Электромагнитные и акустические волны в гиротропных средах с периодической структурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им.Б.И.СТЕПАНОВА

УДК 535.5:534.231.2

ГГо ОД 2 3 йЮН Ш

СЕМЧЕНКО ИГОРЬ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ЭЛЖТРОМАГНИТШЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ГИРОТРОПНЫХ СРЕДАХ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск - 1997

Работа выполнена в Гомельском государственном университете им.Ф.Скорины.

Научный консультант - член-корреспондент АН Беларуси, доктор

физико-математических: наук, профессор Сердюков А.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Белый В.Н.; доктор физико-математических наук, профессор Гусак H.A.; доктор физико-математических наук, профессор Константинова А.Ф.

Оппонирующая организация: Белорусский государственный университет

Защита состоится "/Т"" Щ&НМ 1997 г. в ^^ часов на заседании совета Д 01.05.01 в Институте физики им. Б.И. Степанова Академии наук Беларуси по адресу: 220072 Минск, пр. Ф. Скорины 70. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, Института физики АН Беларуси.

¡иг лп оелару ил- Л i ->

Автореферат разослан " 7 7 " 1997 г.

Ученый секретарь совета доктор физ.-мат. наук, профессор —Ь- A.A. АФАНАСЬЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Необходимость изучения свойств оптически активных сред связана с их широким практическим использованием. Например, холестернческие жидкие кристаллы успешно применяются для обработки оптической информации: модуляции и сканировать, фильтрации, поляризации излучения, анализа спектров, формирования и распознавания оптических образов. Жидкие кристаллы также являются основой устройств отображения информации, например, индикаторов электронных часов и микрокалькуляторов, тестеров, измерителей расхода жидкости, датчиков давления. На чувствительности оптических свойств к изменению температуры основано использование холестериков в контактной термографии с целью диагностики заболеваний и нэразрушаншего контроля, а также в дистанционной термографии для визуализации и регистрации инфракрасного излучения и полей сверхвысокой частоты.

В связи с задачами управления плоскостью поляризации света, измерения длительности и мощности электромагнитных импульсов, представляет интерес возможность формирования спиральной анизотропии, аналогичной структуре ХЖК, в нелинейной гиротропной среде под действием интенсивной линейно поляризованной электромагнитной волны.

Необходимо рассмотреть такие шротропные свойства сверхре-швток и определить эффективный тензор оптической активности в длинноволновом приближении. В связи с использованием сверхрешеток в оптических устройствах является актуальным исследование возможности получения е-изотропных структур и сверхрешеток с компенсированным линейным двупреломлением.

Воздействие внешних шлей на свойства нелинейных сред может привести к возникновению анизотропии, зависящей от времени по гармоническому закону. Примером такой нестационарной структуры является спиральная или пространственно-однородная анизотропия, индуцированная вращающимся электрическим полем. К настоящему времени теоретически и экспериментально исследовано влияние только низкочастотного вращающегося электрического поля на распространение электромагнитных и акустических волн в кристаллах. Известно, что воздействие шля низкой частоты приводит к частот-

ной модуляции и преобразованию поляризации волн. Представляет интерес исследование возможности формирования в нелинейных кристаллах быстро изменяющейся структуры, частота вращения которой близка к частоте электромагнитных или акустических волн. Необходимо провести рассмотрение возможных эффектов преобразования частоты, усиления, фазового сопряжения и вращения плоскости поляризации электромагнитных и акустических волн в средах с быстро вращающейся анизотропией. При этом взаимодействие полей может оказаться наиболее эффективным вследствие подавления дассипатив-ных свойств среды. Аналогичный эффект подавления поглощения -эффект Бормана - имеет место для рентгеновских лучей при их дифракции в идеальных кристаллах, где центры поглощения расположены в пространстве периодически. Подобный эффект ослабления поглощения наблюдается также при дифракции света в холестерических жидких кристаллах, в которых осцилляторы поглощения периодически изменяют свою ориентацию в пространстве. Следует ожидать проявления аналогичного эффекта ослабления поглощения при периодическом изменении дкссипатнвшх свойств среды с течением времени.

Исследование гиротропных свойств среды дает богатую информацию о строении вещества. В связи с этим индуцирование гиротро-шш можно рассматривать как новый полезный метод исследований в физике конденсированных сред. Одним из видов индуцированной оптической активности является нелинейная оптическая активность, возникающая под действием интенсивного лазерного излучения. Для получения правильной информации о строении и свойствах вещества необходимо четкое разделение различных причин нелинейной гирот-ропии, в частности, фактора нелинейной электронной поляризации и теплового механизма. В связи с этим представляет интерес изучение нелинейной гиротропии с помощью спиральной модели микростроения вещества, которая успешно используется для описания и объяснения особенностей естественной оптической активности.

Благодаря многолетним исследованиям в республике Беларусь создана крупная научная школа по кристаллооптике. Достижения белорусских ученых в области изучения свойств гиротропных сред получили международное признание, о чем свидетельствует, в частности, .проведение в Гомельском университете в 1993 г. второго международного семинара по электродинамике хиральных и бианизот-

ропных сред с участием ученых из Беларуси, России,Франции, Англии и Финляндии. Исследования гирационных эффектов в последние годы значительно активизировались бо многих странах вследствие создания искусственных сред, обладающих хиральностью в микроволновом диапазоне. Подтверждением возросшего интереса к гиротроп-ным средам являются международные конференции, состоявшиеся в Финляндии в 1993 г., во Франции в 1994 г., в США в 1995 г. и в России в 1996 г.,на которые были приглашены белорусские ученье. Кроме того, на многих международных конференциях по радиофизике и оптике в последние года свойства гиротропных сред обсуждаются на специальных секционных заседаниях. Электродинамике хиральшх сред посвящены специальный выпуск серии PIER ("Прогресс исследований в электродинамике"), постоянно публикуемой в США, обзоры литературы в зарубежной печати, а также три монографии финских, российских и американских ученых, изданные за последние пять лет. Таким образом, проведение исследований распространения и взаимодействия электромагнитных и упругих волн в гиротропных средах с периодической структурой является необходимым для развития оптики, радиофизики и акустики, а также для сохранения лидирующих позиций белорусских ученых в этих областях науки.

Связь работы с крупными научными программам!, темами. Исследования выполнялись в соответствии с республиканскими программами "Лазер-14", "0птика-09", "Лазер-15", а также госбюджетными темами, финансируемыми Министерством образования и науки и Фондом фундаментальных исследований.

Цель и задачи исследования, основной целью диссертации' является развитие теории распространения и взаимодействия электромагнитных и акустических волн в гиротропных средах с пространственной и временной периодической структурой.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

-установление законов сохранения для электромагнитного поля в средах со спиральной структурой, обусловленных инвариантностью свойств среда относительно винтового поворота;

-разработка аналитического метода исследования свойств кристаллов с периодической в пространстве и времени анизотропией; -доказательство возможности ослабления поглощения, вращения

плоскости поляризации, обращения волнового фронта, селективного усиления и генерации электромагнитных и акустических волн в кристаллах во вращающемся электрическом поле.

Научная новизна полученных результатов. В диссертации впервые установлен закон сохранения для электромагнитного поля в средах со спиральной структурой, обусловленный винтовой симметрией. На основании этого закона дано объяснение поляризационной селективности брэгговского отражения света в ХЖК.

Впервые получено не зависящее от толщины кристалла дисперсионное правило сумм для циркулярного дихроизма ХЖК вблизи области брэгговского отражения. Выполнимость найденного правила сумм проверена на примере экспериментальных спектров циркулярного дихроизма.

Получено решение задачи о синхронной генерации второй гармоники в ХЖК во внешнем электрическом поле вдали от области брэгговского отражения с учетом преобразования энергии волн. Предсказаны нелинейные эффекты пропускания света холестерином в режиме Могена и вращения плоскости поляризации света в условиях циркулярного двупреломления. На основании фотоакустического эффекта в ХЖК в режиме де Ври и в области брэгговского отражения обоснована возможность измерения оптических параметров ХЖК методом фотоакустической спектроскопии.

Впервые рассчитаны эффективные параметры, характеризующие гиротропные свойства сверхрешеток, образованных оптически активными слоями произвольной кристаллографической симметрии.

Учтено влияние частотной дисперсии диэлектрической проницаемости и хиральности молекул на распространение света в средах со спиральной структурой. Решена граничная задача для электромагнитных волн в кристалле с диэлектрической и магнитной спи-ральностью и предсказан эффект компенсации дифракции электромагнитных волн. Исследованы свойства особых волн в средах со спиральной структурой и показана возможность преобразования поляризации электромагнитного сигнала при возбуждении особых волн.

С помощью спиральной модели молекул вещества объяснены наблюдавшиеся ранеее в экспериментах особенности нелинейной вращательной способности гиротропных кристаллов, зависящей от интенсивности света. Показано, что знаки нелинейной оптической актив-

ности для энантиоморфных кристаллов должны быть противоположны друг другу и знаку естественной оптической активности. Эта особенность нелинейного вращения плоскости поляризации наблюдается экспериментально для широкого круга гиротропных кристаллов, в том числе для кристаллов ЗЮ2, ЫТ03, ZnPг, Сс1Р2, Те02.

На основании спиральной модели микростроения вещества дано также объяснение температурных изменений вращательной способности и циркулярного дихроизма естественно гиротропных кристаллов. Такие теплоиндуцированные изменения наблюдались ранее экспериментально для ряда гиротропных кристаллов, например, для кварца, иодата лития, легированного ионами группы железа, а также некоторых солей. Получены также новые интегральные дисперсионные правила сумм для вращательной способности и циркулярного дихроизма кристаллов, обладающих молекулярной оптической активностью.

Обоснована возможность формирования спиральной стационарной и вращающейся структуры в кристаллах при линейном и квадратичном воздействии электромагнитных и акустических волн. Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает образование такой структуры. Предсказан эффект "захвата" плоскости поляризации слабого электромагнитного сигнала интенсивной световой или ультразвуковой волной в гиротропном кристалле.

Впервые установлено, что при выполнении условия Брэгга для параметрического взаимодействия волн в условиях формирования спиральной структуры проявляется эффект поляризационного ослабления поглощения, аналогичный поглощению света в ХЖ и эффекту Бормана для рентгеновских лучей в кристаллах.

Предложен способ создания пространственно-однородной быстро вращающейся анизотропии в нелинейном гиротропном кристалле под действием двух электромагнитных волн с различными частотами. Эти волны должны иметь противоположные циркулярные поляризации и одинаковые амплитуды и волновые числа. Пространственная однородность индуцированной структуры обеспечивается тем, что вклад гиротропш в разность волновых чисел воздействующих волн компенсируется частотной расстройкой этих волн.

Получены точные решения уравнений Максвелла для среды с быстро вращащейся пространственно-однородной структурой. Пока-

зано, что эффект ослабления поглощения (эффект Бормана) имеет место не только при периодическом расположении центров поглощения в пространстве, но и при вращении осцилляторов поглощения с течением времени с постоянной угловой скоростью. Установлено, что этот эффект обусловлен взаимной ориентацией осциллятора поглощения и поляризации электромагнитного поля в среде.

Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает формирование вращающейся анизотропии упругих свойств под действием электрического поля. Впервые описано взаимодействие ультразвуковой волны с вращающимся электрическим полем в кристалле ниобата лития в различных частотных диапазонах и найдено аналитическое выражение для угла поворота плоскости поляризации- ультразвука.

Получены точные решения уравнения упругости для кристалла с вращающейся структурой с учетом вязкости среды. Предсказан эффект подавления поглощения акустических волн в кристаллах,помещенных во вращающееся электрическое поле. Установлено, что этот эффект обусловлен структурой акустического поля, собственные мода которого имеют вид стоячих волн во вращающейся.системе координат, сопровождающей электрическое поле. Эти волны характеризуются взаимно ортогональной линейной поляризацией и действительными волновыми числами, вследствие чего не затухают в кристалле несмотря на вязкость среды.

Впервые решена граничная задача для кристалла в присутствии вращающегося электрического поля. Установлено, что интенсивности прошедшей и обращенной акустических волн имеют немонотонную зависимость от толщины кристалла и напряженности электрического поля.Обоснована возможность электроакустического взаимодействия в пьезоэлектрических полупроводниках, помещенных во вращающееся электрическое поле, и учтено влияние электронов проводимости на эффективность усиления ультразвука.

Практическая значимость полученных результатов. С целью создания устройств с селективным частотным пропусканием света показана принципиальная возможность формирования сверхрешеток с заданными гиротропными свойствами, в том числе е-изотропных слоисто-периодических структур' и магнитных сверхрешеток с компенсированным линейным двупреломлением.

Установлено, что предсказанный эффект "захвата" плоскости поляризации монет быть использован для измерения длительности и интенсивных световых импульсов V акустической вращательной способности кристаллов на гшерзвуновых частотах.

Сделан вывод о возможности селективного преобразования частоты и усиления пробного сигнала и значительном увеличении угха поворота его плоскости поляризации в среде с вращающейся спиральной структурой.

Предсказаны селективные эффекты обращения волнового фронта, преобразования частоты, вращения плоскости поляризации и усиления электромагнитных волн СВЧ и дальнего ИК диапазона в нелинейных кристаллах под действием пространственно однородного вращающегося электрического поля.

Показана возможность одновременного преобразования частоты и поляризации ультразвука, а также генерации обращенной волны в кристалле ниобата лития, помещенном во вращающееся электрическое поле.

Основные результаты диссертации могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях гиротропных сред с периодической структурой. Разработанный метод позволяет корректно решать широкий круг задач, связанных с распространением и взаимодействием электромагнитных и акустических волн в различных средах в присутствии вращающихся полей. Сделанные выводы вошли б содержание специальных курсов, читаемых на физическом факультета Гомельского госуниверситета им. Ф.Скорины. Полученные результата могут быть применены для измерения параметров кристаллов, в той числе акустической вращательной способности, управления плоскостью поляризации света и ультразвука, частотной фильтрации и модуляции электромагнитных волн, обращения волнового фронта, преобразования частоты, усиления и генерации электромагнитных и акустических волн, измерения длительности и мощности электромагнитных импульсов.

Экономическая значимость полученных результатов. В диссертации рассмотрена дифракция на ультразвуке световой волны, распространяющейся в кристалле ниобата лития вдоль оси симметрии третьего порядка в присутствии вращающегося электрического поля. Показано, что такой кристалл может быть использован при создании

акустоэлектрооптических ячеек, позволяющих осуществлять частотную модуляцию света го двум независимым каналам, а также совмещает в себе функции двух различных элементов - акустооптического модулятора и электрооптичвского переключателя плоскости поляризации. В связи с этим могут быть уменьшены потери энергии световой волны и увеличена эффективность преобразования частоты и поляризации света.

Предсказан эффект поворота плоскости поляризации ультразвука в кристаллах, помещенных во вращающееся электрическое поле. Этот эффект имеет резонансный характер, проявляющийся в случае приближения частоты электрического поля к частоте акустической волны. Для сегнетокерамики на основе титаната бария, имеющей аномально высокую диэлектрическую проницаемость, удельный поворот плоскости поляризации ультразвука с циклической частотой 10арад/с при напряженности электрического поля 4 кВ/см составляет величину ~ 0,5 рад/см. Возрастание угла поворота плоскости поляризации акустической волны во вращающемся электрическом поле по сравнению со случаем постоянного поля позволяет уменьшить длину используемого образца сегнетокерамики и следовательно, снизить потери энергии ультразвука, обусловленные вязкостью среды.

Предсказан эффект подавления поглощения акустических волн в кристаллах при резонансном взаимодействии ультразвука с вращающимся электрическим полем. Показано, что в сегнетокерамиках с аномально высокой диэлектрической проницаемостью под действием вращающегося электрического поля при определенных значениях длины образца (или напряженности электрического поля) возможно гигантское усиление ультразвука. Получено условие, при котором нормированные интенсивности прошедшей и обращенной волн достигают максимальных значений ~104 для длины образца ~ 4 см, напряженности электрического поля ~ 4 кВ/см и циклической частоты ультразвука ™107 рад/с. Следовательно, образец сегнетокерамики, помещенный во вращающееся электрическое поле, может быть использован в качестве элемента высокоэффективного усилителя ультразвука и генератора обращенной акустической волны.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

-в средах со спиральной структурой сохраняется линейная

комбинация импульса и момента импульса электромагнитного поля, чем объясняется поляризационная селективность брэгговского отражения света в ХЖ;

-дисперсионное правило сумм в оптике холестерическнх жидких кристаллов, подтверждаемое наблюдаемыми спектрами циркулярного дихроизма;

-оптические свойства сред со спиральной структурой существенно зависят от наличия магнитной анизотропии, частотной дисперсии и локальной гиротрсотги, что может быть использовано для управления поляризацией электромагнитных волн;

-возрастание интенсивности света вследствие спирального строения молекул вещества приводит к уменьшению оптической акта-внссти естественно х'иротропных кристаллов;

-в кристаллах определенных классов симметрии в результате нелинейного оптического, акустооптического или электроакустического взаимодействий возможно образование спиральной стационарной и вращающейся анизотропии;

-эффекты нелинейного вращения плоскости поляризации и пропускания в ХЖ, а также компенсации линейного двупреломления света' в гиротропных сверхрешетках, которые позволяют управлять плоскостью поляризации и осуществлять частотную фильтрацию;

-аналитический метод исследования подавления поглощения, обращения волнового фронта, вращения плоскости поляризации, селективного усиления и генерации электромагнитных и акустических волн в кристаллах с вращающейся структурой.

Личный вклад соискателя. Диссертация отражает личный вклад автора в теорию оптических и акустических свойств" гиротропных сред с периодической структурой. Ряд работ выполнен в соавторстве с академиком АН БССР Б. В. Боку тем и профессором А.Н.Сердюковнм при совместной постановке задач. В диссертацию вошли также результаты исследований, проведенных совместно с учениками И.Н.Ах-раменко, С.А.Хахомовым, В.А.Киеней, В.Е.Гайшуном под руководством и при определяющем вкладе диссертанта. В работах, выполненных совместно с Г.С.Митюричем и В.П.Зеленым, автору диссертации принадлежит расчет диссипации энергии электромагнитного поля и исследование эффекта ослабления поглощения света при фотоакустическом взаимодействии в ХЖ. В.Н.Капшаем предложена процедура

перехода к специальной системе координат в случав произвольной ориентации директора относительно, оси спиральной структуры. Б.Б.Севруком определены волновые числа и эллиптичности собственных акустических волн для пьезоэлектрического полупроводника в присутствии вращающегося электрического поля. В соавторстве с П.И.Ропотом рассчитаны интенсивности дифрагированных световых волн при акустоэлектрооптическом взаимодействии в кристалле нио-бата лития во вращающемся электрическом поле. Три статьи опубликованы совместно с В.А.Пенязем, В.В.Гвоздевым и А.И.Самусенко, вклад автора в которые отражен в диссертации.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались на всесоюзных конференциях: по когерент-' ной и нелинейной оптике (Киев-1980г., Ереван-1982г., Москва-1985г.), по акустоэлектронике и квантовой акустике (Сара-тов-1983г., Черновцы-1986г.), по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград-1990г.), по дифракции и распространению волн (Винница-1990г.); на всесоюзных семинарах: по фотоакустической спектроскопии и микроскопии, фотоакустическим и термоволновым явлениям (Душанбе-1989г.), по оптике анизотропных сред (Мо.сква-1987 и 1988г.г.), современным проблемам нелинейной оптики и квантовой электроники (Минск-1988г.); на Федоровских сессиях (Ленинград-1988 и 1989г.г); на международных конференциях: по ультразвуку (Франция-1991г.), по звуку и колебаниям (США-1992г.); на генеральной ассамблее международного союза радиотехнических наук (Япония-1993г.); на международных семинарах: по новым микроволновым материалам (Финляндия-1993г.), по электродинамике хиральных и бианизотропных сред (Гомель-1993г.), по хи-ральным, Си-изотропным и бн-анизотропным средам (Франция-1994г., С1М-1995Г. .Россия - 1996 Г.).

Опубликованность результатов. Список основных работ по теме диссертации состоит из 55 наименований. Полученные результаты опубликованы в одном обзоре научной литературы, в 36 статьях в журналах, в 17 статьях в сборниках, в 15 тезисах докладов на конференциях, одной заявке на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав , кратких выводов и списка литературы.

Полный объем диссертации составляет 275 страниц. Диссерта-

щи содержит 37 рисунков на 34 страницах, 4 таблицы, список использованных источников из 408 наименований на 35 страницах.

В первой гладе дан краткий обзор научной литературы по теме диссертации,содержащий следующие разделы: оптические свойстез холестерических жидких кристаллов, электромагнитные волны в изотропных оптически активных средах, нелинейные свойства гиротрсп-них сред, дифракция света на ультразвуке, дифракция света на объемных гологрнфических решетках, анизотропные среды.

Во второй главе изложены общая методика и основные метода исследований волн в холестерических жидких кристаллах, гиротроп-ных слоисто-периодических структурах, естественно гиротропннх кристаллах и кристаллах, испытывающих воздействие вращающихся полей.

Третья глава посвящена исследованию распространения и взаимодействия электромагнитных волн в холестерических жидких кристаллах. В этой главе на основании теоремы Кетар получен закон сохранения для электромагнитного поля в ХЖК, обусловленный винтовой симметрией среды и являющийся модификацией законов сохранения импульса и момента импульса. Плотность сохраняющейся величины

представляет собой комбинацию проекций на ось холестернческой спирали векторов плотности импульса & = /4тсс и плотности момента импульса т - электромагнитного поля. При этом д

связано с шагом холэстэрической спирали соотношением д = 2%/Ь, с - единичный вектор, направленный вдоль оси спирали ЖКК, являющейся винтовой осью симметрии бесконечного порядка. Установленный нами закон сохранения получен также на основании трехмерной формы уравнений Максвелла для свободного поля в среде и материальных уравнений для ХМ.Получено соотношение

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

+ с = о,

связывающее цроекции на ось холе с тэриче ской спирали вращательного момента N и силы давления У, действующих на ХЖК со стороны дифрагирующего излучения. Дано квантовомеханическое объяснение приведенного соотношения и сделаны -численные оценки величин N и У. Показано, что установленный закон сохранения позволяет объяснить 'поляризационную селективность Срэгговского отражения света в ХЖК, не прибегая к решению граничной задачи.

Получено не зависящее от толщины кристалла интегральное дисперсионное правило сумм

для циркулярного дихроизма Ф(А,), обусловленного дифракцией света на периодической структуре ХЖК. Здесь Л^ - длина волны света, являющаяся центром области брэгговского отражения. Выполнимость найденного правила суш проверена на примере экспериментальных спектров циркулярного дихроизма ХЖК.

С помощью метода связанных волн изучена генерация второй гармоники в ХКК, помещенном в постоянное электрическое поле, происходящая при фазовом согласовании в отсутствие селективного отражения. .Укорочение уравнений в закрученной системе координат, сопровождающей поворот директора ХЖК, произведено с учетом периодичности среда. При этом принято во внимание керровскоо воздействие постоянного внешнего поля на тензор диэлектрической проницаемости ХЖК. Получено соотношение Мэнли-Роу, имеющее форму закона сохранения суммы потоков энергии взаимодействующих волн на всей толщине ХЖК. Найденные решения могут быть использованы для определения компонент тензора кубичной нелинейной восприимчивости .9 по результатам измерения интенсивности второй гармоники.

Исследовано изменение периода холестерической спирали под действием интенсивной линейно поляризованной световой волны, вращение плоскости поляризации которой описывается формулой де Ври. Показано, что увеличение шага холестерической спирали может привести к повороту плоскости поляризации воздействующего поля, отличному от случая поля малой интенсивности. Изучено поведение нелинейного удельного вращения плоскости поляризации в зависимости от интенсивности и частоты электромагнитного поля. Установ-

+ГО

явно, что нелинейная вращательная способность ХЖК может принимать как положительные, так и отрицательные значения, обращаясь в нуль на определенной частоте.

Изучено распространение интенсивной линейно поляризованной световой волны в ХЖК, передняя поверхность которого -свободна, в то время как на задней поверхности молекулы ХЖК испытывают сильное сцепление со стенкой жидкокристаллической ячейки. Исследовано прохождение интенсивного света через оптическую систему, состоящую из ХЖК и анализатора, направление пропускания которого совпадает с ориентацией директора на опорной поверхности. Показано, что при значительной интенсивности электромагнитной волны относительное пропускание ХЖ в режиме Могена может не зависеть от ориентации плоскости поляризации падающей волны.

В четбещой главе проводится исследование распространения электромагнитных волн в гиротропных слоисто-периодических средах, в том числе обладающих спиральной структурой. В связи с задачей создания материалов с новыми свойствами в этой главе рассмотрены слоисто-периодические структуры (сверхрешвтки), образованные гиротропными слоями произвольной кристаллографической симметрии. Получены эффективные параметры, характеризующие гиро-тропные свойства сверхрешеток в длинноволновом приближении, когда длина волны электромагнитного поля велика по сравнению с периодом Ю структуры:

а33 1 , ^«гЗ -Ч ' г етЗ .

— к - азз — ]; — Кз - азз — У

£ 8 Ц

тз тпз -v ^ пз

- — а3п - 1атЗ ~ а33 ~ ] ~ • Ь33 Ь33 ^33

Найденные значения величин А необходимо подставить в универсальное соотношение

Ае = а:А + (1 - х)А' ,

где индексы I, тип принимают значения 1 и 2, х = й/Ю, 1 - я = с! /Я -значения относительной толщины каждого слоя, нештрихо-ванные и штрихованные величины относятся соответственно к первому и второму слою сверхрешетки, индекс "е" обозначает эффективные величины, характеризующие сверхрешетку в целом, 3) = в + й -период сверхрешетки. На нескольких простейших примерах показана

принципиальная возможность создания сверхрешэток с заданными гиротропными свойствами в результате комбинации оптических постоянных кристаллов, образующих сверхрешэтку. В случае немагнитных слоев возможно создание сверхрешеток с пересекающимися дисперсионными кривыми е1(и) и е2(ш) главных значений одноосного тензора диэлектрической проницаемости. В свэхрешетках, образованных магнитными слоями, может иметь место компенсация линейного двупрэломления света, обусловленная взаимной пропорциональностью эффективных тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости слоисто-периодической структуры. Такие сверхрешетки могут быть использованы в устройствах с селективным по частоте пропусканием света.

Исследовано влияние частотной дисперсии тензора диэлектрической проницаемости на оптические свойства слоисто-периодических сред со спиральной структурой. Определен эффективный тензор диэлектрической проницаемости такой среды. Учтена возможность пересечения дисперсионных кривых е1(ш) и ег(ш) главных значений тензора е. Показано, что дисперсия в ряде случаев может привести к качественному изменению гиротропии и брэггов-ского отражения в среде со спиральной структурой. Так, область брэгговского отражения может либо смещаться, либо исчезать, либо разделяться на две области узкой полосой существования действительных значений волновых чисел всех собственных мод электромагнитного поля. Кроме того, пропускание света становится возможным лишь в спектральной области, близкой к точке пересечения дисперсионных кривых е1(ш) и е2(ш).

Задача о распространении света вдоль оси слоисто-периодической среды со спиральной структурой решена с учетом естественной гиротропии слоев. Найден эффективный тензор естественной гиротропии среда со спиральным упорядочением слоев. Показано, что микрохиральность может привести к сдвигу границ и измерению ширины области брэгговского отражения. Относительное изменение ширины области брэгговского отражения, вызванное естественной гиротрогшей, в линейном приближении по а имеет вид

= 2(Де а - е Да )/(/ё Де ),

О ее е & в е

где ё& и ав - средние значения эффективных диэлектрической проницаемости и естественной гиротропии, Де и Да - анизотропия

соответствующих им локальных тензоров. Согласно выполненным в диссертации оценкам, при As<?~10-2, s и значениях о^Ю"3, Аае"10~3, характерных для обычных гиротропных кристаллов, относительное изменение ширины области брэгтовского отражения составляет величину ~1СГ1. В режиме циркулярных собственных мод электромагнитного поля вклад естественной гиротропии слоев в удельное вращения плоскости поляризации света может иметь тот же порядок, что и вращательная способность среды, связанная со спиральным упорядочением слоев.

Рассмотрены особенности прохождения света через кристалл, обладающий одновременно спиральной анизотропией диэлектрических и магнитных свойств. Решена граничная задача для слоя со спиральной структурой и численно проанализирована зависимость оптических характеристик слоя от параметров, входящих в задачу:анизотропии магнитной проницаемости, толщины слоя, показателя внешней среды, ориентации плоскости поляризации света относительно направления анизотропии на поверхности слоя. Исследовано поведение коэффициента пропускания, эллиптичности прошедшей и отраженной волны при условии компенсации дифракции 5ц = - бЕ.При выполнении этого условия дифракция волн не имеет места, хотя сверхрешетка имеет периодическую структуру диэлектрических и магнитных свойств. Такой эффект отсутствия дифракции можно объяснить тем, что анизотропия магнитной проницаемости и анизотропия диэлектрической проницаемости взаимно компенсируются. Установлено, что коэффициент пропускания света и эллиптичность прошедшей волны зависят от величины W = |5в + бц|, а угол поворота эллипса поляризации прошедшей волны - также от величины У = (5е - бц)2, где ös и бц - относительная анизотропия диэлектрической и магнитной проницаемости среды.

. Показано, что -для частот электромагнитного поля, близких к полосам поглощения среды, возможно существование особых волн в средах со спиральной структурой, обладающих микрохиральностью. Определены волновые числа и эллиптичности этих волн и установлено, что распространение одной особой волны запрещено в области

q < - ав) й0,

где к - волновое число падающей электромагнитной волны в ваку-

уме.

Пятая глава посвящена изучению оптических свойств естественно гиротропных кристаллов на основании спиральной модели молекул вещества. Исследованы нелинейные свойства гиротропных кристаллов, проявляющиеся при больших интенсивностях света и объяснены наблюдавшиеся ранее в экспериментах свойства нелинейной вращательной способности ряда кристаллов. Найдена энергия взаимодействия геликоидальной молекулы с электромагнитным полем

и = -£Е-тН =

„2

е- f 1 г rA(f^

1 з Е° + Я° / '

где р и т - электрический и магнитный моменты молекулы, е и те -заряд и масса электрона, гид- радиус и удельное кручение спиральной траектории электрона, П0 - собственная частота колебаний электрона (частота поглощения света средой), |Е0 и й0 - амплитуды векторов электрического и магнитного поля световой волны. Получено выражение для измерения вращательной способности среда при увеличении интенсивности света:

Зйе[п02-

= - |ди(д) + 2Ди(г)], ,

ггд2е2

где Au(q) и Ли (г) - изменения энергии, вызванные изменениями периода и радиуса спиральной траектории электрона. Поскольку энергия взаимодействия молекулы с электромагнитным полем стремится к минимуму (Ли(<?).,< О, Аи(г) < О), то из формулы для А'в при условии > ш следует соотношение aígn А'д = - aígn rQ. Таким образом, знаки нелинейной оптической активности энантиоморфных кристаллов в оптическом диапазоне частот долины быть противоположны друг другу и знаку естественной оптической активности. Эта особенность нелинейного вращения плоскости поляризации наблюдалась ранее в экспериментах для кристаллов Si02, LiI03, ZnP2, CdP2, Te02.

Спиральная модель молекул вещества использована также для

исследования теплоиндуцированной нелинейной оптической активности и циркулярного дихроизма естественно гиротропных кристаллов. С помощью этой модели предложено объяснение температурных изменений параметров, входящих в дисперсионную формулу Чандрасе-кара:

вл ао^

дТ

< О,

дт

< о

Такие изменения наблюдались ранее экспериментально для ряда гиротропных кристаллов, например, кварца, иодата лития, легированного ионами группы железа, а также некоторых солей. Теоретическое рассмотрение показывает, что для этих кристаллов изменение вращательной способности, обусловленное нелинейной электронной поляризуемостью, противоположно по знаку естественной оптической активности и тепловому нелинейному вращению плоскости поляризации. Исследована также спектральная зависимость изменения вращательной способности и циркулярного дихроизма при рассмотренных механизмах тепловой нелинейной оптической активности.

Б шестой главе проводится исследование возможности формирования спиральной структуры в нелинейных кристаллах под действием электромагнитных и акустических волн. Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает создание спиральной структуры при линейном и квадратичном элвктрооптическом воздействии.

гиротропные

негиротропные

Линейный эффект 23 , 3, 32 3т, 6, 6т2, 43т

Квадратичный 32, 622, 432 Зяа, Зт, 6т, &я2, 6/ттт

эффект ссй, 00 00 43т тЗт, овд, оо/тт, 00 аЩ

Рассмотрен высокочастотный эф$ект Керра в диспергирующей среде л показано, что при наличии в среде естественной молекулярной гиротропии спиральная структура может быть сформирована под действием интенсивной линейно поляризованной волны. Проанализированы особенности распространения слабого светового сигнала б поле такой волны, индуцирующей спиральную анизотропию диэлектрической проницаемости и молекулярной оптической активности, и указано на возможность захвата плоскости поляризации слабого

сигнала волной большой мощности. Для осуществления отмеченного увлечения плоскости поляризации необходимо выполнение неравенства Дш/с » ¡18(0) - в котором о и О - частоты слабого сигнала и мощной волны, 'б(ш) - удельное вращение плоскости поляризации света на частоте ш, Аа = вВ^ - индуцированная мощной волной анизотропия диэлектрической проницаемости. При кубичной нелинейной восприимчивости в ~ 10~19м2/В2, интенсивности модулирующего излучения ~ Ю14Вт/м2 и молекулярной гиротропии а " Ю-3 изменение угла поворота плоскости поляризации слабого сигнала может составить величину Аср = 1*0(0) - *б(ш)]1|, где Ъ - длина кристалла.

Показано, что акустическая гиротропия может обусловить'формирование спиральной анизотропии электромагнитных свойств не-центросимметричного кристалла при квадратичной модуляции его диэлектрической проницаемости гиперзвуком. В предельном случае глубоко модулированной анизотропии диэлектрической проницаемости может иметь место увлечение плоскости поляризации электромагнитного сигнала интенсивным гиперзвуковым полем, вследствие чего ориентация плоскости поляризации сигнала определяется величиной акустической, а не оптической гиротропии среда. Измерение угла поворота плоскости поляризации оптического сигнала, захваченной гиперзвуком, позволяет определить акустическую вращательную способность среды.

Решена граничная задача для электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, испытывающего брэгговскую дифракцию в естественно гиротропном кристалле, обладающем индуцированной гиперзвуком спиральной структурой. При этом коэффициент дифракционного отражения максимален на частоте и0 = |*&ак - *в0М |с/-/Т\ определяемой модулем разности акустической и электромагнитной естественных вращательных способностей кристалла. Измерение частоты, соответствующей максимальному дифракционному отражению, позволяет определить акустическую вращательную способность 1фис-талла.

Рассмотрено формирование спирально-неоднородной анизотропии в кристаллах при линейном и квадратичном акустооптическом воздействии циркулярно поляризованной ультразвуковой волны. Приведены классы симметрии кристаллов, в которых возможно образование такой структуры.

Линейный акустооптический эффект

3, 3, 32, Зт, Зт, 23, тЗ

Квадратичный акустооптический эффект

32, Зт, Зт,_622, 6ш, 6т2., 6/шт, 432, 43гг, Зт, °° со,оо <т

Изучено влияние поглощения на распространение пробной электромагнитной волны в среде с индуцированной анизотропией. Анализ частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения пробного сигнала показал, что при выполнении условия Брэгга для параметрического взаимодействия ультразвука и света проявляется эффект поляризационного ослабления поглощения, аналогичный ослаблению поглощения света в ХЖК и эффекту Бормана для рентгеновских лучей в кристаллах.

Целью седьлой главы является изучение оптических свойств нелинейных гиротропных кристаллов -с индуцированной спиральной вращающейся структурой. Показано, что благодаря гиротропии нелинейные кристаллы под действием интенсивных электромагнитных и акустических волн могут приобретать интересные пространственно неоднородные и нестационарные свойства. Такие кристаллы соединяют в себе достоинства как холестэрических жидких кристаллов, обладающих селективным отражением свата определенной частоты и поляризации и вращением плоскости поляризации, так и нелинейных сред, которых- возможно" параметрическое взаимодействие волн -энвргообмен и преобразование частота. Рассмотрено распространение в гиротропном кристалле двух интенсивных циркулярно поляризованных волн с одинаковой амплитудой 15 , противоположными поляризациями, близкими частотами П^ и П2 и соответствующими волновыми числами Я1 (П1) и й2 (02). В результате суперпозиции этих волн возникает электрическое поле, вектор напряженности которого поворачивается на угол

ф(г,£) = АА'г - ДСК , где Ж - (К - К_)/2 = (а П + АО /~еТ)/с, П = (О, + П_)/2, АП =

Кг)/2 = (а П + АО тГе^)/с, П = (О, , = (О - 02)/2. Точные решения волнового уравнения для слабого электромагнитного сигнала, распространяющегося з интенсивном электрическом поле, имеют вид связанных между собой циркулярно поляризованных волн с частотами, отличающимися на величину 2ДП:

В = А + Ай]г - + ДО]^ +

+ |(ш)7^е:ф{Ч[й(и) - Дй]г - - ,

где тг+ - орты циркулярных поляризаций.

Величины ш, (ш) и амплитуды А определены в результате

решения дисперсионного уравнения и граничной задачи. Показано, что при выполнении условия Брэгга для частоты ш0 пробной волны

ДЯс

Ш- ю - + ДА

0 уТ

имеет место эффект селективного отражения света определенной поляризации. При этом возможен обмен энергией между пробной и модулирующими волнами. Что касается прошедшей или дифрагированной волн, то происходит усиление той из них, которая движется в одном направлении с индуцированной в кристалле структурой. По мере возрастания угловой скорости вращения воздействующего поля существенно изменяется частотная зависимость гиротропных свойств кристалла. Область дифракционного отражения смещается на величину АП. Гиротропные свойства кристалла усиливаются и угол поворо-' та главной оси эллипса поляризации принимает максимальное значение для частот пробного сигнала, близких к резонансной частоте. Установлено, что и в поглощающих средах возможно селективное усиление пробной волны, так как может иметь место эффект ослабления поглощения, обусловленный поляризацией собственных волн в кристалле с индуцированной анизотропией.

В вооълой главе исследуется возможность формирования пространственно-однородной вращающейся структуры в нелинейных гиротропных кристаллах под действием интенсивных электромагнитных волн. Показано, что подбирая соответствующим образом частоты О и П2, можно добиться равенства волновых чисел К (П ) и й£(П2). Тогда имеет место соотношение ЛЯ = 0:

(О, - суу-в^ = а(01 + П2).

При этом вклад естественной гиротропии кристалла в разность волновых чисел воздействующих волн компенсируется частотной рас-

стройкой АО этих волн. В результата суммарное электрическое поле вращается с течением времени, но является пространственно однородным. Исследовано распространение пробной электромагнитной волны в кристалле с быстро вращающейся пространственно однородной структурой. Установлено, что в СВЧ и дальнем КК диапазонах могут иметь место эффекты обращения волнового фронта и усиленгя циркулярной электромагнитной волны, частота и направление вращения вектора Е которой совпадают с частотой и направлением вращения воздействующего поля. Кристалл с быстро вращающейся пространственно однородной структурой обладает также гиротропныни свойствами, и удельное вращение плоскости поляризации определяется соотношением

После формальной замены ДО У е /с - д это выражение переходит в формулу дэ Ври для вращательной способности ХЖК. Учтено поглощение электромагнитных волн в кристаллах с индуцированной врзщв-кяцейея структурой. Показано, что в таких кристаллах может иметь место эффект ослабления поглощения, аналогичный эффекту Бормана для рентгеновских лучей, а также эффекту подавления поглощения света в ХЖК. Рассматриваемый эффект имеет поляризационную природу и не является следствием только перекачки энергии от воздействующего поля к пробной волне. Анализ показал, что максимум коэффициента отражения смещается относительно резонансной частоты в ту область спектра, где поле в кристалле поляризовано преимущественно перпендикулярно осциллятору поглощения. Таким образом, эффект ослабления поглощения (эффект Бормана) имеет место не только при периодическом расположении центров поглощения в пространстве, но и при вращении осцилляторов поглощения с течением времени с постоянной угловой скоростью.

В этой же главе рассматриваются особенности акустоэлектро-оптического взаимодействия в кристаллах, помещенных во.вращающееся поле. Свет, распространяющийся в кристалле ниобата лития вдоль оси симметрии третьего порядка, дифрагирует на продольной либо поперечной ультразвуковой волне в режиме Рамана-Ната в присутствии вращающегося электрического поля. Полученные результата

свидетельствуют, что использование акустоэлектрооптического взаимодействия позволяет создать частотный модулятор света с независимой модуляцией частоты по двум каналам, а также электрооптический переключатель поляризации дифрагированного света.

В девятой глаВв решается задача исследования акустических свойств кристаллов, помещенных во вращающееся электрическое поле. Проведено изучение влияния вязкости среды на акустические свойства сегнетокерамики с аномально высокой диэлектрической проницаемостью в присутствии вращающегося электрического поля. С учетом поглощения определены волновые числа и эллиптичности собственных акустических волн, исследованы гиротропные свойства кристалла, найдены интенсивности прошедшей и обращенной волн. Показано, что в условиях резонансного взаимодействия ультразвука с вращающимся электрическим полем может иметь место эффект подавления поглощения ультразвука. При этом волновые числа собственных мод акустического поля становятся действительными, если напряженность электрического поля превышает определенное пороговое значение. Следовательно, вязкость среда оказывает влияние только на фазовую скорость собственных акустических волн, распространяющихся без затухания. Это пороговое значение напряженности электрического поля найдено с учетом эффекта электропоглощения, то есть влияния шля на вязкость среда.

Взаимодействие ультразвука с вращающимся электрическим полем в веществах с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости исследовано также на основе точного решения граничной задачи. При этом учтены все четыре моды акустического поля, и следовательно, принято во внимание отражение ультразвука от границ кристалла. Изучена зависимость интенсивностей прошедшей и обращенной волн от толщины кристалла и напряженности вращающегося электрического шля. Получено условие

Сй1 (to0- О) - &2<0)0- П)ЛВ = фг ф2+ 2та ,

при котором интенсивности прошедшей и обращенной волн достигают максимальных значений При выполнении условия

(ш0- ü) - fe2(u)0- Q)1LS = Z%3

эти интенсивности принимают минимальные значения.Здесь й1 и к£ -волновые числа собственных акустических мод кристалла с вращаю-

щейся структурой, «0= П - частота ультразвука и электрического поля, Ь - толщина кристалла, ср1 и ср2 - аргументы комплексных эллиптичностей собственных волн акустического поля, параметр а принимает значения О, ±1; ±2 и т.д. Разработан приближенный метод решения граничной задачи для слоя кристалла с нестационарной анизотропией, индуцированной вращающимся электрическим полем. Получены аналитические выражения для комплексных амплитуд обращенной, отраженной и прошедших акустических волн, при этом ультразвук, отраженный от границ слоя, считается слабым. Установлено, что эффект подавления поглощения обусловлен структурой акустического поля, собственные моды которого имеют вид стоячих волн во вращающейся системе координат, сопровождающей электрическое поле.

В этой же главе определены классы кристаллов, симметрия которых допускает формирование вращающейся анизотропии упругих свойств под действием электрического поля: Зт, 32, б, 622, бгт, 432. Исследовано взаимодействие ультразвуковой волны с вращающимся электрическим полем в кристалле ниобата лития в различных частотных диапазонах. Изучено влияние проводимости на акустические свойства пьезоэлектрических полупроводников в присутствии вращающегося электрического поля. Последовательно решены волновое и дисперсионное уравнения, граничная задача и определена эффективность взаимодействия ультразвука с вращающимся электрическим полем с учетом проводимости кристалла.

вывода

1. Получен новый закон сохранения для электромагнитного поля в средах со спиральной структурой. Сохраняющаяся величина представляет собой линейную комбинацию проекций'импульса и момента импульса электромагнитного поля на ось винтовой симметрии. На основании этого закона дано объяснение поляризационной селективности брэгговского отражения света в холестерических жидких кристаллах.

2. Установлено интегральное дисперсионное правило сумм для циркулярного дихроизма ХЖК вблизи области брэгговского отражения, справедливое при любых значениях толщины ХЖ. Выполнимость найденного правила сумм проверена на примере экспериментальных

спектров циркулярного дихроизма. Показано, что в Ш{ возможны эффекты нелинейного вращения плоскости поляризации света в условиях циркулярного двупреломления и нелинейного пропускания света в режиме Могена,позволяющие управлять плоскостью поляризации световых волн. Получено решение задачи о синхронной генерации второй гармоники в ХЖК, удовле творящее закону сохранения энергии. Рассчитана диссипация энергии электромагнитного поля в ХЖК, исследован эффект лазерной генерации звука в режиме де Ври и в области брэгговского отражения, обоснована возможность измерения параметров поглощения света в ХЖК методом фотоакустической спектроскопии.

3. Определены эффективные параметры, характеризующие гйрот-ропные свойства слоисто-периодических структур в случае произвольной кристаллографической симметрии слоев. Показана возможность создания s-изотропных сверхрешеток и магнитных слоисто-периодических структур с компенсированным линейным двупреломле-нием, которые могут быть использованы в устройствах с селективным по частоте пропусканием света. i

4. Решена граничная задача для электромагнитных волн' в кристалле, обладающем одновременно диэлектрической и магнитной спиральной структурой и показано, что в таких кристаллах возможен эффект компенсации дифракции волн. Установлено, что частотная дисперсия диэлектрической проницаемости и локальная хиральность вещества существенно влияют на вращение плоскости поляризации и дифракцию электромагнитных волн в средах со спиральной структурой. Показано, что в таких средах в окрестности полос поглощения существуют особые волны и обоснована возможность преобразования поляризации электромагнитного поля при возбуждении особых волн.

5. С помощью спиральной модели молекул вещества установлено, что знаки нелинейной вращательной способности энантиоморфных кристаллов противоположны друг другу и знаку линейного вращения плоскости поляризации, что наблюдалось ранее экспериментально для кристаллов кварца, иодата лития, дифосфида цинка, дифосфида кадмия и парателлурита. На основании спиральной модели микростроения вещества предложено объяснение температурных изменений вращательной способности и циркулярного дихроизма естественно гиротропных кристаллов, в частности, кварца, иодата лития, легированного ионами группы железа, а также некоторых солей. Полу-

чены такав новые интегральные дисперсионные правила сумм для вращательной способности и циркулярного дихроизма естественю гиротропных кристаллов.

6. Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает формирование спиральной стационарной и вращающейся структура при линейном и квадратичном воздействии электромагнитных и акустических волн. Показано, что в случае глубокой модуляции диэлектрической проницаемости имеет место эффект "захвата" плоскости поляризации слабого электромагнитного сигнала в гиротропном кристалле интенсивной световой или ультразвуковой волной.Этот эффект может быть использован для измерения длительности интенсивных световых импульсов и акустической вращательной способности кристалла в гиперзвуковом диапазоне. Получены точные решения уравнений Максвелла для спирально-неоднородной среды с нестационарной вращающейся структурой и показано, что при параметрическом взаимодействии волн в случая выполнения условия Брэгга проявляется эффект поляризационного ослабления поглощения. Установлено, что в среде с вращающейся спиральной структурой возможно селективное преобразование частоты и усиление пробного сигнала, а также значительное увеличение угла поворота его плоскости поляризации .

7. Предложен способ формирования пространственно однородной быстро вращающейся структуры в нелинейных гиротропных кристаллах под действием электромагнитных волн. На основании найденных точных решений уравнений Максвелла и решения граничной задачи для такой среды показана возможность проявления селективных эффектов обращений волнового фронта, ослабления поглощения, преобразования частоты, вращения плоскости поляризации и усиления электромагнитных волн СВЧ и дальнего ИК диапазона. Понвзано, что вращающееся электрическое поле может быть использовано при создают ахустоэлектрооптических ячеек, совмещающих в себе функции вку-стооптичэского модулятора и элвктрооптичоского переключателя плоскости поляризации. Акустооптическоэ взаимодействие в кристаллах в режиме Рамана-Ната в присутствии вращающегося электрического поля позволяет также осуществлять частотную модуляции света по двум независимым квналам.

8. Определены классы кристаллов, симметрия которых допускает формирование вращающейся анизотропии упругих свойств под дей-

ствием электрического поля. Решена граничная задача для кристалла с вращающейся структурой с учетом вязкости среды и показано, что в таких кристаллах возможны эффекты вращения плоскости поляризации, подавления поглощения, преобразования частоты, гигантского усиления ультразвука и генерации обращенной акустической волны. Получено аналитическое выражение для угла поворота плоскости поляризации ультразвука в кристалле в присутствии вращающегося электрического поля. Найдены условия, при которых энергетические коэффициенты прохождения и отражения акустических волн в сегнетокерамике на основе титаната бария принимают максимальные значения ~ 10Л для длины образца ~ 4 см, напряженности . электрического поля ~ 4 кВ/см и циклической частоты ультразвука ~ 10 рад/с. Показано, что этот эффект гигантского усиления акустических волн в сегнетокерамике с аномально высокой диэлектрической проницаемостью обусловлен подавлением поглощения ультразвука вращающимся электрическим полем.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Семченко И.В., Сердюков А.Н. 0 законах сохранения и групповой скорости в оптике холестерических жидких кристаллов // Журн. прикл. спектроскопии. - 1984. - Т.40, J65. ~ С.858-861.

2. Семченко И.В. Дисперсионное правило сумм для циркулярного дихроизма холестерических жидких кристаллов // Докл. АН БССР. -1986. - Т.ЗО, №. - С.712-714.

3. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Синхронная генерация второй гармоники в холестерических жидких кристаллах. Приближение связанных волн // Журн. црикл. спектроскопии. - 1983. - Т.39, J65. - С.768-772.

4. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Нелинейная гиротропия холестерических жидких кристаллов // Журн. прикл. спектроскопии. - 1983. - Т.38,. Ш. - С.292-296.

Б. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Нелинейное пропускание света холестерическим жидким кристаллом в режиме Moreна // Журн. прикл. спектроскопии. - 1987. - Т.46, - - С.156-159.

6. Ыитюрич Г.С., Семченко И.В. Фотоакустическое взаимодействие в холестерических жидких кристаллах // Докл. АН БССР. -1983. - Т.27, Ж. - С.'609-612.

7. Investigation of cholesterlc liquid crystals in the

Bragg reflection region by photoacoustic method / G.S.Mityurieh, V.P.Zelyony, I.V.Semchenko, A.N.Serdyukov // Ultrasonics Int. 91.: Conference Proceedings. - 1- 4 July 1991. - Lb rcuquet» 1991 . - P. 147-151.

8. Фотоакустическая спектроскопия холестерических жидких кристаллов. Область брзгговского отражения / Г.С.Митюрич, В.Д-Зеленый, И.В.Семченко, А.Н.Сердюков /7 Опт. и спектр. -1992. - Т.72, J82. - С.4-28-433.

9. Семченко И.В. Гиротропные свойства сверхрешеток в длинноволновом "приближении // Кристаллография. - !990. - Т. 35, JS5- - С. 1047-1050.

10. Гайшун В.Е., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Гиротропные свойства сверхрешеток с магнитной структурой в длинноволновом приближении // Кристаллография. - 1993. - Т.38, ХВ. - С.24-27.

11. Semchenko I.V. Gyrotropic properties of superlattlces with magnetic structure in long-wave approximation // 3rd. Int. Workshop on Ghlral, Bi-isotropic and Bl-anisotroplc Media "Chiral-94": Proceedings. - Perigeux, Prance. - May 18-20, 1994.

- P.175-178.

12. Семченко И.В., Оврдкков А.Н. Распространение света ь холестерических жидких кристаллах с частотной дисперсией /У Журн.прикл.спектроскопии. - 19S2. - Т.37, JG5. - С.836-839.

13. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Влияние молекулярной ги~ ротропии на распространение света б холестерических гкидких кристаллах // Докл. АН БССР. - 1982. - Т.26, №3. - С.235-237.

14., Капшай В.Н., Киеня В.А., Семченко И.В. Распространение электромагнитных волн в средах, обладающих диэлектрической 2 магнитной стшралыюстыо // Кристаллография. - 1991. - Т.36, №4.

- С.822-827.

1Б. Киеня В.А., Семченко И.В. Прохождение света через кристалл со спиральной анизотропной диэлектрической и магнитной проницаемостью // Кристаллография. - 1992. -Т.37, М. - 0.837844.

16. Semchenko I.V. Particular waves In chiral media // European Electromagnetics Int. Symp. on Electromagnetic Environments and Consequences "EuroEM 94": Proceedings . - Bordeaux, Prance. - May 30 - June 4, 1994. - Part 1. - P.556-562.

17. Семченко И.В. К микротеории нелинейной оптической ак-

тивности кристаллов кварца. Спиральная модель молекул вещества // Журн.прикл.спектроскопии. - 1987. - Т.46, *5. - С.855-858.

18. Семченко И.В. Механизмы теплоиндуцированной нелинейной оптической активности естественно гиротропных кристаллов // Докл. АН БССР.- 1989. - Т.33, J610. - С.888-890.

19. Семченко И.В. Дисперсионные правила сумм в оптике естественно гиротропных сред. Спиральная модель молекул вещества // Докл. АН БССР.- 1989. - Т.33, №.. - 0.114-116.

20. Пенязь В.А., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Высокочастотный эффект Керра в диспергирующей гиротропной среде // Журн. прикл. спектроскопии.- 1981. - Т.35, J82. - С.363-366.

21. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. О возможности формирования спирально-неоднородной нестационарной анизотропии диэлектрической проницаемости в нелинейных кристаллах различных классов симметрии // Кристаллография.-1991. - Т.36, Х6. - С. 1284-1286.

22. Гвоздев В.В., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Спиральная модуляция диэлектрической проницаемости гиперзвуком и измерение акустической вращательной способности // Акустич.журн. - 1983. -Т.29, №. - С.326-328.

23. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Ослабление поглощения при дифракции света на ультразвуке в условиях формирования спиральной анизотропии диэлектрической проницаемости // Кристаллография. - 1991. - Т.36, Л5. - С.1287-1288.

24. Семченко И.В., Сердюков А.Н.. Спиральная модуляция диэлектрической проницаемости гиперзвуком и измерение акустической вращательной способности // Материалы 12 Всесоюзн.конф. по аку-стоэлектронике и квантовой акустике. - Саратов, 1983. - 4.1. -С.362-363.

25. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Преобразование энергии световых волн в условиях дифракции на ультразвуке // Опт. и спектр. - 198Т. - Т.63,Я1. - С.163-167.

26. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Особенности распространения электромагнитных волн в поглощающем естественно гиротропном кристалле с индуцированной одноосной нестационарной анизотропией // Кристаллография. - 1989. - Т.34,J56. -С.1349-1353.

27. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. О возмок-

ности поляризационного ослабления поглощения при параметрическом взаимодействии электромагнитных волн в гиротропном кристалле // Опт. и спектр. - 1990. - Т.68, Ш. - С.597-601 .

28. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Селективное взаимодействие электромагнитных, волн в кристалле со спирально-модулированной нестационарной диэлектрической проницаемостью // Опт. и спектр. - 1989. Т.66, J8. - С.618-622.

23.Ахраменко И.Н., Семченко И.В. Параметрическое взаимодействие электромагнитных волн в условиях формирования спиральна

- неоднородной постационарной анизотропии в естественно гиротропном кристалле // Сб. Современные проблемы нелинейной оптики и квантовой электроники. - Минск,1988. - С.6-9.

30. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Распространение свата в среде с вращающейся холестерической структурой анизотропии // Журн.прикл.спектроскопии. - 1984. - Т.41, Ш. - С.827-830.

31. Семченко И.В. Нестационарный эффект Керра в кубических кристаллах в иоле циркулярно-поляризованной световой волны /У Сб. Ковариантные методы в теоретической физике. Оптика и акустика. - Минск, 1936. - С.114-117.

32. Ахраменко И.Н., Семчэнко И.В., С&рдаков А.К. Селективное усиление электромагнитных волн в среде с вращающейся одноосной структурой //' Журн.прикл.спектроскопии. - 1988. - Т.49, JS2.

- С.304-308; а также об. Оптика анизотропных сред. - М.: МФТИ, 1987. - С.50-52.

33. Ахраменко И.Н., Семченко И.В., Сердюков А.Н. Гиротроп-ные свойства кристалла с вращающейся одноосной анизотропией // Сб. Оптика анизотропных сред. - М.: МФТИ, 1983. - С.109-М1.

34. Семченко И.В., Ропот П.И. Особенности акустооптическо-го взаимодействия в кристаллах, помещенных во вращающееся электрическое поле // Журн.технич.физики. - 1990. - Т.60, Ш. - C.9Ö-95.

35. Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов G.A. Поворот плоскости поляризации ультразвуковой волны во вращающемся электрическом поле // Сб. Волны и дифракция. - М., 1990. - Том 1. -С. 352-354.

36. Semchenko I.V., Serdyukov A.N., Khakhomov S.A. Acoustic waves emission and amplification In ferroelectric ceramic layer with nonstationary anisotropy induced by the rotating ele-

ctric field // Second int. cong. on recent developments In air -and. structure - borne sound and vibration: Proceedings. - March 4-6, 1992. - Auburn Univ., USA. - P.1687-1694.

37. Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов С.А. Влияние вязкости среды на усиление акустических волн в кристаллах в присутствии вращающегося электрического поля // Кристаллография. -1991. - Т.36, т. - 0.298-303.

38. Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов С.А. Усиление акустических волн в кристалле, помещенном во вращающееся электрическое поле // Кристаллография. - 1993. - Т.38, $1. - С. 144149.

39. Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов С.А. Прохождение акустических волн через слой сегнвтокврамики с нестационарной анизотропией, индуцированной вращающимся электрическим полем // Вестн. Белорусок, ун-та. Серия 1. - 1992, $3. ~ С.16-21.

40. Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов С.А. Подавление поглощения акустических волн при их резонансном взаимодействии с вращающимся электрическим шлем // Сб. Ковариантные методы в теоретической физике. Оптика и акустика. - Минск, 1991. - С.64-70.

41. Семченко И.В., Хахомов С.А. Взаимодействие ультразвука с вращающимся электрическим полем в кристаллах различных классов симметрии // Кристаллография. - 1993. - Т.38, »6. - С. 19-25.

42. Semchenko I.V., Sevruk В.В., Khakhomov S.A. Acousto-electron interaction in conductor crystal of ferroelectric ceramic in the condition of inducting of piezoelectric, anisotropic and gyro tropic properties by the rotating electric Held // Seminar on electrodynamics of chiral and bianisotropic media "Bianisotropics'93n: Proceedings. - 12-14 October 1993. - Gomel, Belarus. - P.93-96.

43. Семченко И.В., Севрук Б.В., Хахомов С.А. Электроакустическое взаимодействие в сегнетокерамике в присутствии вращающегося электрического поля // Кристаллография. - 1994. -Т.39, Jt6. - С.1088-1091.

44. Semchenko I.V., Sevruk В.В., Khakhomov S.A. Acousto-electron interaction in piezoelectric semiconductors: chiral properties induced by the rotating electric field // 3rd Int. . Workshop on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic

Media "Chiral'94": Proceedings. - Periguem, France. - May 1820, 1994. - P.445-450.

45. Akhramenko I.N., Semchenko T.V. Non-colllnear Interaction of electromagnetic waves in gyrotropic crystals with rapidly rotating anlsotropy // Seminar on Electrodynamics of Chiral and Bianisotropic Media "Bianisotropic3'93": Proceedings. - 12-14 October 1993.- Gomel, Belarus, - P.113-115.

46. Киеня 3.A., Семченко И.В. Эффект Фарадея в холестеричееких жидких кристаллах // Известия АН Беларуси. Серия физ.-мат.наук. - 1993. - Л. - С.68-71.

4'~. Кеэня В. А., Семченко И. В. Эффект Фарадея в холвстерических жидких кристаллах при наклонном падении света// Кристаллография. - 1994. - Т.ЗЭ.ЛКЗ. - С.514-518.

48. Semchenko I.V., Samusenko A.I. Boundary-value problem for particular waves in chiral media with spiral structure //4th. Int.Conf. on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic Media "Chiral'95": Proceedings. - 11-14 October 1995. - Tiis PenoylTania State Univ., State College, USA. - P. 123-126.

49. Xhakhcmov S.A., Semchenko T.V. The amplification of ultrasoiaia in semiconductors by the electron drift in condition, of forming of chiral properties by the rotating electric field. // 4th Int.Oonf. on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic Media "Chiral'95": Proceedings. - 11-14 October 1995. - The Pennsylvania State Univ., State College, USA. - P.139-142.

50. Семченко И.В., Хахомов С.А., Севрук Б.Б. Частотная зависимость взаимодействия ультразвука с вращающимся электрическим полем в проводящей сегнетокерамине // Известия АН Беларуси. Сер.физ.-мат.наук. - 1395. - J&4. - С.44-50.

51. Semchenko I.V. Particular waves in bi-isotropic media // Workshop' on novel microwave materials "Bi-isotropics' 93": Proceedings. - Helsinki Univ. of Technology, Electromagnetics Lab., Report 137. - February 1993. - P.86-92.

52. Sihvola A., Tretyakov S., Semchenko 1.(editors). Proceedings of Seminar on electrodynamics of chiral and bianiaotro-plc media "Bianisotropica'93". - 12-14 October 1993. - Gomel, Belarus. - Helsinki Univ. of Technology, Electromagnetics Lab. -Report 159. - December 1993 - 120 pp.

53. Заявка на изобретение РФ. Способ и устройство для пово-

рота плоскости поляризации ультразвуковой волны / Семченко И.В., Сердюков А.Н., Хахомов С.А. - JK34028I74/28; заявлена 27.07.94; опубл.27.12.95. Бшш.ЖНЗ - С.105.

54. Duality in electromagnetica: application to Teilegen media / A.N.Serdyukov, A.H.Slhvola, S.A.Tretyakov, I.V.Semchenko // Electromagnetics. - 1996. - V.16, *1. - P.51-6-1.

55. Semchenko I.V., Tretyakov S.A., Serdyukoy A.N. Research on chiral and bianisotropic media in Byelorussia and Russia in the last ten years // Progress in Electromagnetics Rasearch.PIER 12. Chief Editor J.A.Kong. - EMW Publishing.Cambridge, Massachusetts, USA. - 1996. - P.335-370.

РЭЗЮМЕ

Семчанка 1гар Валянн!няв!ч

Электрамагн!тныя ! акустычння хвал 1

'О гтратропных асяроддзях э перыядачнай структурай

Сптральная структура, вярчзнне плоскасп! палярызацыг, звыи-рашоткя, поле, яксе вергд!цца (вярчальнае поле), абарачэннз хвале вага фронту, памяншэнне паглынання, узмацненне хваля?.

Аб'ектам даследавання служаць г!ратропныя асяроддз! з прас-торавай 1 часавай перыядычнага структураю.

Асно?ныя мэты дысертацы! - ул!к сумеснага вплыву гтратропннх якасця? ! перыядачнай структуры аеяродцзя на распа?сюджванне { Уэаемадзеянне электрамагштных хваля? у халестырнчных вадк тх крыш-талях, звышрашотках ! натуральна г!ратропных крыштзлгтх; агмсанне ?зяемэдзеяння эле;стсямагн ттных ! акустмчнкх хпаля? з хутка начальным! палям! ? нелгнзйных асяроддзях.

У дысертацы! Установлены закон захавання лШеЯнаЙ камбШацы} !мпулься 1 мсманту {мпульса электрамагштнага поля ? асяроддзях з сп!ральнага структура», як! тлумачыць палятмзацыйную селекты?насць б?эга?скага адбгцця святла 9 ХВК. Атрымана дысперс!йнае праптла сума? для ццрхулярнага дыхра!зму ? ХВК, пацвярджальнае экспериментальным! спектрам!. Прадказаны эфекты кампенсацыг лШейнага падвойнага пераламлення святла ? пратропннх звышрашотках I кам-пенсяиы! дафракци! элеятрамагштных хваля? у асяроддзях э сптраль-наго структурай. Растлалачана экспериментальна назтральнае памяншэнне аптычнай акты?насц! натуральна г!ратропных кршталя? пры па-вел!чэнн1 !нтэнс!?насц1 святла, а таксама температурных змяненни? г{ратропных уласц!васця? хпышталя?. Распряцаваны анал{тычнн метэд даследавання аптычных ! акустнчных якасця? крышталя?, змешчаных у вярчальныя пал:. Прадказаны эфекты памяншэння паглынання, пера?т-варэння частаты, вярчэння плоскасит палярызацыт, абарачзння хва-левага фронту, селекты?нага узмацнення I генерацы! электрамагн!т-ных ! акустычннх хваля? у кркшталях з вярчальнай структурай.

РЕЗШЕ

Семченко Игорь Валентинович

Электромагнитные и акустические волны в гиротройных средах с периодической структурой

Спиральная структура, вращение плоскости поляризации, сверхрешетка, вращающееся поле, обращение волнового фронта, подавление поглощения, усиление волн 1

Объектом исследования служат гиротропные среды с пространственной и временной периодической структурой.

Основными целями диссертации являются: учет совм&стного влияния гиротройных свойств и периодической структуры среды на распространение и взаимодействие электромагнитных волн в холе-стерических жидких кристаллах, сверхрешвтках и естественно гиро-тропных кристаллах; описание взаимодействия электромагнитных и акустических волн с быстро вращающимися полями в нелинейных средах.

В диссертации установлен закон сохранения линейной комбинации импульса "и момента импульса электромагнитного поля в средах со спиральной структурой, объясняющий поляризационную селективность брэгговского отражения света в ХЖК. Получено дисперсионное правило суш для циркулярного дихроизма ХЖК, подтверждаемое экспериментальными спектрами. Предсказаны эффекты компенсации линейного двупреломления света в гиротропных сверхрешетках и компенсации дифракции электромагнитных волн в средах со спиральной структурой. Дано объяснение экспериментально наблюдаемого уменьшения оптической активности естественно гиротропных кристаллов при возрастании интенсивности света,а также температурных изменений гиротропных свойств кристаллов. Разработан аналитический метод исследования оптических и акустических свойств кристаллов, помещенных во вращающиеся поля. Предсказаны эффекты подавления поглощения, преобразования частоты, вращения плоскости поляризации, обращения волнового фронта, селективного усиления и генерации электромагнитных и акустических волн в кристаллах с вращающейся структурой.

RESUME

Igor V. Semchenko

ELECTROMAGNETIC AND ACOUSTIC WAVES IK PERIODICALLY STRUCTURED CYTOTROPIC MEDIA

Spiral structure, polarization plane rotation, superlattice, rotating field, wave front reversal, suppression of absorption, amplification of waves.

Spatially and time periodically structured gyrotropic media have been the object of the study.

The major objectives of the thesis are the following: consideration of the joint effect of the gyrotropic properties and the periodical structure of a medium on the propagation and interaction of electromagnetic waves in cholesteric liquid crystals, superlattices and naturally gyrotropic crystals; description of the interaction of electromagnetic and acoustic waves with rapidly rotating fields in non-linear media.

The thesis establishes the (aw of conservation of the »near combination of the momentum and the moment of momentum of the electromagnetic field in spirally structured media explaining the polarization selectivity of the Bragg reflection of light in CLC. A dispersion sum rule has been obtained of the drcular dic'nroism of CLC validated by experimental spectra A prediction has been made about the effects of compensation of the linear birefringence of light in gyrotropic superlattices and the compensation of the diffraction of electromagnetic waves in spirally structured media. An explanation is advanced of the temperature-induced modifications of the gyrotropic properties of crystals and that the experimentally observed reduction of the optical activity of naturally gyrotropic crystals evolves in response to the light amplification. An analytical method has been developed for investigation of the optical and acoustic properties of crystals disposed in a rotating field. A prediction is made about the effects of suppression of absorption, frequency conversion, polarization plane rotation, wave front reversal, selective amplification and generation of electromagnetic and acoustic waves in crystals with the r otating structure.