Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для наблюдения обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в кристаллической среде

Изобретение относится к акустооптике (АО) и может найти применение для управления такими параметрами электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона, как направление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза.

Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию АО-устройства используются в спектроскопии, оптической связи, системах обработки изображений, лазерной технике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световых пучков [1].

Различают два основных вида АО-взаимодействия: квазиортогональное и коллинеарное. В первом случае, пучок излучения пересекает звуковой пучок под углом, близким к 90°, во втором - пучки распространяются параллельно (коллинеарно) друг другу. Коллинеарное взаимодействие, в свою очередь, подразделяют на две разновидности: прямую коллинеарную АО-дифракцию (ПКД), при которой волновые вектора падающего и дифрагированного излучения сонаправлены, и обратную коллинеарную АО-дифракцию (ОКД), при которой эти векторы направлены навстречу друг другу.

Основное преимущество коллинеарной дифракции по сравнению с квазиортогональной - более высокое спектральное разрешение, вследствие взаимодействия света с большим числом периодов звуковой волны. Именно поэтому режим ПКД используют в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазонах для создания узкополосных фильтров при частотах ультразвука в десятки мегагерц [2].

С точки зрения эффективности АО-фильтров, режим ОКД предпочтителен по сравнению с режимом ПКД, поскольку при реализации последнего диаграмма направленности дифрагированного излучения имеет боковые лепестки, что приводит к снижению качества работы фильтра, в то время как таковые практически отсутствуют в режиме ОКД. Разрешение АО-фильтров, функционирующих в режиме ОКД, достигает 0.001 [3]. Наибольшая эффективность ОКД достигается при совпадении направления распространения ультразвука с направлением распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка, поскольку при этом интеграл перекрытия полей световой и акустической волн достигает своего максимального значения [4].

Однако режим ОКД в высокочастотных областях оптического диапазона не практикуют, поскольку для его реализации необходимо применять ультразвук очень высокой частоты (десятки гигагерц) сильно поглощаемый средой. Действительно, в случае ОКД волновой вектор звука должен быть примерно равен удвоенному волновому вектору падающего света. Из этого условия нетрудно получить формулу для оценки частоты F ультразвуковой волны, обеспечивающей наблюдение ОКД [5]:

где n - показатель преломления среды; V - скорость звука в среде взаимодействия; λ - длина волны излучения, соответствующего центру контура линии излучения источника в вакууме.

Поэтому применение режима ОКД возможно только в ТГц и микроволновом диапазонах в слабо поглощающей среде, независимо от ее агрегатного состояния. При этом необходимая частота ультразвука варьируется в пределах от 30 МГц (в случае жидкой среды) до 300 МГц (в случае кристаллической среды), когда степень его поглощения является еще приемлемой.

Ключевым элементом заявляемого устройства является АО-ячейка, изготовленная из кристаллической среды. Излучатель ультразвука (пьезопластинка) в такой ячейке должен быть размещен таким образом, чтобы угол падения звуковой волны на входное окно ячейки был равен углу преломления излучения, что обеспечивает пространственное совмещение пучков света и звука. С другой стороны, излучатель ультразвука следует максимально приблизить к входному окну, чтобы минимизировать затухание звука. Поэтому пьезопреобразователь должен быть размещен непосредственно на поверхности кристалла. Причем, необходимым условием наблюдения эффекта является размещение излучателя ультразвука вне трека пучка излучения, чтобы не перекрыть его. При использовании в качестве среды взаимодействия кристалла, являющегося АО-ячейкой, последнее условие можно удовлетворить только при двойном проходе звука через кристалл. Это требование объясняется большой величиной (больше 3,0) показателя преломления прозрачных на ТГц частотах кристаллов, что обуславливает малость (≤10°) угла преломления β излучения и, как следствие, - малость угла падения ψ_s ультразвука на входную грань.

Учитывая условие малости угла падения ψ_s акустической волны на входную грань кристалла (АО-ячейки) целесообразно придать ему форму такой прямой призмы, чтобы угол падения γ излучения на ее боковую грань был минимален, а пьезопреобразователь, размещенный на другой боковой грани, не перекрывал выходящий из призмы пучок излучения; в противном случае, световой пучок отразится от излучателя ультразвука и частично или полностью совместится с дифрагированным пучком. Кроме того, грань кристаллической призмы, через которую пучок излучения покидает среду АО-взаимодействия, не должна быть перпендикулярна преломленному пучку излучения, иначе, после отражения от этой грани, он совместится с дифрагированным пучком.

Технический результат изобретения направлен на разработку первого устройства для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в кристаллической среде.

Технический результат достигается тем, что устройство для наблюдения обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в кристаллической среде, содержит источник излучения, светоделитель, фотоприемник, электроизмерительный прибор, кристаллическую среду в форме прямой призмы, излучатель ультразвукового пучка, размещенный на боковой грани призмы и имеющий с ней акустический контакт, причем входная грань, через которую излучение поступает в призму, образует с гранью, содержащей излучатель, угол, обеспечивающий возможность ввода излучения из окружающей среды в призму, прохождение излучения через призму, минуя излучатель, и совпадение трека пучка излучения, преломленного на входной грани, с треком отраженного от нее ультразвукового пучка; кроме того, грань, через которую пучок преломленного излучения покидает призму, не перпендикулярна ему.

Поставленная цель достигается тем, что АО-ячейка, изготовлена из прозрачной для излучения кристаллической среды и имеет форму прямой призмы, на боковой грани которой размещен излучатель ультразвука, имеющий с ней акустический контакт, а входная грань, через которую излучение поступает в призму, образует с гранью, содержащей излучатель, угол, обеспечивающий возможность ввода излучения из окружающей среды в призму, прохождение излучения через призму, минуя излучатель, и совпадение трека пучка излучения, преломленного на входной грани, с треком отраженного от нее ультразвукового пучка.

Размещение УЗ-излучателя на иной грани, чем та, через которую в призму поступает излучение, позволяет совместить треки светового и звукового пучков в среде АО-взаимодействия без перекрытия излучателем светового пучка путем использования двойного прохода звука через кристалл.

Выполнение же условия неперпендикулярности (выходной) грани, через которую излучение покидает призму, преломленному входной гранью световому пучку необходимо для предотвращения совмещения треков падающего на выходную грань и отраженного ей световых пучков; такое совмещение приведет к засветке фотоприемника отраженным излучением и невозможности разделения, отраженного и дифрагированного пучков.

На Фиг. 1 изображена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - излучатель ультразвука; 2 - выходная грань прямой призмы 3, изготовленной из среды АО-взаимодействия; 4 - входная грань призмы 3; 5 - источник коллимированного терагерцевого излучения; 6 - светоделитель; 7 - фотоприемник; 8 - электроизмерительный прибор.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучатель ультразвука 1, размещенный на выходной грани 2 прямой призмы 3, изготовленной из среды АО-взаимодействия, и имеющий с этой гранью акустический контакт, испускает ультразвуковую волну, групповая скорость которой в материале призмы направлена под "углом сноса" ϕ к нормали, восстановленной к плоскости грани 2 (вследствие анизотропии акустических свойств среды АО-взаимодействия) и совпадающей с направлением фазовой скорости звуковой волны. Пройдя через призму 3, звуковая волна падает на ее входную грань 4 под углом ψ_s. Причем величина угла ψ_s, зависящая от угла между гранями 2 и 4, должна удовлетворять двум условиям: 1) отраженная от грани 4 акустическая волна должна распространяться в направлении, соответствующему максимальному значению АО-качества кристалла; 2) преломленный световой пучок должен выходить из призмы 3, минуя излучатель ультразвука 1. На область падения звукового пучка на грань 4 со стороны окружающей среды падает коллимированное излучение источника 5, которое преломляется на грани 4 и распространяется в материале призмы 3 по треку, совпадающему с треком отраженного от грани 4 акустического пучка. В результате дифракции излучения на звуковой волне формируется дифракционный пучок минус первого порядка, распространяющийся в направлении противоположном направлению распространения преломленного на грани 4 пучка. Дифрагированный пучок выходит из призмы 3 через грань 4 и падает на делитель 6, частично отражается от него и направляется на входную апертуру приемника 7. Величина сигнала на выходе приемника 7, пропорциональная интенсивности формируемого в результате обратной коллинеарной дифракции светового пучка, измеряется прибором 8.

В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность наблюдения обратной коллинеарной дифракции излучения с длиной волны λ=130 мкм на ультразвуковой волне в монокристалле германия. Максимальное значение акустооптического качества коллинеарного взаимодействия М₂=10^-13 с³/кг в таком материале достигается при распространении взаимодействующих волн вдоль кристаллографической оси [100], а необходимая частота акустической волны, согласно (1), равна F=300 МГц [3]. Монокристаллический германий характеризуется на данной λ коэффициентом поглощения излучения α=0.75 см^-1 [6] и коэффициентом затухания на данной F акустической волны α_s=0.64 см^-1 [7]. Площадь излучающей поверхности пьезопреобразователя положим равной S=0.3×0.3 см². Выбрав мощность акустической волны Р_а=1 Вт, рассчитаем величину коэффициента связи q (между акустической и световой волнами) [5]:

Оценим оптимальную длину L^opt АО-взаимодействия, при которой максимальная доля энергии пучка излучения передается дифрагированному пучку (-1)-порядка в пределах призмы 3. Для этого, подставив выше указанные значения коэффициентов α и α_s в приведенную в [3] формулу для расчета L^opt в режиме ОКД, получим:

Чтобы рассчитать эффективность I_-1 дифракции пучка (-1)-порядка при длине АО-взаимодействия L=L^opt и выполнении условия фазового синхронизма между взаимодействующими волнами, воспользуемся формулой (4) из [3]. Для случая двойного прохода звука через кристалл и сонаправленного распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка и акустической волны эта формула имеет вид:

Подставив в (4) значения q, α и α_s, получим, для рассматриваемого примера заявляемого устройства, эффективность дифракции: I_-1=7⋅10^-5.

Чтобы определить ориентацию граней 2 и 4 относительно оптимального направления АО-взаимодействия (совпадающего,, в случае германия, с кристаллографической осью [100]), при соблюдении двух выше названных условий для угла падения ψ_s звукового пучка на входную грань 4, был выполнен расчет (путем последовательного увеличения "угла среза" кристалла - угла между осью [100] и нормалью к входной грани 4) зависимости угла ψ_s от угла отражения β акустической волны от грани 4 по методике, изложенной в [8]. Оказалось, что нормаль к грани 4 должна быть наклонена относительно кристаллографической оси [100] на угол β≈5°. Тогда, вследствие слабой зависимости фазовой скорости квазинормальной акустической волны от направления ее волнового вектора [9], угол падения (для фазовой скорости) звуковой волны на грань 4 должен быть равен углу β ее отражения (для фазовой скорости) от этой грани. Поскольку волновой вектор звуковой волны от излучателя 1 перпендикулярен грани 2, то выходная грань 2 должна образовывать с гранью 4 тот же угол β≈5° и, поэтому, падающий звуковой пучок будет распространяться под углом ψ_s≈14° относительно нормали к грани 4; причем, коэффициент отражения звука от этой грани, оцененный по методике [8], составляет около 90%. Применяя закон преломления и учитывая значение показателя преломления германия (n≈4), получим, что угол падения γ излучения на грань 4 равен примерно 20°, а излучатель 1 не будет перекрывать (при L=1.4 см) пучок излучения, падающий на грань 2. Результирующая же эффективность I_-1 дифракции пучка (-1)-порядка, с учетом 20% френелевских потерь излучения из-за двукратного взаимодействия с гранью 4 и 50% коэффициента отражения светоделителя 6, составит 1⋅10^-5.

Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует принципиальную возможность наблюдения обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в такой кристаллической среде как монокристалл германия с помощью заявляемого устройства.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И. и др. Теория и практика современной акустооптики // М.: Изд. дом МИСиС, 2015. - 459 с.

2. Balakshy V.I., Mantsevich S.N. Polarization effects at collinear acousto-optic interaction // Optics and Laser Technology, 2012, v. 44, Is., p. 893-898.

3. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Backward collinear acousto-optic interaction in germanium crystal in terahertz spectral range // Physics Procedia, 2015, v. 70, p. 712-715.

4. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Quasi-orthogonal and quasi-collinear acousto-optic interaction in absorbing medium // Memoirs of the Faculty of Physics, 2016, v. 6, p. 166601.

5. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики // М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

6. Волошинов В.Б., Никитин П.А., Герасимов В.В. и др. Отклонение монохроматического терагерцевого излучения методами акустооптики // Квантовая электроника, 2013, т. 43, №12, с. 1139-1142.

7. Mason W.P., Bateman Т.В. Ultrasonic wave propagation in pure silicon and germanium // J. Acoust. Soc. Am., 1964, v. 36, No. 4, p. 644-652.

8. Royer D., Dieulesaint E. Elastic Waves in Solids. Part I. // Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000. - 374 p.

9. Акустические кристаллы. Справочник / Блистанов А.А., Бондаренко B.C., Чкалова В.В. и др., под ред. М.П. Шаскольской. М.: Наука, 1982. - 632 с.