Диссертация (1104316), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Предполагалось, что мощность акустической волны изменяется с расстоянием до пьезопреобразователя по закону0 exp(−α ). В ходе эксперимента АО ячейка была установлена под угломБрэгга и перемещалась с шагом 1 мм в направлении ортогональном лазерному пучку, тем самым сканируя звуковой пучок. Полученная зависимость эффективности дифракции 1 /0 от приведена на рисунке 3.14. С помощьюМНК была рассчитана величина коэффициента затухания акустической волны α = (0.73 ± 0.07) см−1 . В пределах погрешности данное значение совпало слитературными данными α = 0.64 см−1 [114].В ходе предварительных экспериментов была также определена угловаяхарактеристика АО взаимодействия, приведённая на рисунке 3.15.
Как следует из теории, эффективность АО дифракции плоской электромагнитной волнына звуковом пучке должна уменьшаться при нарушении условия брэгговскогосинхронизма [1]:)︂(︂2(3.7)1 ∝ sinc π ∆θ ,где sinc() = sin()/, а ∆θ – величина расстройки от угла Брэгга θ в кристалле.112Рисунок 3.13 — Зависимость интенсивности дифрагированного излучения отквадрата напряжения на АО ячейкеРисунок 3.14 — Зависимость эффективности квазиортогональной дифракцииот положения лазерного пучка113Рисунок 3.15 — Угловая характеристика АО взаимодействияЭксперимент показал, что изменение внешнего угла падения излученияна АО ячейку на 0.5 градуса (∆θ = 2 · 10−3 ) приводит к уменьшению интенсивности 1 дифрагированного излучения в 2 раза.
Отсюда, при заданной частоте ультразвука = 304 МГц и известной из литературы скорости звука = 4990 м/с [79], можно рассчитать эффективную ширину звукового пучка : = 0.89≈ 3 мм.2∆θ(3.8)Более точно оценить величину можно, если воспользоваться МНК. Расчёт дал значение = (2.95 ± 0.08) мм, что совпадает с размером пьезопреобразователя = 3 мм, заявленным изготовителем АО ячейки.1143.3.2 Экспериментальное исследование с использованиемтерагерцевого излученияВ экспериментальной установке использовалось то же оборудование, которое потребовалось для исследования квазиортогональной АО дифракции. Какпоказано на рисунке 3.16, ТГц излучение генерировалось лазером на свободныхэлектронах 1 (чёрная линия со стрелкой) и выводилось в рабочую область спомощью двух зеркал 2.
Диаметр пучка задавался диафрагмой 4. Для контроля уровня интенсивности ТГц излучения малая часть пучка отводилась делительной пластиной 3, модулировалась по амплитуде обтюратором 9 и регистрировалась приёмником 10 (ячейка Голея). Для регистрации дифрагированногоизлучения необходимо пространственно отделить его от падающего излучения.Поэтому на пути ТГц пучка была поставлена кремниевая делительная пластина 5.Рисунок 3.16 — Схема оптической части экспериментальной установки длянаблюдения обратной коллинеарной дифракцииПоскольку ТГц излучение характеризуется большой расходимостью, то интенсивность рассеянного излучения может на несколько порядков превышатьинтенсивность дифрагированного излучения. Отметим, что ячейка Голея регистрирует только излучение, которое модулировано по амплитуде с частотой11510–15 Гц. Таким образом, использование обтюратора не позволило бы зарегистрировать дифрагированное излучение из-за низкого отношения сигнал-шум.Поэтому вместо этого звуковой пучок был модулирован по амплитуде с частотой15 Гц, что привело к такой же модуляции дифрагированного излучения.
В то жевремя, шумовая компонента была практически полностью подавлена, поскольку рассеянное излучение не модулировано. Для регистрации дифрагированногоиспользовалась ячейка Голея 11.Для установки “правильной” ориентации АО ячейки и приёмника 11 лучкрасного лазера 8 (обозначен красной линией со стрелкой) направлялся навстречу ТГц пучку. В отсутствии делительной пластины 5 и АО ячейки 6 оба лазерных пучка, видимый и ТГц, проходили через диафрагмы 4 и 7. Затем устанавливалась делительная пластина 5, а ячейка Голея 11 располагалась на путиотражённого от неё луча красного лазера и её положение отмечалось специальным маркером на оптическом столе.
После этого устанавливалась АО ячейкаиз монокристаллического германия таким образом, чтобы отражённый от неёлуч красного лазера отклонялся в предварительно рассчитанном направлении.Стоит отметить, что ячейка Голея может выйти из строя, если на её входноеокно падает слишком мощное ТГц излучение. Поэтому положение кремниевойделительной пластины 5 выбиралось таким, чтобы: 1) произведение его коэффициентов пропускания и отражения должно быть максимально; 2) при выполнении предыдущего условия необходимо произвести дополнительную юстировку,чтобы уменьшить интенсивность шума (для этого обтюратор 9 временно устанавливался между пластиной 3 и диафрагмой 4).Методика эксперимента состояла в следующем. Сначала АО ячейка устанавливалась под углом Брэгга, как описано выше.
Далее изменялась частота несущей электрического сигнала, подаваемого на пьезопреобразователь, с шагом 200 кГц, при рассчитанном значении односторонней полосы ∆ = 300 кГц.Так как положение АО ячейки возможно было задать с точностью ±0.5∘ , то дифрагированное излучение регистрируемое приёмником 11 может отклонится наугол ±1∘ по отношению к предполагаемому направлению. Таким образом, призаданной частоте звука необходимо перемещать приёмник, чтобы охватитьугол в 2∘ .Необходимо учесть, что кроме неточности в угле поворота АО ячейки возможна также ошибка в положении АО ячейки.
В следствии указанной ошибкипадающий на АО ячейку ТГц пучок после преломления будет распространять116ся параллельно акустическому, но не полностью совпадать с ним. Поэтому после сканирования по частоте необходимо сдвинуть параллельным переносом АОячейку на 2 мм в направлении, ортогональном падающему ТГц пучку. Значениесмещения было выбрано исходя их того, что апертура ТГц пучка, задаваемаядиафрагмой 4, составляла 6 мм. Приведённая методика была повторена длясмещений −4 мм, −2 мм, 2 мм и 4 мм относительно исходного положения.Отметим, что значения скорости звука, приводимые в литературе различаются на 1%. Кроме этого ТГц излучение на длине волны λ = 130 мкм неявляется строго монохроматическим и генерируется в полосе 1 мкм.
Поэтомуэксперимент был повторён на длинах волн 129, 130 и 131 мкм. Как было показано выше, относительная полоса АО взаимодействия составляет порядка 10−3 ,в то время как степень монохроматичности ТГц излучения на порядок больше.Поэтому было целесообразно увеличить интенсивность дифрагированного излучения. Для этого был использован 20 Вт усилитель электрического сигнала,подаваемого на АО ячейку. К сожалению, при выполнении описанного циклаэкспериментов дифрагированное излучение зарегистрировать не удалось.
Одной из возможный причин этого являлся разогрев кристалла германия ТГцизлучением, изменяющий его упругие свойства и, как следствие, нарушающийусловия брэгговского синхронизма. Другой возможной причиной является плавное непредсказуемое изменение длины волны ТГц излучения на ±1 мкм околозаданного положения в течении 10−20 минут, что составляет около 10−2 от длины волны, в то время как относительная полоса АО взаимодействия составляетпорядка 10−3 .Поиск условий, при которых наблюдается обратная коллинеарная дифракция, занимает существенно больше времени, чем при квазиортогональной геометрии АО взаимодействия. Поскольку основные временные затраты связаныс перемещением приёмника, то было решено поставить приёмник в фокальнойплоскости линзы. Расчёт показал, что это позволит собирать лучи, идущие подуглами ±3∘ к оси линзы.
Таким образом, отпадает необходимость в поворотеприёмника, что даёт выигрыш во времени и позволило уменьшить шаг по частоте ультразвука до 100 кГц. Однако повторные измерения результата также недали. Вероятно, что интенсивность дифрагированного ТГц излучения оказаласьменьше рассчитанной величины. Поэтому дальнейшее исследование подразумевает увеличение акустической мощности, уменьшение шумов АО установки, атакже использование более чувствительного приёмника.1173.4 Квазиортогональное акустооптическое взаимодействие внеполярных жидкостях в терагерцевом диапазонеОсновным параметром, характеризующим эффективность АО взаимодействия, является коэффициент АО качества среды 2 = 2 6 /(ρ 3 ), где –эффективная фотоупругая постоянная, – показатель преломления, ρ – плотность среды, а – скорость звука. Из этого следует, что в ТГц диапазоне необходимо использовать прозрачные среды с малой скоростью звука и с большимпоказателем преломления.
К сожалению, материалы с указанным сочетаниемфизических свойств неизвестны. Поэтому ещё не созданы АО устройства, эффективно работающие в ТГц диапазоне.На сегодняшний день опубликована лишь одна работа, посвящённая АОвзаимодействию в жидкостях в ТГц диапазоне при стандартных условиях (атмосферное давление, комнатная температура) [36]. В ней исследовалась дифракция излучения с длиной волны λ = 119 мкм.
Эксперимент показал, что АОкачество циклогексана C6 H12 составляет 2 = 600 · 10−15 c3 /кг, а в тетрахлорметане CCl4 эта величина несколько больше.Поскольку значения фотоупругих постоянных жидкостей в ТГц диапазоне априори неизвестны, в данной работе величина коэффициента АО качества 2 оценивалась с использованием значения упругооптической постояннойρ(/ρ) [115]:(︂2 =ρρ)︂[︂ 2]︂24( − 1)(2 + 2)4=.ρ 36ρ 3(3.9)Впервые проведённая систематизация ряда свойств жидкостей позволиласобрать в таблице 3.2 данные по АО характеристикам жидких сред на длиневолны λ = 130 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
