Введение к работе
Актуальность темы. Явление дифракции света на ультразвуке привлекает все большее внимание исследователей, прежде всего благодаря высокой эффективности акустооптических (АО) методов управления оптическим излучением. К достоинствам АО приборов, которые обеспечивают широкое их применение в лазерной физике, оптике и оптоэлектронике, можно отнести простоту технической реализации, высокое быстродействие, широкие функциональные возможности.
Широкие возможности практического использования АО устройств, естественно, стимулируют дальнейшее исследование самого явления дифракции света на акустических волнах. И если на первом этапе развития акустооптики интерес исследователей в основном был направлен на детальный расчет дифракционного спектра при дифракции света на монохроматическом акустическом пучке в изотропной среде, то в последние два десятилетия главное внимание уделяется особенностям дифракции света в анизотропных средах и оптических волноводных структурах, взаимодействию световых и акустических пучков, имеющих сложную пространственно-временную структуру, различным тонким АО эффектам.
К числу актуальных проблем относится вопрос о фазах взаимодействующих волн, - как световых, так и акустических. Интерес к фазовым соотношениям при АО взаимодействии определяется в первую очередь развитием и все более широким распространением методов фоторегистрации, основанных на эффекте оптического гетеродинирования. В связи с этим встает вопрос не только о фазах, но и о характере поляризации дифрагированных волн. К началу данной диссертационной работы данный вопрос был изучен только для предельных режимов АО взаимодействия - раман-натовского и брэгтовского. Промежуточный же режим дифракции наиболее сложен для анализа, поскольку для него не удается получить точного аналитического решения дифракционной задачи. Однако известно, что большинство АО приборов имеет наилучшие характеристики именно в промежуточном режиме дифракции, поэтому его исследование представляет несомненный интерес как в академическом плане, так и с прикладной точки зрения.
Важной проблемой современной акустооптики является исследование дифракции света в неоднородном акустическом поле. Интерес к этому варианту АО взаимодействия обусловлен, с одной стороны, широким распространением АО ячеек с секционированными пьезопреобразователями и возможностью создания преобразователей, имеющих более сложную
структуру, а, с другой стороны, тем, что обычное плосковолновое приближение дифракционной теории недостаточно хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Реальные акустические пучки имеют сложную амплитудную и фазовую структуру. При этом фазовая неоднородность акустического поля сильнее, чем амплитудная, сказывается на угловых и частотных характеристиках АО взаимодействия, в результате чего максимальное рассеяние света может наблюдаться при углах падения, отличных от угла Брэгга.
Целью диссертационной работы являлось:
расчет амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик дифракционного спектра в промежуточном режиме АО взаимодействия в приближении плоских волн;
анализ изменения фаз и состояния поляризации дифрагированных световых волн при сильном и слабом АО взаимодействии в процессе перехода от раман-натовского режима дифракции к брэгговскому;
исследование АО взаимодействия в ячейках с составными пьезо-преобразователями, состоящими из нескольких секций разной толщины, а также выявление особенностей согласования таких преобразователей с ВЧ-генератором;
- исследование особенностей брэгговской дифракции света в
неодно-родном акустическом поле с различными видами амплитудной и
фазовой неоднородности.
Научная новизна работы заключается в следующем: Для промежуточного режима дифракции впервые изучен эффект дополнительного фазового сдвига и обусловленное им изменение состояния поляризации дифрагированного света. В ходе теоретических и экспериментальных исследований обнаружен ряд новых особенностей угловых характеристик высоких дифракционных порядков при рассеянии света в изотропной и анизотропной среде. Определены параметры АО взаимодействия, при которых во второй и третий дифракционные порядки можно перекачать значительную часть падающего света.
Впервые решена задача об акустооптическом взаимодействии в ячейке с составным преобразователем, состоящим из пьезоэлектрических пластинок различной толщины. Показано, что в такой ячейке даже при синфазном возбуждении пьезопластинок имеет место качание диаграммы направленности акустического пучка, вследствие чего оптимальный угол падения света зависит от частоты ультразвука и в общем случае отличен
от угла Брэгга. Выявлены особенности согласования составного преобразователя с ВЧ генератором.
Исследовано влияние различных видов амплитудной и фазовой неоднородности акустического поля па эффективность рассеяния света в режимах слабого и сильного АО взаимодействия.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующем. Исследование сильного АО взаимодействия в промежуточном режиме дифракции показало, что во всех дифракционных порядках возникает дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от параметров АО взаимодействия. Дополнительный фазовый сдвиг может достигать значений порядка я и поэтому должен учитываться при конструировании АО приборов, в первую очередь тех, в которых используется оптическое гетеродинирование. Появление дополнительного фазового сдвига приводит к изменению состояния поляризации дифрагированного света, что, с одной стороны, может ухудшать характеристики АО приборов, а, с другой стороны, открывает возможности для создания АО приборов нового типа. Проведенные в диссертационной работе фазовые и поляризационные характеристики могут быть использованы в обоих случаях.
Показана возможность перекачки во второй и третий дифракциопный порядки значительной части светового излучения при широком частотном диапазоне, что позволяет использовать эти порядки в качестве рабочих при создании АО дефлекторов с более широким диапазоном сканирования.
Результаты исследования АО взаимодействия в ячейке с составным преобразователем, состоящим из пьезоэлектрических пластинок разной толщины и площади, позволяют создавать АО ячейки с указанными преобразователями пового типа, которые имеют ряд преимуществ перед широко распространенными секционированными преобразователями.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1.Результаты численного расчета амплитуд и фаз дифракционного спектра при АО взаимодействии в промежуточном режиме дифракции, позволяющие проанализировать постепенный переход от раман-натовского режима дифракции к брэгговскому.
2,Теоретические и экспериментальные результаты исследования тонкой структуры угловых характеристик 2-го и 3-го порядков дифракции при слабом АО взаимодействии в изотропной и анизотропной среде.
З.Утверждение об общем характере эффекта дополнительного фазового сдвига и, как его следствия, - изменения поляризации света в
процессе АО взаимодействия. Анализ условий появления этих эффектов, зависимость их величины от амплитуды и частоты ультразвука и от угла падения света на АО ячейку.
-
Решение задачи о брэгговском АО взаимодействии в ячейке с составным преобразователем, состояшдм из пьезоэлектрических пластинок разной толщины.
-
Описание влияния различного вида неоднородностей акустического поля на результат АО взаимодействия в брэгговском режиме дифракции.
Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на 14-й Международной конференции "Utilization of Ultrasonic Methods in Condensed Matter" (Жилина, Словакия, 1995), на 1-м Международном конгрессе "Ultrasonics World Congress - 1995" (Берлин, 1995), на Международной конференции "Advances in Acousto-Optics - 1997" (Санкт-Петербург, 1997), на V Всероссийской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Москва, 1996), обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультеты МГУ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 124 наименования. Работа изложена на 175 страницах, включая 76 рисунков.
