Диссертация (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне), страница 18

Ре­зультаты расчёта интенсивности дифрагированного излучения −1 , а также иα , при характерных значениях акустической мощности a = 1 Вт и размерахпьезопреобразователя 6 × 6 мм, приведены в таблице 3.3. Кроме этого, даннаятаблица дополнена величиной относительной односторонней полосы АО взаи­модействия ∆/ = ∆λ/λ = ∆η/, где – волновое число ТГц излучения вжидкости.Таблица 3.3 — Акустические, оптические и акустооптические характеристикинеполярных жидкостей в ТГц диапазоне при коллинеарной дифракции,МГцα ,см−1−1 ,10−4(∆/ ),10−31.1/∆η,%циклогексан (C6 H12 )27.42.72.32.53.0гексан (C6 H14 )22.70.69.01.57.0гексадекан (C16 H34 )29.41.72.52.33.0бензол (C6 H6 )29.913.00.0517.00.5о-ксилол (C8 H10 )31.21.20.238.01.01-этанол (C2 H5 OH)26.60.80.0011800.11-пентанол (C5 H11 OH)29.41.70.00460.00.1тетрахлорметан (CCl4 )21.14.80.95.02.0бромоформ (CHBr3 )22.62.50.219.01.0сероуглерод (CS2 )28.391.00.006600.2ЖидкостьЗначение полосы ∆η было определено с помощью соотношения:⎯[︃(︂]︃2 √︂⎸)︂2(︁)︁(︁⎸4α0.88πα )︁444⎷2∆η =α+++ (1.1)uα++ (1.1)4 , (3.14)22127причём относительный вклад поправки (1.1) ко всей величине ∆η при условииa = 1 Вт не превышал 7%.

Отметим, что при мощности ультразвука a = 20 Втэтот вклад может достигать 30% и его необходимо учитывать при расчётах.Как было показано ранее, для наблюдения квазиортогонального взаимо­действия наиболее предпочтителен циклогексан (C6 H12 ). Однако он характе­ризуется относительно высоким коэффициентом затухания акустической вол­ны. Поэтому для увеличения эффективной длины АО взаимодействия и реали­зации обратной коллинеарной дифракции целесообразнее использовать гексан(C6 H14 ). Как следует из таблицы 3.2, в этом случае интенсивность дифрагиро­ванного излучения равна 10−3 от интенсивности падающего излучения, а поло­са частот ультразвука, в которой наблюдается АО взаимодействие, составляет2∆ = 60 кГц.Калибровка АО ячейки проводилась с использованием излучения гелий­неонового лазера с длиной волны λ = 0.6328 мкм.

Поскольку на частоте ≈ 20 МГц коэффициент затухания акустической волны в гексане достаточновелик α = 0.6 см−1 , то на расстоянии порядка 10 см, где располагаются окнадля видимого излучения, мощность акустической волны уменьшится на 2 по­рядка. Поэтому исследование проводилось с использованием дистиллированнойводы H2 O. Эксперимент показал, что на торце кварцевого буфера образуетсятонкий воздушный слой, препятствующий распространению акустической вол­ны. Для его устранения торец был обезжирен и время от времени протирал­ся беличьей кисточкой. В результате эффективность АО дифракции возрослапримерно в 2 раза, однако оказалась в 10 раз меньше ожидаемой величины2 = 160 · 10−15 с3 /кг [127]. Наиболее вероятно, что данный результат связанс несовершенством цепи согласования, а также потерями в склейке пьезопре­образователя и кварцевого буфера.

Кроме этого, необходимо учесть разницу вакустических импедансах воды и кварца.Выполненный цикл экспериментов на длине волны λ = 130 мкм, методикапроведения и оптическая схема которого совпадают с аналогичными для иссле­дования обратного коллинеарного взаимодействия в германии, не дал положи­тельного результата. Причиной этому явилось то, что к сложности юстировкидобавилась плохая работа устройства для возбуждения акустической волны.1283.6 Акустооптическая дифракция закрученного терагерцевогоизлучения в неполярных жидкостяхПонятие “закрученного” света, введённое в работе [128], используется дляописания электромагнитного поля с орбитальным угловым моментом.

Фаза та­кого поля зависит от азимутального угла ϕ как exp(ϕ), а орбитальный уг­ловой момент (ОУМ) одного фотона равен ~, где – топологический заряд,равный целому числу, и ~ – постоянная Дирака. Таким образом, ОУМ можетбыть значительно больше спинового углового момента.

Благодаря этому фактуможно, в частности, увеличить пропускную способность канала связи. Неко­торые типы закрученных световых пучков, например, с бесселевым профилем,имеют уникальную характеристику – “бездифракционность” (их структура оста­ётся постоянной на значительных расстояниях). Поэтому можно выделить дваприменения закрученного света: 1) в средствах связи; 2) для управления мик­рочастицами [129; 130].Существует несколько методов формирования закрученного пучка с задан­ным ОУМ с использованием специальных дифракционных оптических элемен­тов. На сегодняшний день основной задачей является разработка новых методов,позволяющих контролировать параметры закрученных пучков в реальном вре­мени.

Например, можно изменять ОУМ с помощью генерации второй гармоникив нелинейных кристаллах [131]. В этом случае ОУМ генерируемого излучениябудет равен удвоенному ОУМ пучка накачки. Другим способом является взаи­модействие закрученной электромагнитного излучения с акустической волной,т.е. АО взаимодействие. Из литературы известно, что закон сохранения ОУМвыполняется при АО дифракции на звуковой волне с ОУМ, равным [132–134].Отсюда следует, что электромагнитное излучение в -дифракционном порядкехарактеризуется ОУМ = 0 + · . Таким образом, существует возможностьуправления ОУМ закрученных пучков света, а также запись и чтение информа­ции с помощью АО методов.Большинство публикаций, относящихся к дифракции закрученных пучковна ультразвуке, посвящены АО взаимодействию в оптоволокне при малых уг­лах дифракции порядка 1∘ [132; 133].

Использование оптоволокна позволяетсконцентрировать световые и звуковые пучки в небольшом объёме, тем самымувеличивая эффективность АО взаимодействия. Стоит отметить, что в упомя­129нутых работах использовалось излучение видимого диапазона, в то время как влитературе не приводятся данные по АО дифракции закрученных пучков ТГцдиапазона. Этот факт связан с малой величиной эффективности дифракцииξ = 1 /0 , которая обратно пропорциональна квадрату длины волны излуче­ния λ.Несмотря на то, что источники ТГЦ излучения были разработаны ещё20 лет назад, можно выделить лишь несколько методик контроля параметра­ми ТГц излучения в реальном времени [135; 136]. По сравнению с ними АОустройства имеют ряд преимуществ, таких как быстродействие около 1 мкс,компактность и низкие управляющие электрические мощности порядка 1 Вт.Как было показано выше, интенсивность дифрагированного излучения 1 про­порциональна параметру среды 2 :2 =4(ρ/ρ)2,ρ 3ρ (2 − 1)(2 + 2)=.ρ6(3.15)Как следует из соотношения (3.15), АО качество 2 пропорционально ше­стой степени .

Поскольку значения скорости звука и плотности ρ примерноодни и те же для многих жидкостей, основными условиями эффективной АО ди­фракции являются прозрачность среды АО взаимодействия в ТГц диапазоне ивысокие значения показателя преломления . Отметим, что подобное сочетаниепараметров нехарактерно. Как было показано выше, наиболее подходящим кри­сталлическим материалом является германий (Ge) [51]. Было установлено, чтодругие АО кристаллы характеризуются сильным поглощением ТГц излученияили значительно меньшими значениями показателя преломления.Известно, что АО взаимодействие было впервые реализовано в жидко­сти. Несмотря на малые значения показателя преломления порядка ≈ 1.4,оказалось возможным добиться высоких значений эффективности дифракцииблагодаря большим значениям упругооптической постоянной.

Однако, как пра­вило, акустическая волна затухает в жидкостях сильнее, чем в кристалличе­ских средах. Кроме этого, полярные жидкости непрозрачны в ТГц диапазоне(α > 10 см−1 ) из-за межмолекулярного взаимодействия и наличия водородныхсвязей [14]. Анализ литературы показал, что только неполярные жидкости про­зрачны в ТГц диапазоне, и циклогексан (C6 H12 ) характеризуется наименьшимзначением коэффициента поглощения ТГц излучения α = 0.37 см−1 при длиневолны λ = 130 мкм.130Экспериментальное исследование АО дифракции закрученного ТГц пучкапроводилось с использование Новосибирского лазера на свободных электронах(ЛСЭ), как источника мощного монохроматического ТГц излучения [126]. Схе­ма экспериментальной установки приведена на рисунке 3.24.4356278Рисунок 3.24 — Схема экспериментальной установки для наблюдения АОдифракции закрученного ТГц излучения: 1 – ЛСЭ; 2 – дифракционныйэлемент; 3 – AO ячейка; 4 – ячейка Голея; 5 – персональный компьютер; 6 –синхронный детектор; 7 – высокочастотный генератор; 8 – генераторимпульсов.Линейно поляризованный пучок ТГц излучения с длиной волны λ =130 мкм падал на дифракционный элемент 2.

В эксперименте использовалосьдва дифракционных элемента, представляющие собой кремниевые бинарные фа­зовые аксиконы со спиральной конфигурацией зон [137]. Диаметр обоих ак­сиконов составлял 30 мм. Фазовые функции аксиконов приведены на рисун­ках 3.25 а) и 3.25 б), где чёрный цвет соответствует нулевому сдвигу фазы, абелый – сдвигу фазы на π.

После прохождения аксиконов ТГц пучок транс­формировался в бесселевый закрученный пучок с топологическими зарядами = ±1 и = ±2. Величина || определяется структурой аксикона, а знак за­висит от того, с какой стороны на него падает ТГц излучение. Экспериментыпоказали, что на расстоянии = 110 ÷ 260 мм после аксикона можно считать,что закрученный ТГц пучок является “бездифракционным” и существенно болееузким. Данное свойство закрученных пучков даёт существенные преимуществаАО методу управления, поскольку позволяет использовать пьезопреобразова­тель с меньшими размерами. Зависимость диаметра закрученного ТГц пучкаот расстояния схематично приведена на рисунке 3.26. В указанном диапазонерасстояний распределение интенсивности по поперечному сечению ТГц пуч­131б)в)а)Рисунок 3.25 — Фазовые функции дифракционного элемента, формирующегозакрученный ТГц пучок с: а) = ±1, б) = ±2, а также с) фотографиядифракционного элемента для формирования пучка с = ±2Рисунок 3.26 — Формирование бесселевого закрученного пучкаа)б)Рисунок 3.27 — Поперечное сечение бесселевого закрученного пучка сразличным ОУМ: а) = ±1, б) = ±2132ка не изменяется и имеет вид, приведённый на рисунке 3.27).

Диаметр первогокольца был равен 1 = 1.7 мм для пучка с = ±1 и 2 = 3.2 мм – для = ±2.Третьим элементом экспериментальной установки являлась АО ячейка,прямоугольная дюралюминиевая кювета с двумя шлифованными тефлоновы­ми окнами. Ширина кюветы была равна 4 см, а толщина окон составляла около1 мм. АО ячейка наполнялась исследуемыми жидкостями (гексан, циклогексани уайт-спирит), в то время как закрученный ТГц пучок падал на АО ячейку подуглом Брэгга.