Диссертация (1104316), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Кроме этого, в публикации [29] было введено понятие комплексного вектора расстройки,что усложняет интерпретацию и делает расчёты более трудоёмкими. Результаты указанной работы были обобщены в [30] для описания дифракции на тонкой7голографической решётке в анизотропной поглощающей среде.
В предложенноймодели каждому порядку дифракции соответствует только одна электромагнитная волна. Данный факт существенно ограничивает область применимостиполученных соотношений, поскольку при АО взаимодействии каждому порядку может существовать две волны, обыкновенная и необыкновенная.
В недавновышедшей работе [32] приведены одномерные модели, описывающие дифракцию электромагнитного излучения на толстых наклонных голографических решётках в среде с поглощением электромагнитных волн. Указанные теории непозволяют объяснить эффекты, связанные с поляризацией излучения, а также с затуханием акустической волны (если использовать предложенную модельдля описания АО взаимодействия). В работе [38] рассмотрена дифракция пучкаэлектромагнитного излучения на произвольном акустическом поле в оптическианизотропной прозрачной среде. Предложенная теоретическая модель позволила получить систему уравнений, связывающую амплитуды электромагнитныхволн в соседних дифракционных порядках и учитывающую поляризационныеэффекты.В среде с низкой симметрией кристаллической решётки (например, еслисингония является триклинной или моноклинной), вероятно, не удастся вывести аналитические соотношения, при которых АО качество 2 максимально.Для более простых сингоний предложен ряд методов анализа.
В первом из нихиспользуется построение оптической индикатрисы – кривой второго порядка, соˆ [16–21; 26]. Приответствующей тензору диэлектрической непроницаемости анализе рассматривался поворот тензора фотоупругости ˆ. Однако, как показано в работе [22], данный метод может быть использован, например, для описания продольного пьезоэлектрического эффекта, но не для акустооптического,поскольку последний гораздо сложнее и описывается большим количеством параметров.
Авторами был опубликован цикл работ [22–25], в котором предлагается более строгий метод анализа. Он состоит в том, чтобы для выбраннойакустической моды определить величину изменения показателя преломленияпри данном направлении волнового вектора падающей электромагнитной волны. Указанный метод имеет существенный недостаток – он не учитывает направление волнового вектора и поляризацию дифрагированной электромагнитной волны.
Расчёты, основанные на перечисленных выше методах, позволяют внеявном виде получить значение АО качества 2 как функцию многих переменных. Поэтому ни один из них не позволяет напрямую определить оптимальные8параметры АО взаимодействия, при которых 2 достигает своего максимального значения.Цель и задачи диссертационной работыЦель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании особенностей АО взаимодействия в ТГц диапазоне. Особоевнимание уделено выявлению новых закономерностей, а также созданию прототипов АО устройств, реализующих управляемое отклонение и модуляцию пучкаТГц излучения.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:1. Разработка метода расчёта максимального значения коэффициента АО качества монокристаллов кубической сингонии, прозрачных в ТГц диапазоне.2. Построение модели, описывающей АО дифракцию электромагнитного излучения в произвольном акустическом поле в оптически изотропной среде иучитывающей влияние поглощения электромагнитного излучения.3.
Численное моделирование брэгговского АО взаимодействия в кубическихкристаллах. Детальное рассмотрение коллинеарной и квазиортогональной геометрии АО взаимодействия с учётом затухания акустической волны и поглощения электромагнитного излучения.4. Экспериментальное исследование АО дифракции ТГц излучения в монокристаллах кубической сингонии, а также в неполярных жидкостях. Созданиепрототипа АО устройства для управляемого отклонения и модуляции пучка ТГцизлучения.5.
Первая экспериментальная реализация АО взаимодействия в ТГц диапазоне с использованием пучка электромагнитного излучения с орбитальным угловым моментом (“закрученный” пучок).Научная новизна диссертационной работы1. Предложена методика расчёта максимального значения коэффициента АОкачества кубических монокристаллов, позволяющая определять оптимальнуюгеометрию АО дифракции и параметры взаимодействующих волн.2.
Разработана математическая модель АО дифракции в оптически изотропной среде, учитывающая не только затухание акустической волны, но и поглощение ТГц излучения в среде.93. Получено аналитическое решение задачи АО взаимодействия для квазиортогональной, прямой и обратной коллинеарной дифракции при соблюдении инарушении условия брэгговского синхронизма.4. Предсказан невзаимный эффект в случае обратной коллинеарной АО дифракции ТГц излучения, обусловленный различными условиями взаимодействия из-за поглощения электромагнитной и акустической энергии.5. Проведено экспериментальное исследование АО дифракции ТГц излучения в монокристалле германия.
Впервые определена углочастотная характеристика, а также угловой и частотный диапазоны АО взаимодействия. Разработанпервый прототип АО дефлектора ТГц излучения с максимальным числом разрешаемых элементов = 7.6. Экспериментально установлено, что явление АО взаимодействия в ТГцдиапазоне эффективно реализуется в неполярных жидкостях. В них впервыенаблюдалась дифракция ТГц излучения, обладающего орбитальным угловыммоментом, на акустической волне.Теоретическая и практическая значимость диссертационной работыТеоретическая значимость работы заключается в разработке и реализациинового метода поиска максимального значения коэффициента АО качества произвольного монокристалла кубической сингонии. Предложена математическаямодель АО взаимодействия, позволившая выявить закономерности АО дифракции на затухающей акустической волне с учётом поглощения электромагнитногоизлучения в среде.Практическая значимость работы состоит в экспериментальном доказательстве возможности применения АО взаимодействия в ТГц диапазоне: 1) создан первый прототип АО дефлектора; 2) реализована модуляция ТГц излучения, в том числе обладающего орбитальным угловым моментом.
Практическуюценность имеют и предложенные методики расчёта характеристик АО взаимодействия в ТГц диапазоне.Объем и структура диссертационной работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 159 страниц,включая 68 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 139 наименований.10Содержание диссертационной работыВо введении содержится обоснование актуальности темы исследований,сформулирована цель работы и перечислены задачи исследований, приводитсякраткое содержание работы, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются положения, выносимые назащиту, а также приводятся сведения об апробации результатов работы.В главе 1 предложена теоретическая модель, позволяющая определить анизотропию коэффициента АО качества оптически изотропных сред.
Аналитически определены условия, при которых АО качество в кубических кристаллахдостигает максимального значения. Детально рассмотрены квазиортогональнаяи коллинеарная геометрии АО взаимодействия. Проведено численное моделирование, основанное на предложенном методе.Глава 2 посвящена разработке математического аппарата для описания АОдифракции в оптически среде с учётом поглощения электромагнитного излучения. Получены уравнения, которые связывают комплексные амплитуды электромагнитных волн в соседних дифракционных порядках при произвольнойструктуре акустического поля.
В данной главе основное внимание уделяетсяаналитическому решению уравнений связанных мод в частных случаях квазиортогональной и коллинеарной геометрий АО дифракции. Детально рассмотрен режим обратного коллинеарного АО взаимодействия. Предсказаны новыеэффекты, существующие только при одновременном поглощении электромагнитного излучения и затухании акустической волны в материале АО ячейки.В главе 3 сформулированы критерии к материалу АО ячейки. Показано, что наиболее пригодными средами являются полупроводники и неполярныежидкости. Описаны результаты экспериментального исследования квазиортогонального АО взаимодействия в ТГц диапазоне.
Предложена и опробованаэкспериментальная установка для реализации обратной коллинеарной АО дифракции. Приведены результаты серии экспериментов по наблюдению АО дифракции закрученного ТГц излучения.Положения, выносимые на защиту1. Методика определения максимальных значений коэффициента акустооптического качества кубических кристаллов для продольных и сдвиговых акустических волн, распространяющихся в произвольных направлениях относительнокристаллографических осей.112. Теория брэгговской дифракции электромагнитного излучения на акустическом поле в оптически изотропной поглощающей среде.3. Формулы для расчёта эффективности дифракции и полосы акустооптического взаимодействия с учётом поглощения излучения и затухания акустическойволны.4.
Акустооптическое отклонение и модуляция излучения, в том числе пучковс орбитальным угловым моментом, впервые экспериментально наблюдаемое втерагерцевом диапазоне.Достоверность полученных результатов определяется адекватностью использованных математических моделей в рамках наложенных на них ограничений, а также соответствием численных расчётов и экспериментальных данных.Методология теоретического исследования основана на использованииуравнений Максвелла для возмущённой акустической волной среды. Широкоиспользовались компьютерные методы расчёта.
В основе экспериментальногоисследования лежали классические методы оптики и акустооптики в приложении к ТГц диапазону электромагнитного спектра.Личный вклад автораВсе результаты, вошедшие в диссертационную работу, получены либо лично автором, либо совместно с соавторами работ, опубликованных по теме диссертации, причём вклад диссертанта был определяющим.Апробация диссертационной работыРезультаты выполненных исследований докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:1.
Научно-практическая конференция “Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов физического факультета МГУ”. — Москва, Россия: 2009.2. 12-th International conference “Wave electronics and its applications in theinformation and telecommunication systems”. — St.Petersburg, Russia: 2009.3. 16-ая Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов – 2009”. — Москва, Россия: 2009.4. 13-th International conference for young researchers “Wave electronics and itsapplications in the information and telecommunication systems”. — St.Petersburg,Russia: 2010.125.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
