Преобразование световых и ультразвуковых волн в кристаллах с электроиндуцированной анизотропией и гиротропией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

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

ГГБ ОД

УДК 535.5:548.0 1 К/ЗП ¿^03

КУРИЛКИНА Светлана Николаевна

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СВЕТОВЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛП В КРИСТАЛЛАХ С ЭЛЕКТРОИНДУЦИРОВАШЮЙ АНИЗОТРОПИЕЙ И ГИРОТГОПИЕЙ

01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск, 2000

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

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Барковский Л.М.

доктор физико-математических наук, профессор Круглнк Г.С.

доктор физико-математических наук, профессор Хапалюк А.П.

Оппонирующая организация: Институт электроники HAH Беларуси

Защита состоится " /¿Р" 2000 г. в на

заседании Совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Б-И. Степанова HAH Беларуси.

Автореферат разослан "J? " ¿У? 2000 г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций

доктор физ.-мат. наук, профессор^^^^^^, А.А.Афанасьев

оз

ß 3^5.^X3^03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Значительный прогресс б развитии лазерной техники, а также техники генерирования и приема ультра- и гиперзвука стимулировал интенсивные исследования взаимодействия и преобразования оптического и ультразвукового излучения, а также поиск кристаллов, где последнее наиболее эффективно. Все это, в свою очередь, активизировало исследования в области оптики, акустики и акустооптики анизотропных, гиротропных, магнитоупорядоченных, диспергирующих и поглощающих, нелинейных и подверженных внешним воздействиям сред, что привело к созданию теории распространения , а также дисперсионного и дифракционного рас-плывания пучков и импульсов излучения в кристаллах.

К настоящему времени можно считать достаточно изученными особенности распространения плоских электромагнитных волн в гиротропных и негиротропных диэлектриках. Однако в рамках наиболее часто используемого плосковолнового приближения невозможно объяснить ряд явлений, наблюдаемых при распространении излучения вдоль и вблизи особых направлений, в том числе оптических осей, исследование которых актуально как для развития фундаментальных представлений о механизмах взаимодействия света с веществом, так и в прикладном плане. Выявление особенностей волновых поверхностей, поляризационных полей в особых направлениях и вблизи них открывает широкие перспективы для использования последних в системах обработки информации. Поэтому развитию теории распространения оптического излучения, наиболее корректно представляемого в виде пучков и импульсов, вдоль и вблизи оптических осей негиротропных и гиротропных кристаллов уделяется большое внимание.

Известная аналогия явлений оптики и акустики кристаллов прослеживается не во всех свойствах. Так, в анизотропной среде могут распространяться три (а не две, как в оптике) изонормальные ультразвуковые волны, ни одна из которых в общем случае не является ни продольной, ни поперечной. Кристаллы проявляют настолько сильную анизотропию, что почти все основные сведения о групповых скоростях и волновых поверхностях в конкретных средах получаются с помощью современной вычислительной техники и, как правило, численными методами. Из-за механической природы ультразвуковых волн теория их распространения, поляризации, дисперсии, затухания, взаимодействия и преобразования строится на своей независимой основе. Этими отличиями диктуется необходимость исследования зависимостей скоростей распространения, поляризации и дифракции ультразвуковых волн от анизотропии, симметрии упругих свойств кристаллов и проявления акустической гиротропии, диспер-

сии, затухания и нелинейного взаимодействия. Такая необходимость возникла в кристаллоакустике в связи с совершенствованием методов возбуждения и приема ультразвука, его широким применением для изучения физических свойств анизотропных сред.

Наряду с исследованием анизотропии кристаллов, ультразвуковые волны, точнее: взаимодействия ультразвуковых волн со световыми, - используются для управления параметрами оптического излучения. Аку-стооптические фильтры, модуляторы и дефлекторы нашли широкое применение в системах обработки и передачи информации. Ряд уникальных по своим оптическим, акустическим, акустооптическим свойствам материалов (парателлурит, теллур, германат висмута и др.) обладает существенной гиротропией. Поэтому изучение проявления как оптической, так и акустической гиротропии кристаллов при акустооптическом взаимодействии необходимо и для целей создания и конструирования акустооптиче-ских устройств.

В последнее время научные исследования по акустооптике кристаллов сместились в сторону изучения особенностей взаимодействия электромагнитных и акустических волн при наличии внешнего электрического и магнитного полей. Внешние поля обусловливают изменение упругих и диэлектрических свойств кристаллов, и, как следствие, оказывают параметрическое воздействие на пространственные, поляризационные и энергетические характеристики взаимодействующих волн. Поэтому изучение акустооптических взаимодействий при наличии внешних электрических полей неразрывно связано с проблемой исследования статических и динамических параметрических электрооптических и электроакустических эффектов. Полученные при этом теоретические результаты широко используются при создании применяемых в квантовой электронике твердотельных элементов акустических, акустоэлектронных и акустооптических устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками.

На поляризационные эффекты, а также распределение энергии дифрагированного излучения при акусто- электрооптическом взаимодействии сложным образом влияют многие факторы: направление распространения и поляризация световых и акустических волн в кристаллах, а также величина и ориентация внешнего поля, - что существенно затрудняет построение теории акусто- электрооптических взаимодействий и делает возможным получение аналитического решения задачи дифракции лишь для высокосимметричных кристаллов. Выбор геометрии акусто-электрооптического взаимодействия, наиболее благоприятной для управления поляризационными характеристиками дифрагировавших на ультразвуке световых волн, позволит: создавать гибридные ячейки, совмещающие в себе функции акустооптического модулятора и электрооптического переключателя поляризации света, управлять поляризацией световых пуч-

ков в процессе их сканирования, производить обработку сигнальной информации по двум независимым каналам.

Задача об акустооптическом взаимодействии и преобразовании характеристик излучения в результате дифракции света на ультразвуке в совокупности с задачами о распространении и преобразовании оптического и ультразвукового излучений представляет собой часть общей проблемы взаимодействия излучения с веществом, исследованию ряда аспектов которой и посвящена настоящая работа.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Настоящая работа выполнялась в рамках НИР ГБ 86-37 "Развитие фундаментальных исследований с целью создания новых материалов и специального оборудования для изготовления микро-, опто- и акусто-электронных устройств" ( Per. № 01.86.0096777, Инв. № 02910023165), ГВЦ 95-04, ГБЦМ 96-06. Работа поддержана Международной Соросов-ской программой образования в области точных наук (1995/1996 г.), Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь согласно контракту Ф 95-115 (1996/1997 г.).

Цель и задачи исследования

Настоящая диссертационная работа посвящена развитию теории распространения и преобразования электромагнитного и ультразвукового излучения в анизотропных средах, в том числе обладающих гиротропией и электроиндуцированной анизотропией.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач, в том числе:

1.Исследование особенностей распространения световых и акустических пучков в окрестности особых направлений в кристаллах, для которых имеют место дифракционные катастрофы.

2.Изучение проявлений электроиндуцированной анизотропии при распространении пучков электромагнитного и ультразвукового излучения.

3.Решение проблемы взаимодействия и преобразования световых и ультразвуковых пучков в кристаллах с оптической и акустической гиротропией и электроиндуцированной анизотропией с последующим применением результатов исследования для : изучения физических свойств твердых тел, выбора кристаллических элементов с оптимальными характеристиками для использования в различных устройствах, формирования пучков излучения с параметрами, требуемыми системами обработки и передачи информации.

4.Поиск новых принципов управления пространственными, поляризационными и энергетическими характеристиками электромагнитных и

акустических волн и их применение для создания устройств с управляемыми внешним полем параметрами.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются процессы распространения и преобразования пучков электромагнитных и ультразвуковых волн в анизотропных средах.

Предмет исследования - проявления гиротропии и электроиндуци-рованной анизотропии в процессах распространения и преобразования светового и ультразвукового излучения в кристаллах.

Гипотеза

В основе проведенных исследований лежит гипотеза о том, что наличие гиротропии, а также малые внешние воздействия на кристалл способны вызвать существенные изменения характеристик распространяющихся в нем электромагнитных и акустических волн и индуцировать эффекты, запрещенные симметрией негаротропных сред.

Методология и методы проведенного исследования

Исследование особенностей распространения и преобразования оптического ( акустического ) излучения в анизотропных средах осуществлялось на основе модели ограниченных пучков, когда вектор электрической напряженности (упругого смещения) представляется монохроматической волной, пространственно- временная зависимость амплитуды которой определяется групповой скоростью и ее производной. При этом использовались ковариантные методы, развитые в работах Ф.И. Федорова и его учеников. Большим преимуществом последних является возможность получения достаточно простых и общих аналитических решений сложнейших задач кристаллооптики и кристаллоакустики, что важно также для последующего численного моделирования.

При описании особенностей акустооптического преобразования излучения в кристаллах был использован метод вариации постоянных, в соответствии с которым вектор электрического поля электромагнитной волны представляется в виде суперпозиции нормальных мод, отвечающих невозмущенному диэлектрическому тензору, причем коэффициенты такого разложения зависят от координаты в направлении распространения. Подставляя данное разложение в волновое уравнение и полагая, что измене-

ние модовых амплитуд является медленным, можно получить систему дифференциальных уравнений, определяющую амплитуды и векторы поляризации дифрагировавших волн. При решении данной системы уравнений в диссертационной работе использован матричный метод.

Научная новизна и значимость полученных результатов

Степень научной новизны и значимость представленных в диссертации результатов определяется тем, что впервые установлен и изучен ряд новых закономерностей распространения и преобразования акустических и электромагнитных волн в кристаллах, обладающих гиротропией и анизотропией, в том числе электроиндуцированной:

• показано, что гиротропия по-разному изменяет лучевую поверхность и поверхность волновых векторов в сильно анизотропных двуосных кристаллах, в результате чего вдоль ряда направлений внутри конуса внутренней рефракции оказывается возможным распространение четырех волн с неодинаковыми групповыми скоростями,

• обоснована возможность бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования световых пучков вблизи оптических осей в линейных однородных двуосных гиротропных кристаллах,

• предсказано усиление электрооптического эффекта в направлении оптических осей двуосного гиротропного кристалла в сравнении с произвольным направлением на величину порядка отношения параметров анизотропии и гиротропии,

• установлено, что при произвольном направлении вектора акустической гирации эллипсы поляризации упругих волн, распространяющихся в гиротропном кристалле, расположены в неортогональных и некомпланарных плоскостях. При этом векторы поляризации волн в пренебрежении гиротропией, вообще говоря, не остаются в плоскостях эллипсов поляризации этих волн,

• определена зависимость поляризации, групповой скорости, кривизны фазовых поверхностей и расходимости световых (ультразвуковых) пучков от направления распространения в окрестности оптических (акустических) осей в гиротропных кристаллах,

• теоретически исследовано явление электроиндуцированной конической рефракции упругих волн вблизи оси симметрии четвертого порядка кубического параэлектрика и установлены его особенности: наличие сложной, весьма чувствительной к величине внешнего электрического воздействия структуры конуса рефрак-

ции, характеризуемой разделением его на подоболочки и неравномерностью распределения акустической энергии,

• обнаружена возможность подавления дифракции света на ультразвуке в кубических центросимметричных кристаллах с электро-индуцированной анизотропией,

• исследованы невзаимные эффекты при дифракции встречных световых волн на ультразвуке в кубических гиротропных кристаллах, а также негиротропных при наличии внешнего электрического поля. Установлено, что наличие гиротропии и внешнего воздействия проявляется в удвоении числа максимумов амплитудной и фазовой невзаимностей,

• показано, что при наличии обратной оптоэлектронной связи реализуются мультистабильные поляризациошю управляемые режимы акусто- электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах,

• аналитически описано влияние фотоупругой анизотропии кубического кристалла на характеристики дифрагировавшего на ультразвуке света при промежуточном режиме дифракции. Установлена возможность реализации таких акустооптических взаимодействий в кубических кристаллах, при которых интенсивность дифрагировавшего оптического излучения не зависит от девиации ультразвуковой мощности в широком интервале значений последней,

• показано, что наличие пьсзоэффекта в двуосных кристаллах приводит к увеличению количества направлений максимальной эффективности акустооптического взаимодействия.

Некоторые из предсказанных явлений уже экспериментально обнаружены. Это:

• снятие запрета для рассеяния на чисто поперечных упругих волнах и расщепление дифракционного максимума при взаимодействии с ультразвуком, распространяющимся вдоль акустической оси, в одноосных акустически гиротропных кристаллах (Те02 ) для геометрии рассеяния, при которой световая волна распространяется вдоль оптической оси,

• существование таких геометрий акустооптического взаимодействия, при которых поляризация рассеянного светового излучения не зависит от анизотропных свойств кристалла и характеристик падающего света. Данное явление имеет место, например, при дифракции линейно поляризованной световой волны, распространяющейся вдоль оптической оси [001] одноосного гиротропного кристалла (например , Те02), на квазипоперечной упругой волне, вектор смещения которой лежит в плоскости (100),

• изменения формы гауссова пучка ультразвуковых волн при сканировании вблизи направления [110] кристалла ТеО?,

• теоретически предсказанные особенности фильтра поверхностных акустических волн на основе электрострикционных решеток, наведенных приложенным к поверхности пьезокерамики периодическим электрическим полем.

Научное значение проведенной работы состоит в выявлении новых эффектов, обусловленных вынужденной анизотропией кристалла, в получении новых физических закономерностей распространения и параметрического преобразования ультразвуковых и электромагнитных волн в средах, обладающих анизотропией, в том числе электроиндуцированной, и гиротропией. Полученные результаты углубляют понимание физики аку-стооптических взаимодействий в кристаллах со сложной анизотропией и открывают новые возможности при создании твердотельных элементов оптических, акустических и акустооптических устройств с управляемыми в процессе работы характеристиками.

Практическая и экономическая значимость полученных

результатов

В настоящей работе разработан и обоснован ряд новых принципов и методов управления параметрами электромагнитных волн, в частности:

- управление пространственной расходимостью световых пучков при их распространении в направлениях, соответствующих локально- вогнутым участкам поверхности волновых векторов,

- электрооптическое и поляризационное управление параметрами излучения кольцевых лазеров, основанное на применении взаимодействия встречных световых волн с бегущей ультразвуковой волной в кубических центросимметричных кристаллах.

Использование полученных результатов позволит:

- создавать оптические элементы нового поколения, например: электроуправляемые пространственно инвариантные кристаллические линзы с перестройкой фокусного расстояния на величину порядка одного сантиметра как в длиннофокусных, так и в короткофокусных линзах; бинарные управляемые фокусирующие-дефокусирующие системы,

- расширить функциональные возможности твердотельных кольцевых лазеров, в том числе ближнего инфракрасного (ИК) диапазона.

В диссертационной работе предложены схемы оптических логических элементов с управляемыми в процессе работы параметрами. Достоинством данных схем является возможность достижения бистабильных

(мультистабильных) режимов при малых акустических мощностях, а также управления этими режимами как посредством внешнего электрического поля, так и изменения поляризации оптического излучения.

В диссертации исследованы особенности коллинеарного акустооп-тического взаимодействия в кубическом центросимметричном кристалле при наличии внешнего электрического поля и показана возможность их использования для создания перестраиваемых фильтров и спектроана-лизаторов. На основе полученных соотношений и сделанных оценок для ряда кристаллов ( ВаТЮ3, БгТЮз в парафазе ) доказана перспективность предложенных фильтров и спектроанализаторов. К их достоинствам относятся: возможность фильтрации в ШС - диапазоне с высоким разрешением, низкие уровни ультразвуковой мощности, требуемой для полного преобразования энергии падающей световой волны в дифрагированную, вследствие чего поглощение звука не оказывает влияния на ширину спектральной линии , а также возможность одновременной перестройки по спектру и анализа по двум независимым каналам.

В настоящей работе обоснована возможность применения элек-трострикционных решеток, наведенных приложенным к поверхности пьезокерамики периодическим электрическим полем, в устройствах фильтрации поверхностных акустических волн (ПАВ). В отличие от фильтров, изготовленных методом объемной поляризации, предложенные нами фильтры характеризуются более узкой полосой пропускания, существенным подавлением боковых лепестков, низким управляющим напряжением (70 В), весьма экономичны в изготовлении. Перечисленные теоретически предсказанные особенности фильтра ПАВ нашли полное экспериментальное подтверждение при исследовании опытного образца.

Кроме этого, полученные в работе результаты могут найти широкое применение для оптимизации параметров кристаллических элементов оптических, акустических и акустооптических систем, в частности: при определении геометрий наиболее эффективного АО взаимодействия в перспективном акустооптическом материале - ниобате калия; при нахождении направлений распространения ультразвуковых пучков, для которых можно получить максимальную полосу модуляции в модуляторе, изготовленном на основе кристалла парателлурита; при расчете высокоэффективных электрооптических модуляторов на основе кубических и одноосных гиротропных кристаллов.

Применение результатов диссертационной работы дает возможность на определенных этапах разработки ряда оптических, акустических, акустооптических устройств предсказывать особенности поведения их параметров и, тем самым, исключать нередко дорогостоящие и трудоемкие приемы экспериментальных исследований.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения:

- в сильно анизотропных гиротропных кристаллах внутри конуса внутренней рефракции в силу деформации лучевой поверхности в одном направлении, вместо двух, распространяются четыре изорадиальные световые волны с различными групповыми скоростями,

- в сильно анизотропных гиротропных однородных линейных средах в окрестности оптической оси имеют место эффекты бездифракционного распространения и безлипзового фокусирования световых пучков,

- распределение поля излучения при распространении сильно расходящихся световых и ультразвуковых пучков вдоль оптических и акустических осей гиротропных кристаллов определяется порядком касания полостей поверхности волновых векторов в указанных направлениях при отсутствии гиротропии и зависит от характера изменения поляризации, групповой скорости, кривизны фазовой поверхности,

- в кубических центросимметричных кристаллах в парафазе вблизи оси симметрии четвертого порядка возникает электро-индуцированная внутренняя коническая рефракция упругих волн, особенностью которой является наличие у конуса рефракции сложной, чувствительной к величине электрического воздействия структуры, характеризуемой разделением его на подоболочки и неравномерностью распределения акустической энергии,

- акустическая гиротропия приводит к разделению полостей поверхности волновых векторов в направлении акустических осей и наличию акустооптических взаимодействий, запрещенных симметрией негиротропных кристаллов, что проявляется па эластограммах Шефера-Бергаана для кристалла парател-лурита в виде разрывов дифракционных кривых (квази) поперечных волп и появлению дополнительной дифракционной кривой,

- оптическая гиротропия приводит к качественному изменению невзаимных эффектов в процессах акустооптического взаимодействия, проявляющемуся в удвоении числа максимумов амплитудной и фазовой невзаимностей,

- при наличии обратной оптоэлектронной связи реализуются мультистабильные поляризационно управляемые режимы акусто- электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах,

в промежуточном режиме дифракции света на ультразвуке в кубических кристаллах анизотропия фотоупругих свойств проявляется в возникновении зависимости энергетических и поляризационных характеристик дифрагировавшего излучения от состояния поляризации падающей световой волны.

Личный вклад соискателя

Большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при непосредственном участии. Ряд работ по оптике и акустике гиротропных кристаллов выполнен в соавторстве с Хаткевичем А.Г. Некоторые работы по акустооптике выполнены совместно с Белым В.Н. Экспериментальное изучение особенностей поведения потока энергии и распределения акустического поля вблизи оси [110] кристалла парателлурита проведено сотрудниками Института физики НАНБ Казаком Н.С., Павленко В.К., Катранжи Е.Г. Результаты по обоснованию возможности существования бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования в двуосных сильно анизотропных гиротропных кристаллах получены совместно с сотрудником Института физики НАНБ Хило H.A. Эластограммы кристалла парателлурита получены сотрудниками Днепропетровского государственного университета Акимовым C.B., Горбенко В.М., Савченко В.В. Изготовление и экспериментальное исследование фильтра ПАВ, действие которого основано на использовании электрострикционных решеток, возникающих при возмущении поверхности пьезокристалла периодическим электрическим полем, осуществлено сотрудником Гомельского государственного университета Казаковым Н.П. Ряд работ выполнен в соавторстве с сотрудником Института физики НАНБ Ковчуром С.Н., защитившим под руководством соискателя диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук. Другие соавторы совместных работ участвовали в выполнении расчетов и обсуждении полученных результатов.

Апробация результатов диссертации

; Результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных Федоровских научных сессиях (г.Ленинград, 1989, 1990 г.); Всесоюзном семинаре "Оптика анизотропных сред" (Москва, 1990 г.); XV Всесоюзной конференции "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела" (г. Ленинград, 1991 г.); Международной конференции по ультразвуку (Австрия, 1993 г.); Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах

(Москва -С. -Петербург, 1994 г.); У и Международных семинарах " Нелинейные явления в сложных системах" (г. Минск, 1996,1997 г.); Ш Республиканской конференции по лазерной физике и спектроскопии (г. Гродно, 1997 г.); Международной конференции "Фотоконверсия: наука и технологии" (Польша; 1997 г.); П Межгосударственной научно- техшгческой конференции по квантовой электронике ( г. Минск, 1998 г.); общеуниверситетских Скорининских научных чтениях (г. Гомель, 1995 г.). За цикл работ, представленных в диссертации, на научных чтениях Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины соискатель удостоена звания "Лауреат Скорининских научных чтений 1995 г.".

Опубликованность результатов

Список основных работ по теме диссертации включает 49 наименований, в том числе 42 статьи в престижных научных изданиях. В совокупности опубликованные материалы занимают 230 страницы.

Структура п объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав с изложением обзора литературы и результатов исследований, выводов по основным результатам и списка использованных источников.

Полный объем диссертации составляет 301 страницу, в том числе: объем, занимаемый 61 рисунком - 59 страниц; 2 таблицами - 1 страница; 330 библиографическими названиями - 35 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении и общей характеристике диссертации обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и задачи, описана степень новизны и практической значимости полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы по отдельным вопросам электродинамики, акустики и акустооптики анизотропных и гиротропных кристаллов.

Во второй главе рассмотрены ковариантные методы анализа расходимости пучков излучения в анизотропных средах, в частности, основанные на определении кривизн поверхности волновых векторов.

Задача о распространении и преобразовании излучения представляет собой часть общей проблемы взаимодействия излучения с веществом. Исследование последней неизбежно приводит к необходимости решения линеаризованных неоднородных волновых уравнений, анализу которых во второй главе диссертации уделяется значительное внимание.

Третья глава посвящена исследованию распространения и параметрического преобразования волн в гиротропных кристаллах и развитию теории дифракционного расплывания пакетов волн с гауссовской и более сложной структурой. Установлено, что слабо расходящиеся пучки распространяются вдоль оптических осей гиротропных кристаллов, как и в других направлениях, и представляются в виде суперпозиции гауссово- эрми-товских пучков с параметрами , непосредственно связанными с групповой скоростью и ее производной по волновому вектору. Определен вид функции Грина, позволяющей выразить амплитуду произвольного, а не только гауссова пучка через значение амплитуды на входной ¡рани кристалла и проанализировать изменение ее со временем в зависимости от значения групповой скорости и ее производной.

Обнаружено, что при распространении сильно расходящихся световых пучков вдоль оптических осей гиротропных кристаллов распределение поля излучения определяется порядком касания полостей поверхности волновых векторов в указанных направлениях при пренебрежении гиротролией и зависит от характера изменения поляризации, групповой скорости и кривизны фазовой поверхности.

Показано, что появление различия фазовых скоростей вдоль бинормалей двуосных кристаллов из-за гиротропии устраняет коническую рефракцию как явление, заключающееся в соответствии одной волновой нормали конуса лучей. При этом, вследствие взаимозависимости волновых нормалей и лучей, с исчезновением конической точки на поверхности волновых векторов в сильно анизотропных гиротропных кристаллах происходит образование дополнительных параболических точек на волновой поверхности в виде линии острых 1раней с возникновением дополнительной подоболочки. В результате вдоль и вблизи бирадиали в гиро-тропном кристалле в одном направлении могут распространяться с различными групповыми скоростями как две ( в слабо анизотропных средах), так и четыре изорадиальные волны.

Кроме этого, в результате появления из-за гиротропии вогнутости на поверхности волновых векторов в окрестности бинормалей двуосного кристалла оказывается возможным безлинзовое фокусирование и бездифракционное распространение светового пучка. При этом конкретное проявление дифракционных явлений существенно зависит от соотношений между кривизной поверхности волновых векторов \у а расстояния от перетяжки светового пучка до входной грани кристалла ъ ] и длины последнего Ь. Так, в направлении, для которого =0, при г имеет место

бездифракционное распространение светового пучка без изменения кривизны волнового фронта; при г1=0 наблюдается растяжение перетяжки гауссова пучка на длину кристалла. При распространении вдоль направления, для которого ^1=0 и \\'а<0, свет фокусируется вне кристалла. При г., * О и \¥а<0 возможно фокусирование на выходной грани кристалла, либо внутри среды, после чего пучок дифракционно расплывается, но имеет отрицательную кривизну волнового фронта, что приведет к его вторичной фокусировке вне кристалла. Если на кристалл падает сходящийся гауссов пучок, сформированный посредством линзы с фокусным расстоянием Т>г\ , то пучок в среде, для которой \уа <0, дифракционно расплывается, но имеет вогнутый волновой фронт. Прекратившаяся внутри среды фокусировка продолжается вне кристалла. При <р, \уа =0 фокусировка внутри кристалла прекращается и формируется свободный от дифракции пучок с отрицательным радиусом кривизны волнового фронта. Дальнейшая его фокусировка происходит после выхода из кристалла. Таким образом, в данном случае реализуются последовательно эффекты подавления расходимости и фокусировки.

Приложение внешнего электрического поля вызывает деформацию поверхности волновых векторов двуосного гиротропного кристалла, проявляющуюся в изменении кривизн последней, которая описывается двумя слагаемыми: первое из них не содержит параметра гиротропии и характерно для произвольного направления распространения пучка относительно бинормали; второе (положительное для быстрых и отрицательное для медленных световых волн) - обусловлено специфической формой поверхности волновых векторов в окрестности бинормалей и может быть весьма значительным для сильно анизотропных гиротропных сред, вследствие чего в окрестности бинормалей последних имеет место усиление фокусирования (дефокусирования) излучения с меньшей (большей) фазовой скоростью. При этом электрооптический эффект в направлении оптических осей усиливается в сравнении с произвольным направлением на величину порядка отношения параметров анизотропии и гиротропии.

На основании проведенных численных оценок доказано, что сложно-анизотропные среды с локально вогнутыми участками поверхности волновых векторов перспективны для создания электроуправляемых кристаллических линз. При этом их достоинством является пространственная инвариантность, что существенно для создания схем параллельной оптической обработки информации. Из оценки угловой апертуры предложенной линзы на основе двуосных гиротропных кристаллов следует, что возможно достижение степени параллельности » 103.

Кроме этого, в диссертационной работе предложено использовать эффекты усиления фокусирования (дефокусирования) светового излучения в двуосных гиротропных кристаллах во внешнем электрическом поле для построения электроуправляемых бинарных фокусирующих-

дефокусирующих оптических элементов, суть которых состоит в том, чтобы с помощью внешнего поляризационного устройства переключать световую моду, возбуждаемую в кристалле , с медленной на быструю и наоборот.

Внешнее электрическое воздействие может быть использовано не только для управления пространственной расходимостью световых пучков, но и для модуляции энергетических характеристик оптического излучения. В диссертационной работе проанализированы особенности низкочастотного электрооптического взаимодействия в кубических и одноосных гиротропных кристаллах, С использованием ковариантных методов получено выражение для интенсивности света прошедшего систему « поляризатор - электрооптический кристалл - анализатор», в наиболее общем случае произвольных ориентаций поляризатора, анализатора, а также вектора электрической напряженности внешнего поля. Определен вид модуляционных характеристик как для линейно-, так и для циркуляр-но поляризованного падающего света. Показана возможность осуществления амплитудной модуляции оптического излучения в кубических кристаллах посредством как величины, так и направления приложения внешнего электрического поля. При этом гиротропия не ограничивает электрооптическую эффективность, а лишь накладывает определенные требования к выбору длины кристалла и типу поляризации. Определены оптимальные геометрии электрооптического взаимодействия для [ПО]- среза перспективного кристалла В1)2ОеО 20 , при которых достигается 100% - ая глубина модуляции оптического излучения.

В четвертой главе описаны особенности распространения, дифракции и преобразования ультразвукового излучения в кристаллах со сложной анизотропией, включая электроиндуцированную анизотропию и гиротропию. Глава начинается с рассмотрения актуального вопроса о поляризации упругих волн в акустически гиротропных кристаллах для случая произвольного направления вектора гирации С , а также практически важного случая, когда вектор С ортогонален или коллинеарен какому-либо вектору поляризации без учета гиротропик. Установлено, что в первом случае главные оси эллипсов поляризации волн не коллинеарны и не ортогональны соответствующим векторам поляризации в отсутствие ги-ротропии, а во втором - вектор гирации коллинеарен большой оси одного эллипса поляризации и малым осям двух других, большие оси которых не ортогональны. При этом плоскости эллипсов поляризации сдвиговых волн, строго говоря, оказываются не ортогональными и не параллельными.

Рассмотрены особенности распространения и преобразования частоты пучков ультразвукового излучения в гиротропных кристаллах. Получены взаимосвязанные выражения зависимости изменения групповой скорости и поляризации волн от волнового вектора в гиротропных сре-

дах вдоль и вблизи осей симметрии выше второго порядка. Проанализировано поведение слабо и сильно расходящихся пучков излучения вдоль и вблизи указанных направлений и показано, что при распространении кол-лимированных пучков вдоль акустических осей, совпадающих с осью симметрии третьего порядка, как и в оптически двуосных кристаллах, имеет место фокусировка излучения с меньшей скоростью.

В случае сильно расходящихся акустических пучков распределение поля излучения определяется порядком касания полостей поверхности волновых векторов в пренебрежении гиротропией. Установлена зависимость поляризации, групповой скорости, кривизны фазовых поверхностей и, следовательно, расходимости УЗ пучков от направления распространения в окрестности акустических осей в гиротропных средах.

Показано, что гиротропия оказывает существенное влияние на преобразование частоты упругого излучения лишь вдоль и вблизи акустических осей с низким порядком касания полостей поверхности волновых векторов в отсутствие активности и для кристаллов средней категории, причем количество разрешенных взаимодействий уменьшается с повышением симметрии направления распространения.

Рассмотрены особенности дифракции пучков квазипоперечных упругих волн при сканировании в плоскостях (001), (110) перспективного акустооптического материала - кристалла парателлурита (Те02), для которых получены аналитические выражения для групповых скоростей и кривизн поверхности волновых векторов. Установлено, что максимальное изменение направления потока энергии квазипоперечной волны происходит в окрестности продольной нормали [110], при этом расходимость ультразвукового пучка почти в 60 раз превышает дифракционный предел. При отклонении направления распространения упругой волны от [110] к оси [100] в плоскости (001) при ^=25.7° (р-угол, образованный волновой нормалью и осью [100]) кривизна w2, характеризующая расплывание пучка в направлении [001], а затем при ^=12.7° кривизна W], характеризующая расплывание пучка в направлении, ортогональном волновой нормали в плоскости (001), оказываются равными нулю. В окрестности указанных направлений происходит "выполаживание" поверхности волновых векторов, что приводит к отсутствию дифракционной расходимости пучка, возбуждаемого в данных направлениях плоским пьезопреобразова-телем.

В плоскости (001) при (р~П° существует особое направление - акустическая ось. Установлено, что при переходе через акустическую ось в направлении возрастания угла <р пучок превращается из сильно вытянутого по оси [001] в сильно сжатый вдоль этого направления.

Существуют две области направлений, которым соответствуют гиперболические точки поверхности волновых векторов, и главные кривиз-

ны последней имеют противоположные знаки. В первой области 0°<д><\2.1° V/, отрицательна и положительна, т.е. для акустического пучка осуществляется одновременная дефокусировка по оси [001] и фокусировка в ортогональном направлении. Во второй области 16° <<р<25.7° V/1 положительна , а отрицательна, вследствие чего по оси [001] происходит фокусировка, а в плоскости(001) -дефокусировка.При <р =24.8° расходимость пучка в плоскости (001) оказывается равной дифракционному пределу. Показано, что при распространении упругих волн под углом в к оси [001] в плоскости (110) расходимость ультразвукового пучка меньше дифракционной, если 0 <50°.

Найденные соотношения и результаты численного моделирования нашли свое подтверждение в экспериментах, описанных в диссертационной работе.

Далее получены и проанализированы дисперсионные уравнения для рэлеевских и сдвиговых поверхностных акустических волн (ПАВ), распространяющихся на поверхности пьезокристалла, возмущенной внешним периодическим электрическим полем. Установлена зависимость граничных частот брэгговской полосы непрозрачности, в которой имеет место затухание волны, распространяющейся в прямом направлении, и возникновение отраженной волны, от диэлектрических, упругих, пьезоэлектрических констант вещества. Обоснована целесообразность использования предложенных в работе электрострикционных решеток для создания электроуправляемых отражателей и фильтров ПАВ. В соответствии с результатами теоретического исследования изготовлен фильтр ПАВ и исследованы его характеристики. Установлено соответствие теоретических и экспериментальных данных.

Пятая глава посвящена исследованию распространения упругих волн в кубических центросимметричных кристаллах и керамиках, обладающих существенным электрострикционным эффектом. Получены уравнение движения и материальные уравнения теории упругости для центросимметричных кристаллов при наличии внешнего электрического поля, учитывающие все виды нелинейности среды, в том числе "геометрическую" упругую нелинейность. На основании указанных уравнений проанализированы особенности распространения пучков ультразвуковых волн в сегнетокерамиках при воздействии внешнего электрического поля и показано, что наличие электроиндуцированной анизотропии может обусловливать как увеличение, так и уменьшение расходимости пучков по сравнению с дифракционным пределом. В направлении индуцированной акустической оси явление конической рефракции не наблюдается, однако внешнее поле вызывает перераспределение акустической энергии в поперечном сечении пучка. Указанная неравномерность усиливается с возрастанием электрического воздействия.

Индуцированная вследствие линейной и квадратичной электро-стрикции анизотропия в кубических центросимметричных кристаллах с аномально большим значением диэлектрической проницаемости приводит к расщеплению акустической оси, коллинеарной оси симметрии четвертого порядка. Тогда при распространении упругих волн в направлении электрош 1 дуцированной акустической оси имеет место коническая рефракция. Получено аналитическое выражение зависимости величины угла раствора конуса рефракции и ориентации его оси от линейных и нелинейных электромеханических коэффициентов кристалла и величины внешнего электрического поля. Установлено, что неравномерное изменение поляризационных полей вблизи индуцированной акустической оси обусловливает неравномерность распределения энергии по конусу, которая усиливается с возрастанием напряженности внешнего электрического поля.

При распространении ультразвукового излучения в направлении электроиндуцированной акустической оси, которая является продольной, удалось получить аналитическое выражение для вектора смещения поля пучка с лоренцевским распределением амплитуды. Показано, что в данном случае излучение в кристалле представимо суперпозицией ортогонально поляризованных волн, причем амплитуда одной из них при удалении от образующей конуса рефракции убывает независимо от величины внешнего поля. В общем же случае излучение с волновыми векторами, не совпадающими с электроиндуцированной акустической осью, но расположенными вблизи последней, представимо суперпозицией ортогонально поляризованных компонент, распространяющихся с групповой скоростью вдоль противоположных образующих конуса рефракции. При этом излучение, имеющее меньшую (большую) фазовую скорость, распространяется внутри (вне) конуса, концентрируясь различным образом в зависимости от соотношения между анизотропными свойствами кристалла и величиной внешнего электрического поля. Установлено, что конус индуцированной внутренней конической рефракции имеет сложную структуру, весьма чувствительную к величине внешнего воздействия. Показано, что аналогичная ситуация наблюдается при распространении пучков ультразвукового излучения вдоль и вблизи индуцированной акустической оси, расположенной в диагональной плоскости симметрии кубического параэлектрика.

Предсказано, что вблизи оси симметрии четвертого порядка кубического центросимметричного кристалла в состоянии парафазы возможно явление электроиндуцированного фононного концентрирования для (квази) поперечных волн. Показано, что для кубических кристаллов с положительным (отрицательным) значением параметра упругой анизотропии с=сц -с 12 -2с44 , где Сц - упругие константы среды, воздействие поля увеличивает (уменьшает) концентрацию потока продольных фононов вдоль оси [001].

В шестой главе диссертации рассматриваются особенности проявления естественной анизотропии и гиротропии в процессах акустооп-тического взаимодействия в кристаллах. Проанализированы различные режимы дифракции света на ультразвуке в гиротропных кристаллах. Показано, что для объяснения эластограмм, наблюдаемых при дифракции Шефера-Бергмана в парателлурите, необходим учет акустической гиротропии, позволяющей объяснить наличие и форму разрывов дифракционных. кривых вдоль акустических осей, а также появление дополнительной кривой из-за рассеяния, запрещенного симметрией негиротропных кристаллов. Предложены методы оценки параметра гиротропии кристаллов по величине разрывов на эластограммах Шефера-Бергмаиа дифракционных кривых (квази-) поперечных волн вдоль акустических осей и по предельной расходимости падающего электромагнитного излучения, при которой эти разрывы еще наблюдаются.

Исследовано влияние электрических полей на рассеяние световых волн на ультразвуке в одноосных гиротропных кристаллах. Установлена зависимость поляризационных и энергетических характеристик дифрагированных волн от параметров кристаллов и величины внешнего воздействия, позволяющая определить наиболее благоприятные геометрии взаимодействия, которые можно использовать для управления с помощью внешних электрических полей поляризацией и интенсивностью рассеянного на ультразвуке оптического излучения. Обнаружена возможность реализации таких геометрий акусто- электрооптического взаимодействия, при которых интенсивность рассеянного излучения не зависит от управляющего поля, а поляризационные характеристики, кроме этого, и от свойств среды.

Проанализированы невзаимные эффекты, возникающие при взаимодействии встречных световых волн с бегущей ультразвуковой волной в кубическом гиротропном кристалле. Показано, что наличие гиротропии приводит к существенному изменению вида зависимостей величин амплитудной и фазовой невзаимностей от смещения угла падения света от угла Брэгга: удвоению числа максимумов невзаимностей. При этом расстояние между ними определяется величиной параметра оптической гиротропии.

Рассмотрены особенности невзаимных эффектов при акустооптиче-ском взаимодействии в двуосных кристаллах, когда волновые векторы падающей и дифрагированной световых волн расположены в плоскости, содержащей оптические оси, а звук распространяется ортогонально бирадиа-ли. Показано, что в рассматриваемой геометрии взаимодействия акустооп-тическая ячейка может работать, как дефлектор, когда малое изменение угла падения вызывает существенное изменение угла дифракции, причем последнее возрастает с увеличением частоты звука и анизотропии кристалла. Установлено, что использование указанной геометрии рассеяния света на ультразвуке позволяет создавать чисто фазовые, поляризационно

управляемые, а также, в силу коллинеарности векторов групповой скорости падающей и дифрагированной световых волн, широкоапертурные невзаимные элементы. Обоснована возможность управления режимами генерации твердотельного кольцевого лазера путем девиации частоты и мощности ультразвуковой волны, поступающей в невзаимный акустооптиче-ский элемент на основе двуосного кристалла. Определены условия, накладываемые на параметры невзаимного элемента, при которых удается снизить дифракционные потери в последнем до нуля.

Исследовано влияние пьезоэлектрического взаимодействия на анизотропию акустооптического эффекта в двуоспых кристаллах. Рассчитана эффективная фотоупругая постоянная Р^, определяющая эффективность акустооптического взаимодействия, вклад в которую вносит как прямой эффект, обусловленный локальной и вращательной деформацией анизотропной среды, так и непрямой, обусловленный последовательным действием пьезоэлектрического и электрооптического эффектов. Показано, что наличие пьезоэффекта может приводить к уменьшению Ре/ от максимума до нуля и наоборот в случае анизотропной дифракции необыкновенной световой волны на пьезоактивной поперечной ультразвуковой в плоскости (001). Установлено, что при изотропной дифракции необыкновенной электромагнитной волны на квазипродольной акустической в плоскостях (010) и (100) вторичный фотоупругий эффект вызывает существенное подавление дифракционной эффективности практически для всех углов падения света, вследствие чего обоснована нецелесообразность использования данной геометрии взаимодействия при конструировании акустооптических систем. Предложен метод оптимизации эффективности акустооптического взаимодействия в сильных пьезоэлектриках для различных геометрий взаимодействия.

Рассмотрено влияние фотоупругой анизотропии кубического кристалла на особенности промежуточного режима дифракции света на ультразвуке. При этом проанализирована геометрия взаимодействия, для которой световая волна распространяющаяся под малым углом 9 к кристаллографической оси [001], рассеивается на продольной акустической волне с вектором смещения, коллинеарным оси [100]. Получено решение волнового уравнения, описывающего поле дифрагированного излучения, в четырехволновом приближении, когда учитываются -1, 0 , +1 и 2 порядки дифракции. Установлена зависимость энергетических и поляризационных характеристик дифрагировавших волн от азимута поляризации падающего света <р, вследствие чего, изменяя <р, можно добиться полного гашения, например, первого дифракционного порядка. Показана возможность получения таких режимов дифракции посредством варьирования величиной ср и частотой звука, при которых интенсивность дифраги ровавшего оптического излучения не зависит от девиации ультразвуковой мощности в широком интервале значений последней. Так, например, для

кристалла германия при рзя/4 и значении параметра Клейна-Кука С>=2;гА1ЛпЛ2)=4 ( Я, Л- соответственно длина волны света и ультразвука; п- показатель преломления среды; Ь- длина области взаимодействия) интенсивность излучения, дифрагировавшего во второй порядок, изменяется незначительно при изменении интенсивности ультразвуковой волны в пределах: 2Вт/см 2< 1 а <5 Вт/см 2. Обнаружено, что при определенных мощностях звукового поля возможны значительные изменения поляризации света во втором порядке дифракции.

В седьмой, заключительной, главе рассмотрено влияние элек-троиндуцированной анизотропии на дифракцию света на ультразвуке в кубических центросимметричных кристаллах. Установлена зависимость поляризационных и энергетических характеристик дифрагированного излучения от анизотропных свойств среды, параметров падающего света и звука, а также величины и направления приложения электрического поля для различных режимов дифракции. Обнаружена возможность реализации таких геометрий взаимодействия, при которых поляризация рассеянного светового излучения не зависит от свойств кристалла и электрического поля. Предсказан эффект подавления раман- натовской и брэгговской дифракции света в кубических центросимметричных кристаллах при наличии внешнего электрического поля и определены условия его наблюдения.

Получены и проанализированы условия реализации режимов би-стабильности ( мультистабильности) акусто- электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах в состоянии парафазы при наличии обратной оптоэлектронной связи, в частности, достигаемых путем изменения угловой отстройки угла падения от угла Брэгга (расстроечная мультистабильность), интенсивности падающего света и звука (соответственно оптическая и электрическая мультистабильность). Обоснована целесообразность использования кубических центросимметричных сред во внешнем электрическом поле при разработке многофункциональных поряризационно управляемых быстродействующих биста-бильных (мультистабильных) элементов. В соответствии с проведенной оценкой , для бистабильного элемента на основе кристалла титаната стронция (БгТЮз), например, достижимое время запаздывания и переключения ~10"8 -10"9 с.

Проанализировано проявление электроиндуцированной анизотропии в невзаимных эффектах при дифракции встречных световых волн на ультразвуковой в кубических центросимметричных кристаллах как в отсутствие, так и при наличии дифракционной обратной связи, в виде расщепления и смещения максимумов невзаимностей, а также зависимости амплитудной и фазовой невзаимностей от поляризации падающего светового излучения. Показано, что применение акусто- электрооптических взаимодействий в кубических центросимметричных кристаллах с высо-

ким значением диэлектрической проницаемости (параэлектрики) позволяет расширить функциональные возможности невзаимных элементов: в данном случае можно управлять величиной невзаимности, независимо изменяя напряженность электрического поля, приложенного к кристаллу, а также азимут поляризации падающего на ячейку света. Тогда при изменении параметров резонатора обратной связи (коэффициента отражения зеркал, либо набега фаз при обходе резонатора), а также вариации величины внешнего электрического поля и повороте вектора поляризации электрической напряженности световой волны, распространяющейся в прямом или встречном ему направлении, возможно получить коммутацию направления излучения.

Рассмотрено коллинеарное акустооптическое взаимодействие в кубических параэлектриках при наличии внешнего электрического поля. Обоснована возможность использования данного взаимодействия для создания перестраиваемых фильтров и спектроанализаторов, в которых может осуществляться одновременная перестройка по спектру и анализ по двум независимым каналам. Получены основные расчетные соотношения, необходимые при конструировании двухканальных высокоселективных фильтров ИК- диапазона.

Предложено использовать коллинеарное акусто- электрооптическое взаимодействие в кубических центросимметричных кристаллах для создания брэгговских высокоселективных и высокоэффективных перестраиваемых поляризационно- и электроуправляемых отражателей света.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом: .

1. Установлено, что в сильно анизотропных гиротропных кристаллах внутри конуса внутренней рефракции в силу деформации лучевой поверхности в одном направлении, вместо двух, распространяются четыре изорадиальные световые волны с различными групповыми скоростями [3,5].

2. Получено более общее решение параболического уравнения, корректно описывающего распространение пучков для неособых направлений, которое включает как частные предельные случаи известные решения в виде гауссово-эрмитовских полиномов и эрмитовских функций. Показано, что распределение поля излучения при распространении сильно расходящихся световых и ультразвуковых пучков вдоль оптических и акустических осей гиротропных кристаллов определяется порядком касания полостей поверхности волновых векторов в указанных направлениях

при отсутствии шротропии и зависит от характера изменения поляризации, групповой скорости, кривизны фазовой поверхности [5].

Обнаружено, что в однородных сильно анизотропных гиротропных линейных средах в окрестности оптической оси имеют место эффекты бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования световых пучков [15].

3. Исследовано электрооптическое управление процессом фокусировки световых пучков в двуосных гиротропных кристаллах. Установлено, что электрооптический эффект в направлении оптических осей усиливается в сравнении с произвольным направлением на величину порядка отношения параметров анизотропии и гиротропии. На основании проведенных численных оценок доказано, что сложно- анизотропные среды с локально вогнутыми участками поверхности волновых векторов перспективны для создания электроуправляемых кристаллических линз [28].

Проанализированы особенности модуляции света в кубических и одноосных гиротропных кристаллах посредством изменения как величины, так и направления внешнего электрического воздействия. Получен явный вид всех возможных типов модуляционных характеристик для линейно- и циркулярно поляризованного падающего света при произвольном направлении распространения в гиротропном кубическом и одноосном кристалле с учетом как величины, так и направления модулирующего поля. Найдены оптимальные геометрии электрооптического взаимодействия для [110] - среза перспективного кристалла В^веОго, при которых достигается 100%-ая глубина модуляции оптического излучения [9,30,40].

4. Установлено, что при воздействии внешнего электрического поля в окрестности осей симметрии 4-го порядка кубического параэлектрика возникает явление внутренней конической рефракции для квазипоперечных ультразвуковых волн, особенностями которого являются: зависимость параметров конуса рефракции от линейных и нелинейных электромеханических коэффициентов кристалла и величины внешнего поля; неравномерность распределения энергии по конусу рефракции и сложная структура последнего [11,37,45]. Показано, что в направлении электроин-дуцированной акустической оси в сешетокерамиках коническая рефракция не наблюдается, однако внешнее поле приводит к перераспределению акустической энергии в поперечном сечении пучка [12].

5. Объяснены наличием гиротропии особенности акустооптического преобразования излучения, экспериментально обнаруженные на эласто-граммах шефер-бершановской дифракции в виде разрывов дифракционных кривых (квази)поперечных волн в направлении акустических осей и появления дополнительной дифракционной кривой, наличие которой запрещено симметрией негиротропных сред [6,35].

Установлено, что оптическая гиротропия приводит к качественному изменению невзаимных эффектов в процессах акустооптического взаимодействия, проявляющемуся в удвоении числа максимумов амплитудной и фазовой невзаимностей и смещении последних [18,19].

6. Рассмотрены особенности брэгговской и раман- натовской дифракции света на ультразвуке в центросимметричных кубических кристаллах, помещенных во внешнее электрическое поле. Установлена зависимость энергетических и поляризационных характеристик дифрагированного излучения от фотоупругих, электрострикционных и электрооптических параметров среды, а также величины и ориентации внешнего поля. Предсказан эффект электроиндуцированного подавления дифракции света в данных кристаллах [20,21].

Установлено, что коллинеарное акустооптическое взаимодействие в кубических центросимметричных средах с электроиндуцированной анизотропией может быть использовано для создания высокоселективных фильтров и спектроанализаторов оптического излучения, с помощью которых возможно осуществление одновременной обработки информации по двум независимым каналам. Получены основные расчетные соотношения, необходимые при конструировании двухканальных фильтров ИК-диапазона [23].

7. Показано, что кубические центросимметричные кристаллы с электроиндуцированной анизотропией могут быть использованы для создания электро- и поляризационно управляемых невзаимных элементов [27,41,42,47,49].

Установлено, что при наличии обратной оптоэлектронной связи реализуются мультистабильные поляризационно управляемые режимы акусто-электрооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах, достигаемые путем изменения угловой отстройки (расстроенная мультистабильность); интенсивностей падающего света и звука (соответственно оптическая и электрическая мультистабильность) [22,26,34,39].

8. Изучено влияние пьезоэлектрических свойств на анизотропию акустооптического взаимодействия в двуосных кристаллах. Показано, что наличие пьезоэффекта приводит к увеличению количества направлений максимальной эффективности дифракции. Установлено, что в кристаллах ромбической сингонии вторичный фотоупругий эффект вносит существенный вклад в случае анизотропной дифракции на поперечной акустической волне в главной плоскости Х1Х2; а также для изотропной дифракции в главных плоскостях Х^ Хз ,Х2 Хз когда необыкновенная световая волна рассеивается на квазипродольной акустической. Получены соотношения, позволяющие определить эффективные срезы перспективного двуосного кристалла ниобата калия и оптимизировать конкретные аКусто-оптические устройства [14,38,46].

9. Получено решение дифракционной задачи, позволяющее описать особегаюсти дифракции Рамана-Ната и переходного режима дифракции в кубических кристаллах. Установлена зависимость энергетических и поляризационных характеристик дифрагировавших волн от азимута поляризации падающего света <р. Показана возможность получения таких режимов дифракции посредством изменения <р и частоты звука, при которых интенсивность дифрагировавшего оптического излучения не зависит от девиации ультразвуковой мощности в широком интервале значений последней [31].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ

1. Куршкина С.Н., Хаткевич А.Г. Поляризация упругих воли в гиро-тропных кристаллах// Кристаллография. - 1988. -Т.ЗЗ, №2. - С.496-498.

2. Хаткевич А.Г., Куршкина С.Н. Распространение пучков ультразвукового излучения в акустически гиротропных кристаллах//ФТТ. - 1988. -Т.30, №5,- С.1359-1363.

3. Хаткевич А.Г., Куршкина С.Н. Коническая рефракция в гиротропных кристаллах// ЖПС.- 1989. - Т.51, № 6. - С.1005-1009.

4. Куршкина С.Н., Хаткевич А.Г. К теории акустической активности// Кристаллография.- 1990. - Т.35, №5,- С.1271-1272.

5. Хаткевич А.Г., Куршкина С.Н. Особенности распространения световых пучков в гиротропных кристаллах// ЖПС. - 1991. - Т.54, №5. -С.815-819.

6. Акимов C.B., Белый В.Н., Горбенко В.М., Куршкина С.Н., Савченко

B.В. Дифракция света на ультразвуке в акустически гиротропных кристаллах// ФТТ.- 1991. -Т.ЗЗ, №2.- С.600-606.

7. Белый В.Н., Куршкина С.Н., Хаткевич А.Г. Рассеяние света на ультразвуковых волнах в двуосных кристаллах// Известия АН БССР. Сер. физ,- мат. наук. - 1992.- Т.29, №2.- С.54-58.

8. Курилкина С.Н. О преобразовании частоты упругого излучения в акустически гиротропных кристаллах// А куст, журнал. - 1993. -Т.39 ,№3,-

C.505-509.

9. Куршкина С.Н. Особенности электрооптического взаимодействия в одноосных гиротропных кристаллах // Оптика и спектроскопия.- 1993.-Т.74, №2,- С.310-314.

10. Куршкина С.Н., Казаков Н.П., Юрченко КГ. Акустические волны на поверхности пьезокристалла, возмущенной внешним периодическим электрическим полем// ЖТФ. - 1993.- Т.63, №1.- С.192-197.

11.Белый В.Н., Куршкина С.Н. Электроиндуцированная коническая рефракция ультразвуковых волн в кубических параэлектриках// ФТТ.-1993. - Т.35, №10. - С.2794-2801.

12. Белый В.Н., Куршкина С.Н. Распространение ультразвуковых пучков в сегнетокерамике при воздействии внешнего электрического поля// Акуст. журнал .-1994.-Т.40, №3,- С.362-366.

13. Белый В.Н., Курилкина С.Н. Особенности акустооптического взаимодействия в одноосных гиротропных кристаллах при наличии внешнего электрического поля// Оптика и спектроскопия, - 1993,- Т.74, №4.-С.727-732.

14. Белый В.Н., Ковчур С.Н., Курилкина С.Н. Анизотропия акустооптического эффекта в ниобате калия// Оптика и спектроскопия. - 1994. -Т.77, №3,- С.408-413.

15. Гончаренко А.М., Белый В.II., Курилкина С.Н., Хаткевич А.Г., Хило Н.А. Эффекты фокусировки и подавления дифракционной расходимости при распространении световых пучков в окрестности оптических осей двуосных гиротропных кристаллов// Оптика и спектроскопия. - 1995. -Т.78, №5.- С.872-876.

16. Курилкина С.Н. Воздействие внешнего электрического поля на коническую рефракцию ультразвуковых волн в кубических параэлектри-ках// Известия АН Беларуси. Сер. физ,- мат.наук. - 1995,- №1,- С.108-112.

17. Курилкина С.Н., Ропот П.И. Коллинеарное акустооптическое взаимодействие в акустически гиротропных кристаллах// Оптика и спектроскопия. - 1995,- Т.78, №4,- С.678-681.

18. Куршкина С.Н. Оптическая невзаимность для встречных световых волн при дифракции Брэгга в гиротропных кубических кристаллах// Квантовая электроника,- 1995,- Т.22, №9.- С.941-945.

19. Белый В.Н., Курилкина С.Н., Ковчур С.Н. Невзаимные эффекты при акустооптическом взаимодействии в гиротропных кубических кристаллах// Известия АН Беларуси. Сер. физ.-мат. наук. - 1995. -№4. С.14-19.

20. Белый В.Н., Куршкина С.Н. Влияние электроиндуцированной анизотропии на акустооптическое взаимодействие в кубических центро-симметричных кристаллах в режиме Рамана- Ната// Оптика и спектроскопия. - 1995. - Т.78, №2. - С.295-298.

21. Курилкина С.Н. Брэгговская дифракция света на ультразвуке в кубических центросимметричных кристаллах при наличии внешнего электрического поля// Оптика и спектроскопия. - 1995,- Т. 78, №3.- С.516-520.

22. Курилкина С.Н., Ковчур С.Н. Бистабильность акустооптического взаимодействия в кубических центросимметричных кристаллах при наличии обратной оптоэлектронной связи// Оптика и спектроскопия. - 1996.-Т.81, №3. -С.446-449.

23. Куршкина С.Н. Коллинеарное акустооптическое взаимодействие в кубических центросимметричных кристаллах при наличии внешнего электрического поля//ЖТФ.- 1996,- Т.66, №2,- С.149-155.

24. Курилкина С.Н. Брэгговское отражение света в кубических цен-тросимметричных кристаллах при наличии внешнего электрического поля// Оптика и спектроскопия,- 1996.- Т.80, №6.- С.937-940.

25. Курилкина С.Н. Невзаимные эффекты при акустооптическом взаимодействии в двуосных кристаллах// Оптика и спектроскопия.- 1997.-Т.83, №2,- С.326-329.

26. Курилкина С.Н., Ковчур С.Н. Мультистабильность акустооптиче-ского взаимодействия в кубических цснтросимметричных кристаллах с электроиндуцированной анизотропией при наличии обратной связи по частоте// Оптика и спектроскопия.- 1997.- Т.82, №5. - С.825-829.

27. Белый В.Н., Курилкина С.Н., Ковчур С.Н. Невзаимные эффекты при акустооптическом взаимодействии в кубических центросимметричных кристаллах с электроиндуцированной анизотропией// Оптика и спектроскопия. - 1997. - Т.83, №3,- С.409-415.

28. Воздействие электрического поля на фокусировку света в окрестности оптических осей двуосных гиротропных кристаллов/ В.Н. Белый, Н.С. Казак, С.Н. Курилкина, H.A. ХилоП Оптика и спектроскопия.- 1997.-Т.83, №3. - С.393-.395.

29. Белый В.Н., Казак Н.С., Павленко В.К, Катранжи Е.Г., Курилкина С.Н. Особенности распространения пучков квазипоперечных упругих волн в кристалле парателлурита// Акуст. журнал.- 1997.- Т.43, №3,- С.1-6.

30. Курилкина С.Н., Мащенко А.Г. Электрооптическая модуляция света в кубических гиротропных кристаллах// Оптический журнал.- 1998.-Т.65, №1.- С,41-45.

31. Курилкина С.Н., Мащенко А.Г. Промежуточный режим дифракции света на ультразвуке в кубических кристаллах// Оптика и спектроскопия,- 1998.- Т.84, №6.- С.1012-1016.

32.Belyi V.N., Kazak N.S., Pavlenko V.K., Katranji E.G., Kunlkina S.N. Propagation of ultrasonic beams in paratellurite crystal// Ultrasonics. - 1999.-V.37,N5.-P.377-383.

33. Белый B.H., Куршкина С.H„ Севрук Б.Б. Воздействие внешнего электрического поля на явление фононного концентрирования в кубических центросимметричных кристаллах// Ковариантные методы в теоретической физике. Оптика и акустика,- Институт физики АН Беларуси, 1996,-С.92-98.

34. Куршкина С.Н., Ковчур С.Н. Мультистабильность акусто-электрооптического взаимодействия в кубических кристаллах// Ковариантные методы в теоретической физике. Оптика и акустика. - Институт физики АН Беларуси, 1996,- С.121-126.

35. Акимов C.B., Белый В.Н., Горбенко В.М., Куршкина С.Н., Савченко В.В. Особенности акустооптического взаимодействия в гиротропных кристаллах// "Тез. Докл. XV Всесоюзн. Конф." Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела",- JL, 1991.- Т.4.- С. 56-58.

36. Kurilkina S.N., Kazakov N.P., Belyi V.N. Peculiarities of acoustic wave propagation on piezoelectric crystal surface disturbed by periodic electric field// Proc. Intern. Symp. on surface waves in solid and layered structures.- St.-Petersburg, 1995.-P.104-109.

37. Belyi V.N., Kurilkina S.N., Khatkevich A.G. Electroinduced conical refraction of ultrasonic waves in cubic paraelectric crystals// Proc. Intern. Symp. on surface waves in solid and layered stryctures. - St-Petersburg, 1995. - P. 110-115.

38. Kurilkina S.N., Belyi V.N., Kovchur S.N. Anisotropy of acoustooptic effects in crystals of KNb03 // Proc. Intern. Symp. on surface waves on solid and layered structures.- St.-Petersburg, 1995.- P. 411-416.

39. Belyi V.N., Kurilkina S.N., Kovchur S.N. The bistability of acoustooptic interaction in centrosymmetrical cubic crystals in the presence of optoelectronic feedback // Proc. of 5 th annual seminar "Nonlinear phenomena in complex systems".- Minsk, 1997.- P. 325-329.

40. Belyi V.N., Kurilkina S.N., Mashchenko A.G. Peculiarities of electro-optic modulation in chiral crystals // Proc. of 7 th Intern. Conf. on Complex Media. Germany, 3-6 June, 1998.- P. 89-92.

41. Nonreciprocal acoustooptic effects in crystals with complex anisotropy / V.N. Belyi, N.S. Kazak, S.N. Kurilkina, S.N. Kovchur II Photoconversion: Science and technologies: Proc. SPIE.- 1997. V. 3580,- P. 112-117.

42. Курилкина C.H., Ковчур СЛ. Управление излучением кольцевых лазеров с помощью невзаимных АО элементов // Тез. докл. III конф. по лазерной физике и спектроскопии. Гродно, 2-4 июля 1997.- С. 108-111.

43. Белый В.Н., Курилкина С.Н., Хаткевич А.Г. Акустооптическое взаимодействие в окрестности особых направлений двуосных кристаллов // Тез. докл. XV Всесоюзн. Конф. "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела",- Л., 1991.- Т. 4.- С. 55-56.

44. Kurilkina S.N., Kazakov N.P., Belyi V.N. Peculiarities of acoustic wave propagation on piezoelectric crystal surface disturbed by periodic electric field // Proc. Intern. Symp. on surface waves in Solid and layered structures.-St.-Petersburg, 1994.-P. 124.

45. Belyi V.N., Kurilkina S.N., Khatkevich A.G. Electroinduced conical refraction of ultrasonic waves in cubic paraelectric crystals I I Proc. Intern. Symp. on surface waves in solid and layered structures.- St.- Petersburg, 1994,- P. 112,

46. Kurilkina S.N., Belyi V.N., Kovchur S.N. Anisotropy of acoustooptic effects in crystals of КЫЪОз // Proc. Intern. Symp. on surface waves in solid and layered structures.- St.- Petersburg, 1994,- P. 53.

47.Nonreciprocal acoustooptic effects in crystals with complex anisotropy / V.N.Belyi, N.S.Kazak, S.N. Kurilkina, S.N. Kovchur// Proc. Intern. Conf. on Photoconversion. Wasaw, Poland, 22-24 Oct. 1997. - P.20.

48.KurilMna S.N., Serdyukov A.N. Transient regime of interaction of electromagnetic and ultrasonic waves in cubic gyrotropic crystals// Proc. 7-th Intern. Conf. on Complex Media. Germany, 3-6 June 1998.- P.325.

49. Курилкина C.H., Ковчур C.H. Применение кристаллов с электро-индуцированной анизотропией в гибридных мультистабильных системах// Квантовая электроника: Мат-лы II Межгосударственной научно- технической конференции. Минск, 23-25 ноября 1998 - С.114.

РЕЗЮМЕ

Курилкина Светлана Николаевна

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СВЕТОВЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ С ЭЛЕКТРОИНДУЦИРОВАННОЙ АПИЗОТРО-ПИЕЙ И ГИРОТРОПИЕЙ

Ключевые слова: кристаллы, электроиндуцированная анизотропия, гиротропия, световые и ультразвуковые пучки, дифракция света на ультразвуке

В диссертационной работе на основе феноменологического подхода , с использованием методов ковариантной электродинамики и акустики кристаллов, разработанных Ф.И.Федоровым и его учениками, исследуются особенности распространения и преобразования пучков светового и ультразвукового (УЗ) излучения в анизотропных средах, в т.ч. обладающих гиротропией и электроиндуцированной анизотропией, с целью поиска новых принципов управления характеристиками акустических и электромагнитных волн и дальнейшего изучения физических свойств твердых тел и происходящих в них процессов.

Впервые установлен и изучен ряд новых закономерностей распространения и преобразования волн в кристаллах с электроиндуцированной анизотропией и гиротропией, в частности: эффект подавления дифракционной расходимости световых пучков вблизи оптических осей в однородных линейных двуосных гиротропных кристаллах; явление удвоения числа максимумов невзаимностей, проявляющееся в невзаимных эффектах при акустооптическом взаимодействии в гиротропных кристаллах; эффект перераспределения энергии по конусу ультразвуковой электроиндуцированной конической рефракции , возникающей вблизи оси симметрии 4-го порядка в кубических нараэлектриках. Разработан ряд новых принципов и методов управления параметрами излучения, в частности, принцип управления пространственной расходимостью оптического излучения при распространении вблизи особых направлений гиротропных кристаллов; электрооптическое управление параметрами и режимами излучения кольцевого лазера.

Полученные результаты могут найти применение для формирования пучков излучения и выбора кристаллических элементов с параметрами, требуемыми системами обработки и передачи информации; при создании оптических переключателей, двухканальных фильтров и спектроанализа-торов и других устройств.

РЭЗЮМЭ Курылкша Святлапа Мшалаеуна

ЛЕРАУТВАРЭННЕ СВЕТЛАВЫХIУЛЬТРАГУКАВЫХ ХВАЛЯУ У КРЫШТАЛЯХ 3 ЭЛЕКТРАШДУЦЫРАВАНАЙ АШЗАТРА-П1ЯЙ 1Г1РАТРАП1ЯЙ

Ключавыя словы: крыштаи, электра1ндуцыраваная ашзатрап!Я, пратрашя, светлавьтя { ультрагукавыя пучы, дыфракцыя святла на ультрагуку.

У дысертацыйнай рабоце на аснове фенаменалапчиага падыходу, з выкарыстаннем метадау каварыянхнай электрадынамш 1 акустьш крыш-таляу, распрацаваных ФЛ.Федаравым 1 яго вучням1, даследуюцца асаб-л'шасц! распаусюджвання I пераутварэння пучкоу светлавога 1 ультрагукавога (УГ) выпраменьвання у ашзатропным асяроддо, у тым лп<у валодаючым пратрашяй 1 электрашдуцыраванай ашзатрашяй, з мэтай пошука новых прынцыпау юравання характэрыстыкам1 акустычных 1 электрамагштных хваляу I далейшага вывучэння ф!з1чных уласщвасцей цвердых цел 1 праходзячых у к працэсах.

Упершышо установлен 1 вывучан шэраг новых заканамернасцяу распаусюджвання 1 пераутварэння хваляу у крышталях, валодаючых пратрашяй I ашзатрашяй, у прыватнасщ: эфект падаулення дыфракцыйнай разыходпасщ светлавых пучкоу паб.шзу аптычных восяу у аднародных лшейпых двухвосевых пратропных крышталях; з'ява удваення колькасщ макымумау неузаемнасцей, якая выяуляецца у неузаемных эфектах пры акустааптычным узаемадзеянт у пратропных крышталях; эфект перараз-меркавання энерги па конусу электрашдуцыраванай УГ кашчнай рэфрак-цьп , узшкаючай пабл1зу восяу аметрьп 4-га парадку у куб1чных пара-электрыках. Распрацаван шэраг новых прынцыпау 1 метадау мравання параметрам! выпраменьвання, у прыватнасщ: прынцып юравання разыход-насцю светлавых пучкоу пры распаусюджванш лаблЬу аптычных восяу у пратропных крышталях; электрааптычнае юраванне параметрам! 1 рэжымаш выпраменьвання кальцавога лазера.

Атрыманыя вынш змогуць знайсщ прымяненне для фapмipaвaння пучкоу выпраменьвання 1 выбару крыштал1чных элементау з параметрам!, патрэбныш для астэм апрацоуй 1 перадачы шфармацыц пры стварэшп аптычных пераключальшкау, двухканальных фшьтрау 1 спектраана-Л1затарау i шшых устройств.

RESUME

Kurilkina Svetlana Nikolaevna

TRANSFORMATION OF LIGHT AND ULTRASONIC WAVES IN CRYSTALS WITH ELECTROINDUCED ANISOTROPY AND

GYROTROPY

Key words4, crystals, electroinduced anisotropy, gyrotropy, light and ultrasonic beams, diffraction of the light on ultrasound.

In the dissertation it is investigated the features of propagation and transformation of the beams of light and ultrasonic radiation in anisotropic media, in that number having a gyrotropy and electroinduced anisotropy, on the base of phenomenological aproach with the use of the methods of the crystal media covariant electrodynamics and acoustics developed by F.I.Fedorov and his disciples. The aim of investigation is search of the new principles of controlling by characteristics of acoustic and electromagnetic waves and father study of the physical properties of solids and the processes which take place in its.

For the first time it has been established and studied the series of new regularities of propagation and transformation of the waves in crystals having the gyrotropy and anisotropy, in particular: the effect of suppression of the diffractional divergence of light beams accordingly near optical axes in linear biaxial gyrotropic ciystals ; the phenomenon of doubled of the value of maximums of nonreciprocities which exists in nonreciprocal effects by acoustooptical interaction in gyrotropic crystals; effect of changing energy distribution on the cone of ectroinduced ultrasonic conical refraction in vicinity of axis of 4- fold symmetry in cubic paraelectics.lt has been created the series of new principles and methods of controlling by the radiation parameters, in particular, principle of controlling of space divergence of the optical beam by the propagation near optical axes of gyrotropic crystal; controlling by the regims and parameters of ring laser' radiation by changes of external electric field.

Results obtained may be used for forming of radiation beams and choice of crystalline elements with parameters which need for systems of processing and transformation of information; while creating the optical switchs, two-channel filters and analyzers of spectrum and other systems.

КУРИЛКИНА. СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СВЕТОВЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ С ЭЛЕКТРОИНДУЦИРОВАННОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ И ГИРОТРОПИЕЙ

Подписано в печать 30.03.2000. Формат 60x90 /16 Бумага офисная №1. Печать офсетная. Объем - 2,0 печ.л., 1,8 уч. изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 15

Институт физики им. Б.И.Степанова HAH Беларуси 220072, Минск, пр. Ф.Скорины, 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И.Степанова HAH Беларуси. Лицензия ЛП № 20 от 20.08.97.