§ 3. Дифракция света на поверхностных акустических волнах

Особенности дифракции света на поверхностных акустических волнах (ПАВ) состоят в том, что связь между упругим и электромагнитным полями осуществляется в этом случае не только через механизм фотоупругостн, но и за счет искажений поверхности, сопровождающих распространенно ПAB [20, 21]. Кроме того, при этом возможна дифракция как при прохождении света сквозь поверхность кристалла, так и при отражении от нее. Из-за резкого спадания амплитуд ПАВ с глубиной дифракция в большинстве случаев носит раман-натовский характер (вплоть до частот ~1 ГГц) даже для плоских фронтов ПАВ. В частности, при нормальном падении света на поверхность с распространяющейся вдоль нее поверхностной волной углы 0, определяющие первые дифракционные порядки, как для прохождения, так и для отражения определяются из выражения как и в случае объемных волн, где — длина волны света в среде или в вакууме, А — длина ПАВ.

Рис. 13.4. Отражение плоской световой волны от волнистой поверхности

Расчет интенсивностей дифракционных порядков в случае дифракции на ПАВ более сложен. Это связано с тем, что необходимо учитывать влияние обоих механизмов рассеяния света на ПАВ [6, 20]. Однако если поверхность идеально отражающая (например, металлическая), то влияние волнистости превалирует и расчет упрощается. В самом деле, если плоская световая волна интенсивности отражается от волнистой поверхности (рис. 13.4), то фронт отраженной волны также становится волнистым с амплитудой, в два раза превышающей амплитуду рельефа поверхности, равную амплитуде нормальной составляющей ПАВ [20]. Тогда в соответствии с теорией Рамана и Ната (см. (2.8)) и с учетом того, что параметр v в (2.8) представляет собой изменение фазы света, проходящего через звуковой пучок, можно записать выражение для интенсивностей дифракционных порядков света, отраженного от поверхности с распространяющейся вдоль нее ПАВ:

здесь — функция Бесселя порядка — амплитуда возвышений поверхности, k — волновое число света. Формула (3.1) качественно описывает дифракцию и на оптически прозрачных телах,

но, чтобы получить правильные количественные оценки, в этом случае необходимо учитывать также изменения фазы, обусловленные фотоупругим механизмом. Можно показать, (см., например, [61), что вклады искаженной поверхности и фотоупругости, вообще говоря, оказываются одного порядка и их соотношение определяется только оптическими и фотоупругими свойствами среды, так что для конкретных сред оно может оказаться различным. Например, эксперимент показывает, что для рэлеевской волны, распространяющейся вдоль направления X У-среза кристаллического кварца, как для отраженного, так и для прошедшего света влияние волнистости более существенно [22]. Теория дифракции света на поверхностных волнах, учитывающая оба механизма, изложена в монографии [21].

Рис. 13.5. Брэгговская дифракция поверхностных световых волн на поверхностных акустических волнах.

Если интересоваться случаем падения узкого светового пучка, в частности лазерного, то можно показать, что в условиях скользящего падения света на поверхность дифракция очень похожа на случай объемных волн. По этой причине описанный процесс иногда называют объемной дифракцией на ПАВ [211. Особенности, отличающие ее от чисто объемного случая, состоят в том, что изменения диэлектрической проницаемости, обусловленные звуковой волной, неоднородны по глубине, а наличие свободной поверхности приводит к отражению дифрагированных пучков в объем среды.

Следствием неоднородности звукового поля оказывается то, что вблизи поверхности преимущественным является раман-натовский режим дифракции, а в более глубоком слое, где изменение показателя преломления с глубиной не столь значительно, реализуются промежуточный и брэгговский режимы.

Особого внимания с точки зрения приложений заслуживает дифракция поверхностных световых волн (ПСВ) на пучке ПАВ [21]. Поскольку поверхностные световые волны могут существовать только в слоистых структурах, поверхность кристалла должна быть покрыта пленкой, образующей для них волновод. Одна из простейших конструкций, в которых возможно наблюдение дифракции поверхности световых волн на ПАВ, представлена на рис. 13.5. Если толщина пленки много меньше длины ПАВ, то деформации в ней можно считать однородными и дифракционный процесс весьма схож с процессом дифракции света на объемных волнах, являясь его планарным аналогом. Режимы дифракции здесь также можно характеризовать с помощью параметра

В частности, при осуществляется брэгговский режим дифракции поверхностных световых волн на ПАВ, широко используемый в устройствах интегральной оптики.