Акустооптическое взаимодействие волновых пучков со сложной амплитудно-фазовой структурой

• Автор: Манцевич, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Акустооптический эффект. Основные закономерности
1.1. Акустооптическое взаимодействие плоских волн
1.2. Особенности анизотропной дифракции
1.3. Поляризационные эффекты при квазиортогонадьном акустооптическом взаимодействии
1.3.1. Изотропная среда
1.3.2. Анизотропная среда
1.4. Спектральный метод решения акустооптических задач
Глава 2. Коллинеарное акустооптическое взаимодействие
2.1. Коллинеарное взаимодействие плоских волн
2.2. Коллинеарная дифракция расходящихся световых пучков
2.2.1. Передаточные функции коллинеарной дифракции
(а) Низкочастотная коллинеарная дифракция
(б) Высокочастотная коллинеарная дифракция
2.2.2. Спектральные характеристики коллинеарной дифракции
2.2.3. Учет анизотропии акустооптического качества
2.3. Поляризационные эффекты при коллинеарном взаимодействии
2.3.1. Постановка задачи и основные соотношения
2.3.2. Результаты численного расчета
2.3.3. Учет естественного двулучепреломления кристалла
2.3.4. Экспериментальные результаты
Основные результаты Г лавы
Глава 3. Распространение акустических пучков в кристаллических
средах
3.1. Постановка задачи и основные соотношения
3.2. Акустические пучки в кристалле молибдата кальция
3.3. Акустические пучки в кристалле парателлурита
3.3.1. Лучевые спектры акустического пучка
3.3.2. Структура акустических пучков
3.3.3. Распространение гауссовых пучков

Основные результаты Главы
Глава 4. Акустооптическое взаимодействие в неоднородном

акустическом поле
4.1. Коллинеарное взаимодействие в акустически изотропной среде
4.2. Коллинеарное взаимодействие в акустически анизотропной среде
4.3. Акустооптическое взаимодействие при наклонном падении света
Основные результаты Г лавы
Глава 5. Оптическое гетеродинирование с акустооптическим

сдвигом частоты света
5.1. Теоретический анализ эффекта оптического гетеродинирования
5.2. Результаты численного расчета
Основные результаты Главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература
Список авторских публикаций
ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика научного направления и его актуальность
Оптическое излучение является одним из основных источников получения человеком информации об окружающей среде, поэтому световое излучение находит все более широкое применение в современной науке и технике. Однако в технологическом плане оптические устройства не так развиты, как, например, электронные. В связи с этим, разработка методов обработки оптической информации и управления световыми пучками имеет большое научное и практическое значение. Оптические методы обработки информации обладают рядом качеств, которые отсутствуют у цифровых вычислительных устройств. Например, они дают возможность осуществлять параллельную обработку информации, осуществлять практически мгновенно преобразование Фурье и конструировать такие устройства, скорость работы которых ограничена лишь временем распространения оптических сигналов.
В настоящее время управление оптическими пучками осуществляется косвенным образом. Используется способность некоторых оптически прозрачных сред изменять оптические свойства при приложении к ним разнообразных силовых полей. В частности, управление оптическими свойствами среды удается осуществить при использовании эффектов Фарадея, Поккельса и Керра [1]. Также для этих целей можно использовать фотоупругий эффект, заключающийся в зависимости показателей преломления среды от приложенных к ней механических напряжений. Явление фотоупругости лежит в основе акустооптического (АО) эффекта, исследованию которого посвящена данная диссертационная работа.
Взаимодействие световых пучков и акустических волн, называемое АО взаимодействием, представляет собой дифракцию светового излучения на акустической волне. Это явление вызвано тем, что акустическая волна при распространении в среде, прозрачной для светового излучения, меняет показатель преломления этой среды. Таким образом, оставаясь по-прежнему прозрачной для светового излучения, среда превращается в фазовую дифракционную решетку [1-7].
Возможность дифракции света на ультразвуковых волнах была впервые предсказана Л.Бриллюэном в 1922 году [8]. Независимо от Бриллюэна эта же проблема была проанализирована Л.И.Манделыптамом в 1926 г [9]. Однако до того как АО эффект впервые в 1932 году наблюдался экспериментально П.Дебаем и Ф.Сирсом в США [10] и одновременно Р.Люка и П.Бикаром во Франции [11], прошло целое десятилетие. Бриллюэн также предсказал, что частота дифрагированного света должна быть сдвинута
Для низкочастотного варианта рассеяния света в +1-Й порядок система уравнений (2.3) имеет вид:
= fc,expL,V-®)]

d = ~~C0 ехр[-Лф- Ф)]

(2.5)
Эта система совпадает по форме с (1.14), однако расстройка здесь определяется выражением
2л (
(2.6)
/? = щ = k0+K-kl = 2f”o ~ni+y) = “(/-/С])-
Из (2.6) следует, что АО синхронизм при низкочастотной коллинеарной дифракции достигается на частоте
fc=(n-n<))V/2. (2.7)
Векторная диаграмма для этого варианта рассеяния света изображена на рис. 4в.
Решая систему уравнений (2.5) с граничными условиями С0(о) = 1 и 0,(0) = О, получим при Ф = 0 следующее выражение для интенсивности дифрагированного света на выходе из области взаимодействия протяженностью I, совпадающее с (1.18):
, У? '
С = — smc Ъ
т-2 "inc2 ( 2+r2
2 к 2 4 2л У
(2.8)
где через С, = Д /обозначена эффективность дифракции.
Зависимость эффективности дифракции от параметра Рамана-Ната Г, который пропорционален амплитуде акустической волны, показана на рис. 5 кривой 1. Расчет выполнен для Я = 0 (фазовый синхронизм); при значении Г = п, которое соответствует акустической мощности Ра = Я2й2/2М12, весь падающий свет перекачивается в дифракционный максимум. При дальнейшем увеличении мощности свет начинается перекачиваться обратно в нулевой порядок.
На рис. 6 кривой 1 показана расстроенная характеристика низкочастотной дифракции, рассчитанная для Г = п. В эксперименте расстройку Я можно менять, изменяя либо частоту ультразвука / либо длину волны света Я . Ширина кривой по уровню 3 дБ определяет соответственно частотный (А/) или спектральный (АЯ) диапазоны АО взаимодействия. Из графика получаем АЯ = 5.1. Отсюда