научная статья по теме УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ОБРАЩЕНИИ ФРОНТА АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ОБРАЩЕНИИ ФРОНТА АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 5, с. 728-730

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 534.222.2

УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ОБРАЩЕНИИ ФРОНТА АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ

© 2007 г. А. П. Брысев1' 2, В. Г. Михалевич2, В. Н. Стрельцов2

1 Laboratoire Européen associé en Magnéto-Acoustique nonlinéaire de la matière condensée (LEMAC) 2Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН 119991 Москва, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, тел./факс: +7(495) 9521224 E-mail: brysev@orc.ru Поступила в редакцию 18.07.06 г.

В рамках общего феноменологического описания исследуется возможность управления временным профилем периодической последовательности акустических импульсов. Управление реализуется при параметрическом пространственном обращении пучка в условиях импульсной модуляции скорости звука в обращающей системе. Получены общие выражения для амплитуд и фаз эквидистантных спектральных компонент обращенной звуковой волны в зависимости от фурье-спектра поля накачки в обращающей среде. На этой основе исследована временная зависимость формы обращенной звуковой волны от формы накачки в различных условиях, в том числе при рассогласовании несущих частот накачки и акустического поля.

PACS: 43.60.Tj, 43.25.Jh

В работах авторов [1, 2] было обращено внимание на возможность синхронизированного обращения гармоник интенсивной нелинейной акустической волны при фонон-плазмонном взаимодействии в параметрическом полупроводниковом обращающем слое в условиях самосогласованной широкополосной временной модуляции плотности электронно-дырочной плазмы в нем [см. напр. 3, 4]. При этом было отмечено, что варьирование спектрального распределения плотности плазмы во времени позволяет эффективно менять соотношение амплитуд гармоник обращенной волны и, тем самым, формировать в широких пределах заданную временную структуру обращенного пучка.

В настоящей работе в рамках общего феноменологического описания исследуется возможность управления временным профилем акустических импульсов при параметрическом обращении фронта их периодической последовательности в условиях импульсной модуляции скорости звука в обращающей системе. Получены общие выражения для амплитуд и фаз эквидистантных спектральных компонент обращенной звуковой волны в зависимости от фурье-спектра поля накачки в обращающей среде. На этой основе исследована временная зависимость формы обращенной звуковой волны от формы накачки в различных условиях, в том числе при рассогласовании несущих частот накачки и акустического поля.

Пусть на входную поверхность плоско-параллельного обращающего слоя толщины L падает

по нормали (ось z) акустическая волна с входной амплитудой = 0, ¿) = Ш, ЦХО - огибающая, периодическая, с периодом T = 2л/Аю. Соответственно, для U0(t) можно написать разложение

Uo( t) = X b

+ inArat

e .

0

(1)

Скорость звука c в слое испытывает периодическую импульсную модуляцию Аc с периодом ^2 и несущей частотой 2П: c = c0 + А^)

— = f t) cos2Qt.

co

(2)

В соответствии со сказанным f (t) в (2) представи-ма в виде:

'^AAc- = цcos2Qt X

co

a„e

in2Arat

- ц <§ 1, в силу вещественности f (0 a-n = a* .

Для акустической волны в слое имеем обычное волновое уравнение:

д2U(Z, t) . ^ . Ч2Э^ _ -(с + Аc) —-7 = 0.

dz^

Далее будем рассматривать стационарный режим обращения. Поле в обращающем слое в соответствии с (1) тогда можно представить в виде ряда Фурье для прямой и встречной акустических волн:

n--^

УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

729

и(2, г) = 2 е

+ 1 е-

X ь+Ю

п =

X ЬП(?)

пАШг-сJ

е + с.с.

г'пАш^г + - J

е + с.с.

(3)

Здесь Ь± (г) - медленные амплитуды.

В реальных условиях при достаточной длительности /(г) модулирующих импульсов эффективное число Ые/ фурье-компонент в разложениях (1), (2) удовлетворяет условию

ЛюЫе/ ^ ю. (4)

Будем также предполагать, что глубина модуляции скорости звука удовлетворяет также условию:

. Лю ц < —. ю

Мп цю - пЛю, +* О! = г 4—Г" Ь+ а

dЬn* цю-пЛю- *

— = г 4—7— Ьпа*

(6)

5 = п П

Лю ;

- < п < ^.

стеме спектр акустической волны в слое в отличие от падающей волны в общем случае асимметричен Ь-п ^ Ь* и существенно определяется соотношением амплитуд гармоник а5 импульсов накачки.

Система (6) решается при граничных условиях: Ь+ (0) = Ь+ , Ь~п (Ь) = 0. Последнее равенство

означает отсутствие обратной волны на выходной поверхности образца. При таких граничных условиях для выходных значений Ьп(0) фурье-амплитуд обратной волны легко получаем выражения, аналогичные по форме выражениям для амплитуд параметрически преобразованных монохроматических волн при смодулированной накачке [см. например, 5]:

г'Ф» п к

Ьп (о) = 18 (впЬ) е

(7)

(5) где

Подставляя разложение (3) в волновое уравнение и проводя усреднение по быстрым пространственным осцилляциям с учетом (4), (5), получаем систему независимых парных дифференциальных уравнений для фурье-коэффициентов Ь± (г):

вп

= цю Г1 п Л_ю

4 с V

ю

= а„

г'ф„

к =

£1-ю Лю

Динамика системы, описываемая уравнениями (6), существенно определяется длиной взаимодействия, в нашем случае, толщиной обращающего слоя Ь. При толщинах Ь, превышающих некоторое пороговое значение, система становится абсолютно неустойчивой (см. далее (7)). Если длина взаимодействия меньше критической, в системе может реализовываться стационарный режим параметрического преобразования. Для существования стационарного режима рассогласование несущих частот акустических волн и накачки П-ю должно быть, очевидно, кратно частотному интервалу Лю между соседними фурье-компонентами падающего акустического пучка. При этом частота модуляции скорости звука П может быть как выше, так и ниже частоты акустической волны ю. Из (6) очевидно также, что при толщинах слоя много меньше критической для эффективного обращения фурье-спектры накачки, вызывающей импульсную модуляцию скорости Лс, и падающей волны должны пересекаться. При нулевой расстройке П-ю это условие выполняется автоматически. Видно, что даже при совпадении несущих частот из-за частотной зависимости коэффициента параметрического взаимодействия в си-

Таким образом, обратная волна сопряжена с точностью до несущественного постоянного фазового сдвига падающей волне Ь~п ~ Ь+* . Соотношение фаз фурье-компонент обращенной волны определяется соотношением фаз компонент накачки. Амплитуда гармоники с номером п акустической волны определяется толщиной слоя и амплитудой фурье-компоненты модуляции скорости звука с номером п + к. Тем самым, форма и длительность импульсов обращенной волны могут эффективно управляться выбором временного профиля импульсов накачки.

Рассмотрим некоторые характерные в физическом отношении ситуации для наиболее простого случая нулевого рассогласования частот ю = П. Пренебрегая различием (см. (4)) коэффициентов параметрического преобразования гармоник акустического поля из-за разности частот из (7) имеем:

и(0) = -2е-ю X Ь

п*

п0 Ч

Г Цю' а.|Ы*

„, г'Фп гпЛюг .

х ее п с.с.

1. Спектр последовательности акустических импульсов падающего пучка шире спектра накачки. Эффективная толщина обращающего слоя мень-цю

ше критической: 4_|ап\ Ь < 1. Тогда

Ц~ (0) = -2ЦюЬЛ*/( г),

гш г--

гш г п -

п--га

а

п--га

730

БРЫСЕВ и др.

где A - амплитуда нулевой гармоники падающей волны. Таким образом, форма импульсов обращенной волны совпадает с формой импульсов накачки.

2. Спектр накачки шире спектра входного акустического сигнала. Гармоники накачки синфазны фп = ф = const. Считая амплитуды фурье-компонент накачки примерно одинаковыми для всех номеров n, отвечающих эффективному числу гармоник падающей волны, после свертывания ряда Фурье получаем:

и< о ) = -2<s ( ^

¿1 e *р< t ),

где функция p(t) определяет временной профиль

тг М-®1 \т П

импульсов в падающем пучке. При -■- —|а0| L ~

обращение волны при сохранении ее временного профиля сопровождается усилением.

3. При сохранении прочих условий предыдущего пункта рассмотрим накачку, отвечающую следующему соотношению фаз гармоник фп = пп для всех эффективных компонент акустической волны. Нетрудно проверить, что временной профиль обращенной волны в этих условиях будет определяться дифракционной функцией

cos

U < о )

( 2Neff +1 ) ТГ t"

C0S ( Tt

где по-прежнему, - эффективное число Фурье-компонент в падающей акустической волне.

В заключение отметим, что, задавая необходимые для формирования в обращенной волне импульсов требуемой длительности и формы амплитуды и фазы гармоник Ъ~п, используя (7) при дополнительном варьировании длины парамет-

рического взаимодействия L можно подобрать соответствующий временной профиль накачки. Отметим также, что при достижимых в настоящее время коэффициентах модуляции m ~ 10-3-10-2 [6] критическая толщина слоя L при характерных частотах w ~ 108 составляет величину ~1 см. Соответственно, в стационарном режиме на этих длинах будет наблюдаться усиление прямой и встречной акустических волн.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 05-02-17530_а, 05-02-19640-НЦНИЛ_а), президентского фонда поддержки ведущих научных школ (грант № НШ-8108.2006.2), программы РАН "Когерентные акустические поля и сигналы", российско-французской программы "Programmes Internationaux de Coopération Scientifique CNRS-RAS" (projet 1573), а также посольства Франции в Москве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брысев А.П, Михалевич В.Г., Стрельцов В Н. Параметрическое обращение нелинейных акустических волн // Письма в ЖЭТФ. 2002. Т. 75. Вып. 11. С. 660-663.

2. Mikhalevich V.G., Strel'tsov V.N. Nonlinear acoustic wave phase conjugation under acousto-optic interaction in semiconductors // Phys. of Wave Phenomena. 2003. V. 11. № 3. P. 140-142.

3. Брысев А.П, Стрельцов В Н. Оптоакустическое взаимодействие и обращение волнового фронта звуковых пучков в пьезополупроводниках // Акуст. журн. 1986. Т. 32. Вып. 4. С. 564-566.

4. Брысев А.П, Стрельцов В Н. О возможности использования эффекта Зиннера для ОВФ звуковых пучков // Акуст. журн. 1988. Т. 34. Вып. 1. С. 167-170.

5. Thompson R.R., Quate C.F. Nonlinear interact

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком