Svet_i_zvuk_vzaimodeystvie_v_srede (1239103), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Помимо фононноЙ Вязкости, в кристаллах СущестВуЮт ДруГие механизмы, ОбусловлиВающие поГлощение и ~исперсию скорости зВука. Для мнОГих кристаллов В Области частот 10б — 10" Гц оказывается существенным ~заимодействие звуковоЙ ВОлны с дефектами кристаллической структуры, и прежде всего с дислокациями; ВзаимодеЙствие с Дислокациями Носит резонансНЫЙ характер — оно особенно эффективно, когда частота звуковой волны близка к собственной частоте колебаний ДИСЛО1~8ИИОНКЫХ ПЕтель. В Полупроводниках Имеется ОсобыЙ Механизм поглощения и дисперсии скорости звука, обусловленный Взаимодействием электронов проводимости с акустиче- СКОЙ Волной.
Такое ВзаимодеЙствие Особенно эффективно в пьезополупроводниках, где за счет пьезоэффекта В звуковоЙ Волне Возникают переменные электрические поля, приводящие к пространственному перераспределе" нию свободных носителей. Б результате образуется вынужденная волна электронноЙ плотности, распространяющаяся Вместе со звуковой ВОлнОЙ. Диссипация энергии направленного движения электронов приводит к эффектиВному поГлощению ультразВука. 3заимодействие звуковой волны со свободными носителями имеет релаксационный характер: существует характерное Время т формирования неоднородного распределения электронов. На высоких частотах, когда ол„>>1, электронная волна не успевает образоваться и присутствие электронов практически не сказывается на характере распространения акустической волны. Для многих полупроводников (Сд5, ХПО, бе, ЙаАЗ и др.) электронное поглощение является определяющим в широком диапазоне частот вплоть до нескольких гигагерц.
Интересные явления наблюдаются в полупроводнике, КОГда имеется направленное движение носителей, ОбычнО под действием электрическоГО поля. Если дрейф носителеЙ происходит В направлении распространения звуковой волны, то поглощение за счет электронов проводимости уменьшается. При скоростях дрейфа, больших скорости звука, возникает усиление звуковой волны потоком носителей.
Усиление ультразвука в сильных элек трических полях было открыто почти два десятилетия назад, но до сих пор привлекает Внимание исследователей. Взаимодействие сВОбОДных носителей со звуковой волной представляет особый интерес для акустооптики, поскольку с волнами электронной плотности связано несколько механизмов акустооптического Взаимодействия В полупроВодниках. Дисперсия скорости звука и поглощение возникают Также за счет ВзаимодеЙствия ультразвука с друГИМИ подсистемам и кристалла — спиновым и волнам и, домен.
ными станками в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках И Т. Д. Помимо объемных звуковых волн, в ограниченном твердом теле ВОзмОжнО ряспространение поВерхностных акустических ВОлн, амплитуды которых экспоненциаль -но убывают при удалении от границы. Энергия, пере. .Носимая такоЙ ВОлнОЙ, сосредоточивается В приповерх' ностном слое толщиной порядка длины волны. Скорость распространения поверхностной волны должна быть меньше скоростей объемных волн в граничащих средах, й явшихся представлений об упругооптическом эффекте: модуляция показателя преломления мОГля Возникать Лля таких направлениЙ и поляризациЙ света и Звука, для которых упруГООптические постоянные равны нулю; эффективность акустооптического взаимодействия оказалась зависящей от частоты звука, а также от таких необычных для акустооптическОГО ВзаимодеЙстВия па- раметрОВ материала, как проводимость или пОдВижность свободных носителей в полупроводниках.
Характер зависимости упругооптических коэффициентов от частоты света может быть выяснен только в рамках микроскопических представлений о природе упругооптического эффекта. Как указывалось ранее, показатель преломления определяется реакцией среды на электромагнитное возмущение; харяктеристикоЙ такой реакции является поляризуемость.
Природа изменения поляризуемости под действием деформаций зависит от их вила. При объемных леформациях меняется кяк поляризуемость ОтдельноЙ элемен- тарноЙ ячейки, так и числО ячеек В единице Объема. В случае сЛВиГОВых ДЕформаций плОтнОсть среДы Остается неизменноЙ, меняется тОлькО Относительное распО Ложение атомов и поляризуемость элементарной ячейки.
Величина упругооптического эффекта зависит от то- ГО, насколько Велико Влияние среды на характер распространения В ней электромагнитной волны. В облаСти прозрачности реакция среды почти не зависит от частоты падающего света и для упругооптических коэффициентов не наблюдается частотной дисперсии. Их численные значения невелики и для мнОГих материалов, используемых в акустооптике, лежат в интерВале Р= 0,1 — 0,6. Им соответствуют относительные изменения показателя преломления Ьи/и, ТОГО же порядка, что и амплитуды деформации 5 в звуковой волне. Поскольку последняя редко превосходит 10 — ', то относительные изменения Ьи/п не превосходят сотых долей процента. С приближением частоты света к области аномальной дисперсии небольшие изменения параметроВ, Определя ющих микроскопическое состояние системы, приводят к значительному изменению показателя преломления среды.
В результате резко возрастает величина упругооп- тическОГО эффекта. В инфракрасной области спектра аномальная дисперсия связана со ВзаимодеЙствием .света и Оптических ,фононов. механические деформации В звукоВой Волне ,могут менять объем элементарной ячейки и силовые константы, ~арактеризующие ВзаимодейстВие атомов В ней. Как следствие этОГО звук будет модулировать ча стоту поперечного оптического фонона и,. Поскольку Диэлектрическая проницаемость кристалла а В этой области спектра содержит резонансный член 6 (и~т — и ) то изменение показателя преломления под' дей ствием деформации быстро возрастает с приближением ,частоты света к частоте поперечного фонона и .
В Видимой части Спектра аномальная Дисперсия возникает в области фундаментального поглощения. Вблизи края фундаментальноГО поГлощения при энерГии кванта света ~и, меньшей ширины Е запрещенной зоны, упругооптический эффект определяется главным образом модуляциеЙ 6Е~ ширины запрещенной 30ны под действием механических деформациЙ. Величина этОЙ модуляции пропорциональна деформации Я.
В случае прямых межзонньж переходов, когда дно зоны прОВОдимости и максимум ВалентнОЙ ВОны Отве чают Одному и тому же значению импульса электрона, малые изменения 6Е ширины запрещенной зоны приводят к значительным изменениям Оп показателя пре ломления материала. Поэтому с приближением часто. ты света к краю фундаментального поглощения наблюдается значительцое Возрастание, упруГООптических коэффициентов.
Уже в области частот,' отстоящих от края поглощенйя на 10 — 15%, величина упругооптического коэффициента возрастает в несколько раз. При еще меньших разностях Е,„— аи эффект должен быть знаЧительно больще, однако в непосредственной близости от края поглощения акустооптическое Взаимодействие не наблюдается из-за большого поглощения света.
Ситуация коренным образом меняется для активной среды, когда поглощение света в полупроводнике сменяется его усилением. В этом случае акустооптическая дифракция должна наблюдаться для ОптическоГО излу чеиия, частота котороГО скОль уГодно мало Отличается От края поГлощения, эффективнОсть такоЙ дифракции значительно выше, чем дифракции света вдали от края, Учет этого факта важен, к примеру, при создании в активной среде распределенной обратной. связи, используемой для Отражения светоВОЙ ВОлны В оптическом ре~ зонаторе за счет дифракции света на зВуковой Волне,. 17, -ДО', сих пор мы рассматриВали механизмы Взаимо'- щйстВия сВета с акустическоЙ ВОлнОЙ, при которых 'мо" дуляция' .показателя преломления создаВалась механи чес1~ими деформациями, переносимыми звуком.
В пОлу. проводниках, помимо обычного упругооптического. эффекта, существует специфическиЙ механизм модуляции оптических свойств материала, обусловленный формирОВанием вынужденной ВОлны электронноЙ плотности В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ, Наличие сВОбодных электронов сказывается на Оптических свойствах полупроводников главным образом В двух спектральных областях.
Вблизи края фундамент~ального поГлощения Вероятность перехода из валентной зоны в зону проводимости зависит от концентрации У,:.электронов в последней. Оптические свойства кристалла непосредственно связаны с этой вероятностью: диэлектрическая проницаемость е, содержит слагаемое, пропорциональное Ж,. В соответсгвии с этим переменная электронная - концентрация, создаваемая звуковоЙ ВОлнОЙ, приводит к модуляции пОказателя преломления среды или В конечном счете к упруГООптическому эффекту. Возникает дополнительный вклад свободных носителей в упругооптические коэффициенты. , Взаимодействие электромаГнитноГО излучения с Волной,электронной плотности вносит существенный вклад В,величину акустооптическОГО эффекта также В Областн инфракрасных Частот, превосходящих плазменную частоту ио.
В этой. спектральной области полупроводник ведет себя как система, состоящая из решеточного остова и газа свободных носителей. Реакция такой системы .Иа Внешнее электромаГнитное поле Определяется движением свободных носителей под действием электрического поля волны. На частоте, равной плазменной, элекТрическое поле полностью экранируется ими и диэлектрическая проницаемость кристалла обращается в нуль. Поэтому малые изменения плазменной частоты ио, обусловлениые модуляцией плотности свободных электронов звуковой волной, приводят к значительным изменениям показателя преломления ои-6М, фв, В результате упругооптические коэффициенты быстро возрастают с приближением оптической частоты к ио.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
