Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Значительный прогресс в развитии лазерной техники, а также техники генерирования и приема ультра- и гиперзвука стимулировал интенсивные исследования взаимодействия и преобразования оптического и ультразвукового излучения, а также поиск кристаллов, где последнее наиболее эффективно. Все это, в свою очередь, активизировало исследования в области оптики, акустики и акустооптики анизотропных, гиротропных, магнитоупорядоченных, диспергирующих и поглощающих, нелинейных и подверженных внешним воздействиям сред, что привело к созданию теории распространения , а также дисперсионного и дифракционного рас-плывания пучков и импульсов излучения в кристаллах.
К настоящему времени можно считать достаточно изученными особенности распространения плоских электромагнитных волн в гиротропных и нсгиротропных диэлектриках. Однако в рамках наиболее часто используемого плосковолнового приближения невозможно объяснить ряд явлений, наблюдаемых при распространении излучения вдоль и вблизи особых направлений, в том числе оптических осей, исследование которых актуально как для развития фундаментальных представлений о механизмах взаимодействия света с веществом, так и в прикладном плане. Выявление особенностей волновых поверхностей, поляризационных полей в особых направлениях и вблизи них открывает широкие перспективы для использования последних в системах обработки информации. Поэтому развитию теории распространения оптического излучения, наиболее корректно представляемого в виде пучков и импульсов, вдоль и вблизи оптических осей негиротропных и гиротропных кристаллов уделяется большое внимание.
Известная аналогия явлений оптики и акустики кристаллов прослеживается не во всех свойствах. Так, в анизотропной среде могут распространяться три (а не две, как в оптике) изонормальные ультразвуковые волны, ни одна из которых в общем случае не является ни продольной, ни поперечной. Кристаллы проявляют настолько сильную анизотропию, что почти все основные сведения о групповых скоростях и волновых поверхностях в конкретных средах получаются с помощью современной вычислительной техники и, как правило, численными методами. Из-за механической природы ультразвуковых волн теория их распространения, поляризации, дисперсии, затухания, взаимодействия и преобразования строится на своей независимой основе. Этими отличиями диктуется необходимость исследования зависимостей скоростей распространения, поляризации и дифракции ультразвуковых волн от анизотропии, симметрии упругих свойств кристаллов и проявления акустической гиротропии, диспер-
сии, затухания и нелинейного взаимодействия. Такая необходимость возникла в кристаллоакустике в связи с совершенствованием методов возбуждения и приема ультразвука, его широким применением для изучения физических свойств анизотропных сред.
Наряду с исследованием анизотропии кристаллов, ультразвуковые волны, точнее: взаимодействия ультразвуковых волн со световыми, - используются для управления параметрами оптического излучения. Аку-стооптические фильтры, модуляторы и дефлекторы нашли широкое применение в системах обработки и передачи информации. Ряд уникальных по своим оптическим, акустическим, акустооптическим свойствам материалов (парателлурит, теллур, германат висмута и др.) обладает существенной гиротропией. Поэтому изучение проявления как оптической, так и акустической гиротропии кристаллов при акустооптическом взаимодействии необходимо и для целей создания и конструирования акустооптиче-ских устройств.
В последнее время научные исследования по акустооптике кристаллов сместились в сторону изучения особенностей взаимодействия электромагнитных и акустических волн при наличии внешнего электрического и магнитного полей. Внешние поля обусловливают изменение упругих и диэлектрических свойств кристаллов, и, как следствие, оказывают параметрическое воздействие на пространственные, поляризационные и энергетические характеристики взаимодействующих волн. Поэтому изучение акустооптических взаимодействий при наличии внешних электрических полей неразрывно связано с проблемой исследования статических и динамических параметрических элсктрооптических и электроакустических эффектов. Полученные при этом теоретические результаты широко используются при создании применяемых в квантовой электронике твердотельных элементов акустических, акустоэлектронных и акустооптических устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками.
На поляризационные эффекты, а также распределение энергии дифрагированного излучения при акусто- электрооптическом взаимодействии сложным образом влияют многие факторы: направление распространения и поляризация световых и акустических волн в кристаллах, а также величина и ориентация внешнего поля, - что существенно затрудняет построение теории акусто- электрооптических взаимодействий и делает возможным получение аналитического решения задачи дифракции лишь для высокосимметричных кристаллов. Выбор геометрии акусто-электрооптического взаимодействия, наиболее благоприятной для управления поляризационными характеристиками дифрагировавших на ультразвуке световых волн, позволит: создавать гибридные ячейки, совмещающие в себе функции акустооптического модулятора и электрооптического переключателя поляризации света, управлять поляризацией световых пуч-
ков в процессе их сканирования, производить обработку сигнальной информации по двум независимым каналам.
Задача об акустооптическом взаимодействии и преобразовании характеристик излучения в результате дифракции света на ультразвуке в совокупности с задачами о распространении и преобразовании оптического и ультразвукового излучений представляет собой часть общей проблемы взаимодействия излучения с веществом, исследованию ряда аспектов которой и посвящена настоящая работа.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Настоящая работа выполнялась в рамках НИР ГБ 86-37 "Развитие фундаментальных исследований с целью создания новых материалов и специального оборудования для изготовления микро-, опто- и акусто-электронных устройств" ( Per. № 01.86.0096777, Инв. № 02910023165), ГВЦ 95-04, ГБНМ 96-06. Работа поддержана Международной Соросов-ской программой образования в области точных наук (1995/1996 г.), Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь согласно контракту Ф 95-115 (1996/1997 г.).
Цель и задачи исследования
Настоящая диссертационная работа посвящена развитию теории распространения и преобразования электромагнитного и ультразвукового излучения в анизотропных средах, в том числе обладающих гиротропией и электроиндуцированной анизотропией.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач, в том числе:
1.Исследование особенностей распространения световых и акустических пучков в окрестности особых направлений в кристаллах, для которых имеют место дифракционные катастрофы.
2.Изучение проявлений электроиндуцированной анизотропии при распространении пучков электромагнитного и ультразвукового излучения.
3.Решение проблемы взаимодействия и преобразования световых и ультразвуковых пучков в кристаллах с оптической и акустической гиротропией и электроиндуцированной анизотропией с последующим применением результатов исследования для : изучения физических свойств твердых тел, выбора кристаллических элементов с оптимальными характеристиками для использования в различных устройствах, формирования пучков излучения с параметрами, требуемыми системами обработки и передачи информации.
4.Поиск новых принципов управления пространственными, поляризационными и энергетическими характеристиками электромагнитных и
акустических волн и их применение для создания устройств с управляемыми внешним полем параметрами.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются процессы распространения и преобразования пучков электромагнитных и ультразвуковых волн в анизотропных средах.
Предмет исследования - проявления гиротропии и электроиндуци-рованной анизотропии в процессах распространения и преобразования светового и ультразвукового излучения в кристаллах.
Гипотеза
В основе проведенных исследований лежит гипотеза о том, что наличие гиротропии, а также малые внешние воздействия на кристалл способны вызвать существенные изменения характеристик распространяющихся в нем электромагнитных и акустических волн и индуцировать эффекты, запрещенные симметрией негаротропных сред.
Методология и методы проведенного исследования
Исследование особенностей распространения и преобразования оптического ( акустического ) излучения в анизотропных средах осуществлялось на основе модели ограниченных пучков, когда векгор электрической напряженности (упругого смещения) представляется монохроматической волной, пространственно- временная зависимость амплитуды которой определяется групповой скоростью и ее производной. При этом использовались ковариантные методы, развитые в работах Ф.И. Федорова и его учеников. Большим преимуществом последних является возможность получения достаточно простых и общих аналитических решений сложнейших задач кристаллооптики и кристаллоакустики, что важно также для последующего численного моделирования.
При описании особенностей акустооптического преобразования излучения в кристаллах был использован метод вариации постоянных, в соответствии с которым вектор электрического поля электромагнитной волны представляется в виде суперпозиции нормальных мод, отвечающих невозмущенному диэлектрическому тензору, причем коэффициенты такого разложения зависят от координаты в направлении распространения. Подставляя данное разложение в волновое уравнение и полагая, что измене-
ниє модовых амплитуд является медленным, можно получить систему дифференциальных уравнений, определяющую амплитуды и векторы поляризации дифрагировавших волн. При решении данной системы уравнений в диссертационной работе использован матричный метод.
Научная новизна и значимость полученных результатов
Степень научной новизны и значимость представленных в диссертации результатов определяется тем, что впервые установлен и изучен ряд новых закономерностей распространения и преобразования акустических и электромагнитных волн в кристаллах, обладающих гиротропией и анизотропией, в том числе электроиндуцированной:
показано, что гиротропия по-разному изменяет лучевую поверхность и поверхность волновых векторов в сильно анизотропных двуосных кристаллах, в результате чего вдоль ряда направлений внутри конуса внутренней рефракции оказывается возможным распространение четырех волн с неодинаковыми групповыми скоростями,
обоснована возможность бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования световых пучков вблизи оптических осей в линейных однородных двуосных гиротропных кристаллах,
предсказано усиление электрооптического эффекта в направлении оптических осей двуосного гиротропного кристалла в сравнении с произвольным направлением на величину порядка отношения параметров анизотропии и гиротропии,
установлено, что при произвольном направлении вектора акустической гирации эллипсы поляризации упругих волн, распространяющихся в гиротропном кристалле, расположены в неортогональных и некомпланарных плоскостях. При этом векторы поляризации волн в пренебрежении гиротропией, вообще говоря, не остаются в плоскостях эллипсов поляризации этих волн,
определена зависимость поляризации, групповой скорости, кривизны фазовых поверхностей и расходимости световых (ультразвуковых) пучков от направления распространения в окрестности оптических (акустических) осей в гиротропных кристаллах,
теоретически исследовано явление электроиндуцированной конической рефракции упругих волн вблизи оси симметрии четвертого порядка кубического параэлектрика и установлены его особенности: наличие сложной, весьма чувствительной к величине внешнего электрического воздействия структуры конуса рефрак-
ции, характеризуемой разделением его на подоболочки и неравномерностью распределения акустической энергии,
обнаружена возможность подавления дифракции света на ультразвуке в кубических центросимметричных кристаллах с электро-индуцированной анизотропией,
исследованы невзаимные эффекты при дифракции встречных световых волн на ультразвуке в кубических гиротропных кристаллах, а также негиротропных при наличии внешнего электрического поля. Установлено, что наличие гиротропии и внешнего воздействия проявляется в удвоении числа максимумов амплитудной и фазовой невзаимностей,
показано, что при наличии обратной оптоэлектронной связи реализуются мультистабильные поляризационно управляемые режимы акусто- электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах,
аналитически описано влияние фотоупругой анизотропии кубического кристалла на характеристики дифрагировавшего на ультразвуке света при промежуточном режиме дифракции. Установлена возможность реализации таких акустооптических взаимодействий в кубических кристаллах, при которых интенсивность дифрагировавшего оптического излучения не зависит от девиации ультразвуковой мощности в широком интервале значений последней,
показано, что наличие пьсзоэффекта в двуосных кристаллах приводит к увеличению количества направлений максимальной эффективности акустооптического взаимодействия.
Некоторые из предсказанных явлений уже экспериментально обнаружены. Это:
снятие запрета для рассеяния на чисто поперечных упругих волнах и расщепление дифракционного максимума при взаимодействии с ультразвуком, распространяющимся вдоль акустической оси, в одноосных акустически гиротропных кристаллах (Те02 ) для геометрии рассеяния, при которой световая волна распространяется вдоль оптической оси,
существование таких геометрий акустооптического взаимодействия, при которых поляризация рассеянного светового излучения не зависит от анизотропных свойств кристалла и характеристик падающего света. Данное явление имеет место, например, при дифракции линейно поляризованной световой волны, распространяющейся вдоль оптической оси [001] одноосного гиротропного кристалла (например , Те02), на квазипоперечной упругой волне, вектор смещения которой лежит в плоскости (100),
изменения формы гауссова пучка ультразвуковых волн при сканировании вблизи направления [110] кристалла ТеОг,
теоретически предсказанные особенности фильтра поверхностных акустических волн на основе электрострикционных решеток, наведенных приложенным к поверхности пьезокерамики периодическим электрическим полем.
Научное значение проведенной работы состоит в выявлении новых эффектов, обусловленных вынужденной анизотропией кристалла, в получении новых физических закономерностей распространения и параметрического преобразования ультразвуковых и электромагнитных волн в средах, обладающих анизотропией, в том числе электроиндуцированнои, и гиротропией. Полученные результаты углубляют понимание физики аку-стооптических взаимодействий в кристаллах со сложной анизотропией и открывают новые возможности при создании твердотельных элементов оптических, акустических и акустооптических устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов
В настоящей работе разработан и обоснован ряд новых принципов и методов управления параметрами электромагнитных волн, в частности:
управление пространственной расходимостью световых пучков при их распространении в направлениях, соответствующих локально- вогнутым участкам поверхности волновых векторов,
электрооптическое и поляризационное управление параметрами излучения кольцевых лазеров, основанное на применении взаимодействия встречных световых волн с бегущей ультразвуковой волной в кубических центросимметричных кристаллах.
Использование полученных результатов позволит:
создавать оптические элементы нового поколения, например: электроуправляемые пространственно инвариантные кристаллические линзы с перестройкой фокусного расстояния на величину порядка одного сантиметра как в длиннофокусных, так и в короткофокусных линзах; бинарные управляемые фокусируюшие-дефокусирующие системы,
расширить функциональные возможности твердотельных кольцевых лазеров, в том числе ближнего инфракрасного (ИК) диапазона.
В диссертационной работе предложены схемы оптических логических элементов с управляемыми в процессе работы параметрами. Достоинством данньк схем является возможность достижения бистабильных
(мультистабильных) режимов при малых акустических мощностях, а также управления этими режимами как посредством внешнего электрического поля, так и изменения поляризации оптического излучения.
В диссертации исследованы особенности коллинеарного акустооп-тического взаимодействия в кубическом центросимметричіюм кристалле при наличии внешнего электрического поля и показана возможность их использования для создания перестраиваемых фильтров и спектроана-лизаторов. На основе полученных соотношений и сделанных оценок для ряда кристаллов ( ВаТі03, БгТіОз в парафазе ) доказана перспективность предложенных фильтров и спектроанализаторов. К их достоинствам относятся: возможность фильтрации в ШС - диапазоне с высоким разрешением, низкие уровни ультразвуковой мощности, требуемой для полного преобразования энергии падающей световой волны в дифрагированную, вследствие чего поглощение звука не оказывает влияния на ширину спектральной линии , а также возможность одновременной перестройки по спектру и анализа по двум независимым каналам.
В настоящей работе обоснована возможность применения элек-трострикционных решеток, наведенных приложенным к поверхности пьезокерамики периодическим электрическим полем, в устройствах фильтрации поверхностных акустических волн (ПАВ). В отличие от фильтров, изготовленных методом объемной поляризации, предложенные нами фильтры характеризуются более узкой полосой пропускания, существенным подавлением боковых лепестков, низким управляющим напряжением (70 В), весьма экономичны в изготовлении. Перечисленные теоретически предсказанные особенности фильтра ПАВ нашли полное экспериментальное подтверждение при исследовании опытного образца.
Кроме этого, полученные в работе результаты могут найти широкое применение для оптимизации параметров кристаллических элементов оптических, акустических и акустооптических систем, в частности: при определении геометрий наиболее эффективного АО взаимодействия в перспективном акустооптическом материале - ниобате калия; при нахождении направлений распространения ультразвуковых пучков, для которых можно получить максимальную полосу модуляции в модуляторе, изготовленном на основе кристалла парателлурита; при расчете высокоэффективных электрооптических модуляторов на основе кубических и одноосных гиротропных кристаллов.
Применение результатов диссертационной работы дает возможность на определенных этапах разработки ряда оптических, акустических, акустооптических устройств предсказывать особенности поведения их параметров и, тем самым, исключать нередко дорогостоящие и трудоемкие приемы экспериментальных исследований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие основные положения:
в сильно анизотропных гиротропных кристаллах внутри конуса внутренней рефракции в силу деформации лучевой поверхности в одном направлении, вместо двух, распространяются четыре изорадиальные световые волны с различными групповыми скоростями,
в сильно анизотропных гиротропных однородных линейных средах в окрестности оптической оси имеют место эффекты бездифракционного распространения и безлипзового фокусирования световых пучков,
распределение поля излучения при распространении сильно расходящихся световых и ультразвуковых пучков вдоль оптических и акустических осей гиротропных кристаллов определяется порядком касания полостей поверхности волновых векторов в указанных направлениях при отсутствии гиротропии и зависит от характера изменения поляризации, групповой скорости, кривизны фазовой поверхности,
в кубических центросимметричных кристаллах в парафазе вблизи оси симметрии четвертого порядка возникает электро-индуцированная внутренняя коническая рефракция упругих волн, особенностью которой является наличие у конуса рефракции сложной, чувствительной к величине электрического воздействия структуры, характеризуемой разделением его на подоболочки и неравномерностью распределения акустической энергии,
акустическая гиротропия приводит к разделению полостей поверхности волновых векторов в направлении акустических осей и наличию акустооптических взаимодействий, запрещенных симметрией негиротропных кристаллов, что проявляется на эластограммах Шефера-Бергмана для кристалла парател-лурита в виде разрывов дифракционных кривых (квази) поперечных волн и появлению дополнительной дифракционной кривой,
оптическая піротропия приводит к качественному изменению невзаимных эффектов в процессах акустооптического взаимодействия, проявляющемуся в удвоении числа максимумов амплитудной и фазовой невзаимностей,
при наличии обратной оптоэлектронной связи реализуются мультистабильные поляризационно управляемые режимы акусто- электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах,
в промежуточном режиме дифракции света на ультразвуке в кубических кристаллах анизотропия фотоупругих свойств проявляется в возникновении зависимости энергетических и поляризационных характеристик дифрагировавшего излучения от состояния поляризации падающей световой волны.
Личный вклад соискателя
Большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при непосредственном участии. Ряд работ по оптике и акустике гиротрошшх кристаллов выполнен в соавторстве с Хаткевичем А.Г. Некоторые работы по акустооптике выполнены совместно с Белым В.Н. Экспериментальное изучение особенностей поведения потока энергии и распределения акустического поля вблизи оси [110] кристалла паратеилурита проведено сотрудниками Института физики НАНБ Казаком Н.С., Павленко В.К., Катранжи Е.Г. Результаты по обоснованию возможности существования бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования в двуосных сильно анизотропных гаротропных кристаллах получены совместно с сотрудником Института физики НАНБ Хило Н.А. Эластограммы кристалла пара-теллурита получены сотрудниками Днепропетровского государственного университета Акимовым СВ., Горбенко В.М., Савченко В.В. Изготовление и экспериментальное исследование фильтра ПАВ, действие которого основано на использовании электрострикционных решеток, возникающих при возмущении поверхности пьезокристалла периодическим электрическим полем, осуществлено сотрудником Гомельского государственного университета Казаковым Н.П. Ряд работ выполнен в соавторстве с сотрудником Института физики НАНБ Ковчуром С.Н., защитившим под руководством соискателя диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук. Другие соавторы совместных работ участвовали в выполнении расчетов и обсуждении полученных результатов.
Апробация результатов диссертации
і Результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных Федоровских научных сессиях (г.Ленинград, 1989, 1990 г.); Всесоюзном семинаре "Оптика анизотропных сред" (Москва, 1990 г.); XV Всесоюзной конференции "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела" (г. Ленинград, 1991 г.); Международной конференции по ультразвуку (Австрия, 1993 г.); Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах
(Москва -С. -Петербург, 1994 г.); Y и YI Международных семинарах " Нелинейные явления в сложных системах" (г. Минск, 1996,1997 г.); Ш Республиканской конференции по лазерной физике и спектроскопии (г. Гродно, 1997 г.); Международной конференции "Фотоконверсия: наука и технологии" (Польша; 1997 г.); П Межгосударственной научно- техігаческой конференции по квантовой электронике ( г. Минск, 1998 г.); общеуниверситетских Скорининских научных чтениях (г. Гомель, 1995 г.). За цикл работ, представленных в диссертации, на научных чтениях Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины соискатель удостоена звания "Лауреат Скорининских научных чтений 1995 г.".
Опубликовашюсть результатов
Список основных работ по теме диссертации включает 49 наименований, в том числе 42 статьи в престижных научных изданиях. В совокупности опубликованные материалы занимают 230 страницы.
Структура п объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав с изложением обзора литературы и результатов исследований, выводов по основным результатам и списка использованных источников.
Полный объем диссертации составляет 301 страницу, в том числе: объем, занимаемый 61 рисунком - 59 страниц; 2 таблицами - 1 страница; 330 библиографическими названиями - 35 страниц.
Похожие диссертации на Преобразование световых и ультразвуковых волн в кристаллах с электроиндуцированной анизотропией и гиротропией
