WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

На сегодняшний день не существует акустооптических устройств, эффективно работающих с электромагнитным излучением на длинах волн 5 – 20 мкм. Проведенные исследования доказывают, что такие устройства могут быть созданы на основе монокристалла теллура. Благодаря рекордному значению коэффициента акустооптического качества кристалла величина мощности управляющего сигнала может быть снижена в десятки раз по сравнению с существующими устройствами на основе других материалов. В связи с тем, что кристаллический теллур обладает ярко выраженной анизотропией оптических свойств, доказана возможность создания на основе этого материала не только модуляторов, но также дефлекторов и фильтров.

Предложенные в работе методы улучшения характеристик акустооптических устройств являются весьма простыми и в значительной степени эффективными. Более того, они могут быть применены в комбинации с другими известными способами повышения характеристик акустооптических устройств.

Положения, выносимые на защиту:

1. В плоскостях XZ и YZ монокристалла теллура существуют геометрии анизотропного акустооптического взаимодействия, перспективные для применений в модуляторах, дефлекторах и фильтрах, работающих с излучением среднего и дальнего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. При этом коэффициент акустооптического качества в теллуре достигает рекордной величины M2 = 160·10 -15 с3/ г, что на порядок превосходит акустооптическое качество всех известных акустооптических материалов.

2. Геометрия широкоапертурного акустооптического взаимодействия в теллуре, перспективная для применений в фильтрах для анализа изображений на длинах волн 8 – 12 мкм характеризуется спектральной полосой пропускания 1200 и допустимой угловой апертурой 24°. Коэффициент акустооптического качества кристалла для данной геометрии взаимодействия равен M2 = 10·10 -15 с3/ г.

3. Многократное прохождение света через акустический столб акустооптического фильтра обеспечивает улучшение спектрального разрешения или эффективности дифракции. Применение двукратного взаимодействия приводит к увеличению коэффициента подавления сигнала в заграждающем фильтре в 2 раза или к повышению разрешения полосового фильтра в 1,4 раза. В режиме трехкратного взаимодействия достижимо сужение полосы пропускания устройства фильтрации в раза.

Апробация диссертационной работы:

Результаты научной работы представлены на научных конференциях в России и за рубежом: 9-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002» (Россия, Москва, 2002 г); 16-th International Symposium on Nonlinear Acoustics (Россия, Москва 2002 г); 6th, 7th, 8th, 9th, 10th International Conferences for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems” (Россия, Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2006, гг.); 35th Winter School on Wave and Quantum Acoustics (Польша, Устронь, 2006); “10-th School on Acousto-optics and Applications” (Польша, Сопоть, 2008)ХI-Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах», часть 4, «Когерентная и нелинейная оптика. Фотоника» (Россия, Звенигород, 2008 г) По материалам диссертации опубликованы работы, приведённые ниже.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырех глав текста, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 140 страниц. Диссертация включает рисунков и 5 таблиц. Библиография содержит 128 наименований, в том числе авторских публикации.

Содержание работы Во введении содержится обоснование актуальности проведенных исследований, излагаются цели диссертационной работы и ее наиболее важные результаты. Здесь также кратко изложено содержание диссертации, отмечается научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации результатов работы.

В первой главе содержатся необходимые для последующего изложения сведения из теории акустооптического взаимодействия в изотропных и анизотропных средах.

Обсуждаются основные особенности акустооптических приборов, предназначенных для работы с инфракрасным излучением. Проводится сравнение параметров акустооптических приборов, использующих изотропную и анизотропную геометрию акустооптического взаимодействия. Доказывается необходимость использования анизотропных материалов для создания приборов, работающих со средним и дальним инфракрасным излучением.

Также в первой главе представлен обзор существующих на сегодняшний день акустооптических устройств инфракрасного диапазона. Подробно рассматриваются публикации, посвященные разработке акустооптических устройств на основе кристаллов каломели и TAS. Утверждается, что на сегодняшний день список акустооптических кристаллов, пригодных для использования в дальнем инфракрасном диапазоне, ограничен кристаллами германия, ортоселеноарсенита таллия TAS (Tl3AsSe3), каломели (Hg2Cl2), бромида ртути (Hg2Br2) и теллура (Te) Обосновывается необходимость исследования акустооптических свойств монокристаллов теллура.

Вторая глава посвящена изучению физических свойств кристаллического теллура.

Приводятся данные о структуре кристалла и его физических свойствах. Кристаллический теллур является полупроводником. Он обладает необычайно высокой оптической анизотропией и заметным пьезоэлектрическим эффектом. Показатели преломления света достигают весьма высоких значений: no = 4,8 для обыкновенной волны и ne = 6,2 для необыкновенной волны. Данные значения показателей преломления не значительно изменяются в диапазоне прозрачности материала за счет дисперсии. Однако большинство характеристик данного материала, таких как скорость ультразвука, коэффициенты затухания акустической волны, коэффициенты поглощения и отражения света, существенно меняется в зависимости от концентрации неосновных носителей зарядов, дефектов кристаллической решетки, метода обработки кристаллов, температуры и других факторов.

В главе приведены результаты расчетов зависимостей фазовых скоростей ультразвука от направления волнового вектора ультразвука относительно осей X, Y и Z кристалла. Представлены сечения поверхностей акустических медленностей плоскостями XY, XZ, а также YZ. Наибольшим значением скорости v = 3,87 км/с обладает квазипродольная акустическая волна, распространяющаяся в плоскости YZ под углом a = 138° к оси Z. Наименьшее значение скорости v = 1,05 км/с достигается при использовании чистой сдвиговой волны, распространяющейся также в плоскости YZ кристалла под углом a = 117° к оси Z. Так как данная волна является чистой сдвиговой модой для любого угла распространения в плоскости YZ, при создании акустооптических приборов она представляет наибольший интерес.

Во второй главе представлены результаты расчётов углов сноса акустической энергии и определены векторы смещения частиц среды в акустической волне для каждого направления волнового вектора. Приведены данные экспериментов по измерению скоростей ультразвука в кристалле теллура, причем измеренные величины скоростей весьма хорошо совпадают с рассчитанными значениями.

Рис. 1. Измеренная зависимость коэффициента поглощения энергии оптического излучения в кристалле теллура от длины волны (1 - необыкновенная волна 2 - обыкновенная) Также во второй главе представлен обзор работ, посвященных исследованию оптических характеристик кристаллического теллура. Отмечается, что благодаря сильно выраженному двулучепреломлению данного кристалла, угол сноса энергии оптической волны достигает значения o = 15°. Собраны результаты измерения коэффициента поглощения в нескольких образцах теллура. Диапазон прозрачности теллура оказывается относительно узким = 3,5 - 24 мкм. Установлено, что в спектре поглощения необыкновенно поляризованного излучения наблюдается полоса, соответствующая длинам волн 8 - 14 мкм, которая отсутствует для обыкновенной волны (рис. 1). Данная закономерность объясняется полупроводниковой природой теллура, а также особенностью строения кристаллической решётки материала.

Помимо этого в главе представлены результаты измерений поглощения оптического излучения от температуры кристалла, а также от направления распространения оптического луча в теллуре. Проводится сравнение полученных результатов с данными, известными из литературы. Установлено, что нанесение просветляющих покрытий приводит к существенному улучшению пропускания кристаллов теллура.

Третья глава диссертации посвящена исследованию широкоугольного акустооптического взаимодействия в монокристалле теллура. В первом параграфе даны результаты расчетов коэффициента акустооптического качества материала для различных геометрий акустооптического взаимодействия. Установлено, что плоскость YZ теллура наиболее удобна для создания приборов не только из-за акустических особенностей кристалла, но и благодаря тому, что в данной плоскости достигается наибольшее значение коэффициента акустооптического качества M2 =160·10 -15 с3/г. Максимальное значение коэффициента M2, достижимое при широкоугольной дифракции, оказывается несколько меньше: 120·10 -15 с3/г. Обнаружено, что коэффициент акустооптического качества возрастает при удалении волнового вектора света от оптической оси. В связи с тем, что коэффициент поглощения необыкновенной волны также возрастает при удалении волнового вектора от оси Z кристалла, необходимо найти геометрию акустооптического взаимодействия, оптимальную не только с точки зрения эффективности дифракции, но и обеспечивающую достаточно низкие потери энергии оптического излучения. В таблице приведены рассчитанные параметры широкоугольной геометрии в теллуре для различных направлений распространения ультразвука в плоскости YZ кристалла для длины волны света = 10,6 мкм.

В данной главе обсуждается вопрос о выборе оптимальной геометрии широкоапертурного фильтра на основе кристалла теллура. Описывается методика измерения коэффициента акустооптического качества и коэффициентов фотоупругости.

Представлены результаты измерений этих коэффициентов для случая изотропной геометрии акустооптического взаимодействия.

Поляр- Акусти- Фазовая Поляр- Угол Угол Коэффици- Частота ный угол ческий скорость ный Брэгга диф- ент АО ультразвука угол звука угол ракции качества звука сноса света a V, км/с o B d M2 10-15с3/г f, МГц 107° 37° 1.13 60,7° 43,7° 29,9° 130 105° 40° 1,16 50,1° 35,1° 21,0° 95 103° 43° 1,19 43° 30° 16,1° 70 100° 45° 1,26 33,9° 22,9° 11,2° 45 98° 46° 1,30 26,4° 18,4° 8,6° 28 95° 46° 1,37 16,6° 11,6° 5,1° 10 93° 46° 1,42 10,0° 7,0° 3,0° 3 80° 41° 1,77 -33,9° -22,9° -11,2° 11 Таблица 1. Акустические, оптические и акустооптические параметры широкоапертурной геометрии взаимодействия в плоскости YZ теллура Приведены результаты исследования широкоапертурного фильтра на кристалле теллура. Для исследования была выбрана геометрия акустооптического взаимодействия соответствующая направлению распространения ультразвука a = 80° (см. таблицу 1).

Полученные на практике результаты в целом совпадали с рассчитанными параметрами, однако наблюдалось небольшое различие. Частота ультразвука и коэффициент акустооптического качества оказались несколько выше, чем ожидалось: f = 181 МГц, M2 = 13·10 -15 с3/г. На рисунке 2а представлена измеренная зависимость угла Брэгга от частоты ультразвука. Из-за большого поглощения необыкновенной волны в кристалле на практике удалось осуществить лишь режим заграждающей фильтрации, т.е. режим в котором из общего спектра светового пучка, прошедшего через фильтр, удаляется излучение с заданной длиной волны. Поэтому на рисунке 2 приведена только одна углочастотная зависимость, соответствующая обыкновенной поляризации света. На рисунке 2б представлена передаточная характеристика акустооптической ячейки. Как следует из рисунков 2а и 2б, угловая апертура прибора достигала значения 24°. К сожалению, на практике не удалось достичь высокой эффективностью дифракции = 1%, данное значение было получено при мощности ультразвука P = 2 мВт, размеры пьезопреобразователя ячейки при этом были 4,01,5 мм. Причина низкой эффективности дифракции заключается в несовершенстве метода возбуждения ультразвука в исследованной ячейке.

Очевидно, что максимальная эффективность дифракции в теллуре при данной геометрии акустооптического взаимодействия может быть достигнута при мощности ультразвука около 0,5 Вт в том случае, если пьезопреобразователь имеет длину 4,0 мм, а его ширина равна 1,5 мм. Таким образом, в третьей главе доказано, что теллур является перспективным материалом для создания акустооптических фильтров инфракрасного излучения с длинами волн более 5 мкм.

а б Рис. 2. Характеристики широкоапертурного акустооптического фильтра на кристалле теллура (а – углочастотная характеристика, б – передаточная характеристика).

В четвертой главе исследован акустооптический модулятор интенсивности инфракрасного излучения на основе кристалла теллура. В данном модуляторе реализовывалась изотропная геометрия акустооптического взаимодействия, обеспечивающая величину коэффициента M2 = 16·10 -15 с3/г. Благодаря высокому значению коэффициента акустооптического качества при мощности ультразвука 1Вт удалось достичь эффективности дифракции = 80% на длине волны света = 10,6 мкм при размерах пьезопреобразователя 2,0 8,0 мм.

Следует отметить, что на оптические грани исследованной ячейки было нанесено просветляющее покрытие, и коэффициент отражения света от граней кристалла был достаточно мал. Поэтому на практике удалось реализовать геометрию двухпроходной заграждающей фильтрации. На рисунке 3 показана схема двухпроходного заграждающего фильтра.

В заграждающем фильтре используется излучение нулевого порядка дифракции, интенсивность которого существенно уменьшается при выполнении условия брэгговского синхронизма. Очевидно, что если с помощью зеркала луч нулевого дифракционного порядка направить в ячейку повторно, можно добиться большего коэффициента подавления.

Зеркало Полупрозрачное зеркало Рис. 3. Схема двухпроходного заграждающего фильтра На рисунке 4 показана измеренная зависимость коэффициента подавления сигнала от мощности акустической волны. Как можно видеть из данного рисунка, коэффициент подавления повышается приблизительно в два раза при использовании двукратного прохождения света через звуковой столб. Зависимость коэффициента подавления сигнала двухпроходным фильтром, схема которого показана на рисунке 3, определяется формулой:

Pages:     | 1 || 3 |






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