ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................................. 5
Глава I. АНИЗОТРОПНЫЕ И ИЗОТРОПНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ АКУСТО-
ОПТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ
СРЕДАХ.......................................................... 11
§ 1.1. Дифракция Брэгга в изотропных и анизотропных средах........ 11
1.1.1. Акустооптическая дифракция в изотропной среде.................... 11
1.1.2. Акустическая и оптическая анизотропия............................ 12
1.1.3. Основные особенности АО дифракции в акустически анизотропных средах. 12
1.1.4. Принципиальные особенности АО дифракции в двулучепреломляюших кристаллах......................................................... 13
1.1.5. Изотропная и анизотропная дифракция в двулучепреломляющих средах 15
§ 1.2. Анизотропная дифракция в одноосных кристаллах и ее
применения................................................... 18
1.2.1. Ориентация плоскости АО взаимодействия и волнового вектора ультразвука в одноосном кристалле.................................. 18
1.2.2. Взаимная ориентация акустического и оптических пучков. Ортогональное
и коллинсарное взаимодействия...................................... 21
1.2.3. Частично коллинеарные взаимодействия............................. 22
1.2.4. Особые точки углочастотных зависимостей при анизотропной дифракции
и их практическое использование.................................... 24
§ 1.3. Теоретический анализ изотропной дифракции в одноосном
кристалле.................................................... 30
1.3.1. Эффект смещения углочастотных характеристик...................... 30
1.3.2. Исследование формы углочастотных зависимостей при изотропной дифракции необыкновенной волны..................................... 35
§ 1.4. Экспериментальное исследование дифракции в кристаллах ТеОг
иКОР......................................................... 41
1.4.1. Оптические и акустические свойства кристаллов парателлурита и KDP 41
1.4.2. Экспериментальная установка и методика измерений................. 44
1.4.3. Результаты экспериментального исследования углочастотных зависимостей....................................................... 45
1.4.4. Существование 12 брэгговских углов при фиксированной частоте ультразвука........................................................ 51
— 2 —
Выводы к Г лаве 1......................................................... 53
Глава П. МНОГОКРАТНАЯ БРЭГГОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯ
НА МОНОХРОМАТИЧЕСКОМ ПУЧКЕ УЛЬТРАЗВУКА........................... 55
§ 2.1. Многократные акустооптические взаимодействия
в двулучепреломляющих средах................................... 55
2.1.1. Многократные рассеяния в раман-натовском, брэгговском и промежуточном режимах дифракции................................................... 55
2.1.2. Двукратные, трехкратные и другие многократные брэгговские рассеяния 56
2.1.3. Однонаправленные и разнонаправленные многократные брэгговские взаимодействия...................................................... 59
2 1.4. Обращение однонаправленных и разнонаправленных многократных
взаимодействий....................................................... 61
§ 2.2. Многообразие двукратных и трехкратных режимов дифракции
в одноосных кристаллах......................................... 62
2.2.1. Пересечения углочастотных кривых................................... 62
2.2.2. Классификация двукратных режимов дифракции......................... 67
2.2.3. Двойные анизотропные рассеяния..................................... 69
2.2.4. Режимы (+/-) дифракции в диапазоне брэгговских углов падения 360°.. 84
2.2.5. Смешанные изотропно-анизотропные режимы дифракции.................. 87
2.2.6. Двойное изотропное рассеяние....................................... 92
2.2.7. Двукратная разнонаправленная дифракция при наклонном падении светового пучка на грань кристалла.................................. 96
2.2.8. Вырождение двукратной дифракции Брэгга в трехкратную............... 99
§ 2.3. Эффективность двукратной дифракции с доплеровским
смешением частоты света вверх и вниз...........................108
2.3.1. Система уравнений связанных мод....................................108
2.3.2. Эффективность дифракции в случае строгого выполнения условий брэгговского синхронизма............................................110
2.3.3. Эффективность дифракции в случае слабого нарушения условий брэгговского синхронизма............................................115
§ 2.4. Возможные применения двукратной разнонаправленной
дифракции......................................................121
2.4.1. Акустооптические устройства нечувствительные к поляризации света 121
2.4.2. Системы автоподстройки.............................................127
2.4.3. Прецизионное относительное измерение констант фотоуиругости........128
2.4.4. Измерение величины наведенного двулучепреломления..................129
2.4.5. Влияние многократных брэгговских рассеяний на работу перестраиваемых
АО фильтров..........................................................130
Выводы к Г лаве II........................................................131
Глава Ш. АНОМАЛЬНАЯ ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА ЗВУКЕ
В ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ КРИСТАЛЛАХ................................133
§ 3.1. Проблема аномальной акустооптической дифракции...............133
3.1.1. Постановка проблемы................................................133
3.1.2. Коэффициенты акустооптического качества при дифракции света на
медленной сдвиговой акустической волне в плоскости (l I О) парателлурита 134
§ 3.2. Результаты экспериментального исследования аномальной
АО дифракции в кристаллах парателлурита и KDP..................139
3.2.1. Постановка эксперимента............................................139
3.2.2. Зависимости эффективности дифракции от электрического напряжения
на нъезопреобразователе..............................................142
3.2.3. Одновременная реализация нормальной и аномальной дифракции.........147
3.2.4. Зависимость эффективности аномальной дифракции от угла падения света
и частоты ультразвука.............................................. 150
3.2.5. Сравнение аномального и нормального рассеяний при малых уровнях эффективности дифракции..............................................152
3.2.6. Обнаружение аномальной дифракции в кристалле KDP.................. 160
§ 3.3. Анализ возможных причин аномальной акустооптической
дифракции......................................................163
3.2.1. Анализ эффекта фотоупругости и сопутствующих материальных эффектов.. 163
3.2.2. Анализ теории акустооптической дифракции...........................167
Выводы к Главе III........................................................169
Заключение................................................................171
Литература................................................................173
Список публикаций автора..................................................185
— 4 —
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Явления, связанные с рассеянием оптического излучения на фазовой дифракционной решетке, созданной ультразвуком, представляют собой предмет изучения динамично развивающейся науки - акустооптики [1, 2]. Акустооптические явления изучаются уже несколько десятков лет [2]. Можно считать, что начало физике акустоонтиче-ского взаимодействия положил в 1921 году Л. Бриллюэн, который предсказал возможность рассеяния света на тепловых акустических колебаниях (фононах) [3]. Первое экспериментальное обнаружение акустооптического рассеяния относится к 1932 году, оно связано с именами П. Дебая и Ф. Сирса [4], а также Р. Люка и П. Бикара [5]. В 60-х годах XX века произошел всплеск интереса к физике акустооптических явлений, вызванный появлением лазеров. С этого времени начинает интенсивно развиваться прикладная акустооптика - создаются акустооптические приборы, управляющие различными параметрами оптических пучков, прежде всего, лазерных [1, 6—16].
В настоящее время создан широкий спектр различных типов акустооптических приборов, позволяющих управлять интенсивностью светового пучка, его направлением распространения, поляризацией, спектральным составом и пространственной структурой. Особенно важная область применения акустооптических устройств - системы обработки информации. В последнее время исключительно актуальной областью исследований являются методы оптической обработки информации, предполагающие, что носителем сигнала является оптический пучок. Существенная роль в системах оптической обработки информации принадлежит акустооптическим приборам [1,6, 8, 10, 12]. В частности, акустооптические устройства применяются для спектральной и пространственной фильтрации в реальном времени оптических пучков, в том числе несущих изображение [1, 10, 15, 16]. Кроме того, акустооптические устройства используются для анализа сверхвысокочастотных радиосигналов в реальном времени [9, 16], для визуализации акустических полей [7, 8, 10, 17], для химического анализа в реальном времени [14] и т.д.
В конце 60-х годов XX века начался новый этап развития акустооптики, связанный с изучением акустооптического эффекта в анизотропных средах [18-81]. В настоящее время интерес исследователей к проблеме акустооптического взаимодействия в кристаллах исключительно велик. Среди работ в области акустооптики, опубликованных в течение последних десяти лет, более половины посвящены именно дифракции в
анизотропных средах или непосредственно связанны с практическими применениями акустооптического взаимодействия в кристаллах. Большой интерес к акустооптическо-му рассеянию в анизотропных средах в значительной мере вызван хорошими перспективами акустооптических приборов на базе кристаллов. Такие приборы обладают существенно более высокими характеристиками по сравнению со своими аналогами на основе изотропных материалов.
Вместе с тем, несмотря на большое число публикаций по данной проблеме, многие проявления акустооптического эффекта в анизотропных средах не исследованы. Особенная роль в современной физике акустооптических взаимодействий, а также в акустооптической технике принадлежит двулучепреломляющим кристаллам [1, 81]. Следует отметить, что в подавляющем большинстве современных акустооптических приборов применяется дифракция Брэгга (или близкая к ней), которая, как правило, характеризуется наличием одного дифрагированного оптического пучка [1, 2, 81]. Данная диссертационная работа посвящена исследованию закономерностей брэгговских акустооптических взаимодействий в двулучепреломляющих средах, прежде всего, в одноосных кристаллах.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы являлось исследование закономерностей брэгговского акустооптического рассеяния монохроматического оптического излучения на монохроматическом пучке ультразвука в двулучепреломляющей среде. В работе были поставлены следующие задачи:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей брэгговского угла падения от акустической частоты для всех типов акустооптического рассеяния в одноосных оптических кристаллах, включая анизотропные и изотропные рассеяния.
2. Систематизация и анализ всех случаев многократных брэгговских рассеяний в одноосных двулучепреломляющих средах при произвольной геометрии акустооптического взаимодействия. В частности, теоретическое исследование двукратных рассеяний света с доплеровским смещением оптической частоты вверх и вниз, при которых наблюдается одновременное брэгговское отклонение света в +1 и -1 дифракционные порядки.
3. Экспериментальное исследование так называемой "аномальной" брэгговской акустооптической дифракции в кристаллах, существование которой не объясняется современной теорией АО взаимодействия.
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертационной работы, излагаются цели работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводится краткое содержание диссертации, отмечается новизна и практическая значимость проведенных исследований, приводятся сведения об апробации результатов работы.
Первая глава диссертации содержит необходимые для последующего изложения сведения из теории акустооптического взаимодействия, а также включает обзор важнейших опубликованных работ, посвященных вопросу акустооптического взаимодействия в анизотропных средах. Кроме этого, первая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию зависимостей брэгговского угла падения от акустической частоты для различных типов акустоолти1ческой дифракции в двулучепре-ломяяющей среде. Центральное место занимает анализ эффекта сдвига зависимости брэгговского угла падения от акустической частоты в случае изотропного акустооптического рассеяния необыкновенной оптической волны. Приведены результаты экспериментального исследования эффекта сдвига, выполненного с применением кристаллического парателлурита (Те02), а также кристалла КИР (КН2Р04).
Во второй главе диссертации рассматриваются многократные брэгговские аку-стоогтгические взаимодействия, среди которых особенное внимание уделено двукратным рассеяниям света, характеризующимся одновременной брэгговской дифракцией в + 1 и -1 дифракционные порядки. Проанализированы 3 группы двукратных взаимодействий: двойные анизотропные рассеяния, двойные изотропные, а также смешанные изотропно-анизотропные режимы дифракции. Кроме этого рассмотрены двукратные режимы брэгговской дифракции с одинаковым сдвигом оптической частоты. Приведен анализ трехкратных режимов брэгговского рассеяния, которым соответствуют дифракционные картины, содержащие четыре световых максимума (включая 0-й порядок). Помимо этого, вторая глава содержит анализ эффективности двукратной дифракции со смещением частоты света вверх и вниз, а также сведения о возможных практических применениях данной двукратной дифракции.
Третья глава диссертации посвящена аномальной акустооптической дифракции, которая не имеет полного объяснения в рамках существующей теории акустооптического взаимодействия. Теоретически показано, что при определенных геометриях взаимодействия изотропное акустооптическое рассеяние в кристаллах парателлурита и КВР должно отсутствовать. Однако, запрещенное теорией изотропное рассеяние, на-
— 7 —
званное "аномальной1' дифракцией, было обнаружено в ходе эксперимента. В третьей главе содержатся результаты детального экспериментального исследования аномальной дифракции в кристаллах парателлурита и КОР. Также предприняты попытки объяснить наблюдаемый эффект аномальной акустооптической дифракции.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Научная новизна работы
1. В диссертационной работе сделан анализ зависимостей брэгговского угла падения от акустической частоты при рассеянии необыкновенной оптической волны с сохранением поляризации. Измерены углочастотные характеристики дифракции, подтверждающие различный характер акустооптического изотропного рассеяния обыкновенной и необыкновенной волн.
2. Проведен подробный анализ всех режимов многократной брэгговской дифракции, существующих в одноосных оптических кристаллах. Рассмотрен случай произвольной плоскости акустооптического взаимодействия и произвольного направления волнового вектора ультразвука.
3. Рассчитана эффективность двукратной дифракции заданной оптической моды с одновременным отклонением света в +1 и -1 порядки дифракции. Исследован случай рассеяния при строгом фазовом синхронизме, а также случаи с нарушением синхронизма.
4. Обнаружена изотропная дифракция в двулучепреломляющих материалах, существование которой не объясняется современной теорией АО взаимодействия в кристаллах. Аномальная дифракция зарегистрирована на медленных сдвиговых волнах в кристалле парателлурита, а также в кристалле КОР. Новый тип дифракции исследован в широком диапазоне акустических частот - от 20 до 400 МГц при мощности ультразвука до 2,5 Вт.
Практическая значимость работы
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании акусто-оптических приборов на основе двулучепреломляющих материалов. Обоснована возможность использования двойных анизотропных взаимодействий для создания акусто-оптических устройств, нечувствительных к поляризации падающего света, что обеспечивает двукратный выигрыш по величине интенсивности выходного оптического луча.
Продемонстрирована перспективность использования двукратной дифракции для прецизионных измерений констант фотоупругости кристаллов, а также показана возможность применения двукратных взаимодействий в системах автоподстройки. Выявлены ситуации, когда многократные рассеяния могут пагубно сказаться на работе акустооп-тических приборов.
Практическая значимость обнаружения аномальной дифракции в двулучепре-ломляющих кристаллах, а также результатов ее экспериментального исследования состоит в том, что зарегисгрированный эффект стимулирует развитие теории акустоопти-ческого взаимодействия в анизотропных средах. Кроме этого, показано, что аномальное акустооптическое рассеяние необходимо принимать во внимание при разработке новых акустооптических устройств.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В косых срезах двулучепреломляющих кристаллов в случае изотропной акустооп-тической дифракции необыкновенной волны существует эффект сдвига зависимости брэгговского угла падения от акустической частоты относительно соответствующей зависимости для изотропной дифракции обыкновенной волны. Величина угла сдвига зависит от двулучепреломления кристалла, а также от ориентации плоскости акустооптическою взаимодействия в кристалле и направления распространения ультразвука.
2. В одноосном кристалле при фиксированной плоскости акустооптического взаимодействия и заданном направлении волновою векгора акустической волны возможно наблюдение до 30 различных режимов двукратной брэгговской акустооптической дифракции. В том числе 20 режимов двукратной дифракции Брэгга характеризуются одновременным рассеянием света в +1 и -1 порядки дифракции.
3. В двулучепреломляющих кристаллах существует аномальное акустооптическое рассеяние, необъясняемос современной теорией акустооптического взаимодействия. Наблюдаемая эффективность аномальной дифракции .может составлять более 60% и превосходить при этом эффективность известного "нормального'1 рассеяния.
Апробация работы
По результатам проведенных исследований были сделаны доклады на международных конференциях:
9 —
- "Advances in Acousto-Optics '97" (Санкт-Петербург, 1997, [A2]);
- "7-th Spring School on Acousto-Optics and Applications" (Гданьск - Юрата, Польша, 1998, [АЗ]);
- "3-rd International Conference on Optical Information Processing". (Суздаль, 1999, [A4, A5]);
- "Advances in Acousto-Optics 2000" (5-th Conference of the European Acousto-Optic Club) (Брюгге, Бельгия, 2000, [A6]);
- "International Forum on Wave Electronics and It's Applications" (Санкт-Петербург, 2000, [A7, A8]);
- "8-th Spring School on Acousto-Optics and Applications joint with Advances in Acousto-Optics '01 - 6-th European Acousto-Optic Club Meeting" (Гданьск - Юрата, Польша, 2001, [All]);
- "IV International Conference for Young Researchers: Wave Electronics and It's Applications in the Information and Telecommunication Systems" (Санкт-Петербург, 2000, [A12]).
Также результаты исследований обсуждались на научных семинарах кафедры Физики
колебаний физического факультета МГУ и опубликованы в работах [А1-Л13].
— 10 —
ГЛАВА І
АНИЗОТРОПНЫЕ И ИЗОТРОПНЫЕ БРЭГГОВСКИЕ АКУСТООИТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ СРЕДАХ
§ 1.1. Дифракция Брэгга в изотропных и анизотропных средах
1ЛЛ, Акустооптическая дифракция в изотропной среде
Впервые взаимодействие света на ультразвуке наблюдалось в изотропной среде - в воде [4, 5]. С тех пор акустооптическая (АО) дифракция была реализована не только в жидкостях (глицерине, спирте и др.), но и в твердых изотропных телах - стеклах. Изотропные твердые среды оказались удобными для практических применений дифракции света на ультразвуке, на их основе были созданы первые акустооптические приборы - модуляторы и дефлекторы [82]. Более того, АО взаимодействие удалось зафиксировать даже в газовой среде - в воздухе [83, 84]. Таким образом, в принципе, явление АО дифракции можно наблюдать в изотропном веществе, находящемся в любом из трех агрегатных состояний - жидком, твердом или газообразном.
Любое АО взаимодействие может быть проиллюстрировано диаграммой волновых векторов [1, 2, 5, 81, 82], на которой указано взаимное расположение волновых векторов падающего и дифрагированного лучей света (к| и к^, соответственно), а также волнового вектора звука К. Брэгговскому режиму дифракции в изотропной среде соответствует векторная диаграмма, показанная на Рис. 1. Она выражает известное условие брэгговского фазового синхронизма [1-3,5]
МК = к„. (1)
Длина волнового вектора световой волны равна к - 2п п! Я, где Я - длина волны света, п - показатель преломления среды, а длина волнового вектора звука К-2к//К, где V- скорость звука в данной срсдс. Из условия брэгговского синхронизма (1) следует связь брэгговского угла падения вн (Рис. 1) и частоты ультразвука/:
ссчснис поверхности волновых векторов света
Рис. 1. Векторная диаграмма акустооптической дифракции в изотропной среде
БІП - ±-
2 п V
(2)
Знак "+" в выражении (2) берется в случае дифракции в плюс первый порядок, а знак и-’ для дифрак-
— 11 —
ции в минус первый порядок. В изотропных средах зависимость брэгговского угла падения от акустической частоты наиболее проста. В общем случае "углочастотная" зависимость вв{/) является одной из главнейших характеристик АО взаимодействия в произвольной среде. В заключение необходимо отметить, что при АО дифракции Брэгга в изотропных средах наблюдается только один дифракционный порядок.
1.1.2. Акустическая и оптическая анизотропия
Понятие анизотропии для АО материалов можно рассматривать в двух аспектах: с точки зрения акустических и оптических свойств среды. Как показывают исследования, и акустическая, и оптическая анизотропия оказывают принципиальное влияние на характер АО взаимодействия [1, 10, 13, 14, 18-81, 86 -91]. Известно, что акустически анизотропные материалы не всегда являются оптически анизотропными, т.е. двулучепреломляющшш. В частности, к оптически изотропным средам относятся кубические кристаллы.
И акустически, и оптически анизотропные среды характеризуются тем, что в них могут существовать, соответственно, акустические или оптические волны разных типов. Так, в случае оптически анизотропной среды существуют две оптические моды - обыкновенная (о) волна и необыкновенная (е) волна [92]. А в случае акустически анизотропного материала существуют три типа объемных акустических волн [89]. Наличие нескольких акустических и оптических мод в кристаллах обеспечивает гораздо большее разнообразие АО взаимодействий по сравнению с изотропной средой. С другой стороны, анизотропия скоростей распространения волн придает также совершенно новые свойства АО рассеянию в таких материалах.
1.1.3. Основные особенности АО дифракции в акустически анизотропных средах
Акустическая анизотропия по сравнению с оптической проявляется значительно сильнее: так, фазовые скорости звуковой волны в разных направлениях одног о и того же кристалла могут отличаться в несколько раз [88], в то время как показатели преломления для необыкновенной волны, распространяющейся в разных направлениях, отличаются друг от друга достаточно мало. Относительная разница между ними составляет обычно всего несколько процентов [81, 86, 91, 92]. Сильная акустическая анизотропия приводит к целому ряду специфических эффектов. Наиболее интересный из них - не-коллинеарность векторов фазовой и групповой скорости акустической волны, в резуль-
— 12 —
тате чего образуется так называемый "снос" акустической энергии [85, 88]. Примечательно, что в АО кристаллах угол между векгором Пойнтинга и вектором фазовой скорости акустической волны, иначе - угол акустического сноса, достигает нескольких десятков градусов. В кристалле парателлурита (Те02), например, он может составлять величину вплоть до 74° [93], а в кристалле каломели (Н&СЬ) до 70° [94]. В последнее время были разработаны оригинальные конструкции акустооптических приборов, в частности, АО фильтров, использующие эффект сноса энергии звука [95-98].
Если акустически анизотропная среда является оптически изотропной, то векторная диаграмма АО взаимодействия выглядит так же, как для изотропной среды (Рис. 1). С другой стороны, зависимость угла падения Брэгга от акустической частоты в этом случае будет определяться типом акустической моды и ориентацией акустического волнового вектора К, поскольку скорость звука Г, в кристалле является функцией направления.
Как известно, упругие и фотоупругие свойства материала определяют эффективность АО взаимодействия, характеризующуюся обычно величиной акустооптиче-ского качества М2 [1, 2, 99]. Меньшие скорости звука, например, приводят к большим значениям М2. Это обстоятельство, а также анизотропия эффекта фотоупругости [87-90], диктуют выбор определенных акустических мод и определенных срезов кристалла для более эффективной реализации АО взаимодействия. В общем случае анизотропия акустических и фотоупругих свойств материала требует поиска оптимальной геометрии АО взаимодействия в приборах для достижения большой эффективности дифракции. Выбор той или иной геометрии взаимодействия, как правило, является компромиссом в достижении желаемых характеристик АО прибора, таких как эффективность дифракции, потребляемая мощность, угловая аперту ра, спектральное и пространственное разрешение и др.
1.1.4. Принципиальные особенности АО дифракции в двулучепреломляющих кристаллах
Первые работы по АО рассеянию в двулучепреломляющих кристаллах относятся к 40-50-м годам двадцатого века [100, 101]. Средой АО взаимодействия в этих первых исследоваштях служил кристаллический кварц. Однако, интенсивные исследования акустооптического взаимодействия в двулучепреломляющих материалах начались только после работы Р. Диксона [18], опубликованной в 1967 г. Наблюдая брэгговское акустооптическое рассеяние в кристаллах кварца (а-БЮ;) и сапфира (а-А120з), Диксон впервые дал простую и наглядную интерпретацию процесса АО рассеяния в двулуче-
— 13 —
преломляющем кристалле, используя диаграммы волновых векторов. Диксоном также было показано, что условие фазового синхронизма (1) для анизотропной дифракции приводит к более сложному, чем (2), выражению для угла Брэгга.
В течение последних десятилетий акустооптика двулучепреломляющих материалов переживает бурное развитие. Это связано и с уникальными особенностями АО взаимодействия в оптически анизотропной среде, и с новыми эффективными АО материалами, большинство из которых являются двулучепреломляющими. К таким высокоэффективным АО материалам относятся парателлурит (ТеОг), молибдат свинца (РЬМоОД кальцит (СаСоз) и др. Более того, эти материалы характеризуются достаточно большими величинами оптической анизотропии: базовые показатели преломления пе и п0 для необыкновенной и обыкновенной волн, соответственно, у них отличаются на величину порядка десяти процентов. Кроме того, имеется ряд перспективных АО материалов с еще более ярко выраженной оптической анизотропией. Так, у кристаллов каломели и (в инфракрасном диапазоне) теллура различие пе и п0 составляет около 30 %.
Интересно, что даже умеренная оптическая анизотропия кардинально меняет характер АО взаимодействия по сравнению с недвулучепрсломляющей средой. Это связано с тем, что в оптически анизотропной среде появляются принципиально новые типы АО взаимодействия, характеризующиеся изменением оптической моды при дифракции с обыкновенной на необыкновенную или наоборот [18, 100]. Эти новые виды дифракции со сменой оптической моды в дальнейшем получили название "анизотропной" дифракции [1]. Анизотропная дифракция характеризуется более сложными зависимостями брэгговского угла падения 0В от частоты ультразвука/ Эти зависимости оказываются существенно немонотонными и неоднозначными; в частности, они имеют точки с вертикальными (с!//<10й=О)и горизонтальными (dOB/d f - 0) касательными. Особенности анизотропной дифракции к настоящему времени уже достаточно хорошо изучены и находят многочисленные применения в АО приборах [1, 8, 10, 13-16]. Особые геометрии анизотропного рассеяния позволяют во много раз улучшить параметры таких приборов, как дефлекторы и фильтры, по сравнению с аналогичными приборами на основе изотропных материалов.
Примечательно, что все двулучепреломляющие среды являются одновременно и акустически анизотропными. Однако, в большинстве случаев оказывается возможным разделить влияние акустической и оптической анизотропии на АО дифракцию. В диссертации рассматриваются эффекты, связанные, в основном, с оптической анизотропией, причем, акустическая анизотропия не оказывает на эти эффекты принципиального влияния и сказывается лишь на значении фазовой скорости звука в данном направле-
— 14 —
нии. Следует отметить, что эффекты, определяемые анизотропией фазовой и групповой скоростей звука, неколлинеарностью векторов групповой и фазовой скорости акустической волны, в диссертации не рассматриваются.
Интересной особенностью АО взаимодействия в двулучепреломляющих средах является то, что при определенной геометрии взаимодействия, т е. при определенных брэгговских углах падения и соответствующей акустической частоте, можно наблюдать брэгговскую дифракцию, осуществляющуюся в два и даже в три дифракционных порядка одновременно [1, 13, 31]. При этом брэгговское условие фазового синхронизма строго выполняется для каждого из дифракционных порядков. Таким многократным режимам дифракции посвящена глава II данной диссертационной работы. Во второй главе впервые проанализированы и систематизированы все режимы многократной дифракции Брэгга на монохроматическом пучке ультразвука, в том числе рассмотрены ранее не известные сложные случаи АО взаимодействия. Также в диссертации даны предложения по возможным практическим применениям новых случаев брэгговского рассеяния.
1.1.5. Изотропная и анизотропная дифракция в двулучепреломляющих средах
Наряду с анизотропной дифракцией в оптически анизотропных кристаллах существуют также АО взаимодействия, не сопровождающиеся изменением оптической моды. По сложившейся терминологии такие взаимодействия принято называть "изотропной" дифракцией. При этом только изотропная дифракция обыкновенной волны в полной мере аналогична дифракции в изотропной среде. В частности, она имеет аналогичные изотропной среде зависимости брэгговского угла падения от частоты. С другой стороны, изотропная дифракция необыкновенной волны, хотя и близка к случаю рассеяния в изотропной среде, но все же несколько отличается от него. Эти особенности АО рассеяния необыкновенной волны с сохранением поляризации рассмотрены в диссертации в главе I. Следует отметить, что по своей сути данный тип дифракции является анизотропным явлением, то есть характер "изотропного" АО рассеяния в принципе зависит от ориентации взаимодействующих волн в кристаллической среде. Поэтому термин "изотропная дифракция" для двулучепреломляющей среды следует признать не слишком удачным, поскольку на самом деле речь идет скорее об "одномодовой" (называемой изотропной) и "двухмодовой" (называемой анизотропной) дифракции. Однако, в дальнейшем для любого АО рассеяния с сохранением типа световой волны будет все же использоваться общепринятое название "изотропная дифракция".
— 15 —
Дифракция {о) волны
Изотропная дифракция Анизотропная дифракция
/— іс
(оо) - взаимодействие
Дифракция (е) волны
К
Ь-
к ;
(ее) - взаимодействие
(ео) - взаимодействие
Рис. 2. Изотропная и анизотропная дифракция в двулучепреломляющих кристаллах
В общем случае при АО дифракции в возможны четыре варианта преобразования оптической моды (Рис. 2). В случае анизотропной дифракции необыкновенный луч трансформируется в обыкновенный ("ео-дифракция"), а (о) волна преобразуется в (е) волну ("ое-дифракция"). И, кроме того, существуют изотропные процессы дифракции световых волн двух типов, обозначаемые как (ее) и (оо) процессы. На каждый из указанных типов АО рассеяния в случае брэгговского режима налагается свое условие фазового синхронизма, аналогичное условию (1): анизотропная дифракция (ео) -анизотропная дифракция (ое) -изотропная дифракция (оо) -изотропная дифракция (ее) -
Гек* кГ.
С±К = к<'>; к‘<>>±К = к“; к<'>±К = к;°,
(3)
(4)
(5)
(6)
(ое) - взаимодействие
16