.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы явилось исследование особенностей АОвзаимодействия в кристаллах, обусловленных сильной анизотропией их оптических иупругих свойств.

Основное внимание уделено рассмотрению влияния сносаакустической энергии на характеристики дифракционного спектра и решению АОзадач в случае наклонных акустических пучков. Для достижения указанной целиоказалось необходимым сформулировать и решить следующие задачи:1. Получить строгое решение задачи дифракции света на дифракционнойрешетке конечной толщины, штрихи которой наклонены по отношению к ееграницам.2. Теоретически и экспериментально исследовать особенности дифракционногоспектра, возникающего при рассеянии световых волн на наклонных дифракционныхрешетках в режиме дифракции Брэгга, включая случаи как изотропного, так ианизотропного рассеяния.3. Численно, на примере АО кристаллов парателлурита и теллура, оценитьстепень влияния акустического сноса на угловые и частотные характеристики АОвзаимодействия в зависимости от геометрии взаимодействия, частоты ультразвука,поляризации падающего света и знака угла сноса.4.

Исследовать влияние акустического сноса на передаточные функции АОвзаимодействия и интегральную эффективность дифракции для различных геометрийАО взаимодействия.5. Получить решение задачи анизотропной дифракции света в периодически5неоднородномакустическомполе,возбуждаемомфазированнойрешеткойпьезопреобразователей.Научная новизна1. Строго решена задача дифракции света на дифракционной решетке конечнойтолщины, штрихи которой наклонены по отношению к границам решетки. Полученымодифицированные уравнения Рамана-Ната, описывающие дифракцию света наподобной решетке. Уравнения корректно описывают как изотропную, так ианизотропную дифракцию света на акустических пучках со сносом акустическойэнергии и дают возможность рассчитать все характеристики дифракционного спектрав раман-натовском, брэгговском и промежуточном режимах АО взаимодействия.2.

Для оценки степени влияния акустического сноса на характеристики АОвзаимодействия введены коэффициенты уширения и исследована их зависимость отуглов Брэгга, частоты ультразвука, поляризации падающего света и знака угла сноса.Установлено, что снос акустической энергии может существенно сказываться надиапазоне АО взаимодействия. В зависимости от выбора рабочих точек на частотнойзависимости угла Брэгга снос может приводить как к сужению, так и к расширениюугловых и частотных диапазонов. Изменение диапазонов может достигать несколькихраз, поэтому этот эффект следует учитывать при разработке АО приборов.3. Рассмотрена задача дифракции ограниченного светового пучка наакустическом пучке со сносом.

Показано, что в зависимости от положения рабочейточки акустический снос может существенно менять как форму, так и числовыезначения передаточной функции АО взаимодействия, что может создавать искаженияоптического изображения в дифрагированных пучках. Как следствие, акустическийснос может изменять интегральную эффективность дифракции как в большую, так именьшую сторону.4. Впервые решена задача анизотропной дифракции света в акустическом поле,создаваемом фазированной решеткой пьезопреобразователей. Показано, что в случаеантифазной решетки появляются дополнительные углы падения света, при которыхэффективность дифракции может достигать 100%. Частотная зависимость этих угловсущественно отличается от частотной зависимости углов Брэгга.

Доказано, что приопределенном подборе параметров фазированного пьезопреобразователя и срезаанизотропногокристалламожнообеспечитьэффективнуюдифракциюнеполяризованного оптического излучения в один дифракционный максимум. Этим6открываются перспективы для разработки АО приборов нового типа для управлениянеполяризованным излучением.Научная и практическая значимость работыТеоретическая значимость работы состоит в разработке и реализации новогометода расчета АО задач, позволяющего строго учитывать снос акустическойэнергии. При помощи предложенного метода оказалось возможным получитьхарактеристики дифракционного спектра с большой точностью, что подтвержденоэкспериментом. Выполненные впервые исследования анизотропной дифракции светав периодически неоднородном акустическом поле позволили выявить неизвестныеранее закономерности АО взаимодействия и продемонстрировать возможностьсоздания АО устройств управления неполяризованным светом.Практическая значимость работы заключается в возможности использования еерезультатов при разработке АО устройств и расчете их характеристик, а также присоздании АО устройств нового типа.Основные положения, выносимые на защиту1.