Введение к работе
Актуальность темы. Явление дифракции света на акустических волнах привлекает большое внимание исследователей, что в первую очередь обусловлено практической полезностью этого явления, высокой эффективностью акустооптических (АО) методов управления оптическим излучением. К достоинствам АО приборов можно отнести широкие функциональные возможности, хорошее быстродействие, малую потребляемую мощность, простоту технической реализации, высокую надежность и компактность. Это способствует все более широкому применению их в оптике, оптоэлектронике и лазерной физике. АО взаимодействие используется для модуляции и сканирования света, фильтрации оптического излучения, преобразования оптического изображения в электрический сигнал и т.д. Явление дифракции света на ультразвуковых волнах применяется также для визуализации акустических полей и исследования физических свойств материалов.
Такое разнообразное практическое применение АО взаимодействия стимулирует исследования самого явления дифракции света на акустических волнах. На заре развития акустооптики интерес исследователей ограничивался изучением дифракционного спектра при рассеянии плоской световой волны на монохроматическом звуке в изотропной среде. При этом реализовывался случай стационарной дифракции, поскольку параметры ультразвуковой волны (амплитуда, частота и фаза) оставались неизменными. С середины 50-х годов появляются исследования дифракции света на двух акустических волнах. Однако такой вариант АО взаимодействия рассматривался лишь для целочисленного соотношения частот ультразвуковых волн, когда не происходит размножение дифракционного спектра.
Новый этап развития акустооптики начался в 60-е годы, когда, после появления лазеров, стало ясно, что АО эффект предоставляет уникальные возможности для управления параметрами лазерного излучения. Также стало очевидным, что те решения дифракционной задачи, которые были получены к тому времени, не могут дать адекватного описания работы АО устройств обработки информации. Причина заключается в том, что в любом реальном устройстве мы имеем дело не с плоскими волнами, а с волновыми пучками, которые меняют свою структуру по мере распространения в пространстве. Кроме этого, на пьезопреобразователь АО ячейки подается, как правило, не монохроматический сигнал, поэтому в ячейке возбуждается акустическая волна, параметры которой меняются во времени и пространстве. В этом случае свет дифрагирует на объекте, который лишь в обобщенном смысле может рассматриваться как дифракционная решетка, а сам процесс рассеяния света приобретает характер нестационарной дифракции.
При решении задач нестационарной дифракции весьма продуктивным оказался спектральный метод, перенесенный в акустооптику из оптической обработки информации. Однако он хорошо работает лишь в приближении слабого АО взаимодействия , когда эффективность дифракции не превышает 10%, так как только в этом приближении АО взаимодействие является линейным как по свету, так и по звуку. Такая ситуация, естественно, не могла удовлетворять разработчиков АО устройств, поскольку многие из устройств имеют лучшие характеристики в режиме сильного АО взаимодействия. К сожалению, задача дифракции света в акустическом поле сложного спектрального состава (многочастотная дифракция) резко усложняется при переходе к режиму сильного взаимодействия, так как процесс рассеяния света перестает быть линейным по звуку. Даже в простейших вариантах не удается получить аналитических решений, а количественные расчеты требуют применения мощных ЭВМ и больших затрат машинного времени. Именно этим и объясняется тот факт, что лишь в последнее время стали появляться работы, посвященные многочастотной дифракции света в сильном акустическом поле. Их количество невелико, и они, разумеется не дают полной картины этого сложного явления. Кроме того, рассматривалась, как правило, лишь изотропная дифракция света, тогда как известно, что анизотропная дифракция во многих случаях предпочтительнее, поскольку позволяет получить лучшие характеристики АО устройств.
Целью диссертационной работы являлось:
исследование дифракции плоской световой волны в многочастотном акустическом поле в режиме сильного АО взаимодействия и эффектов, обусловленных брэгговской селективностью и взаимным влиянием дифрагированных мод;
анализ влияния оптической анизотропии среды и геометрии АО взаимодействия на характеристики дифракционного спектра;
изучение особенностей нестационарной дифракции, проявляющихся при сильной фокусировке падающего светового пучка;
анализ работы АО оптоэлектронного генератора нового типа, в котором сигнал обратной связи формируется благодаря эффекту оптического гетеродинирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Для режима сильного АО взаимодействия изучена дифракция света в многочастотном акустическом поле в изотропной и анизотропной среде. Впервые исследован эффект конкуренции дифрагированных мод, возникающий в режиме сильного АО взаимодействия. В ходе теоретических и экспериментальных исследований обнаружены новые особенности
амплитудных, фазовых и угловых характеристик дифракционного спектра для случая многочастотной брэгговской дифракции.
На основе исследования влияния оптической анизотропии среды и геометрии АО взаимодействия на характеристики АО модулятора найдена оптимальная геометрия АО взаимодействия и предложена новая схема модулятора, обеспечивающая одновременно низкие световые потери и высокое быстродействие. Показано, что такая геометрия может быть реализована только в двуосных кристаллах, когда плоскость взаимодействия проходит через оптические оси.
Решена задача о модуляции света в режиме сильного АО взаимодействия. Теоретически установлено и подтверждено экспериментально, что в случае гармонической модуляции форма выходного сигнала модулятора зависит от частоты модуляции и геометрии взаимодействия.
Впервые теоретически исследован АО оптоэлектронный генератор нового типа, в котором сигнал обратной связи формируется благодаря эффекту оптического гетеродинирования.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующем.
Исследование многочастотной дифракции света в режиме сильного АО взаимодействия показало, что при многочастотной дифракции расстройки дифракционных переходов сильнее сказываются на характеристиках максимумов, чем в случае монохроматической дифракции. Поэтому даже при брэгговской дифракции нельзя обеспечить полное рассеяние падающего света в первый порядок, что должно учитываться при конструировании АО приборов. В отличии от монохроматической брэгговской дифракции, при многочастотной дифракции во всех максимумах появляется дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от частоты и мощности ультразвука. Вследствие этого, передаточные функции максимумов являются комплексными, что означает появление не только амплитудных, но и фазовых искажений оптического сигнала, проходящего через АО ячейку. Появление дополнительного фазового сдвига может ухудшать характеристики АО приборов.
Анализ переходных процессов АО взаимодействия, происходящих в нестационарном акустическом поле показал, что во время переходного процесса пучок уширяется, вследствие чего часть дифрагированного излучения попадает в соседние области и возникает паразитная засветка. Появление такой засветки может отрицательно сказаться на работе АО устройств.
Найденная оптимальная геометрия АО взаимодействия открывает возможность к созданию новых АО приборов с уникальными характеристиками, например, АО модуляторов с высоким быстродействием и эффективностью дифракции, близкой к 100%.
Результаты исследования АО оптоэлектронного генератора открывают возможности для создания АО приборов нового типа. Такая АО система, например, может быть использована как высокочувствительный датчик угловых или линейных перемещений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
При дифракции света в многочастотном акустическом поле в режиме сильного АО взаимодействия возникает эффект конкуренции дифрагированных мод. В этом случае расстройки дифракционных переходов сильнее сказываются на характеристиках дифракционных максимумов, чем в случае монохроматической дифракции.
-
При многочастотной брэгговской дифракции во всех максимумах появляется дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от частоты и мощности ультразвука, а также от геометрии АО взаимодействия.
-
Характеристики АО модулятора света существенно зависят от оптической анизотропии среды и геометрии АО взаимодействия. Оптимальной является тангенциальная геометрия с углом Брэгга, равным нулю, которая обеспечивает одновременно низкие световые потери и высокое быстродействие.
-
На основе АО взаимодействия и эффекта оптического гетеродинирования может быть создан оптоэлектронный генератор, способный работать как в одномодовом, так и в многомодовом режимах генерации, и обладающий мультистабильными свойствами.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на 10-й конференции Европейского Оптического общества "Достижения в области акустооптики" (Париж, 1996), 2-й Международной конференции по оптической обработке информации (Санкт-Петербург, 1996), 7-й Школе по акустооптике и применениям (Гданьск, 1998), на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений» (Москва, 1998), докладывались на Ломоносовских чтениях (Москва, 1998), обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 6 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 100 наименований. Работа изложена на 156 страницах, включая 50 рисунков.
