Диссертация (1104316), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Так как при увеличении длины волны λ расходимость существенно возрастает, то необходимоиспользовать пьезопреобразователь с характерными размерами 1 = 0.3 см и2 = 0.3 см. Выбрав мощность акустической волны равной a = 1 Вт, можнорассчитать величину коэффициента связи:√︂π 22 a= 0.022 см−1 .(3.5)=λ1 2Поскольку показатель преломления германия = 4 существенно большеединицы, то необходимо использовать конфигурацию АО ячейки, при которойзвуковая волна падает под малым углом (ψ ≪ 1) на входную оптическуюгрань кристалла и общий путь, проходимый звуковой волной, примерно равенудвоенной длине кристалла = 2. При геометрии АО взаимодействия, когда совпадают направления распространения отражённой акустической волны⃗ быи электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка (⃗0 ↑↑ ),ла определена оптимальная длина АО взаимодействия opt = 1.4 см, а также106эффективность дифракции, равная −1 = 7 · 10−5 . Рассчитанное значение полосы АО взаимодействия составляет около ∆η = 2.1 см−1 , что соответствуетотносительной полосе частот звука и длин волн электромагнитного излучения:∆λ ∆η∆=== 1.1 · 10−3 ,λ(3.6)где – волновое число ТГц излучения (λ = 140 мкм) в монокристалле германия.⃗ максимальноСогласно расчётам, выполненным для геометрии ⃗0 ↑↓ ,достижимая интенсивность 1 меньше, чем −1 , примерно на 15%, а полоса ∆ηуже на 2.0%.
Если же увеличить акустическую мощность в 10 раз, то, как показывает расчёт, при той же геометрии АО взаимодействия полоса ∆η увеличитсявсего лишь на 0.2%.При конфигурации АО взаимодействия, соответствующей малому углу падения (ψ ≪ 1) акустической волны на входную оптическую грань, целесообразно изготовить АО ячейку таким образом, чтобы угол падения ТГц излучения на входную грань был минимален, но в то же время пьезопреобразовательне должен находиться на пути распространения ТГц излучения. В противномслучае при коллинеарной геометрии отражённое от пьезопреобразователя ТГцизлучение будет распространяться по тому же пути и в том же направлении,что и дифрагированное. Это привело бы к невозможности определения интенсивности дифрагированного излучения, поскольку она на несколько порядковменьше интенсивности отражённого излучения.Моделирование отражения квазипродольной акустической волны от границы раздела кристалл-вакуум проводилось согласно соотношениям, приведённым в работе [75].
При расчёте предполагалось, что одна из трёх отражённыхволн является чисто продольной и распространяется вдоль кристаллографической оси [100]. Зависимости направлений фазовой и групповой скоростей падающей звуковой волны от угла среза кристалла германия приведены на рисунке 3.8. Поскольку германий является анизотропной средой для акустическойволны, то энергия отражённой продольной моды будет меньше энергии падающей квазипродольной моды. Как видно из рисунка 3.9, при угле среза меньше10∘ значение коэффициента отражения больше 80%.Используя зависимости, приведённые на рисунке 3.8, а также учитываяхарактерные размеры пьезопреобразователя 3 × 3 мм, была определена оптимальная конфигурация АО ячейки, схема которой показана на рисунке 3.10.Как показал расчёт, для наблюдения обратной коллинеарной дифракции необ107Рисунок 3.8 — Зависимость угла между вектором фазовой/групповой скоростизвука и нормалью к входной грани АО ячейки от угла среза кристаллагерманияРисунок 3.9 — Зависимость коэффициента отражения квазипродольнойакустической моды от угла среза кристалла108ходимо использовать кристалл германия, входная оптическая грань которогосрезана под углом 5∘ к кристаллографической оси [010].
В этом случае падающий звуковой пучок будет распространяться под углом 14∘ к нормали входнойграни, а коэффициент отражения составит около 90%.Рисунок 3.10 — Схема АО ячейки на основе монокристалла германияДля экспериментального исследования обратной коллинеарной дифракции были использованы две АО ячейки. Их фотографии приведены на рисунке 3.11, а зависимость эффективной акустической мощности от частоты, определённые с помощью анализатора спектра фирмы R&S, – на рисунке 3.12. ЭтиАО ячейки имеют несколько отличий:1) размер первой АО ячейки (рисунок 3.11 а)) в направлении распространения акустической волны составляет 20 мм, в второй (см. рис. 3.11 б))– 14 мм;2) пьезопреобразователь первой АО ячейки характеризуется размером 4×4 мм, а второй – 3 × 3 мм;3) вторая АО ячейка имеет юстировочный винт для установки резонансной частоты , на которой происходит наиболее эффективное возбуждение акустической волны, в пределах от 302 МГц до 308 МГц (см.рис.
3.12).Калибровка АО ячейки проводилась в лаборатории акустооптики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с использованием излучениягелий-неонового лазера с длиной волны λ = 3.39 мкм. При частоте звука около ≈ 300 МГц и указанной длине волны λ в монокристаллическом германииможет быть реализована только квазиортогональная геометрия АО взаимодей109б)а)Рисунок 3.11 — АО ячейки для наблюдения обратной коллинеарнойдифракции в ТГц диапазонеРисунок 3.12 — Зависимость эффективной акустической мощности от частоты:1) прототип первой АО ячейки; 2) АО ячейка с перестройкой резонанснойчастоты110ствия. Для возможности наблюдения АО дифракции в металлической подложкепервой АО ячейки было сделано отверстие диаметром 7 мм и центром, отстоящим от пьезопреобразователя на 10 мм.
При подводимой электрической мощности 2 Вт и частоте акустической волны = 292 МГц были получены следующийрезультаты:1) поляризация света ортогональна волновому вектору акустической волны: 1 /0 = (0.57 ± 0.05)%;2) поляризация света параллельна волновому вектору акустической волны: 1 /0 = (0.52 ± 0.05)%.Полученный результат оказался на порядок меньше рассчитанного, который составляет 1 /0 = 6.4% в предположении, что АО качество составляет величину 2ort = 150 · 10−15 с3 /кг, вычисленную на основании данных [79].
Таким образом, реальное значение АО качество при рассматриваемой геометрии АО взаимодействия, учитывающее все негативные факторы, составляет величину около2ort = 14 · 10−15 с3 /кг. Из тех же литературных данных [79] следует, что АО качество при коллинеарной геометрии должно составлять 2col = 100 · 10−15 с3 /кг.Из пропорционального отношения установлено значение АО качества 2col и дана оценка эффективности коллинеарного АО взаимодействия в ТГц диапазоне:2col = 9 · 10−15 с3 /кг и 1 /0 ∝ 10−6 .На основании данных, полученных при проведении квазиортогональноговзаимодействия в ТГц диапазоне, можно утверждать, что при столь низком значении 1 /0 дифрагированное излучение не может быть зарегистрировано из-заналичия шумового фона. Кроме этого существует ещё один негативный фактор– наличие в схеме делительной пластины 5.
С одной стороны без неё невозможно разделить падающее на АО ячейку и дифрагированное излучение. Однакоинтенсивность дифрагированного излучения, попадающего на приёмник 11, оказывается меньше как минимум в 1/( · ) ≈ 4 раза, где и – коэффициентыпропускания и отражения пластины соответственно.Для увеличения эффективности АО взаимодействия была изготовлена вторая АО ячейка (см. рисунок 3.11 б)) с пьезопреобразователем 3 мм на 3 мм, площадь которого в 1.8 раза меньше. Поскольку интенсивность дифрагированногоизлучения пропорциональна плотности мощности акустической волны, то онадолжна стать больше приблизительно 2 раза.
Кроме этого, была усовершенствована цепь согласования и добавлена возможность плавной перестройки рабочейчастоты . Размер нового прототипа в направлении распространения акустиче111ской волны был выбран равным оптимальной длине 14 мм [59]. Таким образом,ожидалось существенное увеличение эффективности АО взаимодействия.Чтобы уточнить параметры АО ячейки был проведён ряд экспериментовс использованием излучения с длиной волны λ = 3.39 мкм. В силу особенностиконструкции, лазерный пучок было возможно завести в кристалл только черезторцевую грань. Она располагается в верхней части рисунка 3.11 б).В первом эксперименте проверялась линейная зависимость эффективностидифракции от мощности ультразвука a .
Поскольку относительная деформацияпьезопреобразователя пропорциональна приложенному к нему электрическомунапряжению , то акустическая мощность должна быть пропорциональна квадрату напряжения a ∝ 2 . На рисунке 3.13 приведена зависимость интенсивности дифрагированного излучения 1 , нормированной на максимальное значение max(1 ) от квадрата напряжения 2 . Аппроксимация линейной функцией = + методом наименьших квадратов (МНК) дала значение тангенса угланаклона = (0.0132 ± 0.0005) 1/В2 . Значение параметра здесь не приводится,т.к. оно отвечает за наличие шумовой компоненты лазерного излучения.Далее была поставлена задача по определению коэффициента затуханияα продольной акустической волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
