Автореферат (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне)

На правах рукописиНикитин Павел АлексеевичОСОБЕННОСТИ АКУСТООПТИЧЕСКОГОВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ТЕРАГЕРЦЕВОМДИАПАЗОНЕСпециальность 01.04.03 —«радиофизика»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2017Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова­тельном учреждении высшего образования «Московский государственныйуниверситет имени М.В.Ломоносова».Научный руководитель:Волошинов Виталий Борисовичк.ф.-м.н., доцент кафедры физики колебанийфизического факультета Московского госу­дарственного университета им.

М.В. Ломоно­соваОфициальные оппоненты:Котов Владимир Михайлович,д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник лабо­ратории быстропротекающих оптических яв­лений в твердотельных структурах Фрязин­ского филиала Института радиотехники иэлектроники им. В.А. Котельникова РАНПерчик Алексей Вячеславович,к.т.н., доцент кафедры РЛ-2 Московскогогосударственного технического университетаим. Н.Э. БауманаВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Институт общей физикиим. А.М. Прохорова Российской академиинаук»Защита состоится « »2017 года вчасовминут на засе­дании диссертационного совета Д 501.001.67 при Московском государствен­ном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ле­нинские горы, 1, стр.

2, физический факультет, центральная физическаяаудитория им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московскогогосударственного университета им. М.В.Ломоносова и на сайте физическо­го факультета на странице диссертационного совета Д 501.001.67http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-67/Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного советаД 501.001.67,к.ф.-м.н., доцент»2017 года.Королёв Анатолий ФёдоровичОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияАкустооптическое (АО) взаимодействие широко применяется дляуправления такими параметрами электромагнитного излучения, как на­правление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза.Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощ­ности и высокому быстродействию АО устройства используются в спек­троскопии, оптической связи, системах обработки изображений, лазернойтехнике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световыхпучков [1–4].

К настоящему времени разработаны АО устройства, эффек­тивно работающие на длинах волн не более 10-20 мкм [5]. Использованиеподобных устройств в терагерцевом (ТГц) диапазоне сопряжено с труд­ностями, поскольку эффективность АО взаимодействия обратно пропор­циональна квадрату длины волны электромагнитного излучения.

На сего­дняшний день большинство АО приборов создаётся на основе кристалловпарателлурита (TeO2 ) [6]. Однако практически все используемые в АОмонокристаллические среды, а также жидкости, характеризуются в ТГцдиапазоне большим коэффициентом поглощения электромагнитного излу­чения. Обзор литературных данных показал, что наиболее прозрачнымив ТГц диапазоне средами являются полупроводники и неполярные жид­кости [7, 8]. Проведённый в работе анализ показывает, что использованиеТГц излучения позволит наблюдать трудно реализуемые в видимом диа­пазоне эффекты, такие как брэгговское отражение, полуколлинеарная ди­фракция, высокочастотное широкоапертурное взаимодействие и т.д. [9,10].Таким образом, изучение АО взаимодействия в ТГц диапазоне с цельюсоздания эффективных электронно управляемых АО устройств являетсяодним из перспективных направлений исследований.Одним из важных параметров, характеризующим эффективность АОвзаимодействия, является коэффициент АО качества 2 [9].

Он определя­ется лишь материальными параметрами среды и является принципиальноанизотропным [11–15]. Поэтому актуальной представляется задача поискаусловий, при которых АО качество максимально.Поскольку в ТГц диапазоне многие среды слабо прозрачны, то необ­ходимо учесть наличие поглощения электромагнитного излучения в среде.Отметим, что подобный математический аппарат разработан и использо­вался во многих работах, посвящённых дифракции электромагнитного из­лучения на голографических решётках [16–20]. Поскольку голографиче­ская решётка является стационарной структурой, то использованные тео­рии не позволяют оценить некоторые эффекты, наблюдаемые при АО вза­имодействии (например, доплеровский сдвиг частоты дифрагированного3излучения, затухание акустической волны и её расходимость, неоднород­ность звукового поля и др.).

Таким образом, в настоящее время остаётсяактуальной задача об одновременном учёте влияния поглощения электро­магнитного излучения и структуры акустического поля на характеристикиАО взаимодействия в приложении к ТГц и микроволновому диапазонамэлектромагнитного спектра.Степень разработанности проблемыКоличество работ, посвящённых АО взаимодействию в дальнем ИК,ТГц и субмиллиметровом диапазонах, чрезвычайно мало, несмотря на ис­ключительно большой интерес исследователей к данным спектральныминтервалам электромагнитного излучения [21–24].

В работе [21] описанырезультаты экспериментов по наблюдению дифракции субмиллиметрово­го излучения на волнах электронной концентрации в антимониде индия(n-InSb). В работе [22] было предложено использовать АО ячейку, изго­товленную из TPX пластика, для калибровки установки, использующейизлучение с длиной волны = 447 мкм.Важным с практической точки зрения является изучение АО дифрак­ции ТГц излучения ( = 119 мкм) на продольной акустической волне вмонокристалле германия, распространяющейся в направлении кристалло­графической оси [100] [23].

Эффективность дифракции достигала 1.5%,а угол разведения лучей составлял 7∘ . Столь высокие значения эффек­тивности дифракции были достигнуты благодаря использованию стоячейакустической волны. Недостатком подобного режима является то, что онреализуется лишь на отдельных фиксированных частотах звука .В работе [24] проведено исследование АО дифракции излучения сдлиной волны = 119 мкм на ультразвуке с мощностью порядка a =150 Вт. При использовании TPX пластика, полиэтилена и германия вели­чина отношения интенсивностей дифрагированного и падающего на АО(*)ячейку излучения составила 1 /0 = 0.07%. Кроме этого, АО дифракция(*)была реализована в неполярных жидкостях.

Величина 1 /0 в тетрахлор­метане и циклогексане достигала значения 0.5%.Математический аппарат, описывающей дифракцию электромагнит­ного излучения на голографической решётке, может быть модифицировандля корректного описания АО взаимодействия. Аргументом в пользу этогоможет служить тот факт, что голографическая решётка и периодическаяструктура, создаваемая акустическим полем, являются фазовыми объекта­ми и, как следствие, описываются схожими уравнениями. В известных ра­ботах [16–20] вводятся допущения, существенно ограничивающие областьприменения полученных соотношений.

К сожалению, известные теории непозволяют объяснить эффекты, связанные с поляризацией излучения, атакже с затуханием акустической волны. В работе [25] рассмотрена ди­4фракция пучка электромагнитного излучения на произвольном акустиче­ском поле лишь в оптически анизотропной прозрачной среде.Для простых сингоний предложен ряд методов анализа анизотропииАО качества 2 . При анализе в [11–13] рассматривался поворот тензо­ра фотоупругости ˆ. Однако, как показано в работе [14], данный методможет быть использован, например, для описания продольного пьезоэлек­трического эффекта, но не для акустооптического. Авторами предложенболее строгий метод анализа [15]. Указанный метод имеет существенныйнедостаток – он не учитывает направление волнового вектора и поляриза­цию дифрагированной электромагнитной волны.

Расчёты, основанные наперечисленных методах, позволяют в неявном виде получить значение АОкачества как функцию многих переменных. Поэтому ни один из них непозволяет напрямую определить оптимальные параметры АО взаимодей­ствия, при которых 2 достигает своего максимального значения.Цель и задачи диссертационной работыЦель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспери­ментальном исследовании особенностей АО взаимодействия в ТГц диапа­зоне. Особое внимание уделено выявлению новых закономерностей, а так­же созданию прототипов АО устройств, реализующих управляемое откло­нение и модуляцию пучка ТГц излучения.

Для достижения указанной целив диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:1. Разработка метода расчёта максимального значения коэффициентаАО качества монокристаллов кубической сингонии, прозрачных в ТГц диа­пазоне.2. Построение модели, описывающей АО дифракцию электромагнитно­го излучения в произвольном акустическом поле в оптически изотропнойсреде и учитывающей влияние поглощения электромагнитного излучения.3.

Численное моделирование брэгговского АО взаимодействия в куби­ческих кристаллах. Детальное рассмотрение коллинеарной и квазиортого­нальной геометрии АО взаимодействия с учётом затухания акустическойволны и поглощения электромагнитного излучения.4. Экспериментальное исследование АО дифракции ТГц излучения вмонокристаллах кубической сингонии, а также в неполярных жидкостях.Создание прототипа АО устройства для управляемого отклонения и моду­ляции пучка ТГц излучения.5.

Первая экспериментальная реализация АО взаимодействия в ТГцдиапазоне с использованием пучка электромагнитного излучения с орби­тальным угловым моментом (“закрученный” пучок).Научная новизна диссертационной работы1. Предложена методика расчёта максимального значения коэффици­ента АО качества кубических монокристаллов, позволяющая определять5оптимальную геометрию АО дифракции и параметры взаимодействующихволн.2. Разработана математическая модель АО дифракции в оптически изо­тропной среде, учитывающая не только затухание акустической волны, нои поглощение ТГц излучения в среде.3. Получено аналитическое решение задачи АО взаимодействия для ква­зиортогональной, прямой и обратной коллинеарной дифракции при соблю­дении и нарушении условия брэгговского синхронизма.4. Предсказан невзаимный эффект в случае обратной коллинеарной АОдифракции ТГц излучения, обусловленный различными условиями взаимо­действия из-за поглощения электромагнитной и акустической энергии.5.