Введение к работе
Актуальность темы исследования
Под акустооптическим взаимодействием обычно понимается дифракция света на упругих волнах, распространяющихся в прозрачной фотоупругой среде, и оно характеризуется в общем случае изменением направления распространения оптического излучения, его поляризации и частоты колебаний. Физическая сущность такого эффекта заключается в изменении оптических свойств среды (диэлектрической проницаемости, показателя преломления вещества) под действием возникающих в условиях волнового движения механических напряжений и деформаций. Так, например, гармоническая акустическая волна, распространяясь в упругооптическои среде, создает периодическое возмущение показателя преломления, образуя тем самым физический объект, сходный с дифракционной решеткой. Световое излучение, проходя сквозь такую возмущенную структуру, испытывает дифракцию. Кроме этого, распространение упругих волн в среде служит причиной изменения частоты дифрагированного света благодаря эффекту Доплера от коллективного вклада, происходящего при переизлучении света каждым возмущенным звуковой волной элементом среды. Различают раман-натовский и брэгговский режимы дифракций. Первый режим дифракции связан с фазовой модуляцией падающего света, при этом он характеризуется одновременно несколькими дифракционными максимумами и происходит на относительно низких частотах звука и на небольшой длине акустооптического взаимодействия. Брэгговской дифракции света помимо фазовой модуляции свойственна в большей степени амплитудная модуляция излучения. Угловой спектр такого акустооптического взаимодействия состоит только из одного дифракционного максимума, что имеет место на относительно высоких акустических частотах и больших длинах взаимодействия. Дифракцию света, происходящую со сменой поляризации дифрагированного оптического излучения, принято называть анизотропной, в то время как в случае сохранения поляризации акустооптическое взаимодействие называется изотропным или квазиизотропным. Наибольший интерес в плане выбора упругооптическои среды представляют собой кристаллические материалы, в которых помимо изотропного или квазиизотропного взаимодействия возможен также и анизотропный вид дифракции. При этом наиболее широкие возможности для разнообразных практических применений открываются при использовании кристаллов, обладающих выраженной анизотропией как оптических, так и упругих свойств. Изучение многообразия возможностей реализации анизотропного акустооптического взаимодействия как в фундаментальном, так и в прикладном планах, бесспорно, привлекает к себе внимание исследователей и по сей день.
Благодаря относительно высоким скоростям распространения акустических волн в кристаллах (порядка нескольких километров в секунду) переходные процессы дифракционных явлений происходят за достаточно короткие
промежутки времени (порядка 10~6с), тем самым, давая возможность осуществлять достаточно быстрое управление оптическим излучением.
В качестве упругооптических сред сегодня широко используются такие кристаллы как парателлурит, дигидрофосфат калия (KDP), кварц, каломель, фосфид галлия, теллур, рутил, молибдат свинца, двойной молибдат свинца, ниобат лития и пр. Среди вышеперечисленных материалов особое место в акустооптике занимает кристалл ниобата лития (ІІМЮз). Несмотря на то, что ниобат лития в качестве упругооптической среды известен достаточно давно, практическое использование его для реализации высокочастотной дифракции началось только с развитием технологии создания пьезоэлектрических СВЧ-преобразователей. Именно в области СВЧ-управляющих сигналов ниобат лития обладает рядом преимуществ по сравнению с другими кристаллами, главными из которых являются низкое затухание упругих СВЧ-волн и относительно высокое упругооптическое качество как в отношении квазиизотропной, так и анизотропной дифракции.
Одним из частных случаев акустооптического взаимодействия является квазиортогональная анизотропная дифракция, при которой волновой вектор звука расположен тангенциально или почти тангенциально к волновой поверхности дифрагированного луча. Квазиортогональная анизотропная дифракция света позволяет по теоретическим оценкам расширить полосу дифракции по сравнению с изотропным акустооптическим взаимодействием более чем в десять раз. Вскоре появились экспериментальные работы по широкополосной анизотропной дифракции на ячейках из парателлурита и ниобата лития. По результатам представленных работ выяснилось, что для успешной работы дефлектора, реализованного на анизотропной дифракции, условие тангенциальности волнового вектора упругой волны по отношению к волновой поверхности светового луча еще не является достаточным. При этом необходимо уделять внимание вопросу эффективности акустооптического взаимодействия для выбранной геометрии распространения звукового и взаимодействующих оптических пучков. Необходимо отметить, что подобный режим дифракции удобен и широко используется при конструировании акустооптических дефлекторов света, где важным свойством устройства является возможность изменения направления распространения дифрагированного луча света с помощью перестройки частоты акустического сигнала в относительно широкой полосе частот. Анализ эффективности широкополосной дифракции света как на сдвиговых, так и на продольных акустических волнах в кристалле ниобата лития, на взгляд автора, является неполным. Поэтому в настоящей работе одним из вопросов является детальное исследование анизотропной дифракции света на продольных и сдвиговых упругих волнах с учетом анализа упругооптических свойств кристалла при квазиортогональной геометрии акустооптического взаимодействия.
Для фильтрации оптического излучения широко распространено применение коллинеарной дифракции света, при которой волновые векторы взаимодействующих волн и акустического пучка параллельны. Такая геометрия обладает определёнными преимуществами. В частности, за счёт увеличения длины акустооптического взаимодействия возрастает эффективность дифракции; кроме того, повышается селективность акустооптического взаимодействия, что приводит к увеличению спектрального разрешения. Несмотря на имеющиеся работы по коллинеарной дифракции света, остаются до сих пор нерешенными проблемы, связанные с этим видом взаимодействия. В частности, отсутствует детальный анализ угловых характеристик и эффективности взаимодействия при коллинеарной дифракции света на продольной упругой волне в ниобате лития. В основном авторы ограничиваются рассмотрением направлений, параллельных основным кристаллофизическим осям кристалла, пренебрегая возможностью реализации коллинеарного акустооптического взаимодействия в других произвольных направлениях. Одними из интересных вопросов коллинеарного взаимодействия, с точки зрения фундаментальных исследований, являются невзаимные эффекты коллинеарной дифракции. Помимо фундаментальной значимости невзаимные эффекты коллинеарной дифракции света должны влиять на процессы гармонической модуляции оптического излучения, являющейся, в частности, результатом коллинеарного анизотропного акустооптического взаимодействия на стоячих упругих волнах. Анализ такой модуляции также является целью настоящей работы.
Экспериментальная реализация однонаправленной коллинеарной дифракции света связана с трудностями беспрепятственного ввода и вывода оптического излучения в область акустооптического взаимодействия, поскольку пьезопреобразователь может затенять световой пучок. Следовательно, необходим поиск особых конструктивных решений акустооптических коллинеарных фильтров, обеспечивающих устранение этих трудностей. Также существуют проблемы исключения акустических резонансов, возникающих при дифракции света на стоячих волнах, которые обычно создаются как результат многократного отражения акустических волн от плоскопараллельных граней кристалла.
Наконец, помимо коллинеарной дифракции в ряде задач бывает необходимым знать и особенности параксиальных случаев акустооптических взаимодействий в широком диапазоне возможных направлений кристалла, при которых волновые векторы двух взаимодействующих оптических волн близки по направлению, а упругая волна движется либо попутно, либо встречно с ними. При экспериментальной реализации даже коллинеарного акустооптического взаимодействия в световых и в упругих волнах всегда присутствует некоторая расходимость пучков, которая неизбежно приводит к наличию в дифрагированном пучке порции света, образовавшегося в результате и параксиального взаимодействия. Следовательно, различная эффективность дифракции в различных параксиальных областях, сопутствующих коллинеарному
взаимодействию, может привести к существенной неоднородности яркости в апертуре дифрагированного света, например, в фильтрах.
Решению изложенного выше круга проблем, связанных с анизотропной дифракцией света на упругих волнах, и посвящена данная диссертационная работа.
Цели и задачи исследования
В диссертационной работе поставлены цели теоретического и экспериментального детализированного исследования анизотропной дифракции света на упругих волнах в квазиортогональной, коллинеарной и параксиальной геометриях взаимодействия в кристалле ниобата лития в интересах создания оригинальных модификаций акустооптических дефлекторов и оптических фильтров с СВЧ-управлением, реализующих в последних случаях также режимы амплитудной модуляции за счет использования встречного движения упругих волн.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
Проведение теоретических и экспериментальных исследований квазиортогональной широкополосной анизотропной дифракции света на продольных упругих волнах в плоскости zx кристалла ниобата лития.
Теоретическое изучение невзаимных эффектов и амплитудной модуляции света как результата коллинеарного анизотропного акустооптического взаимодействия на одной и двух встречных упругих волнах в одноосных кристаллах ниобата лития.
Разработка и создание образцов однонаправленных коллинеарных акустооптических фильтров на ниобате лития с СВЧ-управлением, пригодных для работы их как по прямому назначению, так и для подтверждения эффектов невзаимности акустооптического взаимодействия.
Разработка и создание образцов для экспериментального подтверждения эффектов амплитудной модуляции излучения при коллинеарной дифракции света на стоячей акустической волне, возбужденной вдоль оси х кристалла ниобата лития.
Теоретическое исследование особенностей параксиального анизотропного акустооптического взаимодействия на сдвиговых упругих волнах в плоскости ту кристалла ниобата лития.
Научная новизна и практическая значимость
1. В работе впервые проведено детальное теоретическое и экспериментальное исследование угловых характеристик эффективности анизотропной дифракции света на продольных акустических волнах в плоскости zx кристалла ниобата лития. Выявлены два режима широкополосного анизотропного акустооптического взаимодействия с максимальными
величинами эффективной фотоупругой восприимчивости, позволяющие реализовать эффективную дифракцию света на средних частотах звука в районе 3 и 5 ГГц.
Создан и исследован коллинеарный акустооптический фильтр с новой геометрией взаимодействия на продольных упругих волнах, распространяющихся вдоль оси х кристалла ниобата лития, позволивший зарегистрировать невзаимные эффекты коллинеарной анизотропной дифракции света и успешно решать задачи управляемой фильтрации оптического излучения.
Впервые получено решение задачи коллинеарной анизотропной дифракции света на стоячей акустической волне на примере пятиволнового приближения попарно взаимодействующих оптических волн. Проведенный анализ выявил поведение амплитуд каждой оптической волны от длины акустооптического взаимодействия и частоты акустического сигнала.
Созданы образцы коллинеарных фильтров на стоячей продольной упругой волне, распространяющейся вдоль направления х ниобата лития как резонансного, так и нерезонансного типов. Впервые зарегистрирована модуляция дифрагированного света при коллинеарном анизотропном акустооптическом взаимодействии на стоячей акустической волне. Полученный способ модуляции светового излучения может быть успешно использован в лазерной технике для синхронизации мод.
В работе теоретически детально исследованы как параксиальная, так и широкополосная геометрии анизотропного акустооптического взаимодействия на сдвиговых упругих волнах в плоскости zy кристалла ниобата лития. Полученные угловые характеристики эффективности дифракции, не имевшиеся ранее в литературе, позволяют оптимально выбрать подходящую геометрию при конструировании экспериментальных образцов акустооптических анизотропных устройств на сдвиговых упругих волнах.
Основные положения, выносимые на защиту
Существуют два оптимальных варианта геометрии реализации широкополосной анизотропной дифракции света на продольных упругих волнах в плоскости zx кристалла ниобата лития, которые соответствуют максимально возможному значению величины эффективной фотоупругой восприимчивости. Оба найденных варианта могут быть использованы для создания акустооптических дефлекторов для спектрального анализа радиосигналов со средними частотами порядка 3 и 5 ГГц.
Процесс коллинеарного анизотропного акустооптического взаимодействия на стоячей упругой волне может быть описан в пятиволновом приближении набором оптических мод, попарно взаимодействующих между собой на двух встречных акустических пучках, причем он приводит в прошедшем
свете к гармонической амплитудной модуляции и биениям в ортогонально поляризованном световом пучке, что также подтверждено экспериментально.
При анизотропном акустооптическом взаимодействии на сдвиговых упругих волнах в плоскости ту кристалла ниобата лития существуют режимы с оптимальными значениями эффективностей дифракции для коллинеарного, параксиального случаев, а также коллинеарного случая с симметричным поведением эффективной фотоупругой восприимчивости.
Угловая избирательность в поведении зависимостей эффективной фотоупругой восприимчивости при изменении направления распространения оптического излучения в параксиальных областях дифракции определяется, главным образом, существенным изменением направления движения звука при относительно малых вариациях углов раскрыва взаимодействующих оптических волн.
Апробация работы
Результаты проведённых исследований были представлены на следующих научных конференциях:
10th International Conference for Young Researchers «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems» (within International Forum «Information Systems. Problems, Perspectives, Innovation Approaches»). - St. Petersburg, Russia, July 2-6, 2007.
10th School on Acousto-Optics and Applications. - Gdansk-Sopot, Poland, May 12-15,2008.
Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21- Россия, Саратов, 27- 31 мая 2008 г.
381 Winter School on Wave and Quantum Acoustics. - Korbielow, Poland, May 23-25,2009.
Конференция по физике молодых ученых и преподавателей.- Россия, Саратов, 21 мая 2009 г.
Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS). - Moscow, Russia, August 18-21, 2009.
Результаты исследований опубликованы в российских и зарубежных научных журналах [1 - 7], трудах конференций [8 - 9] и в тезисах докладов [10 - 13]. Также получен патент на изобретение [14]. Личный вклад автора в работах следующий:
коллинеарное акустооптическое анизотропное взаимодействие на стоячей упругой волне теоретически исследовано с помощью метода векторных диаграмм с учетом невзаимных эффектов дифракции;
проведен теоретический анализ коллинеарной дифракции света на стоячей упругой волне в пятиволновом приближении;
рассчитаны энергетические характеристики дифрагированного поля для широкополосного анизотропного режима дифракции света на продольных упругих волнах;
проведен расчет величины невзаимности и величины дифрагированного поля при исследовании невзаимных эффектов коллинеарной дифракции света;
изготовлены все используемые в работе акустооптические ячейки и проведены измерения невзаимных эффектов и гармонической модуляции света при коллинеарном анизотропном акустооптическом взаимодействии.
Изложенные в диссертации материалы научных исследований получены в ходе выполнения следующих проектов, выигранных на конкурсной основе:
1. Исследование электрооптических и акустооптических свойств
сегнетоэлектрических монокристаллов типа ЬіМЮз, ВаТіОз и др., а также
проблем создания на их основе принципиально новых эффективных
модификаций быстродействующих модуляторов лазерного излучения
повышенной мощности в виде оригинальных моноблочных схем
электрооптических интерферометров Маха-Цендера и акустооптических
брэгговских ячеек с использованием УСУ комплекса НПФ «Пьезон», СГТУ,
2007-2008 гг.
Государственный контракт с Роснаукой № 02.518.11.7030 от 19.04. 2007 г.
2. Разработка и исследование процессов, устройств и технологий в области
информационных технологий, электроники и машиностроения, СГТУ, 2008-
2010 гг.
Государственный контракт с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 6232р/8706 от 19.09.2008 г.
3. Проект РФФИ № 09-02-12431-офи_м. Физические принципы
акустооптической обработки СВЧ-радиосигналов на основе создания
акустооптических брэгговских дефлекторов лазерного излучения с
использованием в них новых фотоупругих материалов, новых эффективных
геометрий акустооптического взаимодействия и оригинальных
многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей бегущей волны в их
металло- и пьезодиэлектрических пленочных модификациях, НПФ «Пьезон»
СГТУ, 2009.
Структура и объем диссертации
