Svet_i_zvuk_vzaimodeystvie_v_srede (1239103), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поляризуемость существенно возрастает, когда частота электромагнитной волны близка к одной из собственных частот вещества, соответствующих переходу его из одного квантового состояния в другое. При этом определенная доля энергии, переносимой волной, расходуется на перевод вещества в возбужденное состояние и теряется при релаксации этого состояния за счет различных диссипативных процессов, Соответственно в электромагнитном спектре возникает область аномаль- нОЙ дисперсии, для которой характерны сильная заВИ симость скорости сВета От частоты, значительное Отражение на границе раздела сред и большое поглощение.
Между Областями ЯцомальнОЙ дисперсии располаГаются области прозрачнодти. Исследования последних лет показали, что эффектИвность якустооптического взаимодействия тесно связана с механизмами пОляризуемости В ° среде и зависит От частоты электромаГнитноЙ' ВОлны. Лкустооптическое ВзаимодейстВие .характерно для диэлектрических и полупроводниковых материалов В видимой части спектра их оптические свойства опре™ деляится колебаниями электронных оболочек атомов под деЙствием электрического поля' Волны.
-Отдельные электронны8 уровни В конденсированноЙ среде расщеп» ляются в энергетические зоны, и аномальная дисперсия Возникает за счет переходоВ между заполненноЙ Валент» ной зоной и свободной зоной проводимости. Сильное по. глощение имеет место для волн, энергия кванта кото. рых "и ОказыВа8тся порядка или больша ширины за прещенной зоны Е . Область аномальной дисперсии обусловленная межзонными переходами, -получила название области фундаментального поглощения, а частота и-Е, /а — края фундаментальноГО поГлощения.
Фуя. даментальн06 поГлоЩение в. ВЙДимОЙ области спектра характерно для полупроВодников. В диэлектриках, у ко. ТОрых ширина запрещенноЙ зоны Значительно больш6, - эта часть спектра является областью прозрачности. В Инфракрасной Области Спектра Оптические свойстВа Определяются поляризуемостью как Валентных элен» тронов, так и решеточного Остова. Аномальная диспер. сия возникает за счет возбуждения собственных колебаний решетки — Оптических фононОВ, представляющих собой относительные колебания атомов в элементарной ячейке. В простейшем случае, когда в кристалле име.
ются две моды оптических колебаний, продольная и по. перечная, с частотами и~ и иг соответственно, сильная .Частотная зависимость скорости распространения элек тромагнитных волн возникает вблизи этих частот. В по. лОсе 0) г ~к< ъу, излучение, падающее на кристаллу полностью от него отражается. В полупроводниках дополнительно к рассмотренному м8ханизму дисперсии ВОЗНИКЯОТ ЧЯСТОТНЯЯ ЗЯНИСИМОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, обусловленная вкладом свободных носителей.
Аномаль.ная дисперсия Возникает Вблизи плазменноЙ частоты :И; 4яи п~) И0=— 3Ш Где л0 концентрация сВ060дных носителей, ш — эф» фективная масса а — диэлектрическая проницаемость. Если В плазме носителей частота соударений у значи» меньше плазменноЙ частоты ~~~~00, то полупро. Водник В8дет себя как металл — излучение с частотами; 6 меньшимн плазменной, пОлнОстью Отражается От еГО ПОВЕРХНОСТИ. До сих пор речь шла об электромагнитных волнах, распространяющихся в неограниченной среде, Особый случаЙ представляет распространение света В телах, раЗмеры которых ОГраничены В ОднОм или дВух направ» лениях и сравнимы с длиной световой волны: в пла.
на рных Системах, оптических волокнах н др. Распрост ° ранение Света В Таких Системах носит волноводный хя. ра ктер. Световодные системы в последние годы привлекли большой интерес и явились основой развития нового направления соВременноЙ техники интеГральноЙ ОП тики.
Одним из эффективных Способов управления све. товым излучением В Волноводе яВляется использование акустйоптического взаимодеЙствия. В дальнеЙшем мы СПОЦИЯЛЬНО ОСТЯНОВИМСЯ НЯ ВЗЯИМОДОЙСТВИИ КЯНЯЛИЗИ руемых Световых волн с Особым Видом акустических КО~ лебаний — поверхностными акустическими волнами. Перейдем к Описанию звуковых Волн В конденсиро~ Ванной среде. Напомним, что частотный диапазон упру~ гих волн в жидкостях и твердых телах простирается от очень низких частот вплоть до значений 10'2 — 10'з Гц.
Из широкого диапазона частот для акустооптического взаимодействия наибольший интерес представляет высокочастотный ультразвук (10~ †' Гц) и гиперзвук (109 Гц и выше). Акустическая волна представляет собой процесс пе. реноса механических деформацИЙ, Объемных и сдвиго-вых. В общем случае вдоль определенного направления возможно распространение трех типов (ветвей) акусти. ческих ВОлн, каждому из которых ОтВечает своя ско~ рость распространения и свое направление колебатель.
НОГО дВижения частиц среды — поляризация Волны. В изотропной твердой среде распространяются вол. НЫ ТОЛЬКО ДВУХ ТИПО — ПРОДОЛЬНЬИ И ПОПЕРЕЧНЫ6, В продольной волне движение частиц параллельно на' правлению распространения, я переносимая деформация представляет комбинацию объемной деформации и ' сдвига.
Поперечные волны переносят деформацию чн. стого сдвига, частицы среды колеблются в произволь' ном направлении, лежащем В плОскОсти, перпендику~ лярной направлению распространения. В кристаллической среДО разДеление ВОлн на''про~ "9 дольные и поперечные теряет смысл, так как все три акустические волны, распространяющиеся в данном направлении, переносят как объемные, так и сдвиговые деформации, Для кристялличюскОЙ среды даже с ВысокОЙ степенью симметрии хяряктюрня Значительная янизотропия .акустических свОЙств, 'скорость распространения силь но зависит от направления относительно кристаллографических Осей.
Фязовая и ГруппОВяя скорости акусти" ческой ВОлны моГут Заметно различаться кяк по Вели.чине, так и по направлению. Это означает, что направление потока энерГии в звуковой Волне не сОВпадает с НОРМЯЛЫО К ВОЛновому фРОНТу. В жидкостях, Где сопротивлению сдВНГу Отсутствует, могут распространяться только продольные волны. Справедливость этого утверждения, однако, ограничена: на типерзвуковых частотах многие жидкости обнаРуживают значительное сопротивление сдвигу. На этих частотах Они по механическим свОЙстВам приближаются к твердым телам; в них возможно распространение Высокочастотных сдвиговых Волн. Экспериментально это явление было обнаружено при изучении рассеяния Мандельштама — Бриллюэна в жидкостях.
Основными характеристиками акустических свойств среды являются скорость распространения звуковой Волны и коэффициент поглощения. Согласно привычным предстяВлюниям механики сплошных сред скорость звука является параметром материала и не зависит От ча стоты, Поглощение звуковых волн в среде определяется диссипативными процессами — вязкостью и теплопроВодностью, коэффициенты которых также считаются ма- ТЮРИЯЛЬНЫМИ ПОСТОЯННЫМИ. КОэффИЦИЕНТ ПОГЛОЩ8НИЯ Я пропорционален Вязкости т~ и растет пропорционально квадрату звуковой частоты Й;а-Чй'.
В рамках подобных представлений дисперсия скорости звука возникает в области очень высоких частот, где представление о непрерывности среды становится неправомерным и сказывается дискретный характер ее структуры. Однякб В самых различных материалах наблюдаетди частотная дисперсия скорости зВукя и Отклонени8 От квадрятичнОЙ частотноЙ зависимости коэффициента поглощения, обусловленное Зависимостью эффективной вязкости среды от частоты, Частотная дисперсия скорости звука и коэффициента Вязкости связана с наличием 1О в среде двух типов процессов: резонансного возбужде.
ния звуковой волной внутренних степеней свободы си стемы и процессов акустической релаксации. Процессы резонансноГО Возбуждения типичны для ГетероГенной среды (колебания отдельных кристаллитов в поликри. сталлитах или микропузырьков воздуха в жидкости), хотя ВОзмОжны и В Однородной среде, например Вцз» буждение дислокаций в кристаллах. Акустическая ре. лаксация представляет сОбОй процесс установления ло» кального равновесии в среде, возмущенной звуковой волной.
Времена установлении равновесных значений различных физических величин могут сильно разниться друг от друга, поэтому имеет смысл говорить об акустической релаксации ОпреДеленной Величины. Если Время устанЯВления ее раВновесноГО значения т мнОГО больше периода волны о>т>>1, то изменениями этой величины в присутствии звуковой волны можно пренебречь. Можно сказать, что соответствующие внутренние степени свободы по отношению к акустической волне Оказываются «замороженными». Если же период звуковых колебаний сравним со .временем релаксации или больше его, т. е. о>т» 1, та рассматриваемая Величина изменяется со зВуковой ча» стотой. Поскольку процессы установления носят необ. ратимый характер, часть энергии звуковой волны переходит в тепло. Следовательно, при понижении звуковой частоты В среде Возникает дополнительный' механизм диссипации и вязкость ее возрастает.
Одновременно происходит уменьшение модуля упругости, поскольку процессы релаксации идут таким Образом, чтобы умень» шить возникающие при деформации среды упругие на. пряжения. В итоге В а усти.еском спе тре вблизи частоты и =1/т, называемой частотой релаксации, воз" никает дисперсия скорости звука: при повышении частоты скорость звука возрастает от своего низкочастотного значения иво при ит«1 до высокочастотного аз при ит»1. Частотная зависимость акустическоГО поГлощения В области релаксации отклоняется от квадратичной, поскольку Вязкость среды уменьшается при уВеличенин частоты от своего низкочастотного значения ~о до высокочастотного ~1 <Чо. Упомянутое выше сопротивление сдвигу в жидкостях, появляющееся на высоких часто тах, служит примером акустической релаксации.
При сдвиге ОднОГО слоя жидкости Относительно друГОГО Воз" никают сдВиГОВые упруГие напряжения,~которые за Вре" мя таад привоДят к необратимому смещению слоев, т. е. к течению. Естественно, что для частот ит,„Ъ 1 такое смещение произоЙти не успевает и жидкость Ведет себя как упругое твердое тело. В жиДкостях, пОмимО сДВНГОВОЙ релаксации, имеется значительное число других механизмов акустической релаксации,' связанной, к примеру, с релаксацией Структуры жидкости, с перераспределением энергии между внутренними степенями свободы и другими процессами. Частоты релаксации лежат в области мегагерцовых и гиГагерцОВых частот; дисперсия скорости зВука при этом может составлять десятки процентов.
Ц~, В твердых телах основным процессом, обусловливающим диссипацию, является релаксация в системе тепловых фононов, равновесное Состояние котороЙ нарушается звуковой волной (механизм Лхиезера). ПО- скольку время релаксации фононной системы мало, тф 10 " с, то вплоть до десятков гигагерц этот механизм не приводит к зависимости скорости звука и вязЕОсти От частоты. В Области частот 0)тф 1 дисперсия определяется дискретностью среды, а поглощение— прямым трехволновым ВзаимодеЙствием акустической Волны с теплоВыми фононами (механизм Ландау — Ру мера).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
