Диссертация (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне), страница 13

Каквидно из результатов расчёта, приведённых на рисунках 2.34 и 2.35, зависимостьоптимальной длины и эффективности АО взаимодействия от коэффициента за­тухания акустической волны имеет приблизительно такой же вид, как и в случае⃗0 ↑↑ .⃗92Рисунок 2.34 — Зависимость максимально достижимой эффективности АОВ1opt от параметров и Рисунок 2.35 — Зависимость оптимальной длины АОВ opt от параметра при различных значениях вблизи локального максимума93Основные результаты раздела 2.2 Главы 2Установлено, что в ряде случаев интенсивность дифрагированного излу­чения убывает при больших длинах акустооптического взаимодействия. Такимобразом, существует некоторая оптимальная длина, при которой эффективностьдифракции максимальна. Показано, что при синхронном взаимодействии опти­мальная длина определяется только свойствами среды и не зависит от мощностиакустической волны.Из результатов численного моделирования следует, что полоса акустоопти­ческого взаимодействия также зависит только от свойств среды.

Аппроксимациязависимостей для оптимальной длины и полосы акустооптического взаимодей­ствия позволила получить аналитические соотношения для указанных величин,характеризующиеся относительной погрешностью 5%.Доказано, что в случае обратного коллинеарного синхронного акустооп­тического взаимодействия при смене направления распространения электромаг­нитной волны нулевого порядка на противоположное изменяется не только ве­личина интенсивности дифрагированного излучения, но и значение полосы аку­стооптического взаимодействия.

Таким образом, принципиален тот факт, чтоприрода рассмотренного невзаимного эффекта не связана с нарушением усло­вия брэгговского синхронизма в следствие эффекта Доплера. Установлено, чтоэффект должен проявляться только при одновременном наличии затухания аку­стической волны и поглощения электромагнитного излучения в среде.94Глава 3. Экспериментальное исследование акустооптическоговзаимодействия в терагерцевом диапазоне3.1 Выбор кристаллического материала акустооптической ячейкиОсновной трудностью, с которой сталкиваются исследователи при изу­чении АО взаимодействия в ТГц диапазоне, является непрозрачность многихтрадиционных материалов АО ячейки, таких как неполярные жидкости, пье­зоэлектрики и сегнетоэлектрики.

Атмосфера также характеризуется полосаминепрозрачности из-за наличия паров воды [95]. Данный фактор является опре­деляющим при выборе длины волны ТГц излучения. На рисунке 3.1 приведёназависимость коэффициента пропускания 20 см слоя воздуха от длины волны,измеренная в Новосибирском институте ядерной физики. Как следует из ука­занной зависимости, атмосфера характеризуется двумя окнами прозрачности сцентрами около 130 мкм и 140 мкм. Поэтому выполненный цикл исследованийпроводился с использованием ТГц излучения указанных диапазонов.На основании литературных данных [13] была построена диаграмма, при­ведённая на рисунке 3.2, отражающая связь коэффициента поглощения α ТГцизлучения и показателя преломления для всех приведённых в [13] кристалли­ческих сред.

Каждая точка на диаграмме соответствует конкретному материа­лу. Значения и α приведены для длины волны 130 мкм. Из рисунка 3.2 следует,что большинство кристаллических сред характеризуется значениями коэффици­ента преломления 2.5 < < 4. В то же время, можно отметить следующий факт– чем больше показатель преломления , тем больше коэффициент поглощенияα. Очевидно, что рекордные значения показателя преломления достигаются вполосе непрозрачности данного материала, поэтому необходимо искать компро­мисс между показателем преломления и потерями на поглощение [96].К сожалению, в справочной литературе [13] не приводятся данные по про­зрачности многих акустооптических кристаллов в ТГц диапазоне. Для уточне­ния указанных свойств были использованы различные образцы, доступные влаборатории специализации.

На предварительном этапе была поставлена зада­ча: определить прозрачен образец на длине волны 130 мкм или нет. Для решенияэтой задачи был экспериментально определён коэффициент пропускания. Тол­95Рисунок 3.1 — Поглощение ТГц излучения в атмосфереРисунок 3.2 — Оптические свойства кристаллических сред в ТГц диапазоне96щина образцов составляла от 0.5 см до 1 см. Для просвечивания были использо­ваны следующие монокристаллические образцы: TeO2 , SrTiO3 , As2 Se3 , Hg2 Cl2 ,HIO3 , Pb2 MoO5 , Bi12 SiO20 , LiNbO3 , LiTaO3 , CaCO3 , а также стёкла: Si20 Te80 ,Ge30 Se30 Te40 , Ge30 Se20 Te60 , Ge25 Se15 Te60 .Исследование показало, что интенсивность прошедшего излучения черезвсе указанные образцы уменьшается более чем в 104 раз.

Исключение состави­ло лишь стекло Si20 Te80 , которое при толщине 0.75 см ослабило ТГц излучениев 400 раз. Дополнительное изучение ряда работ, посвящённых дисперсии ди­электрических свойств материалов, подтвердило непригодность использованияследующих сред: TeO2 [97], SrTiO3 [98], As2 Se3 [99], Bi12 SiO20 [13], LiNbO3 [13],LiTaO3 [13], CaCO3 [13].Поскольку к настоящему времени в литературе отсутствуют данные о фо­тоупругих свойствах большинства веществ в ТГц диапазоне, то критерием вы­бора материала для изготовления АО ячейки может являться величина пара­метра, пропорционального интенсивности дифрагированного излучения:1normπ2 6a exp(−α · ),= 22λ ρ 3(3.1)где скорость продольной акустической волны рассчитывалась по формуле√︀ = 11 /ρ, а в качестве и a необходимо подставить характерные значения1 см и 1 Вт. В таблице 3.1 приведены значения плотности ρ, упругой постоян­ной 11 и скорости звука . Все значения действительной и мнимой частейкомплексного показателя преломления взяты из справочника под редакцией Па­лика [13].

На основе указанных литературных данных была рассчитана величи­на показателя поглощения электромагнитного излучения α = 4π/λ, а такжевеличина параметра 1norm . Поскольку большинство кристаллических сред ока­зались непрозрачны на длине волны 130 мкм, то при составлении таблицы 3.1были выбраны только среды с α 6 1 см−1 и значениями параметра 1norm , отли­чающимися не более, чем на 2 порядка.Как следует из таблицы 3.1, наиболее перспективным материалом с точ­ки зрения акустооптики является GaSb. Однако его фотоупругие свойства до­подлинно неизвестны даже в видимом диапазоне. Следующие три материалахарактеризуются примерно одинаковыми значениями параметра 1norm .

Поэто­му для проведения исследований целесообразно использовать монокристалличе­ский германий (Ge), так как, во-первых, он характеризуется наиболее простымтипом кристаллической решётки (кубическая, класс m3m), а, во-вторых, он по97Таблица 3.1 — Акустические, оптические и АО свойства кристаллическихв ТГц диапазоне при квазиортогональной дифракцииρ,11 ,,,α,средаг/см31011 Пакм/с10−3см−1GaSb5.61 [81]0.88 [81]3.974.00 [13] 0.72 [13] 0.65CdTe6.20 [81] 0.54 [100]2.943.35 [13] 1.16 [13] 1.04AlSb4.36 [81]0.89 [81]4.533.37 [13] 0.45 [13] 0.40Ge5.31 [81]1.28 [81]4.924.01 [13] 1.43 [13] 1.28Si2.33 [81]1.66 [81]8.433.42 [13] 0.55 [13] 0.49LDPE 0.92 [82]—2.40 [82] 1.51 [13] 1.03 [13] 0.92ε-GaSe5.03 [81]1.06 [82]4.602.50 [13] 0.62 [13] 0.56(e)GaAs5.32 [81]1.19 [81]4.733.62 [13] 3.50 [13] 3.14α-SiO22.65 [81]0.87 [81]5.722.16 [13] 0.23 [13] 0.21(e)As2 S33.46 [81] 1.00 [101]5.372.20 [13] 0.41 [13] 0.37α-SiO22.65 [81]0.87 [81]5.722.12 [13] 0.91 [13] 0.82(o)сред1norm ,10−61500800600500180907040404020праву считается наилучшим материалом для АО модуляции электромагнитногоизлучения инфракрасного (ИК) диапазона λ = 10.6 мкм [102–104].983.2 Квазиортогональное акустооптическое взаимодействие вмонокристалле германия в терагерцевом диапазонеВозможность АО дифракции электромагнитного излучения терагерцево­го диапазона была продемонстрирована в ограниченном числе публикаций[33; 35; 36; 105].

Однако в литературе отсутствуют данные о возможности со­здания АО устройств для эффективной модуляции и сканирования такого излу­чения. Тем не менее, в последние годы интерес к подобным устройствам возросв связи с активным освоением современной физикой и техникой дальнего ИК,терагерцевого и субмиллиметрового диапазонов [106]. В данном параграфе опи­сан новый активный элемент для управления параметрами ТГц излучения. Вчастности, представлены результаты исследования с использованием первогоАО дефлектора, созданного при работе над диссертацией, а также определеныхарактеристики прибора на длине волны λ = 140 мкм излучения лазера насвободных электронах (ЛСЭ) центра коллективного пользования “Сибирскийцентр синхротронного и терагерцевого излучения” (СЦСТИ).Принимая во внимание величины показателей преломления и поглощениявеществ, в качестве кристаллического материала АО ячейки был выбран герма­ний, имеющий достаточно большую действительную часть показателя прелом­ления при относительно низком показателе поглощения α ТГц излучения.