Диссертация (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне), страница 19

Известно, что тефлон прозрачен в ТГц диапазоне α = 2.75 см−1 , иего показатель преломления = 1.45 приблизительно равен показателю прелом­ления неполярных жидкостей [138]. Поэтому интерференцией ТГц излучения вАО ячейке можно пренебречь.Для возбуждения акустической волны использовался пьезокерамическийпреобразователь круглой формы. Можно показать, что в этом случае эффек­тивность дифракции ξ не зависит от диаметра пьезопреобразователя:ξ=2π2 a .λ2(3.16)Высокочастотный генератор сигналов 7 ( ≈ 3 МГц) и генератор пря­моугольных импульсов 8, работающий с частотой повторения 15 Гц, использо­вались для генерации амплитудно-модулированного радиосигнала со скважно­стью 1/2, подаваемого на АО ячейку. Поскольку интенсивность дифрагирован­ного излучения пропорциональна акустической мощности, то оно будет так жемодулировано по амплитуде. Подобна модуляция необходима для работы ячей­ки Голея 4, являющейся приёмником ТГц излучения.

Следует отметить, чтоиспользование механического прерывателя (чоппера) излучения вместо ампли­тудной модуляцией звуком, приводит к большему уровню шума из-за модуляциирассеянного (“вредного”) излучения [51]. Для определения интенсивности про­шедшего излучения использовался дополнительный прерыватель и калиброван­ный аттенюатор для предотвращения выхода из строя ячейки Голея. Посколькуинтенсивность дифрагированного излучения была чрезвычайно мала, был ис­пользован синхронный детектор 6, цифровой сигнал с которого обрабатывалсяперсональным компьютером 5.АО дифракция закрученного ТГц пучка с длиной волны λ = 130 мкм ис­следовалась в трёх неполярных жидкостях: циклогексане C6 H12 , гексане C6 H14и уайт-спирите.

В таблице 3.4 приведены теоретические и определённые из экс­перимента значения АО качества указанных жидкостей. Теоретические значе­133ния АО качества 2теор были рассчитаны с использованием литературных дан­ных [116; 117; 120; 121] и соотношения 3.15.Таблица 3.4 — АО качество неполярных жидкостей при использованиизакрученного ТГц излученияξ/a ,2 ,2теор ,жидкость10−5 Вт−110−15 c3 /кг10−15 c3 /кг±15.0160циклогексан600±25.7180±16.0190гексан770±26.5200±14.5130уайт-спирит–±24.5140В ходе исследования был выполнен цикл экспериментов с использованиемзакрученных ТГц пучков с различными значениями ОУМ: = ±1 и = ±2.Эффективность дифракции ξ ≈ 10−4 была достигнута при подводимой акусти­ческой мощности 3 Вт.

Как следует из экспериментальных данных, приведён­ных в таблице 3.4, эффективность дифракции закрученного ТГц пучка с = ±2несколько больше, чем для пучка с = ±1. Однако результаты очень близкидруг к другу, и можно предположить, что эффективность дифракции ξ не за­висит от ОУМ закрученного ТГц пучка при малых значениях .Было установлено, что уайт-спирит характеризуется наименьшим значени­ем АО качества 2 ≈ 130·10−15 c3 /кг среди исследуемых жидкостей, в то времякак гексан – наибольшим значением 2 ≈ 180 · 10−15 c3 /кг. Теоретические зна­чения 2теор были в 3 раза больше, чем определённые экспериментально.

Этотфакт можно объяснить следующим образом. При расчётах предполагалось, чтоакустическая мощность равнялась подводимой электрической мощности. Одна­ко, на самом деле, это не совсем так, поскольку акустические импедансы пьезо­керамики и жидкостей существенно отличаются [139]. Тем не менее, теоретиче­ская модель и экспериментальные результаты качественно согласуются.Лабораторный прототип АО устройства был изготовлен с использова­нием пьезокерамического преобразователя, работающего на первой гармонике = 3.0 МГц. Это позволило достичь больших углов отклонения ∆θ дифрагиро­ванного излучения.

Экспериментально определённое значение ∆θ для гексанасоставило величину 22∘ , в то время как для циклогексана и уайт-спирита оно бы­134ло несколько меньше ∆θ = 19∘ . Различия в углах отклонения можно объяснитьразличием скоростей звука в указанных жидкостях.Таким образом, впервые было проведено экспериментальное исследованиеАО дифракции закрученного ТГц пучка. Установлено, что эффективности ди­фракции закрученных пучков с ОУМ = 1 и = 2 совпадают в пределахошибки эксперимента.

Большие значения углов отклонения в десятки граду­сов, достигнутые при использовании относительно низких частот ультразвука = 3.0 МГц, были получены благодаря низкой скорости звука в жидкостях. По­скольку эффективность дифракции составила величину порядка ξ ∝ 10−4 , полу­ченный результат имеет скорее фундаментальное значение, чем практическое.Однако проведённое исследование может лечь в основу цикла экспериментовс использованием новых типов АО взаимодействия (например, дифракция за­крученного ТГц пучка на закрученном акустическом пучке), который позволитобнаружить новые эффекты при АО дифракции закрученного ТГц излучения.135Основные результаты Главы 3Анализ литературных данных показал, что наилучшим кристаллическимматериалом для изготовления АО ячейки является германий. Определена уг­лочастотная зависимость, а также частотная и угловая полосы АО взаимодей­ствия, в широком диапазоне частот ультразвука.

Измеренный угол отклонениядифрагированного излучения достигал 55∘ , что на порядок больше значений,достигнутых в работах других авторов. Установлено, что АО устройство можетбыть использовано для отклонения ТГц излучения с максимальным числом раз­решимых элементов = 7.Рассчитаны оптимальные параметры и созданы две АО ячейки на основемонокристаллического германия для наблюдения обратной коллинеарной ди­фракции. Использованные АО ячейки отличались длиной АО взаимодействия,размером пьезопреобразователя, а также диапазоном рабочих частот ультразву­ка. Была разработана оригинальная методика проведения исследования.Впервые проведена систематизация данных по АО характеристикам жид­ких сред на длине волны λ = 130 мкм, а также коэффициентам поглощенияинтенсивности α электромагнитного излучения и коэффициентам затуханиямощности α акустической волны.

Установлено, что при квазиортогональнойгеометрии наибольшая эффективность АО взаимодействия достигается в тет­рахлорметане, а интенсивность дифрагированного излучения максимальна прииспользовании циклогексана. Показано, что для наблюдения обратной коллине­арной АО дифракции оптимальной жидкой средой является гексан. Реализова­но отклонение ТГц излучения в неполярных жидкостях на углы порядка 20∘ , атакже модуляция с глубиной 0.02%.Выполнен цикл экспериментов с использованием ТГц излучения, облада­ющего орбитальным угловым моментом. Установлено, что в пределах ошибкиэксперимента эффективность АО взаимодействия не зависит от значения орби­тального углового момента. Проведённое исследование продемонстрировало воз­можность управления параметрами закрученного ТГц излучения АО методамии является основой для фундаментальных исследований в данном направлении.136Заключение1.

Рассмотрена акустооптическая дифракция в оптически изотропных сре­дах. Показано, что глобальные экстремумы коэффициента акустооптическогокачества наблюдаются, когда подающее и дифрагированное излучение поляри­зовано вдоль одной из полуосей индикатрисы, возмущённой акустической вол­ной. Определены условия, при которых коэффициент акустооптического каче­ства максимален для квазиортогональной и коллинеарной геометрий взаимо­действия.

Приведены результаты расчёта коэффициента акустооптического ка­чества в том случае, когда волновые вектора взаимодействующих волн лежат вплоскостях (001) и (11̄0) кубического кристалла.2. Получена система уравнений, описывающая акустооптическое взаимодей­ствие и связывающая комплексные амплитуды электромагнитных волн в сосед­них дифракционных порядках в случае поглощения электромагнитных волн.При выводе основных соотношений рассмотрена дифракция электромагнитногоизлучения на акустическом поле с произвольной пространственной структуройпри учёте поляризационных эффектов.3. Проведён анализ решения уравнения связанных мод в брэгговском режи­ме при дифракции на затухающей акустической волне.

Исследована квазиор­тогональная, прямая и обратная коллинеарная дифракция. Доказано влияниезатухания акустической волны и поглощения электромагнитных волн на эффек­тивность и полосу акустооптического взаимодействия. Определены условия, прикоторых в режиме обратной коллинеарной дифракции в условиях фазового син­хронизма может наблюдаться невзаимный эффект.4.

Экспериментальное исследование квазиортогонального акустооптическоговзаимодействия в терагерцевом диапазоне проведено с использованием моно­кристаллического германия. Определена углочастотная характеристика, а так­же измерена полоса акустооптического взаимодействия для ряда углов Брэгга.Впервые созданное акустооптическое устройство было использовано в качестведефлектора терагерцевого излучения с максимальным числом разрешимых эле­ментов = 7.5. Впервые проведена систематизация параметров жидкостей, пригодныхдля работы в терагерцевом диапазоне.

Исследована акустооптическая дифрак­ция в неполярных жидкостях и определена величина коэффициентов их акусто­137оптического качества. Установлено, что для наблюдения квазиортогональнойдифракции целесообразно использовать циклогексан, в то время как для реали­зации прямой и обратной коллинеарной дифракции предпочтительнее гексан.6. Выполнен первый цикл экспериментов по изучению акустооптической ди­фракции закрученного терагерцевого излучения. Показано, что эффективностьакустооптического взаимодействия не зависит от значения орбитального угло­вого момента электромагнитного излучения.

Проведённое исследование доказы­вает перспективность разработки устройств, использующих акустооптическоеуправление параметрами закрученного терагерцевого излучения.138Список литературы1. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооп­тики.

— М.: Радио и связь, 1985. — С. 289.2. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. — М.: Мир, 1987. —С. 616.3. Xu J., Stroud R. Acousto-Optic Devices. — New York: Wiley, 1992. — P. 652.4. Goutzoulis A., Pape D. Design and Fabrication of Acousto-Optic Devices. —New York: Marcel Dekker, 1994. — P. 289.5. Задорин А.С. Динамика акустооптического взаимодействия. — Томск: Том­ский гос.

университет, 2004. — С. 352.6. Акустооптические процессоры спектрального типа / Под ред. В.В. Про­клов, В.Н. Ушаков. — M.: Изд. «Радиотехника», 2012. — С. 192.7. Теория и практика современной акустооптики / В.Я. Молчанов, Ю.И. Ки­таев, А.И. Колесников и др. — M.: Изд. дом МИСиС, 2015. — С. 459.8. Котов В.М. Акустооптика. Брэгговская дифракция многоцветного излу­чения. — М.: Янус-К, 2016. — С.