Диссертация (1102446), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Кроме того, показано, что интенсивность света вотклоненном пучке может безгранично расти, а его апертура − соответственно уменьшаться.5) Исследовано влияние затухания ультразвуковой волны на эффективность дифракциии частотную полосу полуколлинеарного акустооптического взаимодействия. Показано, что сростом акустического затухания эффективность дифракции значительно падает, а частотнаяполоса практически не изменяется.6) Исследованы условия реализации полуколлинеарной дифракции в кристаллепарателлурита.Указаныоптимальныесрезыдляреализацииданногорежимаакустооптического взаимодействия при изотропной дифракции в плоскости (001) и прианизотропной дифракции в плоскости (1 1 0) .− 134 −7)Осуществленоэкспериментальноенаблюдениеполуколлинеарногорежимадифракции света на ультразвуке и измерение эффективности дифракции и частотной полосы.Результаты эксперимента оказались качественно и количественно соответствующими выводамразработанной теории полуколлинеарного взаимодействия.− 135 −Глава 5.
Низкочастотное и высокочастотное коллинеарное взаимодействие.Амплитудная невзаимность5.1. Переход от двумерного уравнения связанных мод к одномерномуКоллинеарныйрежимакустооптическоговзаимодействияявляетсяоднимизспециальных частных случаев дифракции света на ультразвуке, представляющих значительныйинтерес как для теоретического исследования, так и для практических применений [19].Отличительная особенность коллинеарного взаимодействия заключается в том, что придифракции Брэгга световые волны обоих дифракционных порядков, а также ультразвуковаяволна, распространяются вдоль одной прямой. Простейшим способом определить коллинеарноеакустооптическое взаимодействие, впервые рассмотренным в работе [20], является требованиепараллельности волновых и лучевых векторов всех трех взаимодействующих волн между собой.Следует отметить, что из литературы известны и более сложные варианты коллинеарногоакустооптического взаимодействия в оптически и акустически анизотропных средах,предполагающие сонаправленность только волновых [176] или же только лучевых [177]векторов взаимодействующих волн.
При дальнейшем рассмотрении в рамках настоящей работыограничимся простейшим, но наиболее распространенным случаем, когда направления всехуказанных векторов всех взаимодействующих волн совпадают между собой.Практическая важность коллинеарного акустооптического взаимодействия определяетсятем, что именно в этом режиме взаимодействия световой пучок пересекает наибольшее числопериодов дифракционной решетки, индуцированной ультразвуком в среде взаимодействия. Этообстоятельство позволяет создавать акустооптические спектральные фильтры с максимальновозможным спектральным разрешением. При этом возникает необходимость учитывать такиеакустооптические эффекты, которые слабо проявляются в других режимах взаимодействия.Одним из таких эффектов является акустооптическая невзаимность, которая заключается в том,что при изменении направления распространения ультразвуковой волны на противоположноеусловия взаимодействия оказываются различными.
Следует различать фазовую невзаимность,наблюдаемуювпроходящемсвете,иамплитуднуюневзаимность,наблюдаемуювдифрагированном свете. Фазовая невзаимность, которая проявляется в изменении скоростипрохождения света через область взаимодействия при смене направления распространенияультразвуковой волны, была исследована достаточно давно [83, 85, 178-183]. Амплитуднаяневзаимность представляет собой изменение амплитуды дифрагированного света при смененаправления ультразвуковой волны. Проявление данного эффекта в первом порядке дифракциивпервые экспериментально наблюдалось в работе [184]. Как пример практического применения− 136 −акустооптической невзаимности можно привести оптический квантовый генератор, в резонаторкоторого помещен акустооптический невзаимный элемент [185-190].
Впоследствии авторыработы [190] исследовали невзаимный эффект уже как самостоятельное явление [113, 191, 192].Отдельного внимания заслуживает работа [53], где была впервые теоретически исследованаамплитудная и фазовая невзаимность коллинеарного акустооптического взаимодействия. Впоследние годы была также проведена серия исследований невзаимного эффекта приколлинеарном акустооптическом взаимодействии в дифрагированном свете [54, 114-116, 193].Отличие этих исследований от ранее проведенных заключается в новом подходе к определениюамплитудной невзаимности. Ранее для количественной оценки невзаимности использоваласьразность интенсивностей дифрагированного света в +1-м и −1-м порядках в зависимости отчастоты ультразвуковой волны.
Однако в работах [54, 114-116, 193] рассматривалась разностьчастот ультразвука, соответствующих синхронизму при дифракции в +1-й и −1-й порядки,отнесенная к ширине полосы частот акустооптического взаимодействия. Такой подходпозволяет более корректно сравнивать проявления акустооптической невзаимности вразличных материалах и при различных длинах волн света. В настоящей работе такжеиспользуется предложенный в [54, 114-116, 193] метод исследования.До сих пор все коллинеарные акустооптические фильтры используют так называемыйнизкочастотный режим коллинеарного акустооптического взаимодействия. В этом режимерассеяние света в дифракционный порядок сопровождается лишь сменой оптической моды (тоесть, поляризации), но не направления его распространения. Низкочастотный режим можетбыть реализован лишь в оптически анизотропных средах, и именно он обычно имеется в виду,когда упоминается коллинеарное акустооптическое взаимодействие.
Кроме низкочастотногорежима взаимодействия, существует также и высокочастотный режим, который можетнаблюдаться как в оптически анизотропных, так и в изотропных средах. Высокочастотноеколлинеарное взаимодействие представляет собой рассеяние света в 1-й порядок дифракции внаправлении, строго обратном падающему. В настоящее время высокочастотный режимнаблюдался лишь при взаимодействии электромагнитных волн субмиллиметрового диапазонаспектра с волнами электронной плотности, сопровождающими ультразвук в проводящейпьезоэлектрической среде [17, 153].
Следует отметить, что подобный режим рассеяния светаможет наблюдаться также и на голографических решетках и известен как брэгговскоеотражение [5, 194-196]. Экспериментальное исследование высокочастотного режима втрадиционной акустооптике затруднено тем, что для него требуется использованиечрезвычайно высоких частот ультразвука, составляющих единицы и десятки гигагерц[19, 51, 116]. Возбуждение акустических колебаний на таких частотах встречает значительныетехническиесложности,однакопринципиальноосуществимо.Внастоящеевремя− 137 −максимальнаячастотагиперзвуковыхволн,достигнутаятехнологиейизготовленияпьезопреобразователей для акустооптических устройств, превышает 10 ГГц при мощностивозбуждаемой волны порядка 0,8 Вт [52]. В связи с этим, теоретическое исследованиевысокочастотного коллинеарного акустооптического взаимодействия имеет, в принципе,определенные перспективы экспериментальной проверки.Важно подчеркнуть, что невзаимный эффект может наблюдаться как в низкочастотном,так и в высокочастотном режиме коллинеарного акустооптического взаимодействия.
При этом,исследованиеневзаимногоэффектавслучаевысокочастотногоколлинеарногоакустооптического взаимодействия приобретает особенную актуальность. Действительно, внизкочастотном режиме взаимодействия его невзаимность проявляется лишь в определенных,специальноподобранныхусловиях[54, 114-116, 193].Приэтом,высокочастотномуколлинеарному взаимодействию практически всегда сопутствует выраженный невзаимныйэффект[116].Ввысокочастотномрежиме,впротивоположностьнизкочастотному,невзаимность окажется пренебрежимо малой лишь при специальном подборе условийвзаимодействия.В настоящей работе, следуя работам [54, 114-116, 193], количественной меройневзаимного эффекта считается отношение разности частот синхронизма, вызваннойневзаимным эффектом, к ширине частотной полосы, в которой наблюдается взаимодействие.Поэтому для определения относительной величины невзаимного эффекта необходимо знатьширину полосы частот коллинеарного акустооптического взаимодействия.
На эту величинуоказывает влияние как эффективность дифракции, так и величина затухания ультразвуковойволны. Известно, что коэффициент затухания акустических волн пропорционален квадрату ихчастоты. В низкочастотном режиме коллинеарного акустооптического взаимодействиязатухание, как правило, остается достаточно умеренным, так что ослабление ультразвуковойволны при ее распространении в кристалле мало влияет на ширину частотной полосы [114-116].Однаковысокочастотноеколлинеарноеакустооптическоговзаимодействиетребуетиспользования настолько высоких частот ультразвука, что влияние акустического затухания наширину полосы частот в большинстве случаев становится решающим [116].Нахождение формы и ширины аппаратных функций в коллинеарном режиме, так же какивдругихрежимахакустооптическоговзаимодействия,требуетрассмотренияэлектродинамической задачи и решения уравнений связанных мод. Как было отмечено в п.1.1.,в рамках известной одномерной теории дифракции света на ультразвуке задача о коллинеарномвзаимодействии рассматривается независимо от задачи о поперечной дифракции, и приводит куравнению связанных мод несколько иного вида.
Напротив, двумерная теория дифракции светана ультразвуке позволяет получить одномерное уравнение связанных мод, описывающее− 138 −коллинеарное взаимодействие, как частный случай более общего двумерного уравнениясвязанных мод.Разработаннаятеориядифракциисветанаультразвукепозволяетописыватьколлинеарное взаимодействие световых пучков при любых значениях угла сноса акустическойволны (см., например, рис. 2.6д и пояснительный текст к нему из п. 2.6). При этом, внизкочастотном коллинеарном режиме выполняется соотношение углов падения и дифракцииθ1 = θ0, а в высокочастотном режиме − θ1 − θ0 = 180о.
Таким образом, в любом случаеколлинеарного акустооптического взаимодействия параметр геометрической конфигурации N,определяемый формулой (2.15), принимает бесконечное по модулю значение. Это означает, чтохарактеристики взаимодействия полностью определяются размером ультразвукового столба (см.подробнее п. 2.6). При этом, вектор расстройки должен быть направлен перпендикулярно кгранице ультразвукового столба, то есть вдоль оси x. Поэтому, если свет падает на границуобласти взаимодействия под острым углом, то изменение частоты ультразвука приводит ксканированию светового пучка первого порядка дифракции в небольших пределах. Такимобразом, при нарушении условия синхронизма режим акустооптического взаимодействияперестает быть строго коллинеарным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
