Оглавление
Введение. Обращение волнового фронта (ОВФ) в акустике (обзор)
§1. Актуальность темы работы, новизна, защищаемые положения, практическая ценность, апробация резул!>татов 1
§2. Основные принципы формирования ультразвуковых волн с обращенным фронтом 10
§3. Параметрический механизм ОВФ ультразвука, основанный на пространственно-однородной модуляции скорости звука в среде взаимодействия §3.1. Доиороговый режим параметрического обращающего фазу усилителя звука 23
§3.2. Запороговый режим параметрического обращающего фазу усилителя звука 40
§3.3. Искажения гауссовского пучка при параметрическом ОВФ ультразвука 49
Цели диссертационной работы 56
Глава I. Параметрический обращающий фазу усилитель ультразвука с активным элементом на основе поликристаллического никель-кобальтового феррита
Вводные замечания 57
§1.1. Основные особенности динамики ОВФ ультразвука при запороговом параметрическом магнитоупругом взаимодействии в никсль-кобальтовых ферритах 60
§1.2. Система параметрической накачки твердотельных ОВФ - усилителей ультразвука 90
§1.3. Акустическое согласование твердотельного ОВФ-элемекта с жидкой средой распространения ультразвуковых пучков 102
§1.4. Адаптация твердотельных систем ОВФ, нагруженных на жидкость, для работы с ультразвуковыми пучками с широким пространственным спектром 109 Заключительные замечания 120
Глава II. Визуализация акустических полей и волновых фронтов при запороговом параметрическом ОВФ ультразвуковых пучков
Вводные замечания 122
§2.1. Визуализация полей прямых и обращенных ультразвуковых пучков при их распространении в плавленом кварце 124
§2.2. Визуализация волновых фронтов прямого и обращенного ультразвуковых пучков при их распространении в жидкости 132
Заключительные замечания 139
Глава III. Особенности распространения ультразвуковых пучков конечной амплитуды с параметрически обращенным волновым фронтом в однородной среде
Вводные замечания 141
§3.1. Структура поля квазиплоского ультразвукового пучка конечной амплитуды с обращенным фронтом в однородной среде 143
§3.2. Структура поля сфокусированного ультразвукового пучка конечной амплитуды с обращенным фронтом в однородной среде 162
§3.3. Численное моделирование распространения обращенных ультразвуковых пучков конечной амплитуды в однородной среде 171
Заключительные замечания 189
Глава IV. Параметрическое ОВФ гармоник ультразвуковых пучков конечной амплитуды и рстрофокусировка обращенных пучков в среде с фазовыми неоднородностями
Вводные замечания 190
§4.1. Ретрофокусировка ультразвукового пучка конечной амплитуды с параметрически обращенным волновым фронтом в среде с фазово-неоднородным слоем 192
§4.2. Запороговое параметрическое ОВФ второй гармоники сфокусированного ультразвукового пучка конечной амплитуды 198
§4.3. Рстрофокусировка через фазово-неоднородный слой при ОВФ второй гармоники ультразвукового пучка конечной амплитуды 207
§4.4. Параметрическое обращение нелинейной ультразвуковой волны 214
Заключительные замечания 222
Глава V. Экспериментальная демонстрация возможностей практического использования ультразвуковых пучков с параметрически обращенным волновым фронтом
Вводные замечания 224
§5.1. Самонаведение ультразвуковых пучков с обращенным фронтом на рассеивающие объекты в жидкости 228
§5.2. Прототип акустоскопа с использованием эффекта параметрического ОВФ ультразвука. Линейный режим распространения ультразвуковых волн 234
§5.3. Умножение частоты в акустоскопии с использованием запорогового параметрического ОВФ ультразвука 238
§5.4. Использование запорогового параметрического ОВФ ультразвука в неразрушающем контроле качества стальных труб 253
Заключительные замечания 264
Заключение и основные результаты 265
Послесловие 266
Список литературы 268
Введение
В настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований, выполненных автором в период 1982-2008 г.г. в Научном центре волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, а так же, начиная с 1998 г., в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (1ЕММ, Лилль, Франция). В ходе комплексных исследований автором решен ряд актуальных и принципиальных проблем фундаментального характера, начиная от реализации параметрического ОВФ ультразвука с усилением с последующим выявлением основных особенностей распространения фазосопряжеииых ультразвуковых пучков конечной амплитуды в однородных и неоднородных средах, и заканчивая экспериментальной демонстрацией возможностей и выгод применения этих пучков в ряде приложений.
Обращение волнового фронта (ОВФ) в акустике (обзор)
§1. Актуальность темы работы, новизна, защищаемые положения, практическая ценность, апробация результатов
Актуальность темы
Проблема концентрации энергии в заданной области пространства в заданное время является одной из актуальных в физике распространения электромагнитных и акустических волн. Методы фокусировки излучения в однородных средах хороню известны и разработаны. Если же на нуги волнового пучка имеется фазово-неоднородная среда, то сфокусировать излучение обычными системами, например, линзовыми уже не удается. Традиционные алгоритмы управления многоэлементными приемно-и злу чающим и решетками, предназначенными для фокусировки излучения, также оказываются неэффективными, особенно в случайно-неоднородных средах. В большинстве случаев это происходит из-за отсутствия априорной информации о том, какие именно фазовые сдвиги вносятся в волновой пучок неоднородностями среды. Примеры такого рода случайно-неоднородных сред хорошо известны - это атмосфера и недра Земли, океан, биологические ткани, многие промышленные изделия, строительные конструкции и т.п. В основе одного из наиболее эффективных и красивых физических методов, позволяющих реализовать фокусировку волн в средах со случайными фазовыми неоднородностями, лежит открытое первоначально в оптике в середине 70-х годов XX века явление
обращения волнового фронта (ОВФ). С тех пор тематика ОВФ привлекает к себе внимание своеобразием физических свойств обращенных волновых пучков и теми уникальными возможностями, которые открывает применение техники ОВФ в физических исследованиях, неразрушающем контроле, технологии и медицине.
Под обращением волнового фронта понимается такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волны меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз (см. напр. [1]). В отличие от обычного зеркального отражения, соответствующего инверсии одной из пространственных координат, ОВФ представляет собой преобразование инверсии времени. Принципиальная возможность его реализации обеспечивается инвариантностью волнового уравнения в прозрачной среде по отношению к изменению знака времени. Преобразованию инверсии времени соответствует так называемое фазовое
сопряжение спектральных компонент поля: С/*,(г) = С^Дг), или для фаз
р(г) = -<р(г). в свою очередь, фазовое сопряжение соответствует смене знака
волновых векторов в пространственном спектре поля: если С/Дг) = У Ак{о>)е,Уг , а
к
иЛг) - УЛ(иУкГ > тогда вк{0>) = А.к(со) . Преобразование ОВФ в линейной и
к
стационарной среде может включать в себя пространственно однородное изменение интенсивности волнового поля и постоянную временную задержку (фазовый набег). В зависимости от того, каким способом достигается эффект ОВФ в различных конкретных условиях, о нем говорят или как о преобразовании обращения времени (ОВ) или как об обращении волнового фронта (ОВФ).
Наиболее важным свойством волн с обращенным фронтом является компенсация фазовых искажений, внесенных в обращаемую волну неоднородной средой, включая компенсацию потерь на упругое рассеяние. Используя это свойство, можно осуществить автофокусировку или «самонацеливание» волновых пучков на рассеивающие объекты, в том числе и через фазовонеоднородную среду. Реализацию указанных эффектов схематически иллюстрирует Рис. 1.
2
Рис.1. Схема автофокусировки или “самонацеливания” ультразвуковых пучков с использованием эффекта ОВФ. 1 - источник ультразвуковых волн, 2 - объект, 3 - фазовонеоднородная среда, 4 - ОВФ-зеркало.
Объект 2, на который необходимо сфокусировать излучение через слой фазово-неоднородной среды 3, подсвечивается источником 1 (для простоты на Рис Л изображен плоский источник). Волновой фронт рассеянного объектом излучения, проходя через неоднородность, искажается и в таком виде попадает в систему ОВФ. В ней формируется волновой пучок с обращенным волновым фронтом, который, в силу принципа ОВФ, воспроизводит в обратной последовательности все стадии эволюции пространственной структуры попавшего в систему ОВФ рассеянного пучка. В частности, после прохождения через ту же самую неоднородность, обращенный пучок становится сходящимся, фокусируясь на объект.
Важно, что существуют физические процессы, позволяющие создавать системы ОВФ реального времени, которые автоматически адаптированы к разнообразным формам фронта волнового пучка. Другими словами, в таких системах волна как бы сама создаст для себя именно то «зеркало», форма которого точно совпадает с формой ее волнового фронта, что и обеспечивает для нее эффект ОВФ.
При всей общности идеи обращения фронта реализация ОВФ для волн различной физической природы отличается друг от друга. 'Гак, бурное развитие исследований по ОВФ в оптике, хотя и стимулировало изучение ОВФ в акустике, тем не менее, не позволило напрямую перенести в нее оптические методы ОВФ. Специфика ОВФ в физической акустике обусловлена спецификой волновых, в частности, дисперсионных свойств акустических сред, взаимодействиями, обеспечивающими реализацию ОВФ, пространственно-временной структурой акустических пучков, подлежащих обращению, и, наконец, практическими потребностями, в решении которых перспективно использование явления ОВФ.
3
Все это потребовало разработать и реализовать особые методы обращения фронта ультразвуковых волн и в последующем изучить свойства обращенных ультразвуковых пучков [2]1.
Среди методов ОВФ ультразвука особый интерес представляет параметрическое фазовое сопряжение волн за порогом абсолютной неустойчивости в твердом теле, находящемся во внешнем переменном электрическом или магнитном иоле. В этом случае возможна эффективная перекачка энергии ноля, модулирующего скорость звука в среде, в энергию акустических волн, что обеспечивает их усиление в реальном времени. В известных реализациях такого способа ОВФ ультразвука в качестве обращающей среды применялись монокристаллы, а частота обращенных УЗ волн находилась, как правило, в диапазоне сотен мегагерц и выше. Однако монокристаллы, как известно, характеризуются сильной анизотропией параметрического взаимодействия, поэтому они пригодны только для ОВФ коллимированных УЗ пучков. В тоже время для приложений ОВФ ультразвука основной интерес представляют УЗ пучки с частотой порядка единиц мегагерц и с широким пространственным спектром. По этим причинам потребовался поиск других твердотельных сред, которые обладают минимальной анизотропией параметрического взаимодействия при гораздо более высокой чувствительности скорости звука к изменениям внешнего модулирующего поля, чем в монокристаллах, что необходимо для компенсации паления эффективности параметрического ОВФ, возникающей при понижении частоты на два-три порядка.
Другой нерешенной, но принципиальной в исследованиях по ОВФ, проблемой являлось отсутствие прямых экспериментальных исследований пространственной структуры акустических полей обращаемого и обращенного пучков. Ранее утверждения об ОВФ основывались лишь на косвенном экспериментальном факте обращения времени в параметрических эхоимпульсных последовательностях. Наконец, реализация параметрического ОВФ с усилением даст основание предполагать, что начальная интенсивность обращенных пучков может быть достаточно велика для проявления нелинейных эффектов при распространении. Такой характер распространения обращенных УЗ
1 Работы с участием автора помечены в тексте и списке цитированной литературы подчеркиванием.
4
пучков также необходимо изучать, т.к. при этом, очевидно, нарушается временная инвариантность волнового уравнения.
Несмотря на то, что использование ОВФ целесообразно и может дать наибольший эффект в средах с неоднородностями, и в однородных средах применение ОВФ ультразвука может быть оправданно, например, для создания авгоконфокальных систем, не требующих точной юстировки или при разработке методов безлинзового построения акустических изображений. Кроме того, как будет показано далее, благодаря возможности с помощью параметрического метода обращать фронт отдельных гармонических составляющих ультразвуковой волны конечной амплитуды, и тому, что и сама обращенная волна также может быть нелинейна, можно с успехом одновременно использовать преимущества, предоставляемые как техникой ОВФ, так и современными достижениями нелинейной акустики.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена, с одной стороны, потребностями, существующими в научной и практической деятельности, по компенсации фазовых искажений, возникающих при распространении ультразвуковых пучков в неоднородных средах, а также по точной фокусировке ультразвука на различные объекты, а с другой -возможностями, которые предоставляет для решения подобных задач использование явления ОВФ. Результаты, получаемые при изучении ОВФ - это физическая основа для создания принципиально новых ультразвуковых методов исследования сред, образцов ультразвуковой техники и технологии, повышения возможностей существующих методов и устройств.
Научнаи новизна результатов, представленных в диссертации, состоит:
в использовании поликристаляическнх никель-кобальтовых ферритов специального состава и оригинального усилителя мощности накачки таких ферритов, что впервые позволило реализовать запороговое параметрическое ОВФ в реальном времени в диапазоне 1-10 МГц с высоким, свыше 100 дБ, усилением для УЗ пучков с широким пространственным спектром;
- в применении светоотверждаемого полимера для акустического согласования твердотельного обращающего элемента с жидкой средой, что позволяет существенно: в несколько раз, повысить чувствительность и выходную мощность твердотельных параметрических ОВФ-усилигелей ультразвука, нагруженных на жидкую среду, при удовлетворительном качестве ОВФ;
- в экспериментальном обнаружении и исследовании характерных особенностей
нелинейного распространения фазосопряженных ультразвуковых пучков различной геометрии;
- в реализации эффекта самонаведения УЗ пучков на случайно расположенные в жидкости стационарные и хаотически движущиеся объекты различной формы;
- в предложении, разработке и экспериментальной реализации метода спектральной селекции гармоник нелинейного УЗ пучка с одновременным ОВФ и усилением выделенной гармоники;
- в прямой экспериментальной демонстрации рстрофокусировки УЗ пучков с обращенным фронтом при их нелинейном распространении в жидкой среде, содержащей слой, вносящий фазовые искажения;
- в экспериментальной демонстрации возможностей применения и преимуществ запорогового ОВФ ультразвука в акустоскопии и неразрушающем контроле.
Совокупность полученных в диссертации результатов представляет собой новое крупное научное достижение в исследованиях проблемы ОВФ ультразвука, что позволяет говорить о формировании и развитии нового направления в физической акустике - «нелинейной акустики параметрически обращенных ультразвуковых пучков».
Практическая ценность работы определяется тем, что:
- Создан новый инструмент для ультразвуковых исследований - параметрический обращающий фазу усилитель звука. Использование в качестве параметрически активной среды поликристаллического материала с профилированной рабочей поверхностью обеспечило хорошее качество ОВФ для УЗ пучков с широким пространственным спектром, простоту изготовления, надежность. Оригинальный усилитель мощности импульсов параметрической накачки, входящий в состав ОВФ-усилителя, по сравнению с известными аналогами обладает существенно лучшими массо-габаритными характеристиками и более низкой потребляемой мощностью, обеспечивая при этом необходимые амплитуды поля накачки. Разработанный параметрический ОВФ-усилитель уже используется в научных лабораториях России и Франции и может служить прототипом специализированных приборов, перспективных в таких областях, как медицина, неразрушающий контроль, системы акустической диагностики;
- Предложен и физически обоснован ряд методов и принципов практического использования ОВФ ультразвука, среди которых: автоматическая безлинзовая фокусировка УЗ пучков на случайно расположенные статические и движущиеся объекты, линейная и нелинейная акустоскопия объектов, находящихся в среде с'
фазовыми неоднородностями, ультразвуковая диагностика дефектов изделий сложной формы;
- Найден новый для физики ультразвука материал - светоотверждаемый полимер, акустический импеданс которого близок к теоретически оптимальному значению для согласования феррита с водой. Это позволило реализовать акустическое согласование твердых и жидких сред без использования каких-либо склеек для фиксации четвертьволнового слоя из этого материала и экспериментально подтвердить его высокую эффективность;
Таким образом, на основе занорогового параметрического ОВФ ультразвука можно создавать новые образцы ультразвуковой техники и технологии, что существенно расширяет возможности и области применения ультразвука и позволяет решать задачи, недоступные для традиционных методов и подходов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Поликристаллические ферриты специального состава и оригинальный усилитель мощности импульсов накачки таких ферритов обеспечивают в диапазоне 1-10 МГц запороговый режим параметрического ОВФ ультразвуковых пучков с широким пространственным спектром с высоким, более 100 дБ, динамическим диапазоном усиления в реальном времени.
2. Самонаведение ультразвуковых пучков на случайно расположенные стационарные и хаотически движущиеся объекты реализуемо за счет занорогового параметрического ОВФ ультразвука.
3. Ретрофокусировка фазосопряженных УЗ пучков при их нелинейном распространении возможна не только в однородных, но и в фазово-неоднородных средах.
4. Запороговое параметрическое ОВФ обеспечивает обращение фронта с усилением для отдельной гармоники нелинейного ультразвукового пучка.
5. Использование запорогового параметрического ОВФ ультразвука позволяет получить существенный выигрыш в скорости диагностики дефектов в стальных трубах с достаточной в условиях производства информативностью.
Апробация результатов.
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных форумах:
International Symposium on Nonlinear Acoustics, Novosibirsk, 1987; 2-nd Européen Conference on Quantum Electronics, Dresden 1989; 1-cr Congres Français
7
d’Acoustiquc, Lyon, France, 1990; 15-ая Всесоюзная конференция
"Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела", Ленинград, 1991; 2-nd France Conference on Acoustics, Arcachon, France, 1992; Memorial R. Khohlov's Conference "Nonlinear waves in non-homogeneous media", Moscow, MSU, 1996; World Congress on Ultrasonics, Yokohama 1997, Japan; Joint meeting of the Acoustical Society of America and the European Acoustics Association, Berlin, Germany, 1999; Third International Conference On Optical Signal and Data Processing, Moscow, 1999; “Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA 15”, Goettigen, Germany, 1999; 17,h International Congress on Acoustics - ICA17, Rome, Italy, 2001; Ultrasonics International, Delft, Netherlands, 2001; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодая наука -XXI веку", Иваново, 2001; ВКПСФ-7, Санкт-Петербург, 2001; I42nd Meeting: Acoustical Society of America; 16-th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Moscow, MSU, 2002; международная научно-техническая конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» Москва, МИРЭА, 2002; 6th France Conference on Acoustics, Lille, France, 2002; Конференция "Ломоносов 2003", Москва, МГУ, 2003; XIII-ая сессия РАО, Москва, 2003; 146th Meeting Acoustical Society of America; 2nd International conference “Frontiers of nonlinear physics”, Nigny Novgorod - St.-Petersburg, Russia, 2004; Joint workshop of RAS and SFA: “High intensity acoustic waves in modem technological and medical applications”, Moscow, 2005; 8th French Acoustic Conference, Tours, France, 2006; International conference “Functional Materials - ICFM”, Partenit, Crimea, Ukraine, 2007. Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах ИЦВИ ИОФ РАИ, ИОФ РАН, ФИАН, кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института, Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция), МИРЭА, Лаборатории акустики Университета дю Мэн (LAUM, Ле Мам, Франция), Совете Директоров Европейской ассоциированной лаборатории нелинейной магнитоакустики (LEMAC).
Результаты, вошедшие в данную диссертацию, были также отмечены присуждением автору премии Ленинского комсомола (1987 г.), премии Института общей физики РАН за лучшую экспериментальную установку (1988 г.), премии Института общей физики РАН для молодых ученых (1989 г.), премии издательства МАИК за лучшую публикацию года в Акустическом журнале (2000 г.), премии РАН по радиофизике им. Л.И. Мандельштама (2006 г.).
8
Выполнение работ по тематике диссертации было поддержано РФФИ (с 1993 г. но настоящее время), Международным научным фондом - International Science Foundation (ISF) (1994-1995 г.г.), Американским фондом гражданских исследований - US Civilian Research and Development Foundation (CRDF) (1996-1997 г.г. и 2003-2004 г.г.), Национальным центром научных исследований (Франция) - Centre National de la Recherhe Scientifique (CNRS) (с 1998 г. no настоящее время, причем, начиная с декабря 2004 г. в рамках Европейской ассоциированной лаборатории нелинейной магнитоакустики - LEMAC), посольством Франции в Москве (2006, 2007 г.г.), фондом поддержки ведущих научных школ Президента РФ (с 2004 г. по настоящее время).
Публикации.
Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в одном Авторском Свидетельстве СССР и 33 статьях, 27 из которых входят в список ВАК, в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, таких как Успехи физических наук, Акустический журнал, Известия РАН, серия физическая, Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖТФ, Труды ФИАН, Physics Letters, The Journal of the Acoustical Society of America, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroeleclrics, and Frequency Control, Ultrasonics и других. Кроме того, по материалам диссертационной работы имеется более 30 публикаций и тезисов докладов в трудах всесоюзных, российских и международных конференций.
Личный вклад автора.
Все результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при ею непосредственном участии. Автор производил выбор направлений исследований, определял цели и методы работы, осуществлял постановку задач и проведение работ, производил обработку и анализ результа тов.
Структура н объем диссертации.
Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 287 страницах и содержит 131 рисунок. Список литературы включает 201 наименование.
9
§2. Основные принципы формирования ультразвуковых волн с
обращенным фронтом
Каковы бы ни были способы и механизмы формирования волн с обращенным фронтом, основой ОВФ является известный еще со времен Гюйгенса и Юнга дуализм решения волнового уравнения. Сущность его сводится к тому, что данным граничным условиям всегда соответствуют две волны, совпадающие тождественно во всем пространстве, но распространяющиеся в противоположных направлениях. Существование этих двух волн, как уже говорилось, следует также из инвариантности волнового уравнения относительно смены знака времени. Уже достаточно давно в литературе по оптике и радиолокации обсуждаются возможности использования "обращенной" волны для решения различных практических задач, а также способы реализации такой волны в реальных системах [1,3]. Широкие перспективы приложений существуют так же и для устройств обращающих фазу звуковой волны. Рассмотрим различные принципы и методы, позволяющие реализовать обращение волнового фронта (или времени) в акустике [4].
Один из возможных вариантов - это реализация алгоритма сопряжения фазы с помощью радиоэлектронных систем. В этом случае в радиоэлектронной многоканальной параметрической системе квазигармонический сигнал с отдельного приемного преобразователя электронным способом смешивается с сигналом двойной частоты, в результате чего в каждом канале формируется фазово-сопряженный сигнал. При этом пространственное распределение фазы по решетке повторяет ее распределение в падающей волне. Развязка входа и выхода достигается за счет использования в каждом канале двух близко расположенных пьезоиреобразователей, работающих соответственно на прием и излучение. На данном принципе на частоте 300 Кгц было реализовано одномерное ОВФ зеркало из 20-ти элементов [5]. Однако, из-за резкого усложнения конструкции параметрической решетки в случае повышения рабочей частоты и перехода на двумерные матрицы, устройства такого типа не получили сколько-нибудь широкого распространения.
Реализация сопряжения фазы возможна также с помощью многоканальных приемо-излучающих решеток и цифрового преобразования сигнала на ЭВМ. Поканальное инвертирование во времени принятого сигнала позволяет при излучении создать на решетке амплитудно-фазовое распределение,
10
соответствующее волне с обращенным временем (фронтом) [6,7]. В последние годы на основе использования современной микропроцессорной техники и технологии матричных пьсзопрсобразователей этот подход получил реальное техническое воплощение [8] и дал возможность реализовать ОВФ системы с сотнями элементов решетки и рабочей частотой около 5 МГц [9]. К их достоинствам можно отнести наличие достаточно широких возможностей при обработке импульсных сигналов и возможность целенаправленного корректирования синтезируемого амплитудно-фазового распределения. Однако радиоэлектронные системы такого типа продолжают оставаться исключительно сложными в управлении, громоздких«и и дорогостоящими.
Методы динамического ОВФ, основанные на непосредственном использовании определенных особенностей волновых процессов в различных средах и физических условиях, качественно отличаются от радиотехнических. Наиболее успешно развитыми оказались методы, разработанные для ОВФ электромагнитных волн оптического диапазона [1]. При этом используются главным образом различные виды вынужденных рассеяний (ВР) [10-12], например, вынужденное рассеяние Маидельштама-Брилюэна (ВРМБ), а также многофотонные (в основном трех- и четырехфотонные) взаимодействия, что позволяет получать ОВФ с одновременным усилением.
Физические принципы ОВФ в применении к акустике анализировались в работах [13-15]. Основное внимание при этом было сосредоточено на таких процессах, в которых формирование обращенных звуковых волн сопровождалось бы их усилением. По аналогии е нелинейной оптикой были рассмотрены механизмы обращения, использующие собственную нелинейность акустической среды. К ОВФ в нелинейной среде могут приводить четырехволновые взаимодействия голографического и параметрического типа. В голографическом механизме информация об амплитудно-фазовом распределении в сигнальной волне записывается в процессе ее взаимодействия с волной накачки той же частоты. Запись осуществляется в виде пространственно неоднородного квазистагического возмущения среды. Обращенная волна генерируется при считывании динамической голограммы второй волной накачки, фазосопряженной к первой и распространяющейся навстречу записывающей волне. В параметрическом механизме встречные волны накачки осуществляют пространственно однородную модуляцию параметров среды на частоте, удвоенной по отношению к частоте звуковых волн. Обращенная волна возникает
11
как результат параметрического взаимодействия сигнальной волны с переменным возмущением активной среды. И голографический и параметрический механизмы принципиально позволяют г-снсрировать обращенную волну, усиленную по отношению к падающей.
В работах [14,161 обсуждался голографический механизм ОВФ в жидкостях, содержащих взвешенные частицы или пузырьки газа, способные упорядочиваться под действием акустических пондеромоторных сил. Экспериментально обращение такого типа было реализовано на взвеси в работе [16]. Качество ОВФ, контролируемое по качеству акустического изображения тестового объекта, построенного обращенной волной, оказалось весьма высоким, однако эффективность ОВФ-преобразования на такой акустической голограмме оказалась весьма мала - около 1%. Время формирования такой голограммы было достаточно большим, что не позволяет отнести такое обращения к разряду динамического ОВФ. В работах [17-19] был предложен и экспериментально реализован голографический механизм ОВФ в реальном времени, использующий нелинейность радиационного давления звука на поверхность раздела жидкость-газ. Эффективность обращения в воде при этом составила около 5% и ограничивалась побочными нелинейными эффектами искажения поверхности, обусловленного самофокусировкой звука. Подбором граничащего с водой тонкого слоя другой жидкости удалось так оптимизировать характеристики поверхности их раздела, что эффективность ОВФ удалось увеличить до уровня, близкого к единице. Это позволило наблюдать эффект активного гашения звукового поля с помошыо ОВФ, предсказанного в работе [20]. Для реализации объемного голографического механизма ОВФ звука было также предложено [21] использован, температурный механизм модуляции скорости звука, при котором дифракционная решетка образуется за счет неравномерного нагрева жидкости в области интерференции сигнальной волны с волной накачки. Однако, как было показано, такой механизм применим для целей ОВФ лишь в специальных случаях сильно вязких жидкостей. В «пузырьковом» механизме дифракционная решетка возникает за счет группирования пузырьков в звуковом поле. Рассматривались расслаивающиеся жидкости, которые под действием акустического нагрева переходят в двухфазное состояние [13] с соответствующим акустическому полю пространственным распределением фаз.
Как отмечалось в работах [13-15], практическую реализацию ОВФ на гидродинамической нелинейности в обычных жидкостях затрудняет, характерная
12
для нелинейной акустики в целом [22], особенность, связанная с отсутствием дисперсии ультразвука. При интенсивностях волн накачки, необходимых для реализации эффективного ОВФ, параллельно и быстрее всего в них развиваются процессы перекачки энергии “вверх” по спектру, приводящие к образованию пилообразных волн с возникающим при этом нелинейным затуханием. Для внесения дисперсии и усиления нелинейности предлагалось использование жидкостей, содержащих пузырьки воздуха [23]. Экспериментально в системе такого типа наблюдался невырожденный трехволновый процесс генерации обращенной волны с эффективностью около 1% [24].
Отметим достоинства и недостатки голографического механизма акустического ОВФ. К первым можно отнести экспериментально продемонстрированное в работах [16,19] высокое качество акустического ОВФ, а так же то существенное обстоятельство, что голографическая схема пока единственная, позволяющая реализовать ОВФ звука непосредственно в жидкости. Все это делает ее в определенных случаях более предпочтительной, несмотря на имеющиеся недостатки. В основном они сводятся к невысоким значениям коэффициента преобразования в обращенную волну и довольно малому быстродействию - от сотен микросекунд в поверхностном варианте [18,19] и до десятков секунд в объемном [ 16].
Указанных недостатков в значительной степени лишены акустические механизмы ОВФ, соответствующие параметрической схеме. Она не получила широкого распространения в оптике ([1], с.19])2, но оказалась основной для реализации ОВФ ультразвука мегагерцового диапазона. Работы Ф.В. Бункина, Д.В. Власова и Ю.А. Кравцова [13-15] дали мощный импульс к кардинальному изменению отношения к параметрическому способу ОВФ ультразвука. В них обоснована идея отказа от использования акустической накачки для модуляции параметров среды и указано на перспективность создания параметрических ОВФ-усилителей, использующих однородную модуляции скорости звука в активной среде переменными электрическими или магнитными полями [27]. Результаты этих работ оказались чрезвычайно важными и плодотворными для всего последующего развития исследований по параметрическому ОВФ в акустике. Они позволили не только по новому оцепить предшествующие результаты по параметрическим усилению и генерации прямых и обратных
2 отметим, что работы по параметрической генерации и усилению электромагнитных волн появились уже в начаче шестидесятых годов [25,26]
13
акустических волн в твердых телах, в том числе и многие упомянутые уже работы по электроакустическому эху (ЭАЭ) в монокристаллах и керамике, но и стимулировали выполнение целого ряда новых оригинальных работ, о которых пойдет речь в дальнейшем. Все это в целом позволило значительно продвинуться в решении проблемы ОВФ в акустике применительно к ультразвуковым волнам мегагерцового диапазона, представляющим основной интерес для приложений.
Отметим, что, как и для голографической схемы существует параметрический поверхностный вариант, в котором ОВФ достигается за счет синхронной по отражающей поверхности модуляции коэффициента отражения на удвоенной частоте. В акустических экспериментах [28,29] для этого использовались интенсивные акустические колебания пьезопластины с двойной звуковой частотой. Однако, как и в соответствующем голографическом варианте, амплитудный коэффициент вырожденного параметрического
ОВФ-прсобразования оказался невелик: Ксор -1% , что по порядку величины согласуется с теоретическими оценками [30]. В [31] дана теория ОВФ при нелинейном рассеянии звука на пульсирующей сфере.
Необходимость реализации параметрического ОВФ ультразвука вызвала повышенный интерес к поиску физических механизмов, которые бы могли обеспечить безынерционную по отношению к звуковой частоте и достаточно эффективную пространственно-однородную модуляцию скорости звука во внешних электромагнитных полях. В частности, в [27] предполагалось, что такая модуляция может быть обусловлена изменением параметров межмолекулярного взаимодействия при наложении внешнего электрического или магнитного полей на молекулярную среду. Величина и время установления изменения скорости звука очевидно определяются в этом случае конкретной физикой фонон-электромагнитного взаимодействия в среде, а последняя существенно определяется конкретной структурой вещества. В этой связи практический интерес представляет работа [32], где для регистрации и измерения модуляции скорости звука в среде предлагается использовать параметрическую генерацию звуковых колебаний в акустическом резонаторе, вызываемую модуляцией скорости звука в нем внешними силовыми электромагнитными полями.
В ряде обычных жидкостей экспериментальные исследования по обнаружении зависимости скорости звука от напряженности электромагнитного поля были предприняты уже достаточно давно [33], но никакой заметной (превосходящей 10'6-10'5) модуляции скорости звука зарегистрировано не было.
14
Позже определенные надежды возлагались [13] на магнитные жидкости. Однако, как показали результаты последующих работ [34-35], несмотря на значительную (более 1%) величину перестройки скорости звука, достигаемой уже в небольших (до 1кЭ ) магнитных полях, исследованные до настоящего времени магнитные жидкости не удовлетворяют условию на бсзынерционность модуляции: максимальное значение частоты, при которой модуляция может таковой считаться, составляет величину порядка 1 кГц [35]. Таким образом, до настоящего времени поиск параметрических механизмов в реальных жидкостях, к сожалению, не дал желаемого практического результата.
Постановка задачи практического создания акустических параметрических ОВФ-усилителей стимулировала поиск механизмов динамического управления акустическими параметрами твердых тел, способных обеспечить необходимую эффективность обращения ультразвука. Простейшим способом реализации акустического ОВФ в твердом теле является модуляция скорости звука переменным электрическим или магнитным полем. Различие на пять порядков скоростей акустических и электромагнитных волн позволяет легко создать электромагнитную накачку, практически однородно распределенную в активной области среды и захватывающую большое число длин ультразвуковых волн. Генерацию обратной волны при этом можно интерпретировать как результат распада фотона с частотой ыр и волновым вектором к-0 на два фонона с противоположными волновыми векторами к2=тк\ и частотами 0)1=0%=0^/2. Диаграмма, иллюстрирующая законы сохранения энергии и импульса в таком процессе, приведена на Рис.2. Отношение К стационарных амплитуд обращенной и сигнальной плоских волн, распространяющихся в акустически прозрачном параметрически активном слое толщиной / выражается простым соотношением ([46,27], см. так же след, раздел]3:
|КибрИ86М//4)
где /1"Ас/2с - глубина модуляции скорости звука во времени, с - невозмущенное значение скорости звука, к - волновое число. Глубина модуляции определяется напряженностью поля накачки и эффективностью его связи с кристаллической решеткой твердого тела.
' при /.1к1<2к
15
Рис.2. Векторная диаграмма, иллюстрирующая параметрическое взаимодействие акустических волн с электромагнитной накачкой.
В ряде работ исследовались возможности прямой модуляции силовых констант (скорости звука) различных твердых тел электрическим полем. В [47] рассчитана электроиндуцированная анизотропия акустических свойств изотропных сред, при этом для эффективности модуляции скорости звука была получена оценка 10'15 Е2„н (В/см). В [48] эти возможности изучались для центросимметричных кристаллов титаната стронция вблизи структурного фазового перехода. В [49] рассматривалась возможность изменения силовых констант ионных кристаллов во внешнем иоле за счет изменения положения равновесия частиц. Численные оценки для кристалла №С1 дачи значение относительного изменения скорости звука Дс/с-10"9 в предпробойном поле ЕВ|1~Ю/' СОБЕ. Для кристалла с ван-дер-ваальсовской связью влияние поля на динамику движения частиц в звуковой волне связано [50] с возникновением в среде индуцированного диполь—дипольного взаимодействия, что, с одной стороны, приводит к изменению положения равновесия в системе, а с другой вызывает появление дополнительных электрических сил, действующих на атомы при их взаимном смещении в звуковой волне. Оба указанных фактора модифицируют дисперсионные соотношения для акустических колебаний в кристалле, изменяя тем самым, значения скорости звука. 15 [50] был рассмотрен второй механизм, поскольку, являясь "мгновенным", именно он представляет наибольший интерес для целей ОВФ звука. Для идеального ван-дер-ваальсовского кристалла с простой кубической решеткой Браве численные оценки дали значение относительного изменения скорости звука Дс/с~КГ4 в поле Е*н~Ю9 СОБЕ.
Таким образом, из имеющихся данных по акустическим механизмам ОВФ, использующим методы "прямой" модуляции скорости звука, следует, что все они
16
требуют высоких напряженностей полей, близких к пробойным значениям. Достигаемая при этом величина модуляции // оказывается довольно малой, так что для целей ОВФ непосредственную модуляцию скорости звука оказывается целесообразным использовать только на гиперзвуковых частотах, на которых за счет достаточно большой величины к компенсируется малость (1, и тем самым, обеспечивается достаточно большое значение эффективной длины (/Д-Ы). Поэтому, с общей точки зрения на проблему ОВФ, представляет большой интерес, как в фундаментальном, так и прикладном отношении поиск и исследование других возможностей реализации параметрического ОВФ ультразвука. Весьма продуктивным в этом отношении оказался подход, связанный с использованием твердотельных электро- или магнито-акустичсских активных сред. Об одном из первых наблюдений параметрической генерации обращенных звуковых волн в подобном твердом теле сообщалось уже более сорока лет назад [36]. В дальнейшем эффекты акустического ОВФ параметрического типа неоднократно обсуждались, главным образом, в связи с исследованиями явлений фононного эха в кристаллах и порошках их них [37-42]. Обширная библиография поданному вопросу содержится в монографиях [43-45].
Такой подход интенсивно развивался теоретически и экспериментально и, как показало время, он оказался наиболее перспективным. Его отличает "непрямой" способ воздействия внешних электромагнитных полей на упругую подсистему твердых тел, приводящий к ОВФ звука, а именно, используется взаимодействие звука с мягкими модами коллективных возбуждений иной физической природы, что значительно расширяет возможности применения твердых тел для целей акустического ОВФ. Для реализации такой возможности необходимо выполнение двух основных условий. Первое - наличие какой-либо коллективной неакустической моды в твердом теле, "мягкой" к воздействию соответствующего внешнего силового поля. Второе - существование достаточно сильной связи между этой "мягкой" модой и упругой подсистемой твердого тела. При этих условиях, с одной стороны, акустическая волна уже не может рассматриваться как распространение чисто упругих возмущений, т.к. в этом случае фоном оказывается «одетым» в виртуальную "шубу" квазичастиц, отвечающих возбуждениям в "мягкой подсистеме". С другой стороны, при однородном воздействии внешнего поля на "мягкую" моду изменение величины модулирующего поля приводит к практически безынерционному изменению параметров акустической моды во всем объеме взаимодействия акустических
17
волн и электромагнитного поля и, благодаря этому, возникновению распадной неустойчивости с требуемым обращением акустического волнового фронта.
Одним из механизмов подобной модуляции является нелинейный пьезоэффект [36-40,51-60]. При этом экспериментально достижимая глубина модуляции скорости звука переменным электрическим полем обычно не превосходит долей процента [53,57,60]. Коэффициенты нелинейного пьезоэффекта могут заметно возрастать вблизи сегнетоэлектрических фазовых переходов благодаря взаимодействию звука с критической мягкой модой [44,61,62]. В магнетиках взаимодействие переменного магнитного поля с кристаллической решеткой опосредовано спиновыми возбуждениями. Акустические волны при этом существуют в форме в той или иной мере связанных магнитоупругих волн. Достижимая глубина модуляции скорости звука магнитным полем определяется величиной магнитострикции и динамическими особенностями спиновой подсистемы. Практически она может составлять единицы и даже десятки процентов. Связь проявляется наиболее сильно в условиях пересечения спектров звуковых и спиновых волн (магнито-акустический резонанс) [63-65]. Вне резонанса связь может существенно возрастать также вблизи спин-переориентационных переходов, когда одна из магнонных ветвей спектра становится критической мягкой модой [66-68]. При этом акустические возбуждения (квазифононы) содержат существенную примесь спиновой компоненты, что обеспечивает высокую чувствительность акустических параметров среды к изменениям магнитного поля и кардинально меняет всю гамму акустических свойств вещества [69,70]. В антиферромагнетиках релятивистская магнон-фононная связь дополнительно усиливается обменным взаимодействием [71-73]. Сильное влияние магнитного поля на скорость звука обнаруживается в магнитострикционных ферритах [74], ряде редкоземельных соединений с гигантской магнитострикцисй [75,76] и некоторых аморфных сплавах [77].
Другим примером взаимодействия звука с коллективными возбуждениями твердого тела служит фонон-плазмонное взаимодействие в полупроводниках, приводящее к ОВФ в условиях модуляции параметров полупроводниковой плазмы переменным электрическим или магнитным полем, а также модулированной оптической накачкой [78-94]. Фонон-плазмонная связь в этом случае осуществляется через деформационный потенциал или/и пьезоэффект, причем последний - наиболее сильный механизм такой связи, особенно в
18
ультразвуковом диапазоне. Исследовано два механизма обращения: первый -ОВФ на основе однородной модуляции заселенности зоны проводимости [84-86,88-90]; второй - ОВФ на основе однородной модуляции подвижности свободных электронов [91-92]. Показано, что для обоих указанных механизмов стационарное распространение звуковых пучков в среде сопровождается возникновением волны с обращенным фронтом с эффективной перекачкой энергии прямой волны в энергию обращенной. В работах [84,89,91,92] предполагалось, что связь электронной и акустической подсистем осуществляется за счет деформационного потенциала, а в [85,86,90,91] - за счет пьезоэффекта, и, как было показано, эффективность ОВФ ультразвука во втором случае существенно выше, чем в первом. В работе [87] приведены экспериментальные результаты, которые можно рассматривать как независимое экспериментальное подтверждение рассмотренной теоретически в [84-86,90] возможности параметрического ОВФ акустических волн с помощью дистанционной оптической накачки полупроводника.
При накачке полупроводника с помощью электрического поля направление вектора его напряженности, как правило, должно совпадать с направлением распространения параметрически взаимодействующих акустических волн. Этим обстоятельством обусловлены два основных недостатка, присущих рассматриваемому случаю: 1) - для эффективного взаимодействия требуются большие значения амплитуды прикладываемого к образцу электрического напряжения, т.к. необходимо обеспечить заданное значение напряженности электрического поля на всей длине взаимодействия; 2) - большая анизотропия фонон-плазмонного взаимодействия, обусловленная сильной анизотропией модуляции дрейфовой скорости электронов проводимости, что должно отрицательно сказываться на качестве ОВФ ультразвуковых пучков с широким пространственным спектром. Оптическая накачка полупроводника может быть более выигрышной в этих аспектах.
При заданной глубине модуляции скорости звука, эффективность параметрического ОВФ преобразования растет с ростом отношения длины области взаимодействия к длине акустической волны, а при фиксированном размере активной области, - с ростом частоты, что иллюстрируют результаты ряда работ. Так в уже упоминавшейся выше работе [36], параметрическое обращение бегущей акустической волны наблюдалось на гиперзвуковых частотах (/= 8.7 ГГц и 4.59 ГГц) в условиях магнито-акустического резонанса в
19
монокристалле железо-иттриевого граната. При этом было зарегистрировано значительное, более 55 дБ, усиление обратной волны. В пьезоэлектриках генерация обратной волны была детально исследована на монокристалле ниобата лития также в гиперзвуковом диапазоне (/=1.43 ГГц,/=0.55 ГГц) [53]. При этом усиление обратной волны достигало 67 дБ. На частоте 128 МГц усиление обращенной поверхностной волны наблюдалось в слоистой структуре пьезоэлектрик-полупроводник [95].
Снижение частоты до ультразвукового диапазона (/*<10 МГц), представляющего основной интерес для приложений ОВФ, сопровождается существенным снижением эффективности преобразования. В последние годы интенсивно исследуется возможность использования ЦТС-пьезокерамики для целей параметрического ОВФ объемных ультразвуковых волн [96,97]. Подбором поляризующего поля и сторонних механических напряжений эффективность ОВФ-преобразования в пьезокерамике удалось увеличить до 30% на частоте 10 МГц [97]. Существенное параметрическое усиление объемной обращенной волны ультразвукового диапазона, достигавшее 35дБ на частоте 30 МГц, было реализовано на антиферромагнитном монокристалле гематита [98]. Ранее на этом веществе наблюдались параметрическое возбуждение стоячих звуковых волн переменным магнитным полем [99] и невырожденная генерация обратной бегущей ультразвуковой волны в поле акустической накачки [100]. В последнем случае, генерация была обусловлена аномально сильным трехволновым взаимодействием связанных магнитоупругих возбуждений [101].
Во всех случаях, когда экспериментально наблюдалось существенное усиление обратной бегущей волны в твердом теле [53,95,98], уровни накачки превышали порог абсолютной параметрической неустойчивости фононов (или квазнфононов), определяемый условием: (&с/с)к1=л/2. По этой причине именно запороговый режим ОВФ привлекает к себе в настоящее время наибольшее внимание. В следующих 1-лавах рассмотрены основные его особенности, определяющие динамику усиления и качество воспроизведения амплитуднофазового распределения поля сигнальной волны.
Развитие мегодов ОВФ ультразвука тесно связано с прикладными исследованиями, демонстрирующими возможности практического использования обращенных волн в современной ультразвуковой технике. Кратко перечислим основные приложения явления обращения волнового фронта в акустике.
20
Одним из наиболее ярких проявлений эффекта ОВФ является самонацеливание обращенных волновых пучков на объекты, рассеивающие первичную волну частично в направлении обращающего устройства. При этом практически вся интенсивность обращенной волны может быть сконцентрирована на рассеивателях. В сочетании с возможностью большого усиления обращенных пучков, самонацеливание позволяет оказывать необходимое пространственно селективное воздействие ультразвука на рассеивающие объекты. Автофокусировка на объект импульса, обращенного во времени радиоэлектронным способом, исследовалась в работе [102]. Обращение фронта в реальном масштабе времени позволяет осуществлять следящий режим самонацеливания ультразвуковых пучков на движущиеся объекты, если их положение не успевает заметно измениться за время распространения прямой и обратной волн. При этом расположение и перемещение нескольких объектов может быть как регулярным, так и случайным. Особенности самонацеливания звука на движущиеся объекты теоретически рассмотрены в [103].
В работе [98] продемонстрировано применение метода ОВФ в неразрушающем контроле титановых сплавов. В качестве обращающей системы в дефектоскопе В-типа использована двумерная управляемая компьютером матрица из 121-го пьезопреобразователя с частотой 5 МГц. Использование ОВФ позволяло компенсировать фазовые искажения, вносимые сложной поверхностью объекта, и детектировать скопления а-фазы титана на фоне шумов рассеяния, обусловленных гранулярной структурой среды.
В качестве одного из перспективных направлений применения ОВФ рассматривается акустическая микроскопия. В работах [104,105] экспериментально продемонстрировано существенное повышение качества изображения объекта в сканирующем микроскопе, содержащем параметрическое пьезокерамическос ОВФ-зеркало в тех случаях, когда объект окружен средой с искажающими фазу неоднородностями. Отметим, что использование запорогового режима параметрического ОВФ усиления принципиально позволяет дополнительно осуществлять регулировку контрастности и яркости акустических изображений. Особенности формирования изображений в акустическом микроскопе в квазилинейном запороговом режиме рассмотрены в работе 11061.
В качестве другого перспективного направления использования акустического ОВФ в медицине может рассматриваться ультразвуковая гипертермия. В применении к гипертермии опухолей головного мозга в работе
21
[107] экспериментально исследована автофокусировка обращенных волн на модельный объект сквозь костную ткань. Другое возможное направление медицинского применения ОВФ ультразвуковых пучков - литотрипсия. Самонацеливание мощных акустических импульсов на объект, подлежащий разрушению, не только упрощает фокусировку системы, но и принципиально позволяет, без дополнительных настроек, продолжать дробление осколков объекта. Здесь необходимо отметить, что автофокусировка звуковых импульсов с одновременным резким повышением их интенсивности до уровня, достаточного для разрушения твердых объектов, сопровождается существенными нелинейными искажениями временного профиля обращенной волны. Отсутствие подобных искажений в слабой сигнальной волне отличает автофокусировку с усилением от ОВФ в собственном смысле. Поэтому специальных исследований требуют не только процессы генерации, но и процессы распространения интенсивных обращенных пучков в пассивной нелинейной среде.
Существенный прикладной интерес представляют своеобразные эффекты неполного обращения волнового фронта звука в движущихся средах. В работе
[108] экспериментально исследовано накапливающееся искажение волнового фронта во вращающемся цилиндре, размещенном между двумя ОВФ-зеркалами. Показано также, что аналогичное явление, возникающее при рассеянии обращенных волн с широкой апертурой на вращающемся возмущении среды в виде цилиндрического вихря, приводит к искажению последовательности плоских волновых фронтов дислокационного типа.
Очень перспективным представляется приложение принципов обращения волнового фронта и в акустике океана [6], где даже по самым скромным оценкам применение принципов обращения волнового фронта существенно улучшит параметры стандартных акустических систем и позволит по-новому взглянуть на классические задачи гидроакустики.
Обращение волнового фронта в акустике позволяет находить существенно новые решения классических акустических задач, в частности, с помощью зеркал ОВФ можно "гасить" звуковые источники [19,20], компенсировать дисперсионное расплывание коротких акустических импульсов [109] и пр.
Несколько экспериментально реализованных примеров, демонстрирующих характерные возможности использования параметрического ОВФ ультразвука в различных приложениях, приведены в Главе 5 настоящей диссертации.
22
§3. Параметрический механизм ОВФ ультразвука, основанный на пространственно-однородной модуляции скорости звука в среде
взаимодействия
§3.1. Допороговый режим параметрического обращающего фазу усилителя звука
Как показало время, одним из самых перспективных устройств, реализующих эффект ОВФ для ультразвуковых волн, является параметрический обращающий фазу усилитель звука (ПОФУЗ4), идея создания которого была предложена в работе [27]. Поэтому имеет смысл подробнее привести здесь основные теоретические результаты, характеризующие в достаточно общем виде его основные физические свойства [ 13.1101.
Качественно принцип действия ПОФУЗа можно пояснить с помощью Рис.З.
^сбр.
Рис.З. Диаграмма параметрического ОВФ (а) и схема вырожденного ОВФ (б).
Два встречных пучка накачек Р, и Р. модулируют во времени коэффициент преломления п(0, или, что тоже самое, скорость распространения звука С(/) (Рис.За). Для сигнальной волны Р3 реализуется параметрический процесс, приводящий к появлению обращенной волны РобР=КР*, причем К может быть больше единицы. Т.к. при параметрическом механизме пара воли накачки Р+ и Р. и пара сигнальных волн Рж , Р0бр связаны между собой через модуляцию параметров среды п(()у то эти нары могут иметь различную физическую природу. Так, например, волны Р5 и Р0вр могут быть звуковыми, а поля Р+ и Р. -электромагнитными. Это означает, что возможны определенные вырожденные
4 ПОФУЗ - аббревиатура, введенная Ф.В. Бункиным
23
- Київ+380960830922