Автореферат (Распространение и преломление упругих волн в акустооптических кристаллах)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ФИЗИКИ КОЛЕБАНИЙНа правах рукописиМАЛЬНЕВА ПОЛИНА ВИКТОРОВНАРАСПРОСТРАНЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ УПРУГИХ ВОЛН ВАКУСТООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ01.04.03 РадиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2017Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Поликарпова Наталия Вячеславовна,кандидат физико-математических наук,доцент кафедры физики колебанийфизического факультетаМосковского государственногоуниверситета им.

М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты: Кулакова Людмила Александровна,доктор физико-математических наук, профессор,ведущий научный сотрудник Физико-техническогоинститута им. А.Ф. Иоффе РАН;Мачихин Александр Сергеевич,кандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудникНаучно-технологического центрауникального приборостроения РАНВедущая организация:Акционерное общество «Акустическийинститут им. академика Н.Н.

Андреева»Защита состоится «»2017 г. вчасов на заседании диссер-тационного совета Д 501.001.67 при Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1,стр. 2, физический факультет, ауд. им. Р.В.

Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московскогогосударственного университета им. М.В. Ломоносова и по адресу в интернетеhttp://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-67/.Автореферат разослан «»2017 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат физико-математических наук, доцентКоролев А.Ф.Общая характеристика работыАктуальность работыТема диссертационной работы относится к области радиофизики, акустики, акустоэлектроники и акустооптики. Акустооптика исследует взаимодействиесветовых лучей с дифракционными решетками, индуцированными акустическими возмущениями [1–3].

Наиболее востребованным практическим приложениемакустооптики является создание новых устройств на базе кристаллических сред,предназначенных для управления световыми потоками в среде с помощью ультразвука. Такие устройства дают возможность изменять направление, интенсивность, частоту, фазу и поляризацию электромагнитной волны при варьированиипараметров звукового сигнала [4, 5]. Актуальной задачей современной акустооптики является подробное исследование закономерностей распространения звукав материалах, в которых наблюдается акустооптическое взаимодействие.

Так каккристаллические среды характеризуются анизотропией звука, для акустооптикиособенно важно изучение зависимости характеристик упругих волн от направления их распространения в кристаллах, особенно в материалах с сильной акустической анизотропией.Известно, что в большинстве акустооптических материалов анизотропия упругих свойств проявляется более ярко по сравнению с оптической анизотропией[6–8]. Так, упругая волна в кристалле каломели (Hg2 Cl2 ) распространяется вдольотдельных направлений с аномально низкой скоростью. А именно, V = 347 м/свдоль оси [110], в то время, как та же акустическая мода вдоль оси X имеет скорость V = 1305 м/с [9].

Таким образом, отношение максимальной и минимальнойфазовых скоростей звука в каломели для одной волны равно r = 3,76. В то время,как отношение скоростей оптических волн при этом не превышает 1,5. Оказалось,что в кристалле парателлурита (TeO2 ) коэффициент акустической анизотропииеще больше: r = 4,95. Известно, что значительная пространственная дисперсияакустических скоростей является причиной существования в подобных кристаллах исключительно больших углов акустического сноса ψ, то есть углов междуволновым вектором и вектором Умова-Пойнтинга. Было обнаружено, что значения угла ψ для некоторых материалов может достигать достаточно большихвеличин [6, 10, 11]. Так, в кристалле парателлурита волновые векторы фазовой и3групповой скоростей упругой волны разделяет угол ψ = 74◦ [12–14].Также представляет интерес для исследования ориентация вектора поляризации звуковых волн в акустооптических кристаллах.

Направление данного вектора иногда бывает очень трудно предсказать, не выполняя точного расчета. Так,например, в большинстве кристаллических материалов самая быстрая упругаяволна обычно является продольной или квазипродольной, то есть имеет поляризацию, совпадающую или близкую по направлению к волновому вектору звука. Медленная акустическая мода, наоборот, имеет преимущественно поперечноеили близкое к поперечному направление поляризации.

Однако, были обнаруженыкристаллические среды [1,2,15], в которых наблюдается обратная картина: вдольопределенного диапазона направлений вектор поляризации для быстрой волнынаправлен ортогонально волновому вектору, что обычно характерно для поперечной моды. И, наоборот, колебания частиц для более медленной волны параллельны волновому вектору, что указывает на продольный характер.

Вместе с тем, втом же кристалле существуют области пространства, где волна ведет себя, как вобычных средах. Это означает, что при изменении направления распространениямоды имеет место смена поляризации акустической волны из продольной в сдвиговую. Необходимо отметить, что данный эффект является весьма необычным инаблюдается в ограниченном наборе кристаллов. К таким материалам относятсяселенистый тулий (TmSe), сульфид самария-иттрия (SmYS), карбид марганцаникеля (MnNiC) и акустооптические кристаллы парателлурита (TeO2 ) и теллура(Te).Анизотропная структура акустооптических материалов также оказывает влияние на отражение и преломление звука на границе раздела кристаллов.

Былинайдены анизотропные среды, в которых при наклонном акустическом падениивозможно отражение упругой волны в обратном падению направлении, а также, кристаллические материалы, в которых потоки энергии отраженных волнмогут распространяться по разные стороны относительно энергии падающей волны. Также, в подобных кристаллических средах существуют углы падения, прикоторых практически вся энергия падающей звуковой волны передается моде,отраженной либо строго назад, либо под малым углом к исходной волне [16, 17].Совершенствование устройств акустоэлектроники и акустооптики возможнопри использовании новых, то есть ранее неиспользуемых геометрий распростране4ния акустических и оптических волн.

Традиционные устройства зачастую основаны на простых приосевых срезах кристаллов. Поэтому кардинальное улучшениерабочих характеристик приборов с традиционным направлением распространения звука и света в настоящее время вряд ли возможно. Данная проблема можетбыть решена и уже успешно решается при использовании новых материалов, атакже нетрадиционных, то есть сложных геометрий взаимодействия света и звукав известных материалах [18]. Это возможно, например, при внеосевых направлениях распространения акустических волн в традиционных кристаллах. Причем,именно в срезах, лежащих вне плоскостей симметрии, в кристаллах с сильной акустической анизотропией наблюдается необычное распространение упругих волн.В связи с этим является актуальным и представляет интерес подробное исследование упругих характеристик акустооптических материалов во всех направлениях распространения ультразвука.

При этом целью исследования должно бытьвыявление общих закономерностей распространения звука в классах симметриикристаллов, часто используемых в акустооптике или наиболее перспективных дляакустооптических применений.5Цель диссертационной работы состоит в выявлении основных закономерностей распространения упругих волн в акустооптических кристаллах с рекордной анизотропией упругих свойств, а также преломления акустических волнна границе раздела двух кристаллов.Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующиезадачи:1.

Выявление закономерностей распространения плоских объемных акустических мод в неограниченных кубических, тетрагональных и тригональныхкристаллических средах.2. Анализ влияния значений коэффициентов упругости на характеристики акустических волн в кристаллах.3. Исследование влияния пьезоэлектрического эффекта на основные характеристики распространения акустических волн в тригональных акустооптических материалах.4.

Выявление необычных случаев преломления акустических волн, обусловленных уникальным соотношением упругих коэффициентов акустооптических материалов.Научная новизна:1. Определены значения фазовых скоростей и компонент вектора поляризации звуковых волн, распространяющихся во всех направлениях кубических,тетрагональных и тригональных кристаллических сред, принадлежащих характерным для акустооптики классам симметрии.2. Исследована анизотропия фазовых скоростей звука тетрагональных материалов в плоскости, ортогональной оси симметрии четвертого порядка. Определены соотношения констант упругости тетрагональных кристаллов, влияющие на степень акустической анизотропии в данной плоскости.3.

Проведен анализ характеристик кубических, тетрагональных и тригональных кристаллических материалов с необычным поляризационным эффектом, а именно, когда наиболее быстрая волна является поперечной модой, а6медленная - продольной. Также выявлены соотношения компонент упругости кубических, тетрагональных и тригональных кристаллов, которые обеспечивают подобное поведение поляризации.4. Определено максимальное возможное значение угла, при котором происходит изменение типа поляризации упругих волн в плоскости XOY тетрагональных кристаллических материалов.5.

Выявлены необычные случаи преломления объемных акустических волн наплоской границе раздела ниобат лития – парателлурит, встречающиеся вприборах современной акустооптики.Теоретическая и практическая значимость. Результаты работы могутбыть использованы при создании акустооптических и акустоэлектронных устройствновых поколений, например, перестраиваемых акустооптических фильтров, модуляторов, дефлекторов и других приборов на основе косых срезов кристалловс рекордно большой анизотропией акустических свойств. Предложенные методики расчетов характеристик упругих волн могут быть использованы при анализеакустических эффектов в новых материалах акустооптики и акустоэлектроники.7Положения, выносимые на защиту1. В кристаллах с сильной анизотропией упругих свойств существуют направления распространения упругих волн, в которых быстрая волна являетсяквазипоперечной, в то время, как более медленная мода является квазипродольной.