Введение к работе
Актуальность темы.
Лазерные системы находят самое широкое использование не только в современной науке, технике, но и в повседневной жизни. Сложное оптическое устройство интегрирует в себе целый ряд различных элементов и узлов, по принципу действия относящихся к различным разделам физики. Однако, вопросы управления световым излучением, в большинстве случаев, являются базовыми и определяют как структуру, так и предельно достижимые характеристики всей оптической системы в целом.
Многие физические явления приводят к управлению параметрами света. Однако, наибольшее практическое распространение получили эффект Покельса, магнитооптический (МО) эффект Фарадея и акустооптический (АО) эффект. Изучению особенностей двух последних, в плане поиска новых возможностей их использования, и посвящена данная работа. При этом особый интерес представляет использовать современные достижения в областях роста новых кристаллов, в производстве волоконно-оптических световодов (ВС). Актуальность поиска новых методов управления лазерным излучением связана со стремительным прогрессом в создании новых промышленных типов лазеров - (полупроводниковых, волоконных), имеющих специфические характеристики. Например, в большинстве случаев, излучение наиболее мощных волоконных лазеров (с феноменально большим значением КПД - более 50 %) неполяризованное, либо случайно поляризовано и использование традиционных АО приборов неэффективно.
Цель работы.
Целью настоящей диссертационной работы явилось детальное изучение особенностей АО и МО взаимодействий, которые могли бы стать основой для создания новых устройств управления параметрами лазерного излучения.
Исходя из этого, формулируются следующие задачи:
- изучение акустических и АО особенностей монокрис галла парателлурита (ТеОг) - одного из самых перспективных АО материалов;
- разработка экспериментальных методик и изучение новых АО эффектов: дополнительного фазового сдвига нулевого порядка Брэгговской АО дифракции и АО невзаимности;
- изучение поляризационных особенностей Брэгговской АО дифракции в оптически анизотропной, гиротропной среде (кристалл Те02) и поиск методов создания АО приборов для управления мощным неполяризованным лазерным излучением;
- исследование гироанизотропного упругооптического эффекта в кристалле Те02, как в физическом, так и в прикладном аспектах;
- разработка принципов АО коммутаторов (переключателей) света, обеспечивающих переключение оптических каналов безпреобразования света в иные виды сигналов; —— - исследование физико-технологических аспектов, ограничивающих эффективность работы АО приборов и разработка методов, устраняющих эти ограничения;
- исследование закономерностей распределенного МО взаимодействия ВС и поиск условий высокочастотного взаимодействия, разработка новых устройств управления параметрами оптического излучения, датчиков магнитного поля, величины электрического тока.
Степень новизны работы.
1. Выявлены особенности распространения медленной сдвиговой волны в ТеОг: значительное уширение звуковой волны в объеме кристалла, перераспределение интенсивности звука вблизи грани кристалла, определен уровень генерации высших гармоник, измерен коэффициент поглощения и постоянная Верде.
2. Обнаружены и исследованы эффекты дополнительного фазового сдвига нулевого порядка АО дифракции и АО невзаимности.
3. Обнаружен гиранизотропный упругооптический эффект в одноосном гиротропном кристалле.
4. Найдены условия выполнения чисто Брэгговского АО взаимодействия на одной акустической волне для двух ортогонально поляризованных собственных мод кристалла.
5. Найдены условия пространственного и временного синхронизма между световыми волнами в ВС и магнитной компонентой высокочастотного и сверхвысокочастотного электромагнитного поля.
Новизна результатов работы подтвержается, в частности, тем, что при ее проведении получено 21 авторское свидетельство на экспериментальные методики и устройства.
Практическая значимость результатов исследований.
Во-первых, практическая значимость работы связана с тем, что в ней разработан ряд новых экспериментальных методик, позволивших обнаружить и исследовать новые физические явления: дополнительный сдвиг фазы нулевого порядка АО дифракции, АО невзаимность, гиранизотропный упругооптический эффект, высокочастотное МО взаимодействие в ВС.
Во-вторых, разработанные устройства стали основой для новых лазерных аппаратов и приборов.
Совместно с заводом «Арсенал» (г. Киев), в рамках нескольких НИР и ОКР были созданы:
- конструкция лазерного волоконно-оптического кольцевого интерферометра (гироскопа) на основе АО коммутатора 2x2;
- конструкция объемного лазерного гироскопа с АО ячейкой, выполняющей функцию сдвигателя частоты света.
Лазерное доплеровское измерение скорости потоков (газов, жидкости, плазмы) является очень удобными методом для изучения процессов, происходящих в них. Совместно с ЦАГИ (г. Жуковский) и СССР (г. Москва) были разработаны новые модели таких аппаратов на основе спектральных АО расщепителей света - сдвигателей частоты. В частности» эти аппараты отличает то, что в них используется две пары световых лучей двух длин волн. Это позволяет измерять одновременно две ортогональные координаты скорости потока.
НПЦ «Альфа» (г. Москва) разрабатывает и выпускает оборудование для непосредственного (без фотопроцесса) вывода изображения на различные материалы (технология Computero-Plate). Аппараты серии LaserGraver используют термическое воздействие мощного сфокусированного лазерного луча (лазеры с длиной волны 1,06 мкм, в частности, волоконные). Данные аппараты используются в полиграфической и электронной промышленности. Так, в России и странах СНГ более 80% всех полиграфических предприятий оснащены этими аппаратами, а на мировом рынке около 10 %.
Одними из базовых, функционально образующих оптическую схему этих аппаратов, являются АО устройства, разработанные в рамках данной работы (поляризационные расщепители света, поляризационно-нечувствительные модуляторы и дефлекторы). Эти АО приборы сертифицированы в Системе Госстандарта России как основные узлы данного оборудования.
АО модуляторы явились одним из основных оптических узлов в лазерном терапевтическом аппарате серии «Луч-1» (ТОО «РОСС», г. Фрязино).
Факты практического использования разработок подтверждены приложенными к диссертации документами.
Положения, выносимые на защиту.
1. Расходимость потока энергии медленной сдвиговой волны в объеме кристалла Те02 в плоскости (001) в 50 раз превышает дифракционную. В частотном диапазоне от 60 до 825 МГц коэффициент поглощения этой волны описывается законом: a = 0 Fn где: (Хо = 2,4 ± ОД дБ/см, n = 1,9 ± ОД, F - частота в сотнях мегагерц. Постоянная Верде Те02 составляет: 0Д21 мин/см Э и 0,037 мин/см Э для k=0,63 мкм и Х?1Д5 мкм, соответственно.
2. Экспериментальные методики исследования фазовых характеристик нулевого порядка Брэгтовской АО дифракции, обнаружение и исследование эффектов дополнительного фазового сдвига и АО невзаимности.
3. Гироанизотропный упругооптический эффект в протяженном одноосном гиротропном кристалле - вращение вектора поляризации линейно поляризованного света (на углы более 90°) без значительной эллиптичности при слабом механическом воздействии и его практическое использование.
4. При Брэгговской АО дифракции в оптически анизотропном кристалле плоскость поляризации света может изменяться на угол от 0° до 90°, что определяется взаимным расположением плоскости дифракции и главной плоскости кристалла.
5. Условия выполнения чисто Брэгговского АО взаимодействия на одной акустической волне для двух ортогонально поляризованных собственных мод кристалла, на которые расщепляется падающий световой луч произвольной поляризации. Практическая реализация в виде поляризационно-нечувствительных модуляторов и спектральных расщепителей.
6. АО коммутаторы света на основе двулучевой АО дифракции: одновременном выполнении Брэгговских условий для двух световых лучей на двух акустических волнах.
7. Комплекс методов повышения эффективности АО приборов на базе кристаллов ТеОг: новый материал акустического контакта, метод жидкостной акустической изоляции пьезопреобразователя, согласование «нулей» диаграммы направленности пьезопреобразователя и угловых направлений высших дифракционных порядков.
8. Условия пространственного и временного синхронизма между световыми волнами в волоконных световодах и магнитной компонентой высокочастотного и сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Экспериментальная разработка и практическая реализация.
Достоверность результатов исследований.
Достоверность результатов исследований связана с тем, что все обнаруженные явления и экспериментальные результаты сопоставлены с теоретическими данными и расчетами. Примененные экспериментальные методики являются обоснованными тем, что новые физические эффекты и подходы к созданию приборов и устройств нашли практическую реализацию. Также достоверность результатов подтверждают ссылки на работы автора в нескольких монографиях по данной тематике.
Вклад автора в проведенные исследования.
Личный вклад автора в данной работе заключается в выборе направлений исследований, в обнаружении новых эффектов, в формулировке решаемых задач, в поиске и разработке наиболее оптимальных экспериментальных методик. Все экспериментальные исследования проведены либо лично автором, либо под его непосредственным руководством. Не менее 90% всех новых идей и подходов к созданию экспериментальных методик и устройств (подтвержденных авторскими свидетельствами) принадлежат лично автору. В части работы, связанной с теоретическими обоснованиями и интерпретацией результатов исследований, работа проводилась в соавторстве с учеными -теоретиками.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты диссертации изложены в 78 публикациях, из которых 34 - статьи, 6 - препринты ИРЭ РАН, доклады на Всесоюзных и Международных конференциях, 21 - авторские свидетельства.
Список работ приводится в конце автореферата. Результаты докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:
ХП Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и квантовой акустике (Саратов, 1983), XI Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и квантовой акустике (Душанбе, 1981), IV Международная конференция «Acoustoelectronics» (Варна, Болгария, 1989), IV Всесоюзная школа-семинар молодых ученых и специалистов (Москва, 1986), П Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение лазеров в приборостроении» (Москва, 1979), Всесоюзный семинар «Лазерная доплеровская анемометрия» (Новосибирск, 1980), Международный семинар по физической акустике (Кортрик, Бельгия, 1990), школа-семинар по акустооптике (Ленинград, 1990), Республиканский научно-технический семинар «Оптические датчики физических величин» (Кишинев, 1990), научный семинар «Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения» (Каунас, 1990), Всесоюзная конференция по волоконно-оптическим датчикам и преобразователям (Севастополь, 1989, 1990), Международная конференция «Новые достижения лазерной медицины» (С. Петербург, 1993), П Международный симпозиум «Волоконные лазеры большой мощности и их применения» (С. Петербург, 2003).
Кроме того, работы, входящие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных семинарах ИРЭ РАН, в Университетах г. Кортрик (Бельгия), г. Тайней (Тайвань), в Киевском ГУ.
Разработанные устройства неоднократно являлись экспонатами различных международных выставок.
Структура и объем диссертации.
Всего диссертация содержит 479 страниц, из которых основной текст занимает 329 страниц, рисунки - 136 страниц, таблицы - 14 страниц; в коние диссертации приложены акты Внедрения и Передачи разработок, Сертификаты соответствия на АО приборы, проспекты на лазерное оборудование, в состав которых входят разработанные устройства.
Список литературы состоит из 277 наименований.
