Распространение и отражение объемных упругих волн в акустооптических кристаллах

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В.ЛОМОНОСОВА____________________________________________________________________На правах рукописиУДК 535.241: 539.2ПОЛИКАРПОВАНаталия ВячеславовнаРАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ УПРУГИХВОЛН В АКУСТООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ01.04.03 - радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2007Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Виталий Борисович ВолошиновОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Валентин Андреевич Буровдоктор физико-математических наук,рук.

лаб. Витольд Эдуардович ПожарВедущая организация:Акустический институтим. акад. Н.Н. АндрееваЗащита состоится 22 марта 2007 года в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.67 в Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва,Воробьевы горы, МГУ им. М.В.

Ломоносова, физический факультет,аудитория им. Р.В. ХохловаС диссертацией можно ознакомитьсяфакультета МГУ им. М.В. ЛомоносовавбиблиотекефизическогоАвтореферат разослан «21» февраля 2007 годаУченый секретарь диссертационногосовета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф. КоролевОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияТема диссертационной работы относится к области радиофизики,оптоэлектроники и акустики, в частности, к области акустооптики.Известно, что уровень развития радиофизического знания является внастоящее время определяющим при оценке прогресса физической науки.Если рассматривать развитие отдельных направлений в радиофизике, томожно отметить, что успехи в области акустооптики, акустоэлектроники иоптоэлектроники в последнее время были обусловлены, например, тем, чтодля различных применений были созданы новые материалы с необычнымисвойствами.

В частности, появились новые классы материалов, таких, какфотонные кристаллы, среды с негативной рефракцией и т.д., обладающиеуникальными физическими характеристиками. Оказалось, что в этихсредах распространение и отражение электромагнитных волн можетпроисходить весьма необычным образом. Однако и в традиционныхматериалах микроэлектроники и оптоэлектроники, особенно вкристаллических средах, созданных в последние годы, могут наблюдатьсянеобычные физические эффекты. Ожидается, что такие материалы вближайшее время будут использованы в современных радиофизических иоптоэлектронных устройствах, а также в лазерной технике, оптике испектроскопии для управления параметрами электромагнитногоизлучения.Акустооптика исследует явление взаимодействия световых лучей сдифракционнымирешетками,индуцированнымиакустическимивозмущениями.

Подобное взаимодействие света и звука позволяетуправлять основными параметрами светового луча. К главнымдостоинствам акустооптических методов управления светом относятсяэффективность и быстродействие, а также широкие функциональныевозможности акустооптических устройств. Благодаря акустооптическомувзаимодействию также удается осуществить оптическую обработкуинформации, провести исследование особенностей распространенияупругих волн в кристаллах, реализовать визуализацию акустическихпучков и др.Следует отметить, что развитие акустооптики стимулировано тем,что были синтезированы кристаллы с необычными физическимисвойствами. Этими материалами были кристаллические среды с особымсочетаниемоптическихиакустическихсвойств.Кновымакустооптическим материалам можно отнести кристаллы на основетеллура и ртути, например, парателлурит (TeO2), каломель (Hg2Cl2),бромид ртути (Hg2Br2), йодид ртути (Hg2I2) и т.д.

Особенностью новых3акустооптических материалов является сильная анизотропия ихоптических и упругих свойств. При этом оказалось, что в новыхматериалах могут происходить необычные физические процессы иявления, не наблюдающиеся в изотропных и слабо анизотропных средах.Эти явления обусловлены оптической и акустической анизотропиейкристаллов, которая проявляется в зависимости фазовой скорости волн отнаправления распространения в кристалле.В двулучепреломляющих кристаллах оптическая анизотропияхарактеризуется величиной двулучепреломления Δ n = n e − n o . Внекоторых акустооптических материалах, например, в теллуре (Te),бромидертути(Hg2Br2)относительноекаломели(Hg2Cl2),двулучепреломление достигает рекордной величины Δ n / no ≈ 0.3 - 0.4 , а всульфойодиде сурьмы (SbSI) двулучепреломление Δ n / no ≈ 0.5 , в то время,каквбольшинствеизвестныхматериаловотносительноедвулучепреломление не превышает значения Δ n / no ≤ 0.1.

Применениекристаллов с большим двулучепреломлением позволяет создаватьакустооптические устройства с рекордными параметрами. Например,акустооптические фильтры, перспективные для применения в волоконнооптических линиях связи.До последнего времени в акустооптике под понятием “анизотропия”понималась лишь оптическая анизотропия материала, а анизотропияакустических свойств и связанные с ней особенности акустооптическоговзаимодействия во внимание практически не принималась.

Такой подходне является оправданным, так как во многих акустооптических материалахакустической анизотропией в силу ее значительной величиныпренебрегать нельзя. В диссертационной работе рассматриваютсяразличные явления, связанные с распространением упругих акустическихволн в кристаллических средах. Известно, что скорость распространенияупругой волны определяется упругими свойствами среды, причем,значение скорости является индивидуальной характеристикой каждоговещества.

В изотропных телах скорость не зависит от направленияраспространения, а анизотропия упругих свойств кристаллов проявляется всильной зависимости значений скоростей акустических волн отнаправлений.Известно, что скорость упругих волн в газообразной среде меньше,чем в жидкостях, а скорость акустических волн в жидкости меньше, чем втвердом теле. Оказалось, что в новых материалах акустооптики могутраспространяться упругие волны с очень низким значением фазовойскорости. Например, в кристаллах парателлурита минимальная скоростьсоставляет V = 616 м/с. В каломели фазовая скорость сравнима соскоростью звука в воздухе V = 347 м/с.

Более того, в йодиде ртути Hg2I24минимальная скорость ультразвука V = 254 м/с оказывается даже ниже,чем в воздухе. Столь малые значения фазовой скорости упругих волннаблюдаются в кристаллах только вдоль отдельных направлений, причемнебольшое изменение направления распространения волны в этих средахсопровождается резким возрастанием значения V.Очевидно, что сильная зависимость скорости от направленияраспространения означает, что упругие волны в новых материалахраспространяются с большими углами между фазовой и групповойскоростями. Анализ показывает, что угол акустического сноса междупотоками энергии и волновым вектором звука может достигать величиныψ = 700 и более.

Такая закономерность распространения упругих волн втвердом теле является весьма необычной и мало изученной.Распространение упругих волн с большими углами между фазовой игрупповой скоростями может сопровождаться рядом необычныхфизических эффектов. Например, в кристаллах возможно скользящее илинаклонное падение звука на границу раздела “кристалл–вакуум”, прикотором волна после отражения распространяется навстречу потокуэнергии падающей волны. Возможность такой ситуации, в принципе,объясняется теорией упругости анизотропных сред. Однако последниеисследования показали, что в парателлурите, каломели, а также и внекоторых других материалах подобное отражение происходит весьманеобычно и выражено чрезвычайно ярко.

Существуют и другие необычныеэффекты, изучению которых посвящена данная диссертационная работа.Можно утверждать, что проведенные в рамках данной темы теоретическиеисследования позволили предсказать существование в кристаллах новыхакустических и акустооптических эффектов. При этом рассматриваемыеэффекты, обусловленные особенностями распространения упругих волн вкристаллах, не только интересны с точки зрения фундаментальногознания, но и перспективны для использования в акустике, акустооптике икристаллофизике, например, при создании акустооптических иакустоэлектронных устройств.Цели диссертационной работыЦели диссертационной работы состояли в изучении распространенияи отражения упругих акустических волн в кристаллах, обладающихсильной анизотропией упругих свойств, а также в исследованиивозможностей применения обнаруженных эффектов в акустооптике. Вдиссертационной работе были поставлены следующие задачи:51.

Исследование закономерностей распространения плоских объемныхакустических волн в неограниченных кристаллических средах,обладающих большой анизотропией упругих свойств, и проведениесравнительного анализа характеристик таких волн в средах с различнойстепенью упругой анизотропии.2. Изучение явления отражения плоских акустических волн втетрагональных кристаллах с большой упругой анизотропией в случаескользящего падения ультразвуковой волны на плоскую свободнуюграницу раздела кристалл-вакуум.3. Исследование отражения акустических волн при наклонном паденииплоской объемной упругой волны на свободную границу разделакристалл-вакуум в кристалле парателлурита.4.

Рассмотрение возможностей применения особых режимов отраженияакустических волн в новых модификациях акустооптических иакустоэлектронных устройств, например, в перестраиваемых фильтрах.Научная новизна диссертационной работы:1. Установлены особенности распространения продольных и сдвиговыхакустических волн в новых материалах акустооптики, в которых углыакустического сноса достигают 700 и более градусов, а также впервыепроведен сравнительный анализ особенностей распространенияплоских объемных акустических волн в кристаллах с различнойстепенью анизотропии упругих свойств.