Диссертация (1102446), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Указанная особенность полуколлинеарного режимавзаимодействия была впервые качественно предсказана и объяснена в работе [43].Различный характер влияния апертуры светового пучка и размеров ультразвуковогостолба на свойства двух возможных вариантов полуколлинеарного взаимодействия необходимопринимать во внимание при разработке акустооптических устройств, использующихполуколлинеарный режим дифракции света на ультразвуке. В частности, в работах [174, 175]предложена конфигурация двухпроходного акустооптического фильтра,использующаяпоследовательно оба описанных варианта полуколлинеарной дифракции.
При этом, расчетычастотной полосы взаимодействия и эффективности дифракции в таком фильтре проводилисьбез учета двумерного характера взаимодействия, что позволяет полагать их результатыфизически некорректными.4.6. Выбор условий для наблюдения полуколлинеарной дифракцииВыбор акустооптического материала и его конкретного среза для осуществленияполуколлинеарного режима дифракции является достаточно сложной задачей, при решениикоторой необходимо удовлетворить ряд различных, подчас взаимоисключающих требований.Как видно из выражения (4.2), необходимая частота ультразвуковой волны определяется какдлиной волны света, так и свойствами материала.
Поскольку значения показателя преломлениябольшинства кристаллов являются величинами одного порядка [169], то решающее влияние начастоту синхронизма оказывают лишь величина скорости распространения и угол сносаультразвуковой волны. Как известно, обе эти величины изменяются в широких пределах взависимости от конкретного материала, а для каждого из материалов − также и в зависимостиот направления среза.Как было показано в п.4.4, затухание ультразвуковой волны приводит к существенномупадению эффективности дифракции. Поэтому при отыскании оптимальных параметров дляреализации полуколлинеарного режима дифракции следует, по возможности, стремиться кснижению коэффициента затухания ультразвука. Для удовлетворения данного требованиянеобходимо использовать как можно более низкие частоты ультразвука, поскольку− 122 −коэффициент затухания ультразвука в кристаллах пропорционален квадрату частотыакустической волны [169].
Из выражения (4.2) видно, что для снижения частоты синхронизманеобходимо использовать ультразвуковую волну, характеризуемую как можно меньшейскоростью распространения и как можно большим углом сноса. Вместе с тем, изкристаллоакустикиизвестно,чтоультразвуковыеволныснаименьшейскоростьюраспространения, как правило, характеризуются наибольшим коэффициентом затухания [169].Данное обстоятельство вступает в противоречие с первоначальным требованием минимальногозатухания ультразвука, что приводит к необходимости отыскивать оптимальное сочетаниеразличных характеристик ультразвуковой волны.
Из выражения (4.2) также следует, чтотребуемое значение частоты ультразвуковой волны может быть значительно снижено не толькоподбором акустических параметров, но и путем увеличения длины волны света, то есть припереходе из видимого диапазона в инфракрасный. Данный способ также имеет своиограничения,потому чтоэффективностьдифракциисветанаультразвукеобратнопропорциональна квадрату длины волны света (см. формулу (3.1)).Еще один фактор, который необходимо принимать во внимание при выборе исходныхпараметров для наблюдения полуколлинеарной дифракции, − это сильная зависимостькоэффициента акустооптического качества в кристаллических материалах от угла среза и отнаправления взаимодействующих световых пучков в пределах плоскости взаимодействия (см.
п.3.2). Поэтому кристаллический срез, оптимальный с точки зрения акустических характеристикматериала, может оказаться непригодным для эксперимента именно из-за малого значениякоэффициента качества. Таким образом, проблема оптимального выбора акустооптическогоматериала и среза для наблюдения полуколлинеарного режима дифракции заслуживаетсамостоятельного исследования и выходит за рамки данной работы.Вкачествеоптимальногоматериаладляэкспериментальногоисследованияполуколлинеарной дифракции в настоящей работе был выбран кристалл парателлурита.
Какизвестно, данный материал характеризуется самым большим углом сноса ультразвуковойволны среди известных материалов, а также сравнительно малой скоростью распространенияэтой волны [44, 169]. Кристалл парателлурита прозрачен для оптического излучения вдиапазоне длин волн от 0,35 мкм до 5 мкм [169]. Исследование полуколлинеарной дифракцииосуществлялось на длине волны λ = 3,39 мкм, соответствующей одной из инфракрасных линийгелий-неонового лазера.
Все представленные расчеты выполнены именно для этой длиныволны. Значения главных показателей преломления кристалла вычислялись по приближеннымформулам из [171] и составляли величины no = 2,18 для обыкновенной и ne = 2,32 длянеобыкновенной оптической волны.− 123 −Для экспериментального исследования в настоящей работе была выбрана медленнаяквазисдвиговая мода в кристаллографической плоскости (001). Данная плоскость была выбрана,поскольку именно в ней реализуются наибольший угол сноса ультразвуковой волны, равный74о, и наименьшая скорость ее распространения в данном кристалле. Кроме того, плоскость(001) перпендикулярна оптической оси кристалла, то есть показатели преломления света в нейнезависятотнаправленияегораспространения.Симметриятензорафотоупругихкоэффициентов кристалла такова, что при дифракции света на ультразвуке в рассматриваемойплоскости возможны лишь переходы без изменения плоскости поляризации, как в оптическиизотропной среде.
Это обстоятельство гарантирует, что полуколлинеарный режим дифракциивозникает в данном случае именно в силу акустической, а не оптической анизотропии средывзаимодействия. Таким образом, обеспечивается дополнительное повышение надежностиполученных экспериментальных результатов.Рисунок 4.6 поясняет расположение взаимодействующих волновых пучков и ихволновых векторов на примере перехода е→е (из необыкновенной волны в необыкновенную).Переход о→о (из обыкновенной волны в обыкновенную) рассматривается аналогично. Вкачестве параметра задачи был выбран угол среза кристалла χ, представляющий собой уголмежду волновым вектором ультразвуковой волны и кристаллографической осью [100].
Длякаждого значения этого угла были рассчитаны направления распространения световых пучков0-го и +1-го дифракционных порядков в полуколлинеарном режиме дифракции. Исходя изгеометрической конфигурации взаимодействия, были рассчитаны зависимости частотыультразвуковой волны и коэффициентов акустооптического качества в полуколлинеарномрежиме дифракции от угла среза кристалла, представленные на рис.4.7а и 4.7б, соответственно.Для вычисления коэффициентов акустооптического качества использовались формулы (3.17).Оказывается, что переход е→е характеризуется более высоким значением коэффициентакачества, чем переход о→о, и поэтому именно его целесообразно использовать в эксперименте.Из графиков также видно, что существует оптимальный диапазон углов среза, в которомчастота синхронизма f * минимальна, а коэффициент акустооптического качества максимален.Очевидно, что угол среза кристалла для экспериментальной реализации полуколлинеарногорежима дифракции следует выбирать именно из этого диапазона.Помимоплоскости(001),интересноисследоватьвозможностьреализацииполуколлинеарной дифракции в кристалле парателлурита также и в плоскости (1 1 0) .
Важностьподобной задачи обусловлена тем, что именно плоскость (1 1 0) весьма часто используется вакустооптических устройствах. Максимальный угол сноса энергии ультразвуковой волны в нейнесколько меньше, чем в плоскости (001), и составляет величину 57о [44, 169]. При этом, вплоскости (1 1 0) возможны лишь переходы с изменением плоскости поляризации, которые− 124 −[010]а)ВолноваяповерхностьакустическойволныrK[100]χ[010]б)Волноваяповерхностьсветовой волныrKrk1rk0[100]Конфигурациявзаимодействующихволновых пучковrKв)zxРис.
4.6. Полуколлинеарное взаимодействие в плоскости (001) кристалла парателлурита.Тонкие стрелки − волновые векторы взаимодействующих волн, жирные стрелки −лучевые векторы света. Двойная стрелка − вектор потока энергии ультразвука.− 125 −f*,МГца)400030002000e→e1000o→o090105120135150165180 χ, градM ×1015,с3/кгб)3025201510e→e5o→o090105120135150165180 χ, градРис. 4.7. Зависимость частоты синхронизма при полуколлинеарном взаимодействии икоэффициента акустооптического качества от угла среза кристалла.Графики соответствуют переходам o→o и e→e в плоскости (001).− 126 −характеризуются высокими значениями коэффициента акустооптического качества. Дляплоскости (1 1 0) был проведен расчет параметров полуколлинеарной дифракции в случаеперехода о→е.
Угол среза кристалла χ в данном случае представляет собой угол междуволновым вектором ультразвуковой волны и кристаллографической осью [110]. На рис. 4.8показанагеометрическаяконфигурациярассматриваемогорежимаакустооптическоговзаимодействия. Важно отметить, что при переходе о→е направление лучевого вектора светаотличается от направления волнового вектора, и поэтому условием полуколлинеарного режимавзаимодействия в данном случае является именно совпадение лучевого вектора +1-го порядкадифракции с ультразвуковым столбом.
Рассчитанные зависимости частоты ультразвуковойволны и коэффициентов акустооптического качества в полуколлинеарном режиме дифракцииот угла χ представлены соответственно на рис.4.9а и 4.9б. Вычисление коэффициентовакустооптического качества в данном случае осуществлялось при помощи формулы (3.13).Видно, что в плоскости (1 1 0) возможно полуколлинеарное взаимодействие с коэффициентомкачества, достигающим величины 700·10−15 с3/кг при частоте ультразвуковой волны, равной600 МГц. Возбуждение ультразвуковых волн с подобными частотами в парателлуритезатруднительно ввиду высокого затухания ультразвуковой волны в кристалле, однако, впринципе, осуществимо.
Таким образом, плоскость (1 1 0) кристалла парателлурита такжеследуетрассматриватьприсозданииакустооптическихустройств,использующихполуколлинеарный режим дифракции.4.7. Эксперимент по наблюдению полуколлинеарной дифракции в парателлуритеДля проведения эксперимента в настоящей работе была выбрана плоскость (001)кристалла парателлурита.
Дифракция света происходила на медленной квазисдвиговойакустической моде с углом среза χ = 130о, углом сноса энергии ψ = 72о и фазовой скоростьюV = 716 м/с. Источником света служил гелий-неоновый лазер с длиной волны λ = 3,39 мкм.Поляризация оптического излучения соответствовала необыкновенной волне, показательпреломления для которой, вычисленный по приближенным формулам из [171], составлялвеличину n = 2,32. Тогда частота ультразвуковой волны, соответствующая синхронизму приполуколлинеарной дифракции и определяемая формулой (4.1), оказалась равной 300 МГц.Акустооптическое качество для перехода вида е→е составило величину 4,6·10−15 с3/кг.Указанные параметры отмечены точкой на графиках рис.
4.7.В эксперименте использовалась акустооптическая ячейка, описанная в п. 3.1, но спьезопреобразователем других размеров, равных в данном случае 0,9 × 1,9 мм. При этом− 127 −[001]а)ВолноваяповерхностьакустическойволныrKχ[110][001]б)rKrk1rk0Волноваяповерхностьсветовой волны[110]zxв)rKКонфигурациявзаимодействующихволновых пучковРис. 4.8. Полуколлинеарное взаимодействие в плоскости (1 1 0) кристалла парателлурита.Тонкие стрелки − волновые векторы взаимодействующих волн, жирные стрелки −лучевые векторы света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
