Введение к работе
'^^.-.Актуальность темы. Исследование влияния внешних воздействий (электрического и магнитного полей, упругих напряжений) на акустоэлектрон-ные и акустооптические взаимодействия является центральной проблемой современной параметрической кристаллоакустики и кристаллооптики. Данная проблема актуальна как для развития фундаментальных представлений об основных закономерностях распространения и взаимодействия электромагнитных и акустических волн в кристаллах во внешних полях, так и в чисто прикладном плане - для управления параметрами волн и повышения эффективности систем передачи и обработки сигнальной информации.
Внесшие (постоянные и переменные) поля изменяют упругие и диэлектрические свойства кристаллов и вместе с ними пространственные, поляризационные и энергетические характеристики волн. Внепшиэ статические и динамические параметрические воздействия используются при создании твердотельных элементов акустических, акустоэлектронных и акустоопти-ческих устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками. Такие устройства находят все возрастающее применение в квантовой электронике (дефлекторы, модуляторы, перестраиваемые фильтры), радиоэлектронике (усилители и генераторы ультразвука, линии задержки, корреляторы, сверхбыстродействующие процессоры). Расширение возможностей применения акустоэлектронных и акустооптических устройств, их расчет И оптимизация немыслимы без развития соответствующей теории волновых процессов, происходящих в кристаллах во внешних электрических полях.
Особенности распространения объемных и поверхностных акустических и электромагнитных (ЭМ) волн в кристалле определяются анизотропией его упругих и диэлектрических свойств. Поэтому первостепенной задачей при исследовании параметрических эффектов является изучение вынужденной анизотропии физических свойств кристаллов, создаваемой внешними, в частности, электрическими полями различной геометрии.При этом в центросимметричных кристаллах с сильной деформационной зависимостью диэлектрической проницаемости (параэлектрики,сегнетокерамики) возможно наблюдение ряда новых электроиндуцированных эффектов, обусловленных деформацией акустических поверхностей: смещение и расщепление акустических осей и связанные с ними коническую рефракцию и фононное концентрирование. Особый интерес представляют электроинду-цированные акустические эффекты в неоднородных электрических полях.
Применение таких полей позволяет создать управляемые устройства для сканирования и фокусирования акустических пучков - электроакустические дефлекторы и линзы.
Электроиндуцированные изменения упругих свойств оказывают влияние на распространение ультразвуковых (УЗ) волн в слоистых структурах, содержащих центросимметричные параэлектрики и полупроводниковые слои с дрейфом носителей заряда. В последнем случае при изучении акустоэлектронного взаимодействия в условиях полного отражения и наличии акустического контакта возникает проблема выбора вида решений для УЗ волны, преломленной внутрь пьезополупроводника с электронными (дырочными) потоками. При этом необходима разработка нового подхода к решению граничных задач, на основе которого может быть развита теория усиления ультразвука в условиях полного отражения.
На границах слоистых структур существуют разнообразные типы ПАВ, влияние электрических полей на распространение которых представляет значительный интерес из-за высокой чувствительности изменения скорости к внешним воздействиям. Эффективное управление коэффициентом отражения и глубиной локализации ПАВ можно получать при использовании электроакустических реыеток, созданных на поверхности центре— симметричного кристалла с помощью пространственно-периодических электрических полей. Особенности распространения ПАВ в таких решетках до настоящего времени не исследовались.
В последнее время наряду с акустической анизотропией кристаллов при воздействии статического поля интенсивно изучается взаимодействие упругих волн с переменными электрическими полями, в частности, с электромагнитными волнами СВЧ диапазона. Дня решения проблем управления поляризацией упругих волн особый интерес представляет воздействие на центросимметричные кристаллы мощных циркулярно поляризованных акустической и Э11 волн, модулирующих анизотропию диэлектрических или упругих свойств соответственно. Использование сред с искусственной акустической активностью позволяет реализовать динамическое управление поляризацией УЗ волн посредством электрических полей, создающих спиральную анизотропию упругих свойств.
Электрическое управление акустическим пучком можно использовать для разработки новых принципов расширения полосы рабочих частот объемных и волноводных акустооптических (АО) устройств, которые, в свою очередь, позволяют управлять амплитудой, фазой , частотой и направлением распространения светового пучка. В настоящее время акусто-
электрооптичесние (АЭО) взаимодействия (совместное воздействие механических напряжений к электрических полей) в монокристаллах и волноводах привлекает внимание в связи с расширением функциональных воз-ноікностєй АО устройств обработки сигнальной информации. Поляризационные эффекты при АЭО взаимодействии существенно зависят от направления распространения и поляризации световых и акустических волн в кристаллах, а также от величины и ориентации внешнего поля Е Особый интерес представляет изучение АЭО взаимодействий в фотореф-рактивных кубических кристаллах. Наряду с электроиндуцировашой оптической анизотропией существенное влияние на параметры дифрагированных световых волн в таких кристаллах оказывает естественная оптическая и акустическая активность (гнротропия). При этом воздействие Ё может приводить к появления вынужденной гиротропии в центросим-иетричных кристаллах, либо к ее изменению в нецентросимметричных кристаллах.
Последовательная теория АО взаимодействия в кристаллах со слоя-ной анизотропией, принимающая во внимание такие- тонкие эффекты как оптическая и акустическая гнротропия, электро- а акустоиндуцирован-ная анизотропия должна основываться на совместном решении уравнений Максвелла с корректными уравнениями! связи гиротропных кристаллов и соответствующих граничных условий.
Целью диссертации является развитие теории акустоэлектронных и акустооптических взаимодействий в кристаллах во внешних электрических полях; поиск новых принципов управления пространственными, поллриэа,-циснными и энергетическими параметрами акустических и электромагнитных волн и их применение для создания акустоэлектронных и акустооптических устройств с управляемыми внешним полем характеристиками.
Научная новизна представленных в диссертации результатов определяется тем, что впервые установлен и изучен ряд новых закономерностей распространения и параметрического взаимодействия акустических и электромагнитных волн в кристаллах, подвергнутых влиянию внешних воздействий:
I. Предсказаны и исследованы новые электро- и акустоиндуцировап-ные эффекты в кристаллах:
акустическая электро- и тенэогирация;
резонансное усиление акустических волн при полном отражении от границ пьезоэлектрик-полупроводник либо диэлектрик-полупроводник, находящихся в акустическом контакте;
- термическая память электроиндуцированных упругих свойств
сегнетокерамик;
- параметрическое усиление и преобразование частоты акусти
ческих волн в кристаллах с электроиндуцированной вращаю
щейся упругой анизотропией.
-
Установлены закономерности изменения ориентации и числа акустических осей центросимметричного кубического кристалла при воздействии внешнего электрического ПОЛЯ.
-
Теоретически предсказаны и экспериментально исследованы поляризационные эффекты при акусто-электрооптическом взаимодействии в кристаллах. Показано, что в зависимости от частоты модулирующего напряжения имеется два качественно различных режима электрооптического взаимодействия в волноводных модуляторах.
-
Предсказано и изучено новое явление - невзаимное двулуче-преломление световых и ультразвуковых волн в кристаллах, обладающих естественной (оптической или акустической) активностью и подверже-ных воздействию внешнего магнитного поля (невзаимный ыагнито-рефрак-ционный эффект). Установлены корректные граничные условия в акустике кристаллов с пространственной дисперсией,
-
Проведен теоретический анализ влияния оптической и акустической гиротролии на поляризационные и энергетические характеристики дифрагированных на ультразвуке световых волн и впервые:
установлены и объяснены новые особенности АО взаимодействия в акустически гиротрогашх кристаллах;
исследовала динамика трехпичковой структуры брэгговского максимума;
предложены поляризационный метод определения фотоупругих параметров гиротропннх кубических кристаллов, а также методы измерения параметров акустической гирации.
6. Развита двумерная теория дифракции частично поляризованных
сьетових пучков на затухающих ультразвуковых волнах при сильном
АО воздействии. При этом впервые:
изучено влияние распределения энергии по поперечному сечению падающего свєтоеого пучка на поляризацию света в дифракционных порядках;
исследовано явление продольного смещения световых пучков на границах области АО взаимодействия (акустооптический аналог гч'(>!о;гга Гсоеа-Хенхена);
установлена зависимость эффективности АО взаимодействия от степени поляризации падающего излучения;
предложен способ повышения эффективности АО взаимодействия, основанный на усилении дифрагированного света при полном отражении от инверсной среды.
7. Предложены новые (на уровне авторских свидетельств):
способ коррекции угла Брэгга неоднородным электрическим полем за счет управляемого поворота фронта акустической волны в объемных и тонкопленочных АО устройствах;
методы управления поляризацией и направлением распространения объемных акустических волн, а также отражением I1AB, основанные на изменении упругих свойств центросимметричных параэлектриков во внешнем электрическом поле;
метод электроакустического сканирования и фокусирования УЗ пучков в неоднородных электрических полях;
способ динамического фокусирования световых пучков с помощью акустооптической линзы.
Научная и практическая значимость работы. Научное значение проведенной работы состоит в выявлении новых эффектов, обусловленных вынужденной анизотропией кристаллов; в установлении новых физических закономерностей распространения и параметрического преобразования ультразвуковых и электромагнитных волн в средах с электро- и акустоиндуцированной анизотропией. Полученные результаты углубляют понимание физики акустоэлектронных и акустооптическнх взаимодействий б кристаллах со сложной анизотропией (гиротропия, круговой дихроизм, анизотропия фотоупругости, вынужденные электроакустические эффекты) и открывают новые возможности усовершенствования и создания твердотельных элементов акустических, акустоэлектронных и акустооптическнх устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками.
Полученные теоретические результаты используются в научной литературе и соответствующие работы цитируются в различных периодических изданиях. Некоторые предсказанные явления уяе экспериментально обнаружены. Это акустическая электрогирация в танталате лития я германате висмута, невзаимное двулучепрелоиление (невэшшный магми-торефракционный эффект) в подате лития, а та.кже электроиндуцирован-ные акустические эффекты в сегнетокерамиках.
В работе обоснован и разработан ряд новых принципов и методов управления параметрами акустических и электромагнитных волн; пред-
ложены новые методы определения фотоупругих и гирационных констант кристаллов.
Показаны возможности управления поляризацией и отражением упругих и ЭМ волн, распространяющихся, соответственно, в электро- и акустоиндуцированных спиральных структурах акустической и диэлектрической анизотропии. Предложены электрострикционные решетки и показана перспективность их использования для создания электроуправ-ляемых отражателей и волноводов ПАВ.
Эффекты параметрического усиления и преобразования частоты акустических волн в среде с электроиндуцированной вращающейся акустической анизотропией могут быть использованы для управляемого обращения фронта УЗ волн, а также для создания перестраиваемых по частоте источников ультразвука. Невзаимный магниторефракционный эффект можно использовать для создания невзаимных приборов лазерной оптики.
Предложен способ электроакустического сканирования и фокусирования УЗ пучков в неоднородных электрических полях. Рассчитаны конкретные конструкции УЗ дефлекторов и линз на линейном и квадратичном электроакустическом эффектах.
Показано, что на основе акусто-электрооптических взаимодействий могут быть созданы устройства обработки информации нового типа, сочетающие в себе преимущества АО модуляторов и электрооптических переключателей плоскости поляризации. Разработаны АЭО модуляторы на основе кристаллов ИМ03 ц щр. Исследованы режимы ЭО взаимодействия в волноводных модуляторах Ті ; iii'ft&03
Показана возможность коррекции угла Брэгга неоднородным электрическим полем за счет управляемого поворота фронта акустической волны в объемных и плонарных АО устройствах. Рассчитаны новые конструкции АО ячеек из пьезоэлектрических кристаллов с коррекцией угла Брэгга неоднородным электрическим полем. Предложены и экспери-иентпльно исследованы широкополосные тонкопленочные АО устройства.
На запиту выносятся следующие основные положения:
1. Теоретический анализ влияния индуцированной анизотропии на
распространение и параметрическое взаимодействие злектромагнитнгх
и акустических волн в кристаллах с учетом их свойств ( проводимость, оптическая и акустическая гиротропия) а также поляризации и амплитудного профиля взаимодействующих излучений.'
2. Результаты исследования новых электро- и акустоиндуцирован-
Н!-х- офіектов в кристаллах:
акустической электро- и тензогирации;
смещения и расщепления акустических осей в кубических па-раэлектриках;
термической памяти элекгроиндуцированных упругих свойств сегнетокераиик;
параметрического усиления, преобразования частоты и обращения волнового фронта акустических волн в кристаллах с электро-индуцированной вращающейся упругой анизотропией;
резонансного усиления акустических волн при полном отражении от границ пьезоэлекгрнк - полупроводник либо диэлектрик - пьезо-полупроводник, находящихся в акустическом контакте;
-
Явление кевзаимного двулучепреломления ультразвуковых и световых волн в кристаллах с естественной гкротропией во внешнем магнитном поле (невзаимный магниторефракционный эффект).
-
Закономерности и особенности акустс—электрооптических взаимодействий в кристаллах:
явление продольного смещения световых пучков при АО взаимодействии;
особенности дифракции света на ультразвуке в акустически гнротропных кристаллах;
динамика трехпичковон структуры брэгговского максимума в оптически гиротропных кубических кристаллах;
релсимы электрооптического взаимодействия в брэгговских тонкопленочных модуляторах, обусловленных пространственно-модулированными объемными зарядами;
5. Идея и обоснование новых принципов и методов управления
параметрами акустических и электромагнитных волн:
амплитудной модуляции объемных УЗ волн при отражении, от слоя параэлектрика, находящегося в электрическом поле;
управления поляризацией и отражением объемных и ПАВ с использованием электронндуцированных периодических структур;
электроакустического сканирования и фокусирования УЗ пучков в неоднородных электрических полях;
расширения полосы рабочих частот АО устройств за счет использования неоднородных электрических полей;
динамического фокусирования световых пучков с помощью акустооптической линзы.
Совокупность полученных результатов может составить основу
нового научного направления - параметрическая акустрэлектровдка
и акустооптика кристаллов в электрических полях различной геометрии.
Публикации и апробация работы. Основные материалы диссертационной работы содержатся в 61 публикации ( в том числе 13 авторских свидетельств), а также доложены и обсуждены на ХЦ,Х1Ц,Х1У,ХУ Всесоюзных конференциях по акустоэлектронцке и квантовой акустике (г.Саратов - 1983, г.Черновцы- 1986, г,Кишинев - 1989, г.Ленинград-1991 ), I Всесоюзной конференции по проблеме управления лазерным излучением (г.Ташкент - 1978), Всесоюзной конференции "Исследование и разработка прецизионных измерительных комплексов и систем с использованием радиоволновых и оптических каналов связи" (г.Томск-1981), УІЦ Всесоюзной конференции по информационной акустике (г.Москва - 1982), I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (г.Ленинград-1988), Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г.Ленинград-1990), Всесоюзных семинарах "Оптика анизотропных сред" (г.Москва-1987, 1990), Всесоюзном семинаре "Применение АО методов и устройств в промышленности" (г.Ленинград-1984).Республиканском научно-практическом семинаре "Голография в промышленности и научных исследованиях (г,Гродно-1989),1 Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (г.Ленинград-1989)(Международной школе семинаре "Акустооптика; развитие и разработки"(г.Ленинград-1990), Международной конференции "Ультразвук" (Франция -1991) , ХІУ Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (г.Ленинград - 1991 ).
Личный вклад. Большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при его непосредственном участии.
Совместно с В.В.Шепелевичем выполнен теоретический анализ влияния оптической гиротропии на АО дифракцию. К наличию искажений в волноводных электрооптических модуляторах внимание автора привлек И.Г.Войтенко. Совместно с шш и Н.Н.Горелым получены экспериментальные результаты по АО модуляторам и дефлекторам и проведены численные расчеты по дифракции световых пучков. Эластограмш кристалла парателлурита получены сотрудниками Днепропетровского государственного университета С.В.Акимовым, В.М.Горбенко и В,В,Савченко; совместно с ними обсуждены особенности проявления акустической гиротропии в дифракционных картинах. Расчетная часть работ по отражению УЗ волн от слоистых структур выполнена совместно с И.З.Джилавдари,
Совместно с Н,С.Казаком рассчитаны конструкции электроакустических линз. Часть работ выполнено в соавторстве с учениками (Г.В.Кулак, Г.А.Пашкевич, Б.В.Севрук, С.В.Курилкина), другие соавторы оказыва-ли помощь в численных расчетах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов работы и литературы. Она содержит 341 страницу текста, включал 64 рисунка и одну таблицу. Список литературы содержит 281 наименование. Содержание работы
