Диссертация (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне), страница 17

В таблице также приведены значения коэффициентов по­глощения интенсивности α электромагнитного излучения ( ∝ exp(−α)) икоэффициентов затухания мощности α акустической волны (a ∝ exp(−α )),нормированных на квадрат частоты ультразвука [115–125].Анализ показал, что наибольшая интенсивность дифрагированного излу­чения 1 достигается при использовании пьезопреобразователя прямоугольнойформы с площадью = и оптимальной длиной акустооптического взаимо­Таблица 3.2 — Акустические, оптические и акустооптические характеристики неполярных жидкостей в ТГцдиапазонеЖидкостьρ,кг/м3,м/сα,см−1α /(2 2 ),10−17 с2 /смρ ρ180 [119]2 · 1015 , (2 /α) · 1015 ,с3 /кгс3 см/кг774 [116]1255 [116] 1.421 [120] 0.37 [120]0.486001600гексан (C6 H14 )655 [117]1077 [117] 1.372 [121] 0.69 [121] 60 [115; 119] 0.427701100гексадекан (C16 H34 )770 [117]1338 [117] 1.428 [121] 0.69 [121]керосин804 [118]1320 [118] 1.437 [122]бензол (C6 H6 )881 [118]о-ксилол (C8 H10 )100 [117]0.495207501.3 [122]–0.505404201298 [118] 1.496 [120]5.5 [120]755 [119]0.59700150880 [115]1360 [115] 1.492 [122]5.1 [122]63 [115]0.586301201-этанол (C2 H5 OH)789 [119]1155 [119] 1.498 [123] 130 [123]54 [119]0.59120091-пентанол (C5 H11 OH)814 [119]1294 [119] 1.477 [123]45 [123]97 [119]0.5671016тетрахлорметан (CCl4 ) 1584 [115]922 [115]1.487 [120]1.4 [120]540 [115]0.571100790бромоформ (CHBr3 )2877 [115]920 [115]1.595 [124]6.0 [124]250 [115]0.73960160сероуглерод (CS2 )1256 [115] 1141 [115]1.61 [125]3.5 [125]5700 [115]0.761200340118циклогексан (C6 H12 )119действия opt = 1/α [58]:0 () = 0 exp(−α),1 () = 0π2 2 a 2 exp(−α),2λ2 (3.10)где 0 и 0 () – интенсивности падающего на звуковой столб и прошедшегоизлучения, – поперечный размер пьезопреобразователя, a – мощность аку­стической волны.

Поэтому таблица 3.2 была дополнена величиной 2 /α, ха­рактеризующей максимально достижимую эффективность АО взаимодействияξ = 1 ()/0 () при = opt .Расчёт по формуле (3.10) при характерных значениях λ = 100 мкм,2 = 500 · 10−15 с3 /кг, α = 1 см−1 , = 1 cм2 и a = 1 Вт показал, чтоξ ≈ 0.01%. При столь малых значениях регистрация дифрагированного излу­чения возможна лишь при больших мощностях падающего электромагнитно­го излучения. Кроме этого, максимальная эффективность АО взаимодействиядостигается при высокой степени монохроматичности излучения. Поэтому дан­ное экспериментальное исследование было выполнено с использованием излу­чения Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) с длиной волныλ = 130 мкм [126].Как следует из таблицы 3.2, спирты и производные бензола непригодныдля исследования АО взаимодействия в ТГц диапазоне.

Поэтому в работе былиисследованы такие жидкости как циклогексан, гексан, гексадекан, тетрахлорме­тан, а также керосин и уайт-спирит (нефрас-С4-155/200). Так как в ТГц диа­пазоне из-за больших значений длины волны λ сильно сказываются дифракци­онные эффекты, апертура пучка ТГц излучения была выбрана равной 6 мм,при этом дифракционная расходимость пучка не превышала 1.5∘ . Детектирова­ние дифрагированного излучения осуществлялось оптоакустическим приёмни­ком Голея при амплитудной модуляции пучка акустической волной, модулиро­ванной с частотой 10-15 Гц [51]. Схема экспериментальной установки приведенана рисунке 3.17.В эксперименте использовался пьезопреобразователь круглой формы диа­метром = 10 мм, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-19 и работающийна первой гармонике при частоте ультразвука = 3 МГц.

Фотография АОячейки и зависимость эффективности возбуждения звука от частоты , полу­ченная с помощью анализатора спектра фирмы R&S приведены на рисунках3.18 и 3.19, соответственно. На выходе АО ячейки расчётный угол ∆θ между120Рисунок 3.17 — Схема экспериментальной установки для наблюдения АОдифракции в жидкостях: 1 – ЛСЭ; 2 – АО ячейка; 3 – ячейка Голея; 4 –персональный компьютер; 5 – синхронный детектор; 6 – высокочастотныйгенератор; 7 – генератор импульсов.дифрагированным и прошедшим пучками излучения составил для циклогекса­на и уайт-спирита величину ∆θ = 19∘ , а для гексана – ∆θ = 22∘ . Однаков эксперименте этого различия в углах ∆θ выявить не удалось.

Это связанос дифракционной расходимостью звукового и ТГц пучков, из-за которой АОвзаимодействие наблюдалось в широком диапазоне углов Брэгга. Экспериментпоказал, что интенсивность дифрагированного излучения уменьшалась в 2 разапри изменении угла внешнего Брэгга на 2∘ .При анализе эффективности АО взаимодействия ξ с использованием со­отношения (3.10) при площади пьезопреобразователя = π2 /4 и длине АОвзаимодействия равной диаметру пьезопреобразователя = было полученоследующее соотношение:π2 2 a 2 2π = 2 2 a .(3.11)ξ= 22λ λВ пределах ошибки измерений эффективность АО взаимодействия в цик­логексане, гексане, гексадекане и уайт-спирите оказалась приблизительно одина­ковой и составила величину ξ = 0.02% при подводимой электрической мощностиоколо 3 Вт.

Используя соотношение (3.11) и предполагая коэффициент преобра­зования подводимой электрической мощности в акустическую равным единице,было вычислено АО качество данных четырёх жидкостей. В среднем оно былоравно 2 = (170 ± 30) · 10−15 с3 /кг, что существенно меньше предсказаннойвеличины.Данный факт можно объяснить следующим образом. Во-первых, упруго­оптическая постоянная рассчитывалась по упрощённой формуле (3.9), что мог­ло привести к относительной погрешности при вычислении АО качества до121Рисунок 3.18 — АО ячейка для исследования дифракции в жидкостяхРисунок 3.19 — Зависимость относительной акустической мощности от частоты12220% [115]. Во-вторых, предполагалось, что вся подводимая к пьезопреобразо­вателю электрическая мощность преобразуется в акустическую, что не соответ­ствовало действительности.Определённое из эксперимента АО качество тетрахлорметана 2 = (270±20) · 10−15 с3 /кг было также меньше значений, предсказанных в таблице 3.2.

Од­нако полученный результат оказался в 1.5 раза выше, чем в первых четырёхжидкостях, что качественно было предсказано теорией. В тоже время, АО каче­ство керосина 2 = (5.4 ± 0.3) · 10−15 с3 /кг оказалось на два порядка меньшеожидаемой величины. Причина подобного эффекта остаётся невыясненной.Таким образом, рассчитанные из экспериментальных данных значения АОкачества качественно совпали с предсказаниями теории. Реализованное управ­ляемое отклонение ТГц излучения в жидкостях на углы порядка 20∘ , а такжемодуляция с глубиной 0.02% при подводимой электрической мощности около3 Вт по эффективности дифракции и углу отклонения оказались не хуже, чемв кристалле германия.

Таким образом, проведённое экспериментальное и теоре­тическое исследование доказывает перспективность использования неполярныхжидкостей для реализации АО взаимодействия в ТГц диапазоне электромагнит­ного спектра.1233.5 Коллинеарное акустооптическое взаимодействие в неполярныхжидкостях в терагерцевом диапазонеКак следует из таблицы 3.2, показатель преломления жидкостей в несколь­ко раз меньше показателя преломления германия. Данный факт позволяет ис­пользовать больший угол падения акустической волны на входную оптическуюгрань АО ячейки при том же угле падения ТГц излучения.

Поэтому становит­ся возможным сконструировать АО ячейку таким образом, чтобы путь, про­ходимый акустической волной от пьезопреобразователя до входной оптическойграни, был минимален и затуханием акустической волны на указанном участкеможно было пренебречь. В этом случае наибольшая эффективность АО взаимо­действия достигается при сонаправленности волновых векторов акустической⃗ и электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка ⃗0 , т.е.волны ⃗ ↑↑ ⃗0 . На рисунках 3.20 и 3.21 приведена фотография и схема разработаннойАО ячейки, представляющей собой кювету из нержавеющей стали.

В правой илевой частях рисунков располагаются фланцы с окнами из полимерного мате­риала, прозрачного в ТГЦ диапазоне. Поскольку электромагнитное излучениезаводится в кювету под углом в несколько десятков градусов, размер этих оконбыл выбран равным 5 см.

Два других окна меньшего размера изготовлены изоргстекла и предназначены для наблюдения квазиортогональной АО дифрак­ции в видимом диапазоне. Серым цветом обозначено устройство для возбуж­дения акустической волны, фотография и частотная характеристика которогоприведены на рисунках 3.22 и 3.23. В данном устройстве пьезопреобразовательразмером 6 × 6 мм находился в акустическом контакте с кварцевым буфером,имеющим поперечные неглубокие разрезы и скошенным на торце под углом 6∘во избежание возникновения стоячей волны.⃗ ↑↑ ⃗0 оптимальная длина АО взаимодей­Как было показано ранее, при ствия стремится к бесконечности opt = ∞.

Однако из-за наличия затуханияакустической волны и поглощения ТГц излучения в среде эффективная длинаАО взаимодействия не будет превышать нескольких десятков сантиметров. Ес­ли формально подставить величину opt = ∞ в выражение для интенсивностидифрагированного излучения, то можно получить следующее соотношение:−1)︁−2)︁−2π2 2 (︁ α 2 (︁ α+α= 2+α,=4 22λ 2(3.12)124Рисунок 3.20 — Жидкостная АО ячейка для наблюдения обратногоколлинеарного АО взаимодействия в ТГц диапазонеРисунок 3.21 — Схема АО ячейки для наблюдения обратной коллинеарнойдифракции в жидкости в ТГц диапазоне125Рисунок 3.22 — Устройство для возбуждения акустической волныРисунок 3.23 — Зависимость эффективной акустической мощности от частотысигнала126где – площадь пьезопреобразователя.Определив частоту акустической волны, необходимую для реализации об­ратной коллинеарной дифракции в оптически изотропной среде, по известнойформуле:2 =,(3.13)λможно вычислить величину α , используя значение α / 2 из таблицы 3.2.