Отзыв ведущей организации (Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне)

«УТВЕРЖДАЮ» , академик РАН И. А. Щербаков ОТЗЫВ ведущей организации — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук» на диссертационную работу Никитина Павла Алексеевича на тему «Особенности акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне», представленную на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 — радиофизика. Диссертационная работа П.А. Никитина посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию закономерностей акустооптического взаимодействия монокристаллов и неполярных жидкостей с электромагнитным излучением терагерцевого диапазона. Поскольку исследование, выполненное диссертантом направлено на изучение методов управления излучением в диапазоне частот 10' — 1О" Гц, можно утверждать, данная работа удовлетворяет требованиям, предъявляемым к диссертациям по специальности 01.04.03 — радиофизика.

Акустооптический эффект в настоящее время хорошо изучен, широко и успешно используется для управления направлением распространения и поляризацией электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов. Однако, систематических исследований по акустооптике в терагерцевом диапазоне до настоящего времени не проводилось. Терагерцевый диапазон, хорошо освоенный фундаментальной наукой для решения широкого круга задач, в настоящее время приобрел привлекательность и для практических применений при неразрушающем контроле качества продукции, медицинской диагностики, фармакологии и дистанционных систем безопасности.

К неоспоримым преимуществам терагерцевого излучения относятся низкая энергия кванта излучения, резонансное взаимодействие с внутри- и межмолекулярными резонансными колебаниями, а также возможностью идентифицировать материалы по типу диэлектрического отклика исходя из особенностей их спектральных характеристик. Исходя из этого, можно утверждать, что изучение и разработка методов управления излучением волн терагерцевого диапазона является актуальной и востребованной задачей. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные диссертантом результаты могут найти применение при создании быстродействующих электронно-управляемых устройств обработки оптической информации, эффективно работающих в терагерцевом диапазоне.

Подавляющему большинству материалов присуще значительное поглощение в терагерцевом участке спектра, имеющее сложную частотную и температурную зависимость, Как правило, на высокочастотном краю терагерцевого диапазона коэффициент пропускания большинства сред резко уменьшается из-за близости к частотам резонансного электродипольного поглощения. Именно по этой причине для корректного описания акустооптического взаимодействия необходимо учитывать поглощения электромагнитного излучения в среде. В диссертации указано, что анализ, учитывающий поглощение, проводится для голографических решеток, начиная с работы Когельника, опубликованной в 1969 году.

Тем не менее, приведенные в литературе результаты не до конца учитывают эффекты, связанные с поляризацией излучения. Таким образом, существующие модели не позволяют рассчитать параметры акустооптической дифракции на затухающей акустической волне. Диссертантом были поставлены цели по разработке методов расчета акустооптического качества, моделирования дифракции в произвольном акустическом поле с учетом поглощения акустических и электромагнитных волн, а также выполнение экспериментов по дифракции терагерцевого излучения в кристаллах кубической сингонии и неполярных жидкостях. Рукопись диссертации Никитина Павла Алексеевича состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка литературы и двух приложений.

Общий объем диссертации составляет 159 страниц, включая 68 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит ссылки на 139 публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы и перечислены задачи. Приведено краткое содержание работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

Приведены ссылки на статьи, опубликованные по материалам диссертации, и список конференций, на которых апробированы результаты работы. В первой главе предложена модель, позволяющая определить анизотропию коэффициента акустооптического качества кубических кристаллов. Найдены направления вектора напряженности падающего и дифрагированного излучения, при которых достигаются экстремальные значения эффективной фотоупругой постоянной. Доказано, что максимальной эффективности дифракции соответствует квазиортогональная геометрия акустооптического взаимодействия. Детально рассмотрен коллинеарный режим дифракции и получены соотношения для оптимального направления волнового вектора звука в основных кристаллографических плоскостях.

Во второй главе проведен анализ на основе материальных уравнений Максвелла с комплексным тензором диэлектрической проницаемости, позволизший описать акустооптическую дифракцию с учетом поглощения электромагнитного излучения. Выведенные соотношения совпадают по форме с двумерными уравнениями связанных мод для прозрачной двулуче прел омляющей среды. Показано, что полученные соотношения можно использовать для описания акустооптического взаимодействия с большими углами отклонения дифрагированного излучения.

Поскольку при акусто оптической ди фракции волн тера герце вого диапазона возможны отклонения дифрагированного излучения на экстремально большие углы, полученные соотношения приобретают особую значимость для количественного анализа дифракции. Основное внимание в этой главе уделено аналитическому решению в частных случаях квазиортогональной и коллинеарной геометрий акустооптической дифракции. В этих режимах уравнения связанных мод являются одномерными, что позволило получить аналитические соотношения для интенсивности излучения при брэгговском синхронизме, а также для полосы и оптимальной длины акустооптического взаимодействия.

Третья глава диссертационной работы посвящена экспериментальному исследованию акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне. В начале главы приведены аргументы в пользу выбора монокристаллического германия для акустооптической модуляции в терагерцевой области спектра. Акустооптический коэффициент качества германия рассчитан исходя из данных, известных для среднего ИК диапазона, а именно для 10,б мкм. Отмечено, что для германиевых акустооптических преобразователей толщиной 4,5 и 1,5 см можно пренебречь многолучевой интерференцией и расходимостью терагерцевого излучения. Диссертантом создана экспериментальная установка для реализации обратной коллинеарной акустооптической дифракции,проведено экспериментальное исследование поперечной дифракции в полупроводниковом кристалле германия и ряде неполярных жидкостей. Получены рекордные углы отклонения дифрагированного излучения.

Приведены результаты первого экспериментального исследования квазиор;.о го пал ьного акустооптичее кого взаимодействия в терагерцевом диапазоне в случае пучка электромагнитной энергии с орбитальным угловым моментом. В заключении приведены основные полученные в работе результаты и сформулированы выводы диссертационной работы. К наиболее важным результатам работы относятся следующие; 1. Выведена система уравнений и получено решение для модели, описывающей акустооптическое взаимодействие в поглощающей оптически изотропной среде и учитывающей поляризационные эффекты. Впервые сделаны оценки эффективности дифракции и полосы акустооптического взаимодействия в терагерцевом диапазоне.

2. Проведен анализ решения при ди фракции на затухающей акустической волне. Впервые детально рассмотрен режим обратной коллинеарной дифракции и предсказан невзаимный эффект, обусловленный поглощением терагерцевого излучения и затуханием акустической волны. 3. Проведено подробное экспериментальное исследование дифракции терагерцевого излучения с длиной волны 143 мкм на акустооптической волне в кристалле германия в квазиортогональном режиме взаимодействия. Впервые созданное диссертантом акустооптическое устройство на основе монокристаллического германия было использовано в качестве дефлектора терагерцевого излучения с углом отклонения 56 градусов и максимальным числом разрешимых элементов, равным М = 7, 4.

Впервые исследована акустооптическая дифракция в поперечном режиме взаимодействия в неполярных жидкостях и определена величина коэффициентов их акустооптического качества. Выполнен первый цикл экспериментов по изучению акустооптической дифракции терагерцевого излучения, обладающего орбитальным угловым моментом.

Показано, что в первом приближении эффективность акустооптического взаимодействия не зависит от значения орбитального углового момента пучка электромагнитной энергии. Указанные выше результаты исследования П.А. Никитина являются новыми и оригинальными и составляют научную новизну диссертационной работы, Достоверность полученных результатов определяется адекватностью использованных математических моделей в рамках сделанных ограничений, а также соответствием численных расчетов и экспериментальных данных. Практическая ценность результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы для проектирования новых а кусто оптических устройств, пригодных для работы в терагерцевом диапазоне спектра. Вместе с тем, по содержанию диссертационной работы П.А.

Никитина можно сделать следующие замечания: 1. В работе приводятся результаты тре*х удачно завершенных экспериментов с использованием квазиортогональной геометрии акустооптического взаимодействия в кристалле германия и в неполярных жидкостях в случаях линейно поляризованного излучения, а также пучка энергии с орбитальным угловым моментом. Однако оказался незавершенным эксперимент по дифракции терагерце ного излучения в чрезвычайно интересном с практической точки зрения режиме обратной коллинеарной дифракции.