Дифракция света на упругих волнах в тонкопленочных мембранных структурах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.1:534.29:534.8:536.4:539.384 Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Д.М. Никулин СГГ А, Новосибирск

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УПРУГИХ ВОЛНАХ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУРАХ

Рассматриваются тонкопленочные акустооптические устройства управления световыми потоками, являющиеся тонкопленочными аналогами Брэгговских акусто-оптических модуляторов. В отличие от последних, тонкопленочные устройства функционируют на медленных объемных волнах в мембране [1,2], что потенциально обеспечивает им меньшее на порядки величин энергопотребления и компактность.

В известной литературе имеются только отдельные упоминания об исследованиях по разработкам приборов на упругих волнах в мембранах. В работе [3] описан измерительный преобразователь, использующий пьезоэлектрическое возбуждение и считывание изгибных волн в кремниевой мембране.

На рис. 1 показана схема акустооптического устройства модуляции светового потока с помощью упругих волн, образующих периодический рельеф на поверхности тонкопленочной полосковой мембраны.

Монохроматический световой поток Р падает нормально на тонкопленочную мембрану, в которой электростатически [4] возбуждены изгибные бегущие гармонические волны, имеющие длину волны Л, скорость V и амплитуду Ъ0:

Ъ = Аосо$(юґ + кизгх), т

<--------------------►

Рис. 1. Схема акустооптического устройства модуляции светового потока с

помощью упругих волн

где ф = 2ж/ - круговая частота колебаний, кизг = ^ - волновое число упругих волн.

Поверхность мембраны отражающая, и свет на синусоидальном рельефе испытывает дифракцию; дифракционная картина имеет только два +1 и -1 порядки дифракции [5]. Углы дифракции при нормальном падении светового

потока равны:

*=±Я

(2)

где Я - длина световой волны.

Эффективность дифракции света определяется выражением:

/ (в)

I.

Г±1

(п ЯЛжИ в + —

I Л у

Я

(а ЯЛжИ

и----

I лУ

Я

(п ЯЛжИ в + —

I лУ

Я

(а ЯЛжИ и-----

I лУ

Я

(3)

где D - освещенная ширина синусоидального рельефа, г±1 -

коэффициент, учитывающий влияние на дифракцию света высоты рельефа. В [6] этот коэффициент для случая малости синусоидального рельефа ^ в сравнении с длиной Л упругой волны ф0 << Л) определяется выражением: 2п\

\г+1 = Г-1

Л

(4)

По направлению максимумов ±1 порядка уравнение (3) упрощается:

1(*)^, |2_(2^4.Л2

I

±1

Л

(5)

При электростатическом возбуждении бегущей изгибной волны в тонкопленочном волноводе, упругость которого обеспечивается натяжением, на электрод подается переменное напряжение (рис.1) и в зазоре между поверхностями электрода и мембраны создается электрическое переменное поле:

Г1 Л 1 (6)

Е = Е0 соб

V

У

При этом амплитуда волны определится выражением [4]:

(7)

64л / 2рк ’

где N - число электродов возбуждения, установленных вдоль волновода

Л и

с шагом, кратным —; р- плотность волновода, h - полутолщина волновода.

При выводе уравнения (7) принято, что электрод имеет ширину, равную ширине полоски волновода, и длину, равную четверти длины Л. Длина волны определяется уравнением:

л = К -

П р

2

В качестве примера рассмотрим алюминиевый волновод (р = 2,7 • 103 кг/м3) толщиной 2h = 0,1 мкм, имеющий натяжение —=5-106 Па, возбужденный напряженностью Е0 = 107 в/м на частоте 2 -106 Гц.

При числе электродов N = 50 амплитуда изгибной волны равна А = 0,4 • 10-6 м, длина волны Л = 21,5 мкм, углы первых порядков в = ±1,320, (при длине световой волны Я = 0,5 мкм), дифракционная эффективность

(Г±1 )2 ~ 1,4 • 10-2; при длине световой волны Я = 5 мкм, частоте возбуждения

0,5-106 Гц имеем в = 3,30, (г±1 )2 = 0,22.

Результаты расчетов подтверждают эффективность оптикоакустического взаимодействия в тонкопленочных мембранных устройствах на медленных изгибных упругих волнах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Исследование возбуждения и распространения упругих волн в тонкопленочных мембранах структур микромеханики: отчет НИР (промеж.) / СГГА; рук. Чесноков В.В.; исполн. Чесноков Д.В. - Новосибирск, 1996. - Г.Р. 0195. 0007125. - Инв. № 0297.0002753.

2. Чесноков В.В. Информационные возможности динамических микромеханических устройств / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков // Вестник СГГА. - 2000. -Вып.5. - С. 113-116.

3. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник / Дж. Фрайден. - М.: Техносфера,

2005.

4. Чесноков Д.В. Электростатическое и лазерное возбуждение упругих волн в тонкопленочных полосковых волноводах. / Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Д.М. Никулин // ГЕ0-Сибирь-2007 : сб. материалов междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2007», 25-27 апр. 2007 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2007.

5. Ахманов С.А. Физическая оптика : учебник / С.А Ахманов, С.Ю. Никитин. - М.: изд-во Моск. ун-та, 1998.

6. Хаус Х. Волны и поля в оптоэлектронике / Х. Хаус. - М.: Мир, 1988.

© Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Д.М. Никулин, 2007