Диссертация (1102446), страница 33
Текст из файла (страница 33)
5.2а.В таблице 5.1 собраны значения частоты синхронизма и затухания ультразвука длянекоторых кристаллов при нескольких значениях длин волн света. Все используемые длярасчетов параметры кристаллов заимствованы из литературы [169]. Для справки в таблицеуказана спектральная область прозрачности каждого из кристаллов. Все величины с индексом(н) относятся к низкочастотному режиму коллинеарного акустооптического взаимодействия, авеличины с индексом (в) − к высокочастотному. Видно, что при данных характерных значенияхдлины кристалла, соотношение αl < 0,89π практически всегда выполняется в низкочастотномрежиме взаимодействия, а соотношение αl > 0,89π − в высокочастотном.
Из таблицы следует,что при низкочастотном коллинеарном акустооптическом взаимодействии невзаимностьпроявляется наиболее сильно в области более коротких длин волн света. Однако в случаевысокочастотного коллинеарного акустооптического взаимодействия невзаимный эффектоказывается выраженным в области более длинных волн света, попадающих в инфракрасныйдиапазон. При этом в видимом диапазоне невзаимность оказалась бы сравнительно слабой,даже если бы удалось осуществить акустооптическое взаимодействие на гиперзвуковой частотев десятки гигагерц.Невзаимныйэффектпроявляетсявнизкочастотномрежимеколлинеарногоакустооптического взаимодействия, как правило, весьма слабо.
С практической точки зрения, вбольшинстве случаев о невзаимности можно говорить лишь как о паразитном эффекте,сопровождающемработуколлинеарногоакустооптическогофильтра.Приэтом,акустооптическое устройство, специально используемое в качестве невзаимного элемента,может быть реализовано лишь в коротковолновой области видимого спектра приакустооптическом взаимодействии в ниобате лития.
Экспериментальные данные, полученные вработах [54, 115, 193], подтвердили наличие достаточно выраженной невзаимности приуказанных условиях акустооптического взаимодействия.Вотличиевзаимодейсвтия,отнизкочастотноговысокочастотныйрежимрежимаколлинеарногопредставляетзначительныеакустооптическогосложностидляпрактической реализации. Возбуждение ультразвуковых волн на требуемых для данногорежима частотах само по себе является сложной технической задачей. Кроме того, подобныеволны характеризуются исключительно сильным затуханием из-за квадратичной зависимости− 155 −Таблица 5.1.
Характерные параметры коллинеарного акустооптического взаимодействияКристалл,область прозрачности,примерный размерα-SiO2λ = 0,15 ... 4,5 мкмl = 15 смLiNbO3λ = 0,4 ... 4,5 мкмl = 4 смα-Al2O3λ = 0,17 ... 6,5 мкмl = 5 смλ,мкмf н,МГцfв,ГГцα1,Нп/(м·ГГц2)(αl)нFнFв0,151,5·104 0,300,024,5·10−24,1·103 0,150,031,1·10−31,4·102 0,024 0,181,22,5·103 1,100,060,113,2·102 0,300,140,325170550,63390283,391140,4421540701,152460253,39113088,8·10−30,325270 1200,633140621,15280333,39126115,915Geλ = 1,5 ... 22 мкмl = 3 см10,6Tl3AsSe3λ = 1,23 ...
18 мкмl = 3 см10,6−33355,1132,3(αl)в0,080,438,5·10−31,7·103 0,170,132,3·10−34,4·102 0,090,267,5·10−41,3·102 0,050,488,0·10−533142,6·10−55,74,23501,23450−0,113,81,8·1020,017 1,440,01−2,40,061,5·102 0,024 0,017Примечание 1. Для всех кристаллов, кроме кристалла Ge, рассматривалось акустооптическоевзаимодействие с продольной акустической волной, распространяющейся вдоль оси [100], а длякристалла Ge − вдоль оси [111].Примечание 2. Типы лазерных источников, использованных при расчете:λ = 0,325 мкм; λ = 0,442 мкм − Cd,λ = 0,633 мкм; λ = 1,152 мкм; λ = 3,391 мкм − He-Ne,λ = 5,9 мкм − CO,λ = 10,6 мкм − CO2.− 156 −коэффициента ослабления ультразвуковой волны от частоты. Затухание ультразвука приводит ктакомупадениюэффективностидифракции,чтонаблюдениеакустооптическоговзаимодействия в большинстве случаев оказывается практически невозможным.
Как видно изтаблицы 5.1, минимальные значения частоты и затухания ультразвука характерны длявысокочастотного коллинеарного взаимодействия в кристаллах ниобата лития и корунда(сапфира) в инфракрасной области спектра. Следует отметить, что именно такие режимывзаимодействия и сопровождаются наиболее выраженной невзаимностью, что являетсяобнадеживающим выводом для проведения экспериментального исследования данного явления.Наиболее интересным в этом отношении является кристалл корунда, или сапфира, которыйотличается крайне низким затуханием ультразвуковой волны [169, 197-199]. В области длинныхволн света из его спектральной области прозрачности, относительная величина невзаимностизначительно превышает единицу.
Так, на линии СО-лазера λ = 5,9 мкм и частоте ультразвука5,7 ГГц в кристалле длиной 5,0 см можно ожидать невзаимности с параметром F = 2,5. Такаязначительная невзаимность не может наблюдаться в случае низкочастотного акустооптическоговзаимодействия. При этом, требуемая величина частоты ультразвука оказывается значительнониже предельных величин, уже достигнутых технологией изготовления пьезопреобразователей[18]. Поэтому именно кристалл сапфира можно рекомендовать в качестве оптимального дляэкспериментального исследования невзаимного эффекта при высокочастотном коллинеарномакустооптическом взаимодействии.− 157 −Основные результаты главы 51) Проведено теоретическое исследование коллинеарного режима акустооптическоговзаимодействия при помощи двумерного уравнения связанных мод.
Показано, что вколлинеарном случае двумерное уравнение связанных мод сводится к известному одномерномууравнению.2)Полученычисленныенизкочастотныйивзаимодействия.Исследованорешениявысокочастотныйвлияниеуравнениярежимызатуханиясвязанныхколлинеарногоультразвукамод,описывающегоакустооптическогоикоэффициентаакустооптической связи на форму аппаратной функции, ширину частотной полосывзаимодействия и эффективность дифракции.
Проведено сравнение характера этого влияния внизкочастотном и высокочастотном режимах.3)Исследованэффектамплитуднойневзаимностиколлинеарногорежимаакустооптического взаимодействия. Проведено сравнение проявлений этого эффекта принизкочастотном и высокочастотном коллинеарном взаимодействии. Показано, что амплитуднаяневзаимность проявляется в большинстве акустооптических материалов в высокочастотномрежиме существенно сильнее, чем в низкочастотном. Предложены условия экспериментальногонаблюдения невзаимного эффекта в низкочастотном режиме в кристалле ниобата лития, а ввысокочастотном − в кристалле корунда (сапфира).− 158 −ЗаключениеВ диссертационной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследованиедифракции света на ультразвуке в средах, обладающих анизотропией оптических и упругихсвойств.
Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:1) Показано, что описание процесса дифракции света на ультразвуке в средах,обладающих сильной анизотропией упругих свойств, требует рассматривать данный процесспри произвольных, в том числе больших, значениях углов дифракции. Получено двумерноеуравнение связанных мод, описывающее дифракцию света на ультразвуке при произвольныхнаправлениях распространения световых пучков и произвольной геометрической формеобласти взаимодействия.
Уравнение получено в вариантах, соответствующих оптическиизотропным и анизотропным средам, а также пространственно однородным и неоднороднымакустическим полям.2) Разработаны методы аналитического и численного решения двумерного уравнениясвязанных мод, описывающего брэгговский режим дифракции света на ультразвуке.Особенностью предлагаемых методов является возможность исследования акустооптическоговзаимодействия при произвольных, в том числе больших, углах падения и дифракции света.Предлагаемые методы позволяют находить пространственную структуру световых пучковдифракционных порядков как при синхронном взаимодействии, так и в условиях расстройки.Показано, что двумерное уравнения связанных мод позволяет описать акустооптическиеэффекты, которые не могут быть описаны в рамках известных подходов к задаче дифракциисвета на ультразвуке.3) Теоретически и экспериментально исследован полуколлинеарный режим дифракциисвета на ультразвуке в упруго анизотропной среде, при котором световой пучок одного издифракционных порядков направлен строго вдоль ультразвукового столба.
Показано, чтохарактеристики данного режима дифракции света на ультразвуке, в отличие от известных внастоящее время режимов, существенно определяются пространственным ограничениемобласти взаимодействия по двум координатам. Проведено теоретическое исследование иэкспериментальное наблюдение полуколлинеарного режима акустооптического взаимодействияв кристалле парателлурита.4) Проведено исследование коллинеарного режима акустооптического взаимодействияпри помощи двумерного уравнения связанных мод. Получены численные решения уравнениясвязанных мод, описывающего низкочастотный и высокочастотный режимы коллинеарногоакустооптическоговзаимодействия.Исследованэффектамплитуднойневзаимностиколлинеарного режима акустооптического взаимодействия.
Проведено сравнение проявленийэтого эффекта при низкочастотном и высокочастотном коллинеарном взаимодействии.− 159 −Список литературы1) Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. − М.,1985.2) Корпел А. Акустооптика. − М., 1993.3) Xu J., Stroud K. Acousto-Optic Devices − New York, 1992.4) Goutzoulis A., Pape D. Design and Fabrication of Acousto-Optic Devices − New York,1994.5) Ярив А., Юх П.
Оптические волны в кристаллах. − М., 1987.6) Задорин А. С. Динамика акустооптического взаимодействия. − Томск, ТГУ, 2004.7) Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. − М.,1978.8) Парыгин В. Н., Балакший В. И. Оптическая обработка информации. − М., 1987.9) Мустель Е. Р., Парыгин В.
Н. Методы модуляции и сканирования света. − М., 1970.10) Ребрин Ю. К. Управление оптическим лучом в пространстве. − М., 1977.11) Задорин А.С., Шандаров С.М., Шарангович С.Н. Акустические и акустооптическиесвойства монокристаллов. − Томск, ТГУ, 1987.12) Егоров Ю. В., Наумов К.