2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................. 4-12
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ПОЛЯРИЗАЦШ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ ПРИ УЧЕТЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ГИРОТРОПИИ..................................................... 13
§ I. Поляризационные эффекты для ультразвуковых
волн в акустически гиротропных кристаллах ... 13-17
§ 2. Поляризация объемных ультразвуковых волн в
акустически гиротропных кристаллах ............... 17-19
§ 3. Особенности поляризации ультразвуковых волн в кристаллах планальных и гексагональных классов ............................................... 20-23
§ 4. Влияние внешних воздействий на поляризацию
ультразвуковых волн в кристаллах ................. 23-27
§ 5. Граничные условия в кристаллоакустике сред
•с.пространственной дисперсией ................... 27-32
ГЛАВА П. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БРЭГГОВСКОЙ И РАМАН-НАТОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ СВЕТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАШИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В АЮтаИЧЕСКИ ГИРОТРОПНЫХ КРШТАЛЛАХ И создрия НЕКОТОРЫХ АКУСТООПТИЧЕ-СКИХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 33
§ 6. Методы исследования поляризации ультразвуковых
волн в акустически гиротропных кристаллах .... ЗЗ-ЗЬ
§ 7. Оптический эллипсометрический метод определения поляризации ультразвуковых волн в акустически гиротропных кристаллах......................35-40
§ 8. Исследование акустической гиротропии кристаллов кубических классов методами брэгговского и раман-натовского рассеяния света ............ 40-51
§ 9. Расчет акустооптического (Ьильтра (АОШ) на
основе гиротропного кубического кристалла .... 51-54
§ 10. Брэгговская дифракция света на модулированной ультразвуковой волне (расчет акустооптического пространственно-временного модулятора света; ................................................ 54-62
ГЛАВА Ш. НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ СВЕТОВЫХ
ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ В ПОЛЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ 63
§ II. Генерация второй гармоники (ГВГ) оптического излучения в кристаллах с согласованием фаз ультразвуковой волной .................................. 63-66
3
§ 12. Особенности ГВГ при коллинеарной дифракции световой волны основной частоты на ультразвуке .................................................. 66-71
§ 13. ГВГ при коллинеарной дифракции световой волны основной частоты на стоячей ультразвуковой волне ......................................... 71-77
§ 14. Генерация второй оптической гармоники при коллинеарной дифракции световой волны на ультразвуке в оптически гиротропных кристаллах ..................................................77-81
§ 15. Особенности генерации второй оптической
гармоники при коллинеарной дифракции световой волны удвоенной частоты на ультразвуке ............81-84
§ 16. Генерация второй оптической гармоники при одновременной дифракции световой волны основной и удвоенной частоты на ультразвуковой волне ..........................................84-88
§ 17. Генерация третьей гармоники в средах с периодической структурой......................................88-94
§ 18. Эффективность ГВГ в условиях выполнения модифицированных условий фазового синхронизма .................................................. 94-96
§ 19. Акустооптическая модуляция лазерного излучения при ГВГ ........................................... 96-101
§ 20. Коррекция угла фазового синхронизма в нелинейных кристаллах за счет акустооптического взаимодействия .........................................101-104
КРАТКИЕ БсШОда ..............................................105-108
ЛИТЕРАТУРА..................................................109-119
4
ВВЕДЕНИЕ
Большие успехи, достигнутые в последние годы в области генерации, преобразования и приема высокочастотных ультразвуковых волн /I, 2/ привели к значительному расширению исследований по акустооптическим взаимодействиям /3/. Это связано с тем,что акус-тооптические взаимодействия находят широкое практическое применение для управления излучением (модуляция,сканирование,фильтрация) и оптической обработки информации, представленной в виде акустических сигналов /4/. Так как основным элементом акустооптических устройств является звукопровод, преимущественно кристаллический, то возникает необходимость в детальном исследовании его акустических свойств, в частности, анизотропии /5/, Известно, что анизотропия кристалла определяет поляризацию ультразвуковых волн, и, следовательно, непосредственно связана с эффективностью дифракции /6/. При использовании высокочастотных ультразвуковых волн становится существенным учет акустической гиротропии, которая приводит к изменению поляризации собственных волн. Изучение акустической гиротропии необходимо для корректного расчета акустооптических устройств, а также дает полезную информацию о физических свойствах кристаллов.
Одним из эффективных методов исследования поляризационных эффектов ультразвуковых волн в акустически гиротропных кристаллах является дифракция света на ультразвуке /7/. Основное достоинство этого метода - возможность исследования поляризации в любой точке кристалла вдоль направления распространения ультразвуковой волны путем соответствующего перемещения зондирующего светового пучка. При этом нет необходимости в качественной обработке торцевой поверхности звукопровода и использовании приемного преобразователя.
Вместе с тем во многих случаях акустическая гиротропия приводит не к вращению плоскости поляризации поперечных ультразвуковых волн, а к связи продольной и одной из поперечных волн и их эллиптической поляризации /8, 9/, причем эллиптичность волн не изменяется по мере распространения ультразвуковой волны в кристалле. Эллипс поляризации может быть расположен как в плоскости волнового вектора <# ультразвуковой волны и акустической оси с ( ЖИс)у так и в плоскости перпендикулярной акустической оси. Эти случаи реализуются, например, в кристаллах планальных классов средних сингоний /10/ и гексагональных классов, обладающих инверсионной осью шестого порядка /II/. Очевидно, что поляризация ультразвуковых волн в кристаллах этих классов не может быть исследована описанным выше методом брэгговского рассеяния /6, 7/, разработанным для случая, когда ориентация эллипса поляризации изменяется по мере распространения ультразвуковой волны в кристалле. Разработка метода измерения поляризации высокочастотных ультразвуковых волн в кристаллах планальных классов с учетом акустической гиротропии позволяет получить дополнительную информацию о физических свойствах кристаллов вследствие возможности определения некоторых компонент тензора акустической гиротропии. Кроме того, кристаллы этих классов, например, ниобат и танталат лития, сульфид кадмия, окись цинка и др. широко используются в настоящее время при изготовлении различных акустооптических устройств, рабочие характеристики которых, как правило, существенно определяются именно поляризацией ультразвуковой волны. В связи с этим представляется также актуальным изучение возможностей управления поляризацией ультразвуковых волн в кристаллах под влиянием внешних воздействий, таких как электрическое поле Е /9/, механические деформации Иру, /12-14/, электрический ток 7 /1Ь/ и т.д.
На основе акустооптического взаимодействия в кристаллах создан ряд новых устройств функционального управления лазерным излучением, например, акустооптические фильтры /16-19/, акусто-оптические модуляторы /20-22/, дефлекторы и др., которые позволяют проводить перестройку спектра излучения лазеров на красителях /23, 24/, амплитудную модуляцию излучения /25/, управление поляризацией излучения и т.п. Для широкого практического применения указанных устройств необходимо еше провести работу по улучшению их рабочих характеристик. Сюда относится, в частности, более детальное исследование поляризационных эффектов, таких как акустическая и оптическая гиротропия, выяснение особенностей влияния немонохроматичности и расходимости взаимодействующих волн, шумовых характеристик и т.д.
При увеличении интенсивности световой волны становятся существенными нелинейные взаимодействия. Наиболее изучен к настоящему времени процесс генерации второй оптической гармоники, который нашел практическое применение /26, 27/. В то же время, нелинейное оптическое преобразование рассматривается обычно отдельно от акустооптического взаимодействия. При этом упускается возможность реализации и некоторых новых эффектов, связанных главным образом с возможностями модуляции второй оптической гармоники непосредственно в процессе ее получения /28/, подстройкой направления фазового синхронизма /29/. В настоящее время известны кристаллы, обладающие аномально большими нелинейными восприимчивостями (&Л&,
УоИ ) для которых обычный метод фазового синхронизма, основанный на компенсации дисперсии двулучепреломлением неприменим вследствие их изотропности. Использование в этих кристаллах режима ГВГ совместно с акустооптической дифракцией позволяет достигать фазовой синхронизации. Отметим дополнительно, что приме-
7
нение для указанных целей просто периодических сред, например, слоистых кристаллов с чередующимся знаком нелинейной восприимчивости /30-32/, менее эффективно вследствие отсутствия возможности управления периодической структурой.
Основной целью диссертационной работы является теоретическое исследование поляризации высокочастотных ультразвуковых волн в кристаллах при учете акустической гиротропии и возможностей управления ею посредством внешних воздействий, разработка оптического метода измерения поляризации ультразвуковых волн в акустически гиротропных кристаллах, основанного на брэгговской или ра-ман-натовской дифракции световой волны, выяснение особенностей нелинейного преобразования частоты световых волн, обусловленных дифракцией световой волны основной (удвоенной) частоты на ультразвуке.
Научная новизна и практическая ценность. Впервые проведено теоретическое исследование особенностей поляризации ультразвуковых волн в широко используемых в акустооптике и нелинейной оптике кристаллах планальных классов средних сингоний (сШ&05%ЦТаО6%
, ыо и др.) при учете акустической гиротропии, у которых поворот плоскости поляризации ультразвуковых волн вдоль акустических осей запрещен принципом Кюри из-за наличия плоскостей симметрии.
Предложен и теоретически обоснован оптический эллипсометрический метод измерения эллиптической поляризации ультразвуковых волн в кристаллах планальных, а также гексагональных классов,обладающих инверсионной осью шестого порядка, у которых эллипс поляризации расположен в плоскости перпендикулярной волновому фронту ультразвуковой волны. Метод отличается простотой и позволяет определить некоторые компоненты тензора акустической гирот-
ропии.
Показана возможность использования оптического эллипсометрического метода и для исследования вращения плоскости поляризации ультразвуковых волн в кристаллах кубических классов, у которых условия пространственного синхронизма при дифракции не зависят от поляризации световых волн.
Выяснены особенности работы акустооптического пространственно-временного модулятора света в условиях, когда управляющий сигнал широкополосный и возникающая волновая расстройка при дифракции превосходит ширину брэгговского синхронизма. Получено условие точного отображения информации, содержащейся в ультразвуковой волне, на световую волну.
Впервые решена задача о генерации второй оптической гармоники в кристалле при коллинеарной дифракции световой волны основной (удвоенной) частоты на ультразвуковой волне. Получены модифицированные условия фазового синхронизма, включающие параметры акустооптического взаимодействия, найдена зависимость между интенсивностью ультразвуковой волны и разностью показателей преломления № , которая может быть компенсирована при ГВГ за счет дифракции на ультразвуке.
Проведен сравнительный анализ эффективности ГВГ в условиях выполнения модифицированных и обычных условий фазового синхронизма и показано, что использование акустооптического взаимодействия позволяет повысить эффективность ГВГ, в то же время эффективность нелинейного процесса меньше того значения эффективности, которое может быть достигнуто при обычной фазосогласованной генерации. Указано, что рассмотренный эффект целесообразно использовать или для получения второй гармоники в кристаллах, у которых обычный синхронизм отсутствует, или для целей модуляции излуче-
ния второй оптической гармоники.
Предложен метод акустоолтической модуляции второй оптической гармоники излучения лазера, основанный на акустооптическом управлении волновой расстройкой при ГВГ в кристаллах.
Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для экспериментального измерения параметров акустической гиротропии в кристаллах указанных выше классов, при расчете и конструировании акустооптических устройств управления лазерным излучением на высокочастотных ультразвуковых волнах, таких как акустооптические модуляторы и дефлекторы, а также устройств акустоолтической обработки информации - спектроанализаторов. Использование дифракции световой волны на ультразвуковой волне при нелинейном преобразовании частоты световых волн позволяет повысить эффективность нелинейного процесса в кристаллах, у которых обычные условия синхронизма не выполняются, а также создать новые устройства управления параметрами лазерного излучения, например, акустооптические модуляторы излучения второй оптической гармоники.
Диссертация состоит из трех глав, кратких выводов и списка литературы.
В первой главе на основе феноменологического подхода рассмотрены особенности поляризации ультразвуковых волн в кристаллах при наличии естественной или вынужденной акустической гиротропии. Детально изучена поляризация ультразвуковых волн в кристаллах пла-нальных классов, у которых вращение плоскости поляризации вдоль акустических осей запрещено принципом Кюри. Показано, что акустическая гиротропия в этом случае приводит к эллиптической поляризации продольной и одной из поперечных волн, причем эллипс поляризации расположен в плоскости перпендикулярной плоскости волнового фронта ультразвуковой волны. Установлено, что аналогичным образом
- Київ+380960830922