Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Необходимость изучения свойств оптически активных сред связана с их широкім практическим использованием. Например, холестерпческие жидкие кристаллы успешно применяются для обработки оптической информации: модуляции и сканирования, фильтрации, поляризации излучения, анализа спектров, формирования и распознавания оптических образов. Жидкие кристаллы также являются основой устройств отображения информации, например, индикаторов электронных часов и микрокалькуля-торов, тестеров, измерителей расхода жидкости, датчиков давления. На чувствительности оптических свойств к изменению температуры основано использование холестериков в контактной термографии с целью диагностики заболеваний и неразрушаюшего контроля, а также в дистанционной термографии для визуализации и регистрации инфракрасного излучения и полей сверхвысокой частоты.
В связи с задачами управления плоскостью поляризации света, измерения длительности и мощности электромагнитных импульсов, представляет интерес возможность формирования спиральной анизотропии, аналогичной структуре ХЖК, в нелинейной гнротропной среде под действием интенсивной линейно поляризованной электромагнитной волны.
Необходимо рассмотреть такие гиротропные свойства сверхре-швток и определить эффективный тензор оптической активности в длинноволновом приближении. В связи с использованием сверхрешеток в оптических устройствах является актуальным исследование возможности получения є-изотропшх структур и сверхрешеток с компенсированным линейным двупреломлением.
Воздействие внешних полей на свойства нелинейных сред может привести к возникновению анизотропии, зависящей от времени по гармоническому закону. Примером такой нестационарной структуры является спиральная или пространственно-однородная анизотропия, индуцированная вращающимся электрическим полем. К настоящему времени теоретически и экспериментально исследовано влияние только низкочастотного вращающегося электрического поля на распространение электромагнитных и акустических волн в кристаллах. Известно, что воздействие поля низкой частоты приводит к частот-
ной модуляции и преобразованию поляризации волн. Представляет интерес исследование возможности формирования в нелинейных кристаллах быстро изменяющейся структуры, частота вращения которой близка к частоте электромагнитных или акустических волн. Необходимо провести рассмотрение возможных эффектов преобразования частоты, усиления, фазового сопряжения и вращения плоскости поляризации электромагнитных и акустических волн в средах с быстро вращающейся анизотропией. При этом взаимодействие полей может оказаться наиболее эффективным вследствие подавления диссипатив-ных свойств среды. Аналогичный эффект подавления поглощения -эффект Бормана - имеет место для рентгеновских лучей при их дифракции в идеальных кристаллах, где центры поглощения расположены в пространстве периодически. Подобный эффект ослабления поглощения наблюдается также при дифракции света в холестерических жидких кристаллах, в которых осцилляторы поглощения периодически изменяют свою ориентацию в пространстве. Следует ожидать проявления аналогичного эффекта ослабления поглощения при периодическом изменении диссипатнвшх свойств среды с течением времени.
Исследование гиротропных свойств среды дает богатую информацию о строении вещества. В связи с этим индуцирование гиротро-шш можно рассматривать как новый полезный метод исследований в физике конденсированных сред. Одним из видов индуцированной оптической активности является нелинейная оптическая активность, возникающая под действием интенсивного лазерного излучения. Для получения правильной информации о строении и свойствах вещества необходимо четкое разделение различных причин нелинейной гирот-ропии, в частности, фактора нелинейной электронной поляризации и теплового механизма. В связи с этим представляет интерес изучение нелинейной гиротропии с помощью спиральной модели микростроения вещества, которая успешно используется для описания и объяснения особенностей естественной оптической активности.
Благодаря многолетним исследованиям в республике Беларусь создана крупная научная школа по кристаллооптике. Достижения белорусских ученых в области изучения свойств гиротропных сред получили международное признание, о чем свидетельствует, в частности, .проведение в Гомельском университете в 1993 г. второго международного семинара по электродинамике хиральных и бианизот-
ропных сред с участием ученых из Беларуси, России,Франции, Англии и Финляндии. Исследования гирационяых эффектов в яоследние годы значительно активизировались во многих странах вследствие создания искусственных сред, обладающих хиральностью в микроволновом диапазоне. Подтверждением возросшего интереса к гиротроп-ным средам являются международные конференции, состоявшиеся в Финляндии в 1993 г., во Франции в 1994 г., в США в 1995 г. и в России в 1996 г.,на которые были приглашены белорусские ученье. Кроме того, на многих международных конференциях по радиофизике и оптике в последние года свойства гиротропных сред обсуждаются на специальных секционных заседаниях. Электродинамике хиральных сред посвящены специальный выпуск серии PIER ("Прогресс исследований в электродинамике"), постоянно публикуемой в США, обзоры литературы в зарубежной печати, а также три монографии финских, российских и американских ученых, изданные за последние пять лет. Таким образом, проведение исследований распространения и взаимодействия электромагнитных и упругих волн в гиротропных средах с периодической структурой является необходимым для развития оптики, радиофизики и акустики, а также для сохранения лидирующих позиций белорусских ученых в этих областях науки.
Связь работы с крупными научными программам!, темами. Исследования выполнялись в соответствии с республиканский программами "Лазер-14", "Оптика-09", "Лазер-15", а также госбюджетными темами, финансируемыми Министерством образования и науки и Фондом фундаментальных исследований.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации' является развитие теории распространения и взаимодействия электромагнитных и акустических волн в гиротропных средах с пространственной и временной периодической структурой.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
-установление законов сохранения для электромагнитного соля в средах со спиральной структурой, обусловленных инвариантностью свойств среды относительно винтового поворота;
-разработка аналитического метода исследования свойств кристаллов с периодической в пространстве и времени анизотропией;
-доказательство возможности ослабления поглощения, вращения
плоскости поляризации, обращения волнового фронта, селективного усиления и генерации электромагнитных и акустических волн в кристаллах во вращающемся электрическом поле.
Научная новизна полученных результатов. В диссертации впервые установлен закон сохранения для электромагнитного поля в средах со спиральной структурой, обусловленный винтовой симметрией. На основании этого закона дано объяснение поляризационной селективности брэгговского отражения света в ХЖ.
Впервые получено не зависящее от толщины кристалла дисперсионное правило сумм для циркулярного дихроизма ХЖК вблизи области брэгговского отражения. Выполнимость найденного правила сумм проверена на примере экспериментальных спектров циркулярного дихроизма.
Получено решение задачи о синхронной генерации второй гармоники в ХЖ во внешнем электрическом поле вдали от области брэгговского отражения с учетом преобразования энергии волн. Предсказаны нелинейные эффекты пропускания света холестерином в режиме Могена и вращения плоскости поляризации света в условиях циркулярного двупреломления. На основании фотоакустического эффекта в ХЖ в режиме де Ври и в области брэгговского отражения обоснована возможность измерения оптических параметров ХЖК методом фотоакустической спектроскопии.
Впервые рассчитаны эффективные параметры, характеризующие гиротропные свойства сверхрешеток, образованных оптически активными слоями произвольной кристаллографической симметрии.
Учтено влияние частотной дисперсии диэлектрической проницаемости и хиральности молекул на распространение света в средах со спиральной структурой. Решена граничная задача для электромагнитных волн в кристалле с диэлектрической и магнитной спи-ральностью и предсказан эффект компенсации дифракции электромагнитных волн. Исследованы свойства особых волн в средах со спиральной структурой и показана возможность преобразования поляризации электромагнитного сигнала при возбуждении особых волн.
С помощью спиральной модели молекул вещества объяснены наблюдавшиеся ранеее в экспериментах особенности нелинейной вращательной способности гиротропных кристаллов, зависящей от интенсивности света. Показано, что знаки нелинейной оптической актив-
ности для энантиоморфных кристаллов должны бать противоположны друг другу и знаку естественной оптической активности. Эта особенность нелинейного вращения плоскости поляризации наблюдается экспериментально для широкого круга гиротропных кристаллов, в том числе для кристаллов S102, ЫТ03, ZnP2, CdP2, Те02.
На основании спиральной модели микростроения вещества дано также объяснение температурных изменений вращательной способности и циркулярного дихроизма естественно гиротропных кристаллов. Такие теплоиндуцированные изменения наблюдались ранее экспериментально для ряда гиротропных кристаллов, например, для кварца, иодата лития, легированного ионами группы железа, а также некоторых солей. Получены также новые интегральные дисперсионные правила сумм для вращательной способности и циркулярного дихроизма кристаллов, обладающих молекулярной оптической активностью.
Обоснована возможность формирования спиральной стационарной и вращающейся структуры в кристаллах при линейном и квадратичном воздействии электромагнитных и акустических волн. Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает образование такой структуры. Предсказан эффект "захвата" плоскости поляризации слабого электромагнитного сигнала интенсивной световой или ультразвуковой волной в гиротропном кристалле.
Впервые установлено, что при выполнении условия Брэгга для параметрического взаимодействия волн в условиях формирования спиральной структуры проявляется эффект поляризационного ослабления поглощения, аналогичный поглощению света в ХЖ и эффекту Бормана для рентгеновских лучей в кристаллах.
Предложен способ создания пространственно-однородной быстро вращающейся анизотропии в нелинейном гиротропном кристалле под действием двух электромагнитных волн с различными частотами. Эти волны должны иметь противоположные циркулярные поляризации и одинаковые амплитуды и волновые числа. Пространственная однородность индуцированной структуры обеспечивается тем, что вклад гиротропии в разность волновых чисел воздействующих волн компенсируется частотной расстройкой этих волн.
Получены точные решения уравнений Максвелла для среды с быстро вращающейся пространственно-однородной структурой. Пока-
зано, что эффект ослабления поглощения (эффект Бормана) имеет место не только при периодическом расположении центров поглощения в пространстве, но и при вращении осцилляторов поглощения с течением времени с постоянной угловой скоростью. Установлено, что этот эффект обусловлен взаимной ориентацией осциллятора поглощения и поляризации электромагнитного поля в среде.
Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает формирование вращающейся анизотропии упругих свойств под действием электрического поля. Впервые описано взаимодействие ультразвуковой волны с вращающимся электрическим полем в кристалле ниобата лития в различных частотных диапазонах и найдено аналитическое выражение для угла поворота плоскости поляризации- ультразвука.
Получены точные решения уравнения упругости для кристалла с вращающейся структурой с учетом вязкости среды. Предсказан эффект подавления поглощения акустических волн в кристаллах,помещенных во вращающееся электрическое поле. Установлено, что этот эффект обусловлен структурой акустического поля, собственные моды которого имеют вид стоячих волн во вращающейся.системе координат, сопровождающей электрическое поле. Эти волны характеризуются взаимно ортогональной линейной поляризацией и действительными волновыми числами, вследствие чего не затухают в кристалле несмотря на вязкость среды.
Впервые решена граничная задача для кристалла в присутствии вращающегося электрического поля. Установлено, что интенсивности прошедшей и обращенной акустических волн имеют немонотонную зависимость от толщины кристалла и напряженности электрического поля.Обоснована возможность электроакустического взаимодействия в пьезоэлектрических полупроводниках, помещенных во вращающееся электрическое поле, и учтено влияние электронов проводимости на эффективность усиления ультразвука.
Практическая значимость полученных результатов. С целью создания устройств с селективным частотным пропусканием света показана принципиальная возможность формирования сверхрешеток с заданными гиротропными свойствами, в том числе е-изотропных слоисто-периодических структур' и магнитных сверхрешеток с компенсированным линейным двупреломлением.
?
Установлено, что предсказанный эффект "захвата" плоскости поляризации монет быть использован для измерения длительности и интенсивных световых импульсов и акустической вращательной способности кристаллов на гшерзвуновых частотах.
Сделан вывод о возможности селективного преобразования частоты и усиления пробного сигнала и значительном увеличении угха поворота его плоскости поляризации в среде с вращающейся спиральной структурой.
Предсказаны селективные эффекты обращения волнового фронта, преобразования частоты, вращения плоскости поляризации и усиления электромагнитных волн СВЧ и дальнего Ш диапазона в нелинейных кристаллах под действием пространственно однородного вращающегося электрического поля.
Показана возможность одновременного преобразования частоты и поляризации ультразвука, а также генерации обращенной волны в кристалле ниобата лития, помещенном во вращающееся электрическое поле.
Основные результаты диссертации могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях гиротройных сред с периодической структурой. Разработанный метод позволяет корректно решать широкий круг задач, связанных с распространением и взаимодействием электромагнитных и акустических волн в различных средах в присутствии вращающихся полей. Сделанные выводы вошли б содержание специальных курсов, читаемых на физическом факультета Гомельского госуниверситета им. Ф.Скорияы. Полученные результата могут быть применены для измерения параметров кристаллов, в той числе акустической вращательной способности, управления плоскостью поляризации света и ультразвука, частотной фильтрации и модуляции электромагнитных волн, обращения волнового фронта, преобразования частоты, усиления и генерации электромагнитных и акустических волн, измерения длительности и мощности электромагнитных импульсов.
Экономическая значимость полученных результатов. В диссертации рассмотрена дифракция на ультразвуке световой волны, распространяющейся в кристалле ниобата лития вдоль оси симметрии третьего порядка в присутствии вращающегося электрического поля. Показано, что такой кристалл может быть использован при создании
акустоэлектрооптических ячеек, позволяющих осуществлять частотную модуляцию света по двум независимым каналам, а также совмещает в себе функции двух различных элементов - акустооптического модулятора и электрооптичвского переключателя плоскости поляризации. В связи с этим могут быть уменьшены потери энергии световой волны и увеличена эффективность преобразования частоты и поляризации света.
Предсказан эффект поворота плоскости поляризации ультразвука в кристаллах, помещенных во вращающееся электрическое поле. Этот эффект имеет резонансный характер, проявляющийся в случае приближения частоты электрического поля к частоте акустической волны. Для сегнетокерамики на основе титаната бария, имещей аномально высокую диэлектрическую проницаемость, удельный поворот плоскости поляризации ультразвука с циклической частотой 10арад/с при напряженности электрического поля 4 кВ/см составляет величину ~ 0,5 рад/см. Возрастание угла поворота плоскости поляризации акустической волны во вращающемся электрическом поле по сравнению со случаем постоянного поля позволяет уменьшить длину используемого образца сегнетокерамики и следовательно, снизить потери энергии ультразвука, обусловленные вязкостью среды.
Предсказан эффект подавления поглощения акустических волн в кристаллах при резонансном взаимодействии ультразвука с вращающимся электрическим полем. Показано, что в сегнетокерамиках с аномально высокой диэлектрической проницаемостью под действием вращающегося электрического поля при определенных значениях длины образца (или напряженности электрического поля) возможно гигантское усиление ультразвука. Получено условие, при котором нормированные интенсивности прошедшей и обращенной волн достигают максимальных значений ~104 для длины образца ~ 4 см, напряженности электрического поля ~ 4 кВ/см и циклической частоты ультразвука 107 рад/с. Следовательно, образец сегнетокерамики, помещенный во вращающееся электрическое поле, может быть использован в качестве элемента высокоэффективного усилителя ультразвука и генератора обращенной акустической волны.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-в средах со спиральной структурой сохраняется линейная
комбинация импульса и момента импульса электромагнитного поля, чем объясняется поляризационная селективность брэгговского отражения света в ХЖ;
-дисперсионное правило сумм в оптике холестерических жидких кристаллов, подтверждаемое наблюдаемыми спектрами циркулярного дкхрои&мэ;
-оптические свойства сред со спиральной структурой суще-ственно зависят от наличия магнитной анизотропии, частотной дисперсии и локальной гиротрсгши, что может быть использовано для управления поляризацией электромагнитных волн;
-возрастание интенсивности света вследствие спирального строения молекул вещества приводит к уменьшению оптической активности естественно гиротропных кристаллов,"
-в кристаллах определенных классов симметрии в результате нелинейного оптического, акустооптического или электроакустического взаимодействий возможно образование спиральной стационарной и вращающейся анизотропии;
-эффекты нелинейного вращения плоскости поляризации и пропускания в ХЖ, а также компенсации линейного двупреломленая света' в гиротропных сверхрешетках, которые позволяют управлять плоскостью поляризации и осуществлять частотную фильтрацию;
-аналитический метод исследования подавления поглощения, обращения волнового фронта, вращения плоскости поляризации, селективного усиления и генерации электромагнитных и акустических волн в кристаллах с вращающейся структурой.
Личный вклад соискателя. Диссертация отражает личный вклад автора в теорию оптических и акустических свойств" гиротропных сред с периодической структурой. Ряд работ выполнен в соавторстве с академиком АН БССР Б.В.Бокутем и профессором А.Н.Сердюковнм при совместной постановке задач. В диссертацию вошли также результаты исследований, проведенных совместно с учениками И.Н.Ах-раменко, С.А.Хахомовым, В.А.Киеней, В.Е.Гайшуном под руководством и при определяющем вкладе диссертанта. В работах, выполненных совместно с Г.С.Митюричем и В.П.Зеленым, автору диссертации принадлежит расчет диссипации энергии электромагнитного поля и исследование эффекта ослабления поглощения света при фотоакустическом взаимодействии в ХЖК. В.Н.Капшаем предложена процедура
перехода к специальной системе координат в случав произвольной ориентации директора относительно, оси спиральной структуры. Б.Б.Севруком определены волновые числа и эллиптичности собственных акустических волн для пьезоэлектрического полупроводника в присутствии вращающегося электрического поля. В соавторстве с П.И.Ропотом рассчитаны интенсивности дифрагированных световых волн при акустоэлектрооптическом взаимодействии в кристалле нио-бата лития во вращающемся электрическом поле. Три статьи опубликованы совместно с В.А.Пенязем, В.В.Гвоздевым и А.И.Самусенко, вклад автора в которые отражен в диссертации.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались на всесоюзных конференциях: по когерент-' ной и нелинейной оптике (Киев-1980г., Ереван-1982г., Москва-1985г.), по акустоэлектронике и квантовой акустике (Сара-Т0В-1983Г-, Черновцы-1986г.), по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград-1990г.), по дифракции и распространению волн (Винница-1990г.); на всесоюзных семинарах: по фотоакустической спектроскопии и микроскопии, фотоакустическим и термоволновым явлениям (Дущанбе-1989г.), по оптике анизотропных сред (Мо.сква-1987 и 1988г.г.), современным проблемам нелинейной оптики и квантовой электроники (Минск-1988г.); на Федоровских сессиях (Ленинград-1988 и 1989г.г); на мевдународных конференциях: по ультразвуку (Франция-1991г.), по звуку и колебаниям (СІМ'Ї 992г.); на генеральной ассамблее международного союза радиотехнических наук (Япония-1993г.); на мевдународных семинарах: по новым микроволновым материалам (<0инляндия-1993г.), по электродинамике хиральных и бианизотропных-сред (Гомель-1993г.), по хи-ральным, би-изотропным и би-анизотропным средам (Франция-1994г., СНІА-1995Г. .Россия - 1996 Г.).
Опубликованность результатов. Список основных работ по теме диссертации состоит из 55 наименований. Полученные результаты опубликованы в одном обзоре научной литературы, в 36 статьях в журналах, в 17 статьях в сборниках, в 15 тезисах докладов на конференциях, одной заявке на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав , кратких выводов и списка литературы.
Полный объем диссертации составляет 275 страниц. Диссерта-
ция содержит 37 рисунков на 34 страницах, 4 таблицы, список использованных источников из 408 найменований на 35 страницах.
