Диссертация (1102446), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При исследовании акустооптического взаимодействия в сильно анизотропных материалахоказалось, что процесс дифракции света на ультразвуковых волнах с большими углами сносаподчиняется ряду закономерностей, не характерных для волн с малым сносом энергии илиполным его отсутствием. Очевидно, что выявление и исследование этих закономерностейпредставляет интерес не только для разработки новых акустооптических приборов, но и каксамостоятельная научная задача. Таким образом, исследование дифракции света на ультразвукев средах, обладающих сильной анизотропией не только оптических, но и упругих свойств,является важной проблемой современной акустооптики.Степень разработанности проблемыНеобходимость специального исследования дифракции света на ультразвуке в средах ссильно анизотропными свойствами возникла достаточно давно. Процесс дифракции света наультразвуке в средах с оптической анизотропией был весьма подробно изучен в рядеисследований, проведенных еще в 1970-е − 80-е гг.
[20-33]. Однако влияние упругойанизотропии, то есть сноса энергии ультразвуковой волны, на процесс акустооптическоговзаимодействия до настоящего времени не подвергалось исчерпывающему исследованию. Какбыло отмечено выше, подобное положение объясняется тем, что ранее в акустооптическихустройствах чаще всего применялись ультразвуковые волны со сравнительно небольшими−6−углами сноса энергии. Тем не менее, проводились экспериментальные исследования дифракциисвета на наклонных ультразвуковых столбах, которые позволили выявить влияние сносаэнергии ультразвуковой волны на характеристики акустооптического взаимодействия [34-38].Внастоящеевремяизвестносравнительнонемногоработ,непосредственнопосвященных теоретическому исследованию дифракции света на ультразвуковых волнах сосносом энергии [30, 31, 35-50].
Как правило, их авторы идут по пути модификации ужеизвестного теоретического аппарата, описывающего акустооптическое взаимодействие. Приэтом в математические соотношения, описывающие процесс дифракции света на ультразвуке,вносятся аддитивные или мультипликативные поправки, зависящие от угла сноса энергииультразвука. Подобный подход позволяет в ряде случаев расширить область примененияизвестной теории акустооптического взаимодействия, однако не позволяет описать такиеэффекты и режимы дифракции, которые принципиально не могут наблюдаться в изотропныхсредах.
Ограничения существующих методов описания дифракции света на ультразвукепри их применении к средам с сильной упругой анизотропией были впервые отмеченыв работах [40-42].Следует отметить, что в акустооптике существует также ряд эффектов, остающихсямалоизученными по причине трудности их экспериментальной реализации и применения. Вчастности,поэтойпричинесвойстванизкочастотногорежимаколлинеарногоакустооптического взаимодействия исследованы в настоящее время значительно лучше, чемвысокочастотного. Кроме того, известно, что экспериментальная реализация высокочастотногорежима сопряжена со значительными сложностями [19, 51], хотя современный уровень техникифизического эксперимента, в принципе, позволяет возбуждать ультразвуковые волны снеобходимыми для этого частотами [52].
Одним из важных свойств коллинеарногоакустооптическоговзаимодействияявляетсяегоамплитуднаяневзаимность[53-54].Исследования этого эффекта в случае низкочастотного режима коллинеарного взаимодействияпоказали, что для его проявления необходимы специальные условия, возникающие лишь вспектральных акустооптических фильтрах с высоким разрешением. При этом вопрос о влиянииакустооптической невзаимности на процесс высокочастотного коллинеарного взаимодействиядо настоящего времени не рассматривался.Цели и задачи исследованияЦелью настоящей работы явилось исследование процесса дифракции света наультразвуке в средах, обладающих сильной анизотропией оптических и упругих свойств.Основное внимание уделено выявлению и рассмотрению тех акустооптических эффектов,−7−которые являются пренебрежимо малыми или вовсе отсутствуют при дифракции света наультразвуке в изотропных и слабо анизотропных средах.Для достижения указанной цели оказалось необходимым сформулировать и решитьследующие задачи:1) Построение теоретической модели дифракции ограниченных световых пучков наультразвуке при произвольных направлениях распространения взаимодействующих волн.2) Исследование свойств брэгговского режима дифракции света на ультразвуке прибольших углах падения и дифракции света в случае, когда область взаимодействия ограниченав пространстве по двум координатам.
Определение условий, при которых такое ограничениесущественно влияет на характеристики взаимодействия.3) Изучение нового (полуколлинеарного) режима акустооптического взаимодействия,объединяющего в себе признаки известных поперечного и коллинеарного режимов дифракции.Рассмотрение динамики перехода от полуколлинеарного режима к каждому из указанныхрежимов.4) Сравнительное рассмотрение низкочастотного ивысокочастотного режимовколлинеарного акустооптического взаимодействия.
Исследование влияния амплитуднойневзаимности на характеристики акустооптического взаимодействия в этих режимах.5) Экспериментальная проверка полученных теоретических выводов и результатов.Научная новизна полученных результатовНаучная новизна результатов настоящей работы определяется тем, что в ней впервые:1) Построена математическая модель процесса дифракции ограниченных световыхпучков на ультразвуке в изотропных, а также оптически и акустически анизотропных средах. Вотличие от существующих моделей акустооптического взаимодействия, разработанная модельпозволяет описывать процесс дифракции световых пучков произвольного сечения наультразвуке при произвольных направлениях распространения взаимодействующих волн и припроизвольной геометрической форме области взаимодействия. Кроме того, модель учитываетвозможность существования и пространственной неоднородности ультразвукового поля.Основой модели является двумерное уравнение связанных мод, описывающее изменениеамплитуды электромагнитной волны каждого из дифракционных порядков в процессевзаимодействия в зависимости от двух пространственных координат.2) Исследован процесс обмена энергией между световыми пучками дифракционныхпорядков в режиме дифракции Брэгга при различных соотношениях углов падения идифракции света, а также коэффициента акустооптической связи.
Рассмотрен как случай−8−синхронного взаимодействия, так и взаимодействия при наличии расстройки. Предсказанэффект пространственного перераспределения энергии электромагнитного поля, приводящий кизменению формы поперечного сечения взаимодействующих пучков в процессе дифракции.Показано, что в случае произвольных значений углов дифракции света на ультразвукенеобходимо учитывать пространственное ограничение области взаимодействия по двумкоординатам за счет конечной апертуры светового и ультразвукового пучков. Предложенколичественный критерий того, какой из двух указанных факторов оказывает определяющеевлияние на процесс акустооптического взаимодействия.3) Рассмотрен режим дифракции света на ультразвуке в упруго анизотропной среде, прикотором световой пучок одного из дифракционных порядков направлен строго вдольультразвукового столба.
Данный режим объединяет в себе признаки известных поперечного иколлинеарного режимов дифракции, и для его обозначения предложено использовать термин"полуколлинеарный". Проведено теоретическое исследование свойств полуколлинеарногорежима акустооптического взаимодействия при помощи разработанной модели процессадифракции света на ультразвуке. Показано, что характеристики полуколлинеарного режимавзаимодействия, в отличие от известных в настоящее время режимов, принципиальноопределяются пространственным ограничением области взаимодействия по двум координатам.Осуществленоэкспериментальноенаблюдениеполуколлинеарногоакустооптическоговзаимодействия.4) Проведено сравнительное рассмотрение низкочастотного и высокочастотногорежимов коллинеарного акустооптического взаимодействия при помощи двумерного уравнениясвязанных мод.
Получены численные решения уравнения связанных мод, описывающегонизкочастотныйивысокочастотныйвзаимодействия.Исследовановлияниережимызатуханияколлинеарногоультразвукаакустооптическогоикоэффициентаакустооптической связи на форму аппаратной функции, ширину частотной полосывзаимодействия и эффективность дифракции.
Исследовано влияние амплитудной невзаимностина характеристики акустооптического взаимодействия в низкочастотном и высокочастотномрежимах в различных акустооптических материалах. Показано, что в большинстве случаевамплитудная невзаимность проявляется в высокочастотном режиме существенно сильнее, чем внизкочастотном.Теоретическая и практическая значимость работыТеоретическая значимость работы состоит в разработке и реализации нового методаматематического моделирования дифракции света на ультразвуке, основанного на двумерном−9−уравнении связанных мод. При помощи построенной модели оказалось возможным предсказатьи исследовать ряд акустооптических эффектов, которые не могли быть корректно описаны врамках существующих теорий акустооптического взаимодействия.Практическая значимость работы заключается в возможности использования еерезультатов в разработке новых акустооптических устройств, основанных на сильноанизотропныхсредахвзаимодействия.Результатыисследованиямогуттакжебытьиспользованы при формировании учебных курсов по акустооптике.Структура диссертационной работыРабота состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения и списка литературы.Во введении дана общая характеристика исследуемой проблемы дифракции света наультразвуке в оптически и акустически анизотропных средах.
Показана актуальностьисследуемой проблемы, перечислены цели и задачи исследования, отмечена научная новизнаполученных результатов.Перваяглавадиссертациипосвященаразработкематематическогоаппарата,необходимого для исследования. Показано, что проблема дифракции света на ультразвуке всредах, обладающих сильной анизотропией упругих свойств, приводит к необходимостиописания этого процесса при произвольных, в том числе больших, значениях углов дифракции.Обоснована необходимость разработки нового теоретического подхода к описанию процессаакустооптического взаимодействия, позволяющему дать строгое решение поставленной задачи.Получено двумерное уравнение связанных мод, описывающее дифракцию света на ультразвукеприпроизвольныхнаправленияхраспространениясветовыхпучковипроизвольнойгеометрической форме области взаимодействия.Вовторойглаведиссертациипроводитсяисследованиебрэгговскогорежимаакустооптического взаимодействия при помощи разработанного метода описания дифракциисвета на ультразвуке.
Разработаны методы аналитического и численного решения двумерногоуравнения связанных мод, позволяющие находить пространственную структуру световыхпучков дифракционных порядков как при синхронном взаимодействии, так и в условияхрасстройки. Исследован процесс обмена энергией между световыми пучками дифракционныхпорядков при различных соотношениях углов падения и дифракции света. Показано, чтодвумерное уравнение связанных мод позволяет описать ряд акустооптических эффектов,которые не могут быть описаны в рамках известных подходов к задаче дифракции света наультразвуке.− 10 −Втретьейглаведиссертациипредложенметоднахождениякоэффициентаакустооптического качества оптически анизотропной среды при произвольных направленияхраспространения взаимодействующих световых пучков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
