WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL–2005, Украина, Ялта, 2005 г.); 35th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Польша, Устронь, 2006 г.); 9th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, Non-Destructive Testing, Security and Medicine” (Россия, С.-Петербург, 2006 г.); 7th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» (SPO-2006, Украина, Киев, 2006 г.); 10th International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems” (Россия, С.-Петербург, 2007 г.). Результаты исследований также обсуждались на научных семинарах лаборатории акустооптики и кафедры физики колебаний физического факультета МГУ. По материалам диссертации опубликованы работы, приведённые ниже.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём работы составляет 137 страниц. Диссертация включает 37 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 142 наименования, в том числе 17 авторских публикаций.

Содержание работы Во введении содержится обоснование актуальности темы исследований, излагаются цели диссертационной работы, приводится краткое содержание работы, отмечается научная новизна и практическая значимость проведённых исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации результатов работы.

Первая глава диссертации содержит необходимые для последующего изложения сведения из теории акустооптического взаимодействия в анизотропных средах вообще и коллинеарного взаимодействия в частности. Показано, что коллинеарное акустооптическое взаимодействие на низкой акустической частоте может иметь место только в анизотропной среде. Приведены основные параметры коллинеарной дифракции и характеристики коллинеарных акустооптических фильтров. Показаны преимущества коллинеарной геометрии дифракции для фильтрации оптических сигналов, а также фундаментальные проблемы, возникающие при реализации этого типа акустооптического взаимодействия.

Глава включает также обзор важнейших работ, посвящённых коллинеарным акустооптическим фильтрам, начиная с 1960-х годов и до настоящего времени.

Приведены общие схемы и параметры основных фильтров, созданных в нашей стране и за рубежом. Описаны работы по использованию коллинеарных акустооптических ячеек в лазерных резонаторах для сужения линии генерации. Показано также, что использование сноса энергии в кристаллах позволяет существенно расширить круг изучаемых явлений и используемых материалов; приведены схемы соответствующих устройств. В связи с тем, что во многих кристаллах (например в парателлурите) чисто коллинеарное взаимодействие невозможно в силу симметрии кристаллической решётки материала, рассмотрены также способы реализации взаимодействия, имеющего близкую к коллинеарной геометрию: квазиколлинеарное взаимодействие и взаимодействие расходящихся пучков. Дан краткий обзор квазиколлинеарных фильтров на парателлурите.

Во второй главе диссертации проводится теоретическое исследование коллинеарного акустооптического взаимодействия в оптически анизотропной среде. Показывается, что процессы, происходящие в коллинеарной акустооптической ячейке, по своей физической сути близки к процессам и явлениям, наблюдаемым в системе последовательно расположенных фазовых пластинок с повернутыми друг относительно друга осями. В самом деле, распространяющаяся в кристалле акустическая волна вызывает изменение оптической индикатрисы последнего, конкретно – поворот и деформацию эллипсоида показателей преломления. Так как причиной анизотропной дифракции света на ультразвуке является поворот осей индикатрисы, в данной главе исследуется именно этот аспект воздействия акустического возмущения на анизотропную среду. Поскольку распространение акустической (ультразвуковой) волны является периодическим Рис.1. Распространение света через систему повёрнутых друг относительно друга двулучепреломляющих пластин процессом, то можно утверждать, что эллипсоид поворачивается в разные стороны в соответствии с фазой волны, т. е. совершает колебания. Тогда акустическое поле в кристалле можно представить как набор тонких слоёв, в каждом из которых оси индикатрисы повёрнуты относительно соответствующих осей в соседних слоях. При коллинеарном взаимодействии падающий свет проходит все эти слои последовательно.

Это и означает, что процесс распространения света в акустическом поле подобен процессу распространения света через систему повёрнутых друг относительно друга двулучепреломляющих пластин (рис. 1).

Такая система известна в оптике как поляризационный фильтр Шольца. Очевидно, что если на её входе имеется линейно поляризованная световая волна, то волна на выходе будет содержать как составляющую с исходной поляризацией, так и составляющую с поляризацией, ортогональной исходной. Поскольку при анизотропной акустооптической дифракции плоскости поляризации падающего и дифрагированного света взаимно ортогональны, то первую волну можно считать прошедшей, а вторую – дифрагированной волной.

Полученные в рамках этой модели аналитические выражения для эффективности дифракции и параметра акустооптической связи согласуются с выражениями, полученными ранее в рамках «традиционного» для акустооптики рассмотрения. Это говорит об адекватности такого подхода при исследовании процессов акустооптического взаимодействия. Для большого числа слоёв расчёты эффективности дифракции проводились при помощи исчисления Джонса – матричного метода, позволяющего рассчитывать прохождение света через оптические системы из большого числа элементов.

Результаты расчётов, проведённых для нескольких наиболее распространённых в акустооптике материалов, также оказались в хорошем согласии с известными данными.

Таким образом, смысл проведённого исследования состоит в доказательстве того, что процесс акустооптической дифракции может быть объяснён в рамках общих соображений, известных из оптики анизотропных сред. Количественное совпадение полученных результатов с известными ранее показывает, что фильтр Шольца является хорошей моделью коллинеарной акустооптической ячейки.

Расчёты показывают, что угол поворота осей оптической индикатрисы очень мал практически во всех анизотропных средах (порядка 10-4 – 10-5 радиан). Более того, его значение падает с увеличением двулучепреломления. Тем не менее эффективность дифракции на выходе всей ячейки не зависит от величины этого угла, т. е. не зависит от двулучепреломления материала. Это объясняется тем, что влияние двулучепреломления на величину угла поворота осей компенсируется влиянием на величину фазовой задержки между прошедшей и дифрагированной волнами. Полученный результат объясняет тот факт, что в акустооптике одинаково успешно применяются материалы как с большим, так и с малым двулучепреломлением.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному изучению коллинеарной дифракции расходящегося светового пучка на ультразвуке в кристалле парателлурита в направлении, в котором взаимодействие плоских волн не имеет места. Причина этого заключается в том, что во всех кристаллах существуют направления, вдоль которых плоская акустическая волна не меняет показатель преломления среды для плоской световой волны, распространяющейся в этом же направлении. Отсутствие фотоупругого эффекта означает равенство нулю соответствующей фотоупругой константы, а значит, и акустооптического качества. Такие направления в кристаллах называются запрещёнными для соответствующего типа акустооптического взаимодействия. С другой стороны, реальные волны, как акустические, так и оптические, не являются плоскими, а представляют собой пучки конечных поперечных размеров. Проведённые ранее теоретические исследования показали, что взаимодействие между расходящимися пучками может происходить даже в случае, если их осевые компоненты ориентированы вдоль запрещённого направления. В настоящей работе это явление впервые обнаружено и исследовано экспериментально на примере направления [110] кристалла TeO2.

Эксперимент показал, что эффект действительно имеет место при использовании расходящегося света. Экспериментальная зависимость эффективности коллинеарной дифракции от угла расходимости света в воздухе показана на рис. 2, а (расходимость звука пренебрежимо мала). Видно, что при освещении ячейки коллимированным пучком дифракция практически отсутствует. По мере увеличения расходимости света эффективность возрастает и при расходимости ~ 4° в воздухе достигает 80 %, т. е.

дифракция не только существует, но и с весьма большой эффективностью. Акустическая мощность при этом достигала величины P 2,4 Вт, а длина кристалла составляла L = 2,7 см, однако вследствие большого затухания ультразвука (см. ниже) эффективная длина взаимодействия была меньше.

Измеренная зависимость эффективности дифракции от частоты ультразвука показывает, что ширина акустического частотного диапазона по уровню 0,5 от максимальной эффективности при расходимости 4° в воздухе составляет 50 кГц. Так как акустическая частота синхронизма равна F = 149,2 МГц (при длине волны света = 632,нм), разрешение устройства оказывается равным R 3000. Поскольку это значение одинаково по свету и по звуку, для полосы пропускания по длинам волн света при = 632,8 нм получается значение = 2,1. Полученные результаты говорят о возможности создания коллинеарного фильтра на парателлурите, использующего расходящийся свет.

В ходе экспериментов было установлено, что дифракционная картина имеет сложный крестообразный вид с тёмным провалом в центре, что соответствовало расчётам (расчётная дифракционная картина изображена на рис.2, б). Провал в центре соответствовал осевой компоненте пучка, идущей строго вдоль запрещённого направления. Картина была устойчива по отношению к поворотам ячейки в пределах нескольких градусов. Таким образом, к достоинствам предполагаемого фильтра добавляется широкая угловая апертура, а отсутствие дифракции в центре даёт возможность дифференцирования (оконтуривания) входных оптических изображений.

В третьей главе исследуется также влияние различных факторов, в частности затухания ультразвука, на эффективность коллинеарной дифракции и полосу пропускания фильтра. На примере направления [110] парателлурита проведены соответствующие 0,0,0,0,Расходимость, град а б Рис. 2. Дифракция в запрещённом направлении в кристалле парателлурита:

зависимость эффективности от расходимости света (а) и дифракционная картина (б) расчёты. Показано, что затухание акустической волны приводит к уменьшению эффективности дифракции и уширению полосы. Эти эффекты могут быть компенсированы увеличением акустической мощности. Величина затухания ультразвука = (3,8 ± 0,8) дБ/см для медленной акустической моды в направлении [110] кристалла ТеО2 определена экспериментально. Показано, что полоса пропускания фильтра увеличивается также при увеличении расходимости света, что наблюдалось и в эксперименте.

Четвёртая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию невзаимных свойств акустооптического взаимодействия на примере коллинеарной дифракции.

По мере развития акустооптики происходит освоение всё более высоких частот ультразвука, и в настоящее время созданы акустооптические устройства, оперирующие частотами вплоть до нескольких гигагерц. На таких высоких частотах становятся заметными эффекты, которыми до настоящего времени обычно пренебрегали. К их числу относится невзаимность акустооптического взаимодействия, которая заключается в различии условий брэгговского синхронизма при распространении света в противоположных направлениях. В самом деле, если при брэгговском акустооптическом взаимодействии имеет место дифракция в +1-й порядок, то вследствие эффекта Доплера частота дифрагированного света выше частоты падающего. Если же изменить направление распространения света на противоположное (при неизменном направлении распространения ультразвука), то будет происходить дифракция в -1-й порядок. При этом дифр пад I / I частота дифрагированного света оказывается ниже частоты падающего. Из векторных диаграмм следует, что несовпадение частот дифрагированного света в указанных двух случаях приводит к несовпадению акустических частот, соответствующих условию брэгговского синхронизма. Этот вопрос и исследуется подробно в данной главе.

Очевидно, что невзаимный эффект можно также получить, изменяя направление распространения ультразвука при неизменном направлении распространения света.

В настоящей работе показано, что необходимым и достаточным условием проявления невзаимного эффекта является именно изменение на противоположную взаимной ориентации волновых векторов падающего света и ультразвука, а не смена знака дифракционного порядка (он может быть изменён также поворотом плоскости поляризации падающего света). Получено аналитическое выражение для разности частот ультразвука, показывающее зависимость величины «невзаимного сдвига» от оптических и акустических характеристик материала. Поскольку акустооптическое взаимодействие существует не на строго определённой частоте, а в некоторой полосе частот, то значение имеет не сдвиг резонансной частоты ультразвука сам по себе, а его отношение к полосе частот взаимодействия, показывающее, насколько смещается эта полоса:

F 2,5nd nVL i dnd = (1) 1- F ic nd d Здесь F – разность частот ультразвука, соответствующих условию синхронизма (при неизменной длине волны падающего света i), F – полоса частот коллинеарного взаимодействия (полоса пропускания коллинеарного фильтра по ультразвуку), nd и n – показатель преломления среды для дифрагированного света и её двулучепреломление, V и с – скорости звука и света соответственно, L – длина взаимодействия. Величина dnd/d характеризует дисперсию показателя преломления. Так как в случае нормальной дисперсии dn/d < 0, в таких средах (к которым относятся и акустооптические кристаллы) дисперсия показателя преломления усиливает невзаимный эффект. Из (1) также видно, что эффект проявляется сильнее на более коротких длинах волн света. Проведены расчёты невзаимного эффекта для различных материалов, их которых следует, что на частотах ультразвука выше 1 ГГц отношение F/F становится порядка единицы.

Pages:     | 1 || 3 |






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