АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 58, № 1, с. 121-131
ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА =
УДК 534-8:534.2
АКУСТООПТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОБЫЧНЫХ СЛУЧАЕВ ОТРАЖЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ УПРУГИХ ВОЛН В КРИСТАЛЛЕ ПАРАТЕЛЛУРИТА © 2012 г. Е. А. Дьяконов, В. Б. Волошинов, Н. В. Поликарпова
Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Москва 119991, Ленинские горы
E-mail: volosh@phys.msu.ru Поступила в редакцию 06.07.11 г.
В работе приведены результаты экспериментального исследования распространения и отражения объемных ультразвуковых волн в кристалле парателлурита акустооптическим методом. В ячейке сложной и специально выбранной конфигурации наблюдалось одновременное возбуждение двух акустических волн одним пьезопреобразователем. При отражении от свободной границы кристалла осуществлено максимально эффективное преобразование энергии квазипродольной волны в единственную отраженную квазипоперечную волну с углом сноса акустической энергии 72°. При подобном отражении наблюдалось сжатие волнового пучка в 7 раз. Также осуществлено близкое к обратному отражение волн с углом пространственного разделения падающего и отраженного пучков, равным 8°. Вычислены коэффициенты акустооптического качества среды для произвольных направлений распространения и поляризации взаимодействующих световой и ультразвуковой волн. Указаны возможные применения исследуемых эффектов в акустооптике и акустоэлектронике.
Ключевые слова: акустические волны, парателлурит, акустооптика, акустическое отражение, фазовая и групповая скорость.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время активно исследуются среды, обладающие значительной анизотропией упругих свойств [1—14]. Как известно, ультразвуковые волны в подобных средах характеризуются сносом потока энергии в сторону от направления фазовой скорости. В частности, в такой среде, как кристалл парателлурита, угол между волновым вектором и вектором Умова—Пойнтинга может достигать рекордно высокого среди известных кристаллических материалов значения у = 74° [1—5, 9]. При падении акустической волны на границу раздела кристалла с вакуумом возможно появление нескольких отраженных волновых пучков. Направление распространения энергии этих пучков может значительно отличаться от того, которое определяется известным для изотропных сред законом отражения. Распределение энергии падающего пучка между отраженными пучками также необычно и представляет значительный интерес. Проблема отражения ультразвукового пучка от границы раздела кристалла с вакуумом была теоретически исследована в работах [4—6]. Экспериментальная проверка отдельных выводов этой теории в кристалле парателлурита, обладающего исключительно большой упругой анизотропией, была проведена в работах [5—7], где получены как качественное подтверждение предсказаний тео-
рии, так и первые количественные данные. Однако подробного экспериментального исследования этих своеобразных явлений и сравнения теоретических и экспериментальных результатов до сих пор проведено не было.
В настоящей работе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования одного из интересных случаев распространения ультразвуковых пучков в кристалле парателлурита и их отражения от границ кристалла. В результате одного из таких отражений в кристалле появляется волна, угол сноса энергии в которой равен у = = 72°, то есть близок к максимально возможному. Эффективность возбуждения этой волны в результате отражения близка к 100%. При подобном отражении наблюдалось сжатие волнового пучка в 7 раз. Помимо данного эффекта, в статье изучалось близкое к обратному отражение волн с углом пространственного разделения падающего и отраженного пучков, равным 8°. Также осуществлено одновременное возбуждение одним пьезопреоб-разователем двух акустических волн с приблизительно одинаковой мощностью. Исследование акустических волн проводилось с использованием явления дифракции света на ультразвуке, то есть акустооптическим (АО) методом, который открывает широкие возможности для исследования ультразвуковых полей [5, 7, 8, 15, 16, 19]. Известно,
что дифракция света на ультразвуке применяется в АО устройствах, позволяющих управлять амплитудой, частотой, фазой и пространственным распределением дифрагированной световой волны. Таким образом, исследование АО взаимодействия в средах с сильной упругой анизотропией представляет самостоятельный интерес как для фундаментальной науки, так и для прикладного знания.
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ОБРАЗЦЕ
Основной целью настоящего исследования явилась экспериментальная проверка изложенных в [4—6] теоретических выводов, относящихся к отражению пучков ультразвуковых волн от границы раздела кристалл—вакуум. В экспериментах исследовалось отражение ультразвуковых волн, распространявшихся в плоскости ХУ кристалла парателлурита, от границы раздела. Эта плоскость была выбрана для исследования потому, что именно в ней достигается максимальный угол сноса энергии акустической волны, равный у = 74° [15, 9]. Кроме того, специально подобранная конфигурация образца позволила исследовать в нем такие интересные явления, как одновременное возбуждение пьезопреобразователем двух волн с приблизительно одинаковой мощностью, эффективное преобразование энергии квазипродольной волны при ее отражении от границы кристалла в квазипоперечную волну и сжатие волнового пучка после подобного отражения от границы. Также было изучено близкое к обратному отражение волн после наклонного падения на границу раздела кристалл—вакуум.
Для исследования был изготовлен образец кристалла парателлурита (двуокиси теллура, ТеО2). Образец имел форму неправильной четырехугольной прямой призмы. В ее основании находился четырехугольник, изображенный на рис. 1, а боковые грани образца были перпендикулярны плоскости рисунка. Основания призмы были плоскопараллельными и находились в плоскостях, параллельных плоскости рисунка. Образец был вырезан так, что плоскость рисунка совпадала с кристаллографической плоскостью ХУ и была перпендикулярна кристаллографической оси Z, являющейся оптической осью кристалла. На рис. 1а показана общая конфигурация кристаллического образца, направления потоков энергии (сплошные стрелки) и направления фазовой скорости (штриховые стрелки) волн, распространявшихся в нем. Конфигурация акустических пучков каждой из этих волн представлена на рис. 1б.
Грань ОА образца составляла угол 4.4° с кристаллографической осью У кристалла. На этой грани располагался пластинчатый пьезоэлектрический преобразователь прямоугольной формы из
пластины ниобата лития среза (У + 36)° с размерами I = 1 мм и 40 = 6.5 мм, предназначенный для возбуждения продольной акустической волны на частоте / = 169 МГц. Из-за анизотропии кристалла парателлурита в образце одновременно возбуждались две волны, являющиеся собственными модами кристалла, которые имели совпадающие направления волновых векторов, но различные значения фазовой скорости и несовпадающие направления потоков энергии и поляризации волн. Акустический пучок квазипродольной волны, который характеризовался меньшей фазовой скоростью, будет в дальнейшем обозначаться как "волна 1", а пучок квазипоперечной волны с более высокой фазовой скоростью — как "волна 2".
Дальнейшее рассмотрение удобно провести на примере волны 2, так как при ее отражении от грани образца образуется две отраженных волны, а не одна волна, как это имеет место в случае волны 1. Поэтому рассмотрение отражения пучка 2 обладает большей общностью, в то время как отражение пучка 1 может быть рассмотрено аналогичным образом.
Акустический пучок 2 падал на грань АВ образца, составлявшую с гранью ОА угол 52.6°. При падении ультразвукового пучка на грань кристалла можно было считать, что от грани распространяются два отраженных ультразвуковых пучка. Прохождением ультразвуковой волны из кристалла в воздух можно было пренебречь, поскольку ультразвук с такой частотой в воздухе не распространяется. Для описания отражения волны от грани образца было необходимо найти направления волновых векторов отраженных волн и энергетические коэффициенты отражения каждой из них. При этом использовался подход, представленный ниже.
Вначале были определены направления распространения отраженных волн. Известно, что при отражении акустического пучка от границы раздела сохраняется значение проекции волнового вектора на эту границу [4—6, 10, 19]. Из рисунка 2 видно, что падающий пучок волны 2 характеризуется волновым вектором к2 и вектором
потока энергии Р2. На рисунке изображено сечение поверхности обратных скоростей плоскостью ХУ кристалла, совмещенное с линией АВ, указывающей положение границы раздела кристалл-вакуум. На рисунке построена также проекция волнового вектора падающей волны на линию границы раздела. В общем случае соответствующий перпендикуляр к границе раздела (пунктирная линия) пересекает сечение поверхности обратных скоростей в нескольких точках. Каждая из этих точек соответствует некоторой акустической волне, которая, в принципе, может распространяться в кристалле. Очевидно, что реально отраженные от границы раздела волны всегда характе-
С
В
(б)
Рис. 1. Вид кристаллического образца (а) и конфигурация акустических пучков в нем (б).
ризуются вектором потока энергии ¥, направленным внутрь кристалла. Направление вектора потока энергии акустической волны, как известно, определяется перпендикуляром к касательной, проведенной к сечению поверхности обратных скоростей в точке, соответствующей этой волне. Таким образом, при падении ультразвукового пучка на границу раздела кристалл—вакуум в плоскости ХТ образуются два отраженных пучка квазипродольных волн. Медленная отраженная волна будет в дальнейшем обозначаться как "вол-
на 2а", а быстрая — как "волна 2Ь". Эти волны характеризуются соответственно волновыми векторами к2а и к2Ь, как показано на рис. 2. Очевидно, что указанные на рисунке векторы совпадают с направлениями штриховых стрелок на рис. 1а.
Энергетические коэффициенты отражения для каждого из двух отраженных акустических пучков были определены следующим образом [4—6, 10]. Из решения акустической задачи
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.