Автореферат (Особенности акустооптического взаимодействия в кристаллах с сильной акустической анизотропией), страница 3

Геометрия ячейки позволяла менять углы Брэгга в диапазонеот –20° до +5°, а цепь согласования пьезопреобразователя с ВЧ генераторомобеспечивала эффективное возбуждение ультразвука в частотном диапазоне от 50 до150 МГц. Эти диапазоны указаны экспериментальными точками на рис. 3,а, гдепредставлены все четыре ветви частотной зависимости углов Брэгга  B  f 0  дляанизотропной дифракции. Указаныособые точки АО взаимодействия: t – точкитангенциальной геометрии, d – точки дефлекторной геометрии, m – точкимодуляторной геометрии.13Рис.

3. Частотные зависимости углов Брэгга  B (a) и коэффициентовуширения B f (б) в 10.5 -м срезе кристалле парателлуритадля четырех ветвей анизотропного АО взаимодействия.На рис. 4,а представлена зависимость ширины частотных диапазонов f (кривая 1) и f 0 (кривая 2) от угла Брэгга  B для ветви +1e. Из сравнения кривыхвидно, что акустический снос приводит в сужению частотного диапазона АОвзаимодействия в области углов Брэгга от  5.65 до  30.1 , но при B  30.1ситуация становится обратной. В точке B  30.1 кривые пересекаются.

Этоозначает, что здесь акустический снос не влияет начастотную характеристику.Экспериментально измеренные значения f в каждой рабочей точке, задаваемойуглом Брэгга  B , изображены квадратными точками с указанием ошибки измерений;они подтверждают данные расчета с хорошей точностью.Рис. 4. Частотные диапазоны f для ветви +1e (а) и угловые диапазоны для ветви +1o (б) в зависимости от угла Брэгга  B .14Рис. 4,б показывает расчетные и экспериментально измеренные значенияугловых диапазонов   (кривая 1) и  0 (кривая 2) для ветви +1o. Видно, чтовлияние сноса акустической энергии сильнее выражено при больших углах Брэгга  B .Для количественной оценки влияния сноса акустической энергии использованыкоэффициенты уширения B fи B , учитывая при этом, что при B  1 онидействительно характеризуют степень уширения частотных и угловых диапазонов, апри B  1 – их сужение. Для рассмотренных срезов и всех четырех ветвейанизотропной дифракции были рассчитаны зависимости B f и B от частоты АОсинхронизмаf 0 .

На рис. 3,б представлены зависимостиB f  f 0  . Видно, чтоакустическая анизотропия сложным образом влияет на диапазон АО взаимодействия:она может приводить как к уширению частотного диапазона, так и к его сужению взависимости от положения рабочей точки на характеристике брэгговских углов.Установлены основные закономерности поведения коэффициентов уширения B f иB . Дано качественное объяснение этих закономерностей на основе векторныхдиаграмм АО взаимодействия.Одним из наиболее важных результатов оказался тот факт, что значениякоэффициентов уширения для частотных и угловых диапазонов B f и B полностьюсовпадают, несмотря на сильное различие частотных и угловых характеристик.Полученный результат говорит о том, что фазовая расстройка R0 меняет весьдиапазон АО взаимодействия в одинаковой степени при отстройке от синхронизмакак по частоте ультразвука, так и по углу падения.

В расчетном интервале угловБрэгга и частот ультразвука максимальное значение уширения оказалось равным 2для ветвей +1e и –1o. Минимальное значение В составило 0.059 для рабочей точки B  29.0 и f 0  33.7 МГц на ветви –1e, что означает сужение частотного и угловогодиапазонов в 17 раз.Была проанализирована область рабочих точек, в которых снос акустическойэнергии не оказывает влияния на характеристики АО взаимодействия. Такая ситуациявозможна лишь для ветвей +1е и –1o. Установлено, что в этих точках геометрия АОвзаимодействия такова, что вектора расстройки для вариантов   0 и   0 имеютодинаковую длину, несмотря на большое различие в их направлениях.В третьей главе была поставлена задача проанализировать, в первую очередь,15влияние знака сноса акустической энергии на характеристики АО дифракции.

Дляэтого был проведен детальный анализ АО взаимодействия в различных срезахкристалла теллура. Этот кристалл является весьма перспективным материалом дляизготовления АО приборов в среднем и дальнем ИК диапазоне благодаря уникальнобольшим значениям АО качества именно для анизотропной дифракции. Расчетыпроведены для длины волны излучения   10.6 мкм.Для этого кристалла был выполнен расчет акустических характеристик икоэффициентов АО качества, проанализированы частотные зависимости углов Брэггадля различных срезов кристалла, рассчитаны коэффициенты уширения для рабочихточек во всем выбранном диапазоне частот ультразвука и углов Брэгга.

Найденысрезы, обладающие большой симметрией акустических и оптических свойств иотличающиеся только направлением сноса акустической энергии. Среди них вплоскости XY для детального анализа выбраны два среза A и B с углами сноса A   25.3 и  B  25.3 , а также два среза C и D в плоскостях YZ и XZ с угламисноса  C  44.8 и D  37.8 .Зависимости коэффициентовуширения B f для этих срезов отчастотысинхронизмаf0представлены на рис. 5. Расчетвыполнен для ветвей +1е.

Видно,что,несмотрянасущественноеразличие частотных зависимостейугловРис. 5. Зависимость коэффициентовуширения B f от частоты синхронизмаf 0 для срезов A, B, C и D.Брэгга,качественныйхарактер кривых, относящихсяксрезам одного знака (А и D, B и С),один и тот же. Особый интереспредставляют кривые А и В, соответствующие срезам, отличающимся только знакамиуглов сноса. Для них влияние сноса имеет зеркально обратный характер.

На низкихчастотах ультразвука положительный снос приводит к сужению частотного диапазонаАО взаимодействия ( f   f 0 ); отрицательный же снос – к уширению ( f   f 0 ). Навысоких частотах ситуация противоположная. Влияние сноса оказывается оченьбольшим. Для частоты ультразвукаf 0  165 МГц коэффициент16B fA  достигаетзначения 2.4, а коэффициент B fB  равен 0.065, что соответствует сужению частотногодиапазона в 16 раз.Рис. 6.

Векторная диаграмма для среза А с учетом фазовой расстройки.Объяснение обнаруженных особенностей АО взаимодействия дано с помощьювекторных диаграмм (рис. 6), построенных для двух вариантов: с учетом сносаакустическойэнергиивекторрасстройкиηαперпендикуляренграницамакустического столба, а без учета сноса вектор расстройки η 0 перпендикуляренволновому вектору K . Плоскость АО взаимодействия для среза A перпендикулярнаоптической оси, поэтому волновые вектора падающего под углом  0 света k 0 идифрагированного света k 1 лежат на окружностях с радиусами 2  N e и 2  N o .Векторная диаграмма для низких частот ультразвука (волновой векторK' )замыкается при помощи вектора фазовой расстройки.

Видно, что длина вектора η αменьше длины η 0 , т.е. граничное значение η0 l   достигается при меньшейотстройке по частоте, а η l   – при большей отстройке, Это означает, что с учетомсноса акустической энергии частотный диапазон АО взаимодействия будет шире, т.е.B fA   1 . Для случая высокой частоты ( K' '  K' ) ситуация противоположна B fA   1 .Если же рассмотреть аналогичную векторную диаграмму для среза B, то будетясно, что она тождественна векторной диаграмме для рассеяния e-волны в –1-йпорядок дифракции для среза А. Отсюда следует, что для экспериментальной17проверкиразличияАОхарактеристикдлявариантовположительногоиотрицательного угла сноса нет необходимости изготавливать две ячейки ссимметричными срезами А и В.

Достаточно развернуть ячейку среза А на 180 вокругнормали к плоскости пьезопреобразователя. Тогда знак угла сноса изменится напротивоположный, а порядок дифракции поменяет свой знак. Это говорит о том, чтоважен не сам по себе знак угла сноса, а взаимное направление сноса и падающегосветового пучка. Поэтому для определения угла сноса в АО задачах в работе введеноследующее правило: если снос акустического пучка направлен влево, а светраспространяется справа налево, то реализуется отрицательный снос (рис. 6); если жеодно из направлений изменить на противоположное, то будет реализованположительный снос. Фактически это означает, что снос акустической энергииубирает изотропность АО взаимодействия, и эффект становится невзаимным.Прохождение света слева направо или справа налево дает различные диапазоны АОвзаимодействия.

У АО ячейки следует различать входную и выходную грань, которыенеобходимо указывать при изготовлении АО устройств.Четвертая глава посвящена изучению влиянию акустического сноса на АОдифракцию ограниченного светового пучка. Анализ проведен при помощиспектрального метода. При таком подходе АО ячейка рассматривается как фильтрпространственных частот с передаточной функцией T i  , зависящей от структурыакустического поля и геометрии АО взаимодействия. Получено выражение дляпередаточнойфункцииячейки,учитывающеесносакустическогопучкаиисследовано влияние сноса на вид передаточной функции в зависимости отположения рабочей точки на частотной характеристике угла Брэгга. Анализ проведендля кристалла парателлурита с углом среза 10.5 и сносом акустической энергии наугол   54.6 в плоскости взаимодействия (1 1 0) , а также для среза С в плоскостивзаимодействия YZ кристалла теллура с углом сноса   44.8 .Как пример, на рис.

7 показаны передаточные функции (точнее, их квадратT 2 i  ) АО ячейки из кристалла теллура для частоты ультразвука f 0  130.4 МГц,близкой к области тангенциальной геометрии, характеризующейся чрезвычайномалой угловой селективностью. Кривая 1 рассчитана с учетом сноса акустическойэнергии, а кривая 2 – при   0 . Видно, что акустической снос приводит к сильномуизменению передаточной функции.

При этом меняется как форма, так и числовые18значения передаточной функции, что может существенно изменить структурудифрагированного пучка. Передаточная функция описывает действие АО ячейки наотдельные компоненты углового спектра оптического сигнала. По ее виду можнопредставить, какие изменения произойдут в оптическом изображении в процессе АОвзаимодействия. Так, если через ячейку пропустить несущий изображение световойпучок с угловым спектром i  3.8 (это ширина передаточной функции 2 на рис.