Механизмы многоволновых взаимодействий в ограниченных средах при световом и магнитном воздействиях

2
Содержание
Обозначения и сокращения..................................................6
Введение.................................................................9
1. Взаимодействия оптических, магнитных и акустических волн (Обзор) 18
1.1. Нелинейные среды для электромагнитного излучения.................22
1.1.1. Обращение волнового фронта...................................23
1.1.2. Тепловая нелинейность........................................27
1.1.3. Многоволновое взаимодействие в поглощающих средах............29
1.2. Нелинейности магнитных сред......................................35
1.2.1 Ферромагнетики................................................35
1.2.2. Ортоферриты..................................................39
1.2.3. Магнитодинамика ортоферритов.................................47
1.2.4. Магнитоакустическое взаимодействие...........................52
1.2.5. Многоволновые взаимодействия в ортоферритах..................59
1.3. Другие виды нелинейностей........................................62
2. Тепловые и акустические эффекты при многоволновом взаимодействии электромагнитного излучения в поглощающих средах.........................66
2.1. Тепловые эффекты, влияющие на эффективность четырехволнового взаимодействия и пространственную структуру отраженной волны.......67
2.1.1. Крупномасштабная модуляция фазы..............................69
2.1.2. Тепловое расширение среды....................................73
2.1.3. Влияние теплопередачи на четырехволновое взаимодействие 77
2.2. Эффективность четырехволнового взаимодействия в импульсном режиме.............................................................78
2.2.1. Схема четырехволнового взаимодействия с независимыми накачками......................................................78
2.2.2. Шестиволновое взаимодействие.................................80
2.2.3. Четырехволновос взаимодействие с преобразованием параметров импульсов......................................................85
2.3. Эффективность четырехволнового взаимодействия в непрерывном режиме...............................................................86
2.4. Особенности тепловой нелинейности в газах..........................94
2.5. Итоги главы........................................................96
3. Экспериментальное исследование многоволнового взаимодействия лазерного излучения на термоиндуцированном механизме нелинейности..........97
3.1. Методика эксперимента..............................................97
3.2. Четырехволновое взаимодействие излучения среднего ИК диапазона... 99
3.2.1. Четырехволновое взаимодействие в квазистационарном режиме .. 100
3.2.2. Четырехволновое взаимодействие в непрерывном режиме..........104
3.2.3. Четырехволновое взаимодействие импульсного излучения С02-лазера при фазовом переходе...................................108
3.3. Четырехволновое взаимодействие с преобразованием параметров импульсов излучения.................................................111
3.3.1. Большие коэффициенты отражения [46]..........................111
3.3.2. ЧВ многочастотного излучения.................................114
3.3.3. Визуализация излучения С02-лазера [47].......................118
3.4. Тепловая нелинейность сжатых газов................................129
3.4.1. ЧВ в сжатых газах............................................130
3.4.2. Вынужденное температурное рассеяние излучения С02-лазсра 134
3.5. Итоги главы.......................................................138
. 4. Магнитоакустические волны в пластинах ортоферритов...................140
4.1. Объемные магнитоакустические волны................................141
4.2. Анализ возможных типов пластинчатых волн..........................146
4.3. Сдвиговые МА волны......................................'.........150
4.3.1. Нормальные волны.............................................154
4.3.2. Влияние поверхности на спектр нормальных волн................163
4.3.3. Возбуждение гиперзвуковых колебаний движущимся источником....................................................166
4.4. Волны Рэлея-Лэмба.................................................169
4
4.4.1. Возбуждение волн Лэмба деформациями поверхности..............173
4.4.2. Возбуждение волн Лэмба объемным звуком.......................178
4.4.3. Возможность торможения доменных границ на дозвуковых скоростях......................................................183
4.5. Итоги главы......................................................184
5. Экспериментальное исследование многоволновых магнитоакустических взаимодействий в пластине ортоферрита иттрия.............................185
5.1. Методика эксперимента............................................185
5.1.1. Метод темного поля...........................................188
5.1.2. Интерферометрический метод...................................190
5.1.3. Магнитооптический метод......................................192
5.2. Изгиб! 1ые магнитоакустические волны.............................195
5.2.1. Возбуждение магнитоакустических волн.........................195
5.2.2. Абсолютные измерения амплитуды изгибиых волн.................198
5.2.3. Обсуждение...................................................205
5.3. Дозвуковая динамика доменных границ..............................206
5.4. Мпоговолновое взаимодействие.....................................213
5.4.1. Взаимодействие волн Рэлея-Лэмба..............................213
5.4.2. Взаимодействие доменной границы с многоволновыми возбуждениями..................................................218
5.4.3. Обсуждение результатов.......................................223
5.5. Итоги главы......................................................225
6. Практическое применение нелинейных многоволновых взаимодействий... 227
6.1. Применение ОВФ...................................................227
6.1.1. Схемы с пересекающимися пучками..............................227
6.1.1. Схемы с преобразованием частоты..............................228
6.2. Лазерные технологии..............................................230
6.2.1. Лазерная резка композиционных материалов.....................230
6.2.2. Оптический контроль теплофизических свойств обрабатываемых материалов.....................................................235
6.3. Горная промышленность..........................................236
6.3.1. Лазерное инициирование энергонасыщенных составов...........236
6.3.2. Прецизионная пространственно-временная система лазерного инициирования зарядов для взрывных работ в горном деле [63, 76].237
6.4. Магнитооптический модулятор....................................241
Заключение............................................................245
Список использованных источников......................................247
6
Обозначения и сокращения
Основные обозначения
Полужирный символ означает вектор;
Векторное произведение обозначается символом "х" (М, х М2)
А - лапласиан;
б(лг) - дельта - функция Дирака;
б/7 — небольшое отклонение значения функции В от среднего значения;
/ - мнимая единица;
а, Ь, с - кристаллографические оси;
х, у, х (х,у, г) - оси координат (координаты);
О, ф - полярный и азимутальный углы в сферических координатах;
0, \р, р, 6 - угловые переменные векторов 1, ш;
/,у, к, I - индексы, пробегающие значения х,у, г или обобщенных координат;
<7, я - целые индексы, номера;
А, а0,| - постоянные неоднородного и однородного обмена;
Л„, ф„- векторный и скалярный потенциалы;
а,Ь- масштабные коэффициенты вейвлет- преобразования;
ат Ьт - амплитуды МЛ волн пластины;
Ьп - константы анизотропии;
В - упругая констан та пластины;
С - удельная теплоемкость;
Ст - амплитуды гармоник;
с(а, Ь) - вейвлет- коэффициенты;
с - предельная скорость ДГ; с0 - скорость света;
сI- константа Дзялошинского;
Д (Д»,з) - размеры доменных границ (аЬ и ас типов), Ц> — в состоянии покоя; Е, Е - вектор напряженности электрического поля и его модуль;
Г- вектор плотности силы;
/7- фокусное расстояние линзы;
/рлм “ круговая частота, Гц;
ОхВ~ - спиновая конфигурация;
G,g- константы тепловой нелинейности;
H, Я - внешнее магнитное поле;
И - толщина пластины;
I- интенсивность излучения;
А- ток фотодиода;
.]п(х) - функция Бесселя 1-ого рода;
/С, - константы анизотропии;
к, к , к{, к/- модуль волнового вектора и его проекции;
1, /» 1У, 1= - вектор антиферромагнетизма и его проекции;
/|, /2 -линейные размеры;
/0 - толщина нелинейной среды;
7
Mm M - намагниченности подрешеток, ш, mj- вектор намагниченности и его проекции; п - показатель преломления; п - единичный вектор нормали к поверхности;
Р - мощность излучения; р - давление;
pi, р, - напряжения в безразмерных единицах, вызываемые ДГ в упругой подсистеме;
О-скорость потери энергии ДГ на единицу ее площади; qn- "параметр закрепления" спинов
R, Rw - коэффициенты отражения по интенсивности и плотности энергии; г - радиус-вектор; г0 - радиус гауссового пучка; гт - размер температурной неоднородности;
s - скорость звука, sh s, - продольная и поперечная скорости звука;
Т - температура; TN, TSR- температуры Нееля, ОФП;
Тк, 7о, Тт - температура среды к концу импульса, средняя, предельно допустимая;
t - время; tu - длительность импульса;
U - деформация поверхности пластины; и, и,- — вектор деформации и его проекции; мд— компоненты тензора деформации;
V- скорость;
v - фазовая скорость распространяющихся волн, скорость ДГ; vcp - групповая скорость распространяющихся волн; v4. - характерная скорость конвективных потоков;
- скорость волн Рэлея;
W- плотность энергии на единицу площади;
(JT) - энергия импульса лазерного излучения;
Wy- плотность энергии на единицу объема (энерговклад); а - коэффициент поглощения излучения; аА/ - безразмерная константа затухания в магнетиках; рт-- коэффициент теплового расширения;
Г„ Г,у - магнитная фаза, спин-волновое представление; у - гиромагнитное отношение;
ôÿvy » 81-9“ тензор магнитоупругих модулей, магнитоупругие константы; г) - дифракционная эффективность голограммы;
Л/а/ш - тензор вязкости;
0О, (0q ) - угол между попутными волнами в среде (вне среды);
0,j - дифракционная расходимость;
0« - угол Брэгга;
к = 2л/А - пространственная частота температурной решетки;
Л - период температурной решетки;
X - длина волны;
ХТ- коэффициент теплопроводности;
8
^у*/» ^1-9 ~ компоненты тензора модулей упругости, упругие константы;
р - плотность;
су,* - компоненты тензора напряжений;
с; - координата, перпендикулярная плоскости доменной границы;
V т«) ~ времена расплывания температурной неоднородности; тг- время термализации;
Ф - термодинамический потенциал; ФА/, Ф^, Фме ~ магнитный, упругий и магнитоупругий потенциалы;
Фо, А - скалярный потенциал и векторный потенциал поля деформаций;
X - коэффициент температуропроводности;
^л/» - релаксационное слагаемое, диссипативная функция;
со - угловая частота.
Сокращения
ДГ-доменная граница;
ИК - инфракрасный;
МА - магнитоакустический;
ОВФ - обращение волнового фронта;
ОФП - ориентационный фазовый переход; РЗО - редкоземельный ортоферриг;
СФМ - слабый ферромагнетик;
ЧВ - четырехволновое взаимодействие.
^ = 67/- МА параметр слабых ферромагнетиков;
9
Введение
Актуальность работы. Как известно, в большинстве случаев существенный прогресс в науке и технике достигается за счет построения элементов и устройств, в основе работы которых лежат нелинейные явления. Наиболее ярким подтверждением этого являются транзисторы, лазеры, нелинейные оптические элементы, устройства записи и обработки информации. Нелинейность является общим свойством, характерным для различных систем. Определяющими факторами дня возникновения в любой среде нелинейных процессов выступают энергия внешнего воздействия, а также динамические особенности и внутренние свойства системы. Практически все нелинейные процессы связаны с волновыми явлениями, имеющими разнообразную физическую природу: оптическую, акустическую, магнитную или другую. При этом важную роль играет динамическое взаимодействие между различными подсистемами, которое в реальных элементах происходит при влиянии ограничивающих поверхностей.
На основании экспериментальных и теоретических исследований многоволновых взаимодействий, сопровождающих динамические нелинейные процессы в ограниченных средах с различными фазовыми состояниями при внешнем воздействии разного уровня интенсивности, могут создаваться нелинейные элементы и устройства, отличающиеся повышенными эксплуатационными и функциональными характеристиками, что подтверждает не только научное и прикладное значение таких работ, но и их безусловную актуальность.
Целыо работы является исследование многоволновых взаимодействий при участии акустической подсистемы в ограниченных конечными размерами средах: лазерного излучения в поглощающем слое и магнитоакустических волн в пластине слабого ферромагнетика.
Основные задачи исследования:
1. Теоретическое исследование многоволнового взаимодействия когерентного электромагнитного излучения в неупорядоченной среде на тепловом ме-
10
ханизме нелинейности с учетом распространения звуковых волн по всей области взаимодействия.
2. Экспериментальное исследование явлений, сопровождающих многоволновое взаимодействие на тепловой нелинейности в слое поглощающей среды.
3. Моделирование процессов взаимодействия магнитоакустических волн с доменной границей в пластинах слабых ферромагнетиков ортоферритов.
4. Экспериментальное исследование магнитоакустических волн, возбуждаемых движением одиночной доменной границы в пластинах УРе03.
5. Экспериментальное исследование нелинейных явлений, сопровождающих движение доменных границ в пластинах ортоферрита иттрия.
Научная новизна работы следует из экспериментально и теоретически полученных результатов по исследованиям динамических многоволновых процессов в нелинейных средах с разными агрегатными состояниями и упорядоченностями структур, в которых:
1. Методами четырехволновых и шестиволновых взаимодействий лазерного излучения среднего ИК диапазона в системах с разными фазовыми состояниями в режимах от непрерывного до импульсного исследован механизм нелинейности, обусловленный тепловым оптоакустическим эффектом. Показана возможность преобразования длительности импульсов и длины волны излучения. Впервые реализовано вынужденное рассеяние излучения С02-лазера на тепловом механизме нелинейности с коэффициентом отражения до 20% по энергии.
2. Впервые экспериментально исследована и измерена упругая деформация, вызванная движением доменной границы в пластине слабого ферромагнетика -УКеОз в виде стоячих волн Лэмба.
3. Впервые экспериментально обнаружена перекачка энергии между различными модами магнитоакустических волн Лэмба в пластинах УТеОз, что указывает на нелинейный характер взаимодействия между магнитной и акустической подсистемами при малых энергиях взаимодействующих волн.
4. Теоретически исследованы механизмы формирования тепловой нелинейности в поглощающих жидкостях с учетом образования тепловой линзы и теп-
11
лового расширения среды за счет распространения звуковых волн по всей зоне лазерного воздействия в условиях нестационарного нагрева, а также диффузионных потоков тепла через границы среды в стационарном режиме. Определены основные факторы, ограничивающие взаимодействие волн и влияющие на их структуру.
5. Показано, что магнитоакустическое взаимодействие может компенсировать отрицательную дисперсию нормальных сдвиговых волн пластины образца ортоферрита. Установлено, что образцы ортоферритов в форме пластин представляют двумерный резонатор для магнитоакустических волн Лэмба, возбуждаемых при периодическом движении доменной границы.
6. Показано, что в монокристаллических образцах ортоферрита иттрия с магнитными неоднородностями процесс перемагничивания, обусловленный движением доменной границы, сопровождается нелинейными многоволновыми возбуждениями в акустической и магнитной подсистемах и вызывает торможение доменной границы.
Практическая ценность работы:
1. Механизм четырехволнового взаимодействия, обусловленный тепловой нелинейностью, положен в основу работы элементов и устройств для улучшения направленности излучения мощных лазеров среднего ИК диапазона, преобразования параметров импульсов, построения лазерных систем и комплексов с перестраиваемой обратной связью, визуализации ИК излучения.
2. Разработаны методы исследования и контроля магнитодинамических параметров прозрачных магнетиков - магнитооптический метод с временным разрешением 25 пс и метод темнопольной дифракции, позволяющий исследовать деформации с амплитудой менее 0.5 нм.
3. Результаты исследований сдвиговых магнитоакустических волн в пластинах ортоферритов могут быть использованы для создания перестраиваемых источников гиперзвуковых колебаний вплоть до терагерцового диапазона.
12
4. Результаты исследований взаимодействия доменной границы с магнитоакустическими волнами в ортоферритах могут быть использованы для создания перестраиваемых источников волн Лэмба.
5. На основе упруго-индуцированного механизма перемагничиваиия разработаны магнитооптические устройства: управляемый прецизионный пространственно-временной транспарант и модулятор электромагнитного излучения с субпикосекундным временем переключения.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Модель многоволновых (четырех- и шести-) взаимодействий электромагнитного излучения на тепловой нелинейности в поглощающих средах, которая учитывает ограничивающие влияния крупномасштабных образований, тепло-переноса, теплового расширения среды и определяет оптимальные условия максимально эффективного преобразования волн.
2. Доминирующая роль теплового механизма нелинейности при многоволновых взаимодействиях в среднем И К диапазоне позволяет визуализировать ИК излучение с линейным динамическим диапазоном 10* при пороговой чувст-
А О
вительности 10' Дж/см , приводит к вынужденному рассеянию света в сжатых газах при пороговом значении энергии менее 50 мДж и обеспечивает коэффициент отражения излучения для жидкостей до 20% с увеличением длительности импульсов вплоть до непрерывного режима.
3. Модель низшей изгибной волны Лэмба, возбуждаемой движением одиночной доменной границы в пластине ортоферрита иттрия, учитывающая зависимость амплитуды волны от размеров пластины и скорости движения границы.
4. Модель нормальных сдвиговых магнитоакустических волн в однородно намагниченных пластинах слабых ферромагнетиков (ортоферритов), из которых получены дисперсионные зависимости этих волн.
5. Движение доменной границы под действием периодического магнитного поля вызывает поперечную деформацию ограниченной пластины ортоферрита иттрия с резонансным характером частотной зависимости ее амплитуды и фа-
13
зы. По данным интерференционных измерений величина амплитуды деформации достигает 7 нм.
6. Нелинейное взаимодействие доменной границы с акустической и магнитной подсистемами, включая магнитные неоднородности пластины ортоферрита, в условиях фазового синхронизма приводит к одновременному возбуждению и взаимодействию нескольких мод нормальных магнитоакустических волн.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на IV Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (г. Москва, 1982) [1]; Всесоюзной конференции “Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле” (г. Хабаровск, 1984) [2]; Всесоюзных конференциях "Обращение волнового фронта лазерною излучения в нелинейных средах." (г. Минск, ОВФ-86 [3], ОВФ-89) [4]; V Всесоюзной конференции “Оптика лазеров” (г. Ленинград, ГОИ, 1986) [5]; XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (г. Ленинград, КиНО’91) [6]; Международных симпозиумах "Принципы и процессы создания неорганических материалов" (г. Хабаровск, I Сам-соновские чтения - 1998 [7], II Самсоновские чтения - 2002 [8-10],
III Самсоновские чтения - 2006 [11-13]); Региональных научных конференциях “Физика: фундаментальные исследования, образование”(г. Хабаровск -1998 [14, 15], 2005 [16-21], г. Владивосток - 2007) [22]; III Международном симпозиуме «Применение результатов исследований по конверсии для международной кооперации» (81ВСО!''А/ЕК8’99", г. Томск) [23]; Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники», (г. Москва, 2000 [24], 2006 [25]); VIII Международной Европейской конференции по магнитным материалам и применениям («ЕММА-2000», г. Киев, Украина) [26]; Международных Евразийских симпозиумах "Прогресс в магнетизме" («ЕА8ТМАО-2001», г. Екатеринбург [27]), "Магнетизм на наноразмерах" («ЕА8ТМАО-2007», г. Казань [28]); Дальневосточном инновационном форуме, с международным участием "Роль науки, новой техники и технологий в эконо-
14
мическом развитии регионов" (г. Хабаровск, 2003) [29]; XXXJII Всероссийском совещании по физике низких температур (г. Екатеринбург, 2003) [30]; Выездной секции по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (г. Астрахань, 2003) [31]; Международной научной конференции к 40-летию ИФТТГТ НАМ Беларуси и 90-летию его основателя акад. H.H. Сироты "Актуальные проблемы физики твердого тела" (г. Минск, 2003) [32]; Международной конференции по физике и контролю (PhysCon-2005, г. С. Петербург) [33]; VII, VIII Международных российско-китайских симпозиумах «Актуальные проблемы науки и технологии» (г. Харбин, Китай, 2006 [34]; г. Хабаровск, Россия, 2007 [35]); Общеевропейском магнитном симпозиуме JEMS 06 (г. Сан-Себастьян, Испания, 2006) [36]; Международной конференции по магнетизму ICM 2006 (г. Киото, Япония) [37]; Корсйско - Российский объединенный симпозиум по распространению и обработке сигналов, сенсорам, и системам мониторинга (г. Хабаровск, 2006) [38]; Первый международный междисциплинарный симпозиум "Среды со структурным и магнитным упорядочением" (Multiferroics-2007, г. Ростов-на-Дону) [39], III Байкальской международной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии" (BICMM-2008, г. Иркутск) [40].
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 42 статьях и материалах конференций [3, 4, 9-13, 25,41-74] и 4 патентах [75-78].
Работа по теме диссертации проводилась в рамках единого заказ-наряда (проекты № 1.6.95, № 1.1.04, № 1.2.06, № 1.2.08), гранта N« 97-0-7.0-29 МОиПО РФ, предоставленного Санкт-Петербургским конкурсным центром в области естественных наук, ФЦП HB1II МО РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (код 71 345, 2005 г.), субвенции «Субмикронные исследования процессов формирования и динамики наномасштабных структур в спиновых, атомных и молекулярных системах», работ выполняемых в рамках научного мероприятия Агентства Роснаука (ФЦП 01.168.24.035, 2006 г.), ФЦНТП по созданию Центра коллективного пользования «Лазерные и оптические технологии» со-
15
вместно с ЦНИИ «Робототехники и технической кибернетики», г. Санкт-Петербург (№ 2007-7-5.2-00-02-092, 2007/08 гг.).
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту' результаты и положения, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 284 страницы, включая 63 рисунка и 8 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 370 наименований, включая 78 публикаций автора по теме диссертации.
В первой главе проведен обзор литературы о нелинейных волновых процессах с участием акустической подсистемы. В соответствии с выбранной темой работы рассмотрены многоволновые процессы в неупорядоченных средах при воздействии лазерным излучением небольшой интенсивности. В качестве упорядоченных сред рассмотрены магнитные, в которых может существовать нелинейная волна намагниченности - доменная граница (ДГ). Проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований эффектов и явлений, связанных с многоволновыми взаимодействиями в магнитной и акустической подсистемах. Во всех изученных системах общими выступают акустические волны. При этом, в одном случае они вызывают многоволновые взаимодействия электромагнитного излучения, а в другом сами выступают в качестве взаимодействующих волн, приводя к возникновению нелинейных магнитоакустических волн.
Во второй главе проведен теоретический анализ вырожденных по частоте четырехволновых (ЧВ) и шестиволновых взаимодействий в слое поглощающей жидкости с инерционной тепловой нелинейностью, вызванной опто- и тер-моакустичсскими эффектами. Выявлены основные факторы, ограничивающие эффективность обращения волнового фронта (ОВФ) при ЧВ на тепловой нелинейности в жидкостях и газах. Показано, что крупномасштабное тепловое расширение сопровождается размытием голограммы при больших углах между записывающими волнами.
16
Проанализирована возможность достижения предельной эффективности ЧВ при ограничении максимальным нагревом среды. Установлено, что за счет осуществления диффузионного теплоотвода через границы нелинейной среды тепловая нелинейность в жидкостях и газах позволяет реализовать высокую эффективность ЧВ не только для импульсного, но и для непрерывного излучения.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям многоволновых взаимодействий и визуализации излучения лазера среднего ИК-диапазона на тепловой нелинейности в поглощающих средах. Показано, что тепловая нелинейность в поглощающих жидкостях обеспечивает высокую эффективность ЧВ в непрерывном и квазинепрсрывном режимах. Экспериментально реализовано ЧВ кназинепрерывного и непрерывного излучении С02-лазера в СС14 и исследована точность ОВФ. Исследовано ЧВ излучения импульсного С02-лазера при фазовом переходе в пленках У02.
При преобразовании параметров импульсов получен коэффициент отражения но мощности 2x10*, исследовано ЧВ в СС14 многочастотного непрерывного СО-лазера, показано, что поглощающие жидкости являются перспективными средами для визуализации ИК излучения.
Исследован вклад теплового механизма нелинейности резонансных газов в ЧВ при больших давлениях, впервые реализовано вынужденное рассеяние излучения С02-лазера на тепловом механизме нелинейности с коэффициентом отражения до 20% по энергии.
В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований многоволновых нелинейных взаимодействий магнитной и акустической подсистем в пластинах слабых ферромагнетиков (СФМ). Рассмотрены дисперсионные зависимости магнитоакустических (МЛ) сдвиговых волн в пластинах ортоферритов, определены условия их нахождения в состоянии резонанса с движущимся источником. Рассмотрена возможность возбуждения волн Лэмба при движении ДГ с дозвуковыми скоростями. Исследована возможность влияния толщины пластины и поверхностных волн на динамику ДГ.
17
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований многоволновых взаимодействий с участием доменных границ и магнитоакусти-чсских волн в пластинах УРе03. Впервые измерена максимальная амплитуда деформации пластинчатого образца ортоферрита иттрия, резонансно возбуждаемая при движении доменной границы. Экспериментально исследовано торможение ДГ на дозвуковых скоростях, установлена взаимосвязь с размерами неоднородностей и длинами воли Лэмба. Исследован захват (пиннинг) доменной границы при ее движении через естественные ростовые неоднородности. Исследованы механизмы, приводящие к динамическому торможению ДГ в слабых ферромагнетиках. Исследовано явление перекачки энергии между различными гармониками пластинчатых МА волн в образцах УРсОз и возбуждение поверхностных МЛ волн. Предложен механизм, объясняющий нелинейную полевую зависимость скорости ДГ в ортоферритах, основанный на многоволновых взаимодействиях магнитной и акустической природы.
Шестая глава посвящена практическому применению многоволновых взаимодействий в различных областях техники. Рассмотрено применение ОВФ на тепловой нелинейности для создания мощных ИК лазеров с дифракционной расходимостью излучения и неразрушающего контроля. Приведены примеры применения взаимодействия волн химических реакций и других (горения, испарения и т.д.) с лазерным излучением для размерной обработки на основе интенсивного действия излучения на вещество, применением нелинейных волн намагниченности для модуляции излучения и их совместным применением в горной промышленности.
18
1. Взаимодействия оптических, магнитных и акустических волн (Обзор)
Нелинейные волновые процессы и взаимодействия являются общим свойством для различных фазовых состояний вещества и становятся определяющими либо при достаточно интенсивном воздействии, либо при переходе систем между отдельными квазиравновссными состояниями в результате высвобождения внутренней энергии [79-82]. Подобная реакция может приводить к локализованным в малой области пространства образованиям, способным перемещаться с сохранением динамической структуры (солитонам), сопровождаться явлениями самоорганизации.
Мерой нелинейности может служить отношение амплитуды волны к характерному масштабу для соответствующей системы [83]: для акустических волн - отношение компонент вектора деформации к межатомному расстоянию, для электромагнитных - отношение амплитуды вектора напряженности волны к напряженности внутрикристаллических полей, для магнитных - отношение компонент вектора намагниченности к намагниченности насыщения. При небольших амплитудах плотность внутренней энергии среды можно разложить в ряд по степеням компонент соответствующего вектора (для акустических волн в кристаллах компонент тензора деформаций). В этом случае реакцию среды можно представить в виде нормальных волн, в том числе разной природы, взаимодействующих между собой. Взаимодействие между различными подсистемами может играть существенную роль в формирование нелинейности.
В первом приближении влияние непроводящей среды на излучение можно описать материальными уравнениями с помощью тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей. Если не рассматривать микроскопическую природу материальных тензоров, проявляющуюся, например, в частотной, температурной и других зависимостях, феноменологическое описание распространения электромагнитного излучения в среде можно получить используя один обобщенный тензор диэлектрической проницаемости [84]. При взаимодействии
19
излучения со средой большую роль играет взаимодействие двух подсистем, оптической и акустической. При этом спектр электромагнитных и акустических волн может быть представлен в виде набора.плоских волн, распространяющихся с близкими к скоростям света и звука, соответственно, фазовыми и групповыми скоростями [85].
Согласно [85, 86] в жидкостях и сжатых газах (длина свободного пробега молекул много больше длины волны) различают два типа рассеяния света на флуктуациях диэлектрической проницаемости по признаку изменения частоты - комбинационное (Рамана - Ландсберга - Мандельштама), при котором рассеянный свет смещен по частоте относительно падающего, и рэлеевское, при котором сдвиг частоты мал. В первом случае рассеяние сопровождается изменением под влиянием света молекулярного энергетического состояния, во втором никакого изменения этого состояния не происходиг. Ограничимся временами, большими, по сравнению с временем термализации среды хт. При этом близость к резонансным частотам приводит к увеличению поглощения, не изменяя энергетического состояния молекул. Механизмы рэлеевского рассеяния в газах, обусловленные флуктуациями ориентации молекул, приводят к размытому спектру рассеянного излучения. Основной вклад в "несмещенную" линию рассеяния с узким спектром вносит механизм, обусловленный флуктуациями плотности и связанный с акустической ветвыо звуковых колебаний.
В жидкостях происходит уширение и перекрытия спектров рассеяния различных механизмов. Однако при достаточно медленном изменении флуктуаций термодинамических переменных, по сравнению с временами процессов установления равновесия, основной вклад в узкую линию рассеяния на размытом фоне (крыле линии Рэлея) будет давать флуктуация диэлектрической проницаемости, обусловленная флуктуациями термодинамических параметров (температуры и плотности). В свою очередь, эта узкая линия имеет тонкую структуру. Механизмы рассеяния света здесь делятся на две категории. В первой термодинамические флуктуации давления являются адиабатическими и распространяются в виде звуковых волн акустической ветви, а спектр рассеян-
20
ного излучения состоит из дублета "Мандельштама - Бриллюэна". Линии последнего смещены относительно частоты падающего излучения на частоту акустических волн, зависящую от угла рассеяния. Поглощение звука приводит к дополнительному уширению этих линий. Во втором случае флуктуации энтропии при постоянном давлении являются не распространяющимися волнами и приводят к несмещенной линии в спектре рассеянного излучения, несколько уширенной вследствие затухания волн из-за теплопроводности. Акустические волны играют существенную роль и в этом случае, перенося потоки энергии и массы, формируя неоднородности энтропии (при этом и плотности) и выравнивания давление. Время установления постоянного давления определяется временем распространения акустических волн на масштабе неоднородности флуктуаций. Рэлеевскос рассеяние может увеличиваться вблизи критической точки в жидкостях (критическая опалесценция), а также в жидких кристаллах.
В изотропных твердых телах рэлсевское рассеяние, из-за наличия двух ветвей акустических волн - поперечной и продольной, содержит два дублета Мандельштама - Бриллюэна, а в кристаллах их может быть двенадцать [86], некоторые из них могут пропадать из-за анизотропии. В формировании несмещенной компоненты существенную роль играют флуктуации, которые медленно меняются со временем. Возможно рассеяние на электронах проводимости и др.
Действие излучения на среду, в свою очередь, приводит к ее возмущениям. Такие механизмы, как тепловой в поглощающих средах и элсктрострикци-онный в прозрачных, приводят к генерации звуковых волн 187, 88, 89], в том числе поверхностных [90]. Возникающая под действием этих волн модуляции диэлектрической проницаемости приводит к оптической нелинейности. При этом звуковые волны могут выйти далеко за пределы области взаимодействия.
При увеличении интенсивности излучения и выполнении условий фазового синхронизма указанные эффекты могут привести к вынужденному рассеянию света, многоволновому взаимодействию, генерации гармоник и комбинационных частот. Условия фазового синхронизма дзя трехволновых процессов
21
могут быть выполнены компенсацией дисперсии анизотропией, а для четырехволновых - выбором соответствующих направлений волновых векторов [91].
Увеличение интенсивности воздействия приводит к таким эффектам, как оптический пробой, вскипание жидкости и другим явлениям, которые используются для генерации акустических колебаний.
Рассеяние света возможно и на доменной структуре в средах, испытывающих фазовый переход, например в УОг, [92] или магнитных кристаллах, допускающих существование областей с различной намагниченностью [93, 94, 95].
Магнитная подсистема, которая является полем усредненного макроскопического магнитного момента среды и существует благодаря обменному взаимодействию квантовой природы, может рассматриваться без применения аппарата квантовой электродинамики путем введения обменного поля [96].
В отличие от неупорядоченных непроводящих сред, в которых фазовые и групповые скорости электромагнитных волн близки к скорости света, в ферромагнетиках спектр электромагнитных волн (магнитных поляритонов) содержит ветви, соответствующие магнитным волнам [97-99]. На протяженном участке спектра скорость распространения этих волн существенно меньше скорости света, что позволяет рассматривать магнитную подсистему отдельно от оптической, учитывая вклад напряженности электрического поля последовательными приближениями методами теории возмущений. На длинноволновом участке спектра, где можно пренебречь неоднородным обменным взаимодействием, а фазовая скорость еще меньше скорости света, такие волны называют также магнитостатическими, на коротковолновом - спиновыми [98].
Рассеяние оптических волн на магнитных волнах [100, 101] относят к рассеянию Мандельштама - Бриллюэна в ферромагнетиках и к комбинационному в антиферромагнетиках, так как в последних сдвиг частоты заметно больше из-за эффекта обменного усиления. Близость акустических и магнитных ветвей приводит к магнитоакустическому (МА) взаимодействию, а в ферромаг-
22
нетиках и низкотемпературных антиферромагнетиках [83], где эти ветви пересекаются, к МЛ резонансу [97].
Когда интенсивность воздействия соответствующей природы достигает определенной величины, приближенное описание возмущений среды в виде слабо взаимодействующих волн становится невозможным. В этом случае при определенных условиях возможно образование уединенных локализованных структур (солитонов). В магнитных кристаллах в результате конкуренции обменных сил с размагничивающим полем возможно существование доменов (областей с различным направлением намагниченности). В этом случае в среде изначально существуют нелинейные локализованные структуры типа доменных границ (ДГ), которые представляют из себя топологические солитоны [102]. Под внешним магнитным воздействием небольшой интенсивности ДГ может двигаться с сохранением своей структуры [102-105], размеры которой определяются конкурирующим действием полей обменного взаимодействия и анизотропии кристалла.
В настоящей главе рассмотрены механизмы многоволнового взаимодействия электромагнитного излучения, обусловленные термофотоакустическими эффектами и взаимодействия магнитоакустических волн, обусловленные участием магнитной подсистемы.
1.1. Нелинейные среды для электромагнитного излучения.
С момента появления лазеров когерентное излучение стало мощным инструментом исследования физических процессов, в которых играет роль как инициирующего излучения, так и контролирующего. Благодаря возможности локализации лазерного излучения во времени, частоте и пространстве, его можно концентрировать в среде, достигая высоких значений плотности энергии (интенсивности). Это позволяет использовать его для исследования взаимодействия излучения с веществом и в технологических целях. При этом в мощных лазерных системах это взаимодействие сопровождается искажением амплитудно-фазовой структуры выходного излучения, увеличением его угловой расхо-
23
димости, самофокусировкой (самодсфокусировкой) и другими нелинейными эффектами [106, 107].
Взаимодействие концентрированного лазерного излучения с веществом используется для исследования структуры и свойств вещества методами нелинейной спектроскопии, например, четырехволновой [108, 109], а также для измерения параметров излучения, оптической обработки информации [110, 111], генерации излучения гармоник и других частот [91, 112, 113] и улучшения пространственной структуры излучения с помощью ОВФ [114-123].
При многоволновом взаимодействии в нелинейной среде суммарное электрическое иоле с пространственно-временной зависимостью Е(г, /) в результате одного из механизмов нелинейности приводит к изменению показателя преломления 5я(г, ~ Е2(г, /) [110], записывая фазовую голограмму.
Эффективное взаимодействие волн в фазовых голограммах, согласно [110], возникает при их сдвиге относительно интерференционного ноля, временном запаздывании, при увеличении количества взаимодействующих волн до трех и более, уменьшении толщины среды (что также приводит к увеличению числа взаимодействующих волн за счет высших порядков дифракции) или при применении волн с разными частотами (например, в процессах вынужденного рассеяния).
Подобное взаимодействие вырожденных по частоте волн наблюдалось в фоторефрактивных кристаллах под действием внешнего электрического поля [110], в движущихся средах с тепловой нелинейностью [124], в нестационарном режиме [125]. В [126] получено увеличении яркости одной из волн в 104 раз при вынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна, а в работе [127] в 10^ раз при вынужденном комбинационном рассеянии.
1.1.1. Обращение волнового фронта
Для улучшения направленности излучения используются различные схемы с обращением волнового фронта (ОВФ), основанные на многоволновом взаимодействии и самообращении волнового фронта при вынужденном рассея-
24
нии света. В этом случае после прохождения среды с фазовыми неоднородностями, волна подвергается операции комплексного сопряжения. При распространении в обратном направлении через среду эта волна полностью восстанавливает первоначальную форму волнового фронта [117]. На этот эффект, имевший место и в стационарной голографии, впервые обратили внимание в работе [128] при исследовании вынужденного рассеянии Мандельштама - Брил-люэна. ОВФ можно использовать для компенсации фазовых искажений активной среды мощных лазерных систем, атмосферы и т.д. В дальнейшем широкое распространение получило ОВФ методами четырехволнового взаимодействия (ЧВ) [114, 123, 129, 130], которое рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 1.1.
Две волны, угол между волновыми векторами которых в среде (0) составляет менее 180°, будем называть попутными (Е\ и £3, Е2 и £4). Встречными будем называть пары волн, если угол между их волновыми векторами более
Рассмотрим ЧВ волн одинаковой частоты (вырожденное ЧВ, 01.2.3,4= о) с волновыми векторами, расположенными в плоскости хх, и поляризациями векторов электрического поля, направленными по оси у. Результирующее электри-
180°.
г
>
Рис. 1.1. Схема ЧВ
чсское поле
Е(х,г,і) подчиняется уравнению [112]:
(1.1)
25
где со - скорость света, «о — начальное значение показателя преломления, 8/7 -его изменение, вызванное действием излучения, к = ясо/со - волновое число в среде. Здесь 2?(х,г,/)=£(х,г)е~,0)/, а электрическое поле состоит из 4 составляющих:
Е = Е,е'Ь + Е2е~‘кг + £3А-г+,**х + Е4е-1к^-‘к'х + кх.. (1.2)
В этом случае на нелинейную среду, находящуюся в поле встречных плоских или в общем случае комплексно-сопряженных волн накачки Е\ и Е2 ~ £* падает сигнальная волна £3, подлежащая коррекции. Попутные волны Е\, £3 записывают в среде просветную голограмму (для плоских волн — решетку) показателя преломления 5«,3. В результате дифракции на этой голограмме второй волны накачки £2 образуется волна £4 ~£3, с комплексно сопряженным волновым фронтом к £3. Волна £4 ~£з образуется также в результате дифракции
первой волны накачки Е\ на отражательной голограмме 8пъь записываемой встречными волнами £2 и £3. Если амплитуда отраженной волны £4 достаточно большая, то необходимо учитывать и ее вклад в обе голограммы. Для определения Ъп необходимо конкретизировать механизм нелинейности.
Для практического использования этого эффекта необходимо, чтобы запись и считывание, в отличие от традиционной стационарной голографии, происходили одновременно (динамическая голография), что накладывает определенные требования на времена релаксации нелинейной среды.
Впервые экспериментальная реализация ЧВ в режиме реального времени проводилась в [129, 130]. Теория ЧВ впервые рассматривалась в работах [131]. В [132] определены условия, при которых коэффициент отражения, равный отношению интенсивностей сигнальной волны /4 к отраженной /3: /? = /4//3 , где
С л ^
=-2—1£;| , может превышать единицу в приближении заданных волн накач-1 4 71
ки. Авторами [133, 134] была учтена фазовая расстройка, вызванная самовоз-действием волн, в работах [135-139] было учтено влияние поглощения среды.
26
Существует множество механизмов формирования оптической нелинейности [113, 119]. С участием акустических волн формируются электрострикци-онные нелинейности, основанные на рассеянии Манделыптама-Бриллюэна, а в поглощающих средах механизм, обусловленный тепловым оптоакустическим эффектом. Первый из перечисленных механизмов достаточно хорошо изучен и практически используется в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах. Однако при увеличении длины волны использование его является затруднительным из-за ряда конкурирующих эффектов 1116].
Для рсапизации ОВФ можно использовать преобразование частоты импульсов лазерною излучения в более удобный частотный диапазон. Так, в [140] реализовано ОВФ на длине волны ~ 1 мкм при параметрическом преобразовании частоты в видимый диапазон, в [43] предложена схема ОВФ на длине волны ~ 10 мкм.
Исследования теплового механизма в ряде работ [125, 139-153] позволили сделать вывод, что он может не только вносить вклад в ЧВ, но в ряде случаев доминировать не только в конденсированных [144], но и в сжатых газах [148] , позволяет реализовать ОВФ излучения с различными длительностями импульсов [44-46, 48-50, 142, 143, 151], с длинами волн от ближнего ультрафиолетового [145] до ИК диапазона [3, 4, 41, 42, 44-46, 48-50, 141, 149]. Авторами [149] установлено, что при длительности импульса более 1.5 мке тепловая нелинейность доминирует при ЧВ излучения С02-лазера в полупроводниках ве и вк Реализовано ЧВ излучения импульсного С02-лазера с небольшими плотностями энергии при фазовом переходе в пленках У02 [42].
Наибольший интерес представляют механизмы ОВФ в среднем ИК диапазоне, где генерируют излучение наиболее мощные технологические лазеры. В этот диапазон попадают окна прозрачности атмосферы. В качестве нелинейных сред для этого диапазона использовались резонансные газы и полупроводники [115, 154]. Эффективность многоволнового взаимодействия падает с ростом длины волны X пропорционально \/Х2 и для X ~ 10 мкм заметно уменьшается, однако в целом ряде сред с большой нелинейностью может быть сущест-