WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА Физический факультет

На правах рукописи

УДК 535.241.13:534 Доброленский Юрий Сергеевич КОЛЛИНЕАРНАЯ ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ В ОПТИЧЕСКИ АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЕ Специальность: 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент В.Б.Волошинов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИРЭ РАН С.Н.Антонов кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ВНИИФТРИ В.М.Епихин

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие НИИ «Полюс»

Защита состоится 21 февраля 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.67 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория им. Р.В.Хохлова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.

М.В.Ломоносова

Автореферат разослан «» _ 2008 года Учёный секретарь диссертационного совета Д 501.001.67 А.Ф.Королёв 2

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования Взаимодействие световых и звуковых волн (акустооптический эффект) заключается в дифракции света на акустической волне. Это связано с тем, что акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызывает периодическое изменение показателя преломления этой среды, т. е. является дифракционной решёткой. Так как среда при этом не теряет своей прозрачности для света, такая решётка является фазовой. Первые теоретические и экспериментальные исследования акустооптической дифракции относятся к 20-м – 30-м годам XX века.

Однако по-настоящему интенсивное развитие акустооптики и её практического применения началось в 1960-е годы после создания лазеров и продолжается по сей день.

В настоящее время на основе акустооптического эффекта создано большое число различных по принципу действия и назначению практических устройств, позволяющих управлять интенсивностью оптического излучения (модуляторы), направлением его распространения (дефлекторы), а также анализировать его спектральный состав и выделять из входного сигнала узкую полосу частот (анализаторы спектра и фильтры). В последнее время всё большее распространение получают системы оптической обработки информации. В таких системах также используются акустооптические элементы, позволяющие, например, осуществлять пространственную фильтрацию оптических изображений в режиме реального времени, что является несомненным преимуществом.

Кроме того, акустооптические устройства применяются при решении других задач радиофизики: для анализа спектрального состава радиосигналов (также в режиме реального времени), визуализации акустических полей и пр. Наконец, дифракция света на ультразвуке используется для исследования свойств материалов: определения скорости и затухания акустической волны, изучения анизотропии кристаллов и т. д.

Подавляющее большинство акустооптических элементов (акустооптических ячеек) изготавливаются на основе кристаллов. При этом наиболее широкие возможности для разнообразных практических применений открываются при использовании кристаллов, обладающих выраженной анизотропией как оптических, так и упругих свойств. С другой стороны, акустооптическая дифракция в анизотропной среде сама по себе представляет гораздо больший фундаментальный интерес, чем изотропный случай, тем более что последний в основном уже хорошо изучен. Поэтому внимание исследователей в последнее время сосредоточено именно на анизотропных средах.

Одним из частных случаев акустооптического взаимодействия является коллинеарное взаимодействие, при котором волновые векторы всех взаимодействующих волн направлены вдоль одной прямой. Такая геометрия обладает определёнными преимуществами. В частности, за счёт увеличения длины взаимодействия света и ультразвука возрастает эффективность дифракции; кроме того, повышается селективность акустооптического взаимодействия, что приводит к сужению полосы частот взаимодействия. Поэтому коллинеарная геометрия чаще всего используется в акустооптических фильтрах.

Однако реализация коллинеарной акустооптической дифракции во многих случаях сопряжена с определенными проблемами. Две наиболее часто встречающиеся из них – это несовпадение направлений фазовой и групповой скорости волны (как оптической, так и акустической), распространяющейся в кристалле, и симметрия структуры кристалла, приводящая к отсутствию фотоупругого и, следовательно, акустооптического эффекта.

Преодолению этих трудностей уделяется в последнее время повышенное внимание.

Вместе с тем, коллинеарное взаимодействие как частный случай анизотропной дифракции представляет также и фундаментальный научный интерес. Поскольку в оптически анизотропной среде возможна как анизотропная, так и изотропная дифракция, выяснение физических механизмов, приводящих именно к анизотропной дифракции (в том числе коллинеарной) является важным для понимания физики акустооптического взаимодействия. Эти механизмы остаются до настоящего времени не до конца изученными.

Наконец, развитие акустооптической техники и, в частности, повышение разрешающей способности фильтров приводят к тому, что на работе акустооптических приборов начинают сказываться эффекты, которыми до настоящего времени обычно пренебрегали. К числу таких эффектов относится, например, эффект Доплера. Поскольку наибольшим разрешением обладают фильтры с коллинеарной (или квазиколлинеарной) геометрией взаимодействия, влияние эффекта Доплера скажется в первую очередь на работе именно таких устройств. Актуальность этой проблемы возрастает с повышением частот ультразвука, тенденция к которому также имеет место в современной акустооптике.

Решению вышеперечисленных задач, связанных с коллинеарным акустооптическим взаимодействием в оптически анизотропных средах, посвящена данная диссертационная работа.

Цели диссертационной работы Цели диссертационной работы состояли в исследовании различных аспектов коллинеарного акустооптического взаимодействия в оптически анизотропной среде как с точки зрения фундаментальной науки, так и в свете практических применений коллинеарной дифракции в акустооптических фильтрах. В работе были поставлены следующие задачи:

1. Теоретическое исследование коллинеарной анизотропной дифракции света на ультразвуке, в частности исследование среды акустооптического взаимодействия как слоистой оптически анизотропной среды с различной ориентацией соседних слоёв.

Оценка эффективности дифракции в рамках разработанной модели.

2. Экспериментальное обнаружение и исследование коллинеарной дифракции расходящегося светового пучка на ультразвуке в кристалле парателлурита вдоль направления, в котором взаимодействие плоских волн не имеет места.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование невзаимных свойств акустооптического взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции, в частности обусловленного эффектом Доплера различия акустических частот брэгговского синхронизма при распространении света в противоположных направлениях. Оценка влияния указанного эффекта на полосы пропускания коллинеарных акустооптических фильтров.

Научная новизна работы 1. Показано, что оптически анизотропная среда с распространяющейся в ней акустической волной подобна слоистой периодической среде с различной ориентацией соседних слоёв. В рамках разработанного метода дано объяснение независимости эффективности дифракции от величины двулучепреломления материла.

2. Впервые обнаружено и экспериментально исследовано явление коллинеарной дифракции расходящегося света на ультразвуке в кристалле парателлурита в направлении, запрещённом для акустооптического взаимодействия плоских волн.

Показано, что при использовании расходящегося света коллинеарная дифракция имеет место. Измерены эффективность и полоса частот дифракции.

3. Исследованы невзаимные свойства акустооптического взаимодействия в режиме коллинеарной дифракции, в частности несовпадение частот ультразвука, соответствующих условию синхронизма, при распространении света в противоположных направлениях. Получено аналитическое выражение и проведены расчёты разности этих частот в различных материалах. Невзаимный эффект зарегистрирован и исследован экспериментально в кристалле ниобата лития;

результаты эксперимента оказались в хорошем соответствии с теорией.

Практическая значимость работы Установлено, что величина двулучепреломления материала не влияет на эффективность дифракции. Это означает, что в акустооптике могут одинаково успешно применяться материалы как с большим, так и с малым двулучепреломлением.

Обнаруженное явление коллинеарной дифракции расходящегося светового пучка на ультразвуке в запрещённом направлении может быть использовано на практике. В частности, высокая эффективность дифракции и узкая полоса частот взаимодействия делают возможным создание коллинеарного фильтра на кристалле парателлурита с использованием расходящегося света. Кроме того, поперечная структура дифрагированного света позволяет осуществлять дифференцирование (оконтуривание) оптических изображений.

Показано, что при приближении акустических частот к сверхвысокочастотному диапазону доплеровские сдвиги частоты ультразвука становятся сравнимыми с шириной полосы пропускания коллинеарного фильтра. Это обстоятельство должно учитываться при проектировании акустооптических устройств, обладающих высоким разрешением и работающих на сверхвысоких акустических частотах. Такой учёт становится особенно важным для систем с многократным прохождением света через ультразвуковой столб или использующих отражение оптических и/или акустических пучков.

Теоретическая значимость работы Развита теория коллинеарного акустооптического взаимодействия, в частности, разработан новый подход к изучению коллинеарной анизотропной дифракции на основе оптики анизотропных сред. Показано, что коллинеарное взаимодействие оптической и акустической волн в акустооптической ячейке может рассматриваться как процесс распространения света через последовательность повёрнутых друг относительно друга двулучепреломляющих пластин. Результаты, полученные в рамках такого рассмотрения, хорошо согласуются качественно и количественно с данными, полученными обычными акустооптическими методами.

Обнаружение коллинеарной дифракции расходящегося света на ультразвуке в кристалле парателлурита, имеющей высокую эффективность, доказывает правильность теории акустооптического взаимодействия, в рамках которой было предсказано существование такой дифракции.

На примере коллинеарной дифракции исследованы особенности акустооптического взаимодействия на сверхвысоких акустических частотах, в частности несовпадение акустических частот брэгговского синхронизма при распространении света в противоположных направлениях (невзаимный эффект). Проанализированы различные случаи взаимной ориентации волновых векторов света и ультразвука при дифракции в +1й и -1-й порядки и найдены условия возникновения невзаимного эффекта. Получено аналитическое выражение для величины указанного эффекта, учитывающее также дисперсию показателя преломления среды взаимодействия. Полученные результаты показывают необходимость учёта этих факторов в теории акустооптического взаимодействия при больших значениях частоты ультразвука.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Оптически анизотропная среда с распространяющейся в ней акустической волной может рассматриваться как слоистая двулучепреломляющая среда с различной ориентацией соседних слоёв. В частности, использование поляризационного фильтра Шольца как модели коллинеарной акустооптической ячейки позволяет рассчитать эффективность дифракции и значение коэффициента акустооптической связи.

Эффективность коллинеарной дифракции не зависит от величины двулучепреломления материала.

2. Коллинеарная дифракция света на ультразвуке в направлениях кристаллов, являющихся запрещёнными для акустооптического взаимодействия плоских волн, имеет место при использовании расходящегося света. На основе обнаруженного эффекта может быть создан коллинеарный акустооптический фильтр, использующий расходящийся оптический пучок. Поперечная структура дифрагированного света в данном фильтре позволяет также осуществлять дифференцирование (оконтуривание) оптических изображений.

3. Изменение взаимной ориентации волновых векторов падающего света и ультразвука на противоположную приводит к изменению акустической частоты коллинеарной дифракции, соответствующей условию брэгговского синхронизма. На сверхвысоких частотах ультразвука сдвиг акустической частоты становится сравнимым с шириной полосы пропускания коллинеарного фильтра, что позволяет наблюдать указанный эффект экспериментально и требует его учёта при проектировании акустооптических устройств, работающих на сверхвысоких акустических частотах.

Апробация работы Результаты проведённых исследований были представлены на международных конференциях: 10-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003» (Россия, Москва, 2003 г.); 8-я международная конференция «Системный анализ и управление» (Украина, Евпатория, 2003 г.); 6th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems” (Россия, С.-Петербург, 2003 г.); 9th School on Acousto-optics and Applications (Польша, Гданьск, 2004 г.);

International Congress on Optics and Optoelectronics (COO-2005, Польша, Варшава, 2005 г.);

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»