Акустоэлектрический эффект. Пьезоэффект. Обратный пьезоэффект.

Возникновение постоянного тока или ЭДС в металлах или полупроводниках под действием интенсивной упругой волны высокой частоты, ультразвук, гиперзвук (1Ггц-1Тгц) в направлении ее распространения.

Строго говоря, это импульсная эдс звуковой частоты.

и другим эффектам увлечения элементов среды интенсивной звуковой волной, распространяющейся в этой среде. Т.е. вызывается деформация проводника, при которой появляются локальные электрические поля, бегущие по кристаллу вместе с волной. Эти поля и приводят к увлечению носителей тока. Эффект относят к нелинейной акустике. ]

Что интересно. Эффект был обнаружен в монокристаллах германия и оказался незначительным. Но позже в кристаллах CdS (сернистый кадмий) ЭДС оказалась приличной, 1000 мв/см при интенсивности звука 0,01 Вт/cм². И выяснилось, что кристалл является пьезоэлектриком. Но от этого физическое объяснение работы эффекта не изменилось. Т.е. носителем остался электрон.

Замечание нулевое.

Непонятность единиц измерения. Сколько вольт можно разместить на одном сантиметре? Физически это нельзя понять, а логически можно принять напряжение, снимаемое с единицы площади кристалла. То же касается и интенсивности: мощность с сантиметра квадратного, опять короче с площади кристалла.

Если подходить по нормальному, есть характеристика под названием давление. Это сила поделенная на площадь и измеряется она в паскалях. В то же время мощность это энергия, поделенная на время. Так уж принято.

Не логично ли привести все к единой системе с поправкой на сопротивление воздействию?

Оставляю на суд читателей…

Замечание первое.

Передача энергии пустому пространству, которое представляет собой дырка просто немыслимо, поскольку это всего лишь абстракция, отсутствие электрона у атома. Дырка не может нести энергии, она является вакансией, ее отсутствием. По теории полупроводников вакансия может перемещаться, но нести энергию это нонсенс, тем более отрицательную. Даже по этой сверх навороченной теории, сначала должен начать движение электрон (освободить место), и только потом появится дырка. А еще дырке невозможно передать энергию потому, что у нее нет массы. Надо такой квазичастицы приписывать свойства фотона, но до этого еще не додумались. Но это так к слову.

Замечание второе.

Заметив явный пьезоэффект, никто сразу не проверил, как само по себе разумеющееся влияние ультразвука на непроводящие ток пьезокристаллы. Оказывается эффект работает и в таких диэлектриках как кварц. Что на нет сводит представленное выше объяснение потока электронов как носителей тока. В диэлектриках по теории свободных электронов их мало, либо отсутствуют вовсе. Кстати при большом звуковом давлении и достаточно коротком одиночном импульсе этот эффект наблюдается и при малых частотах, именно у металлов и пьезоэлектриков особенно. И объясняется обычным давлением звука. Механической причиной. Один опыт Мандельштама-Папалекси, Тоулмена-Стюарта уже доказывает это. Они не приняли во внимание деформации провода при торможении раскрученного соленоида. Ток вызван пьезоэффектом, механическим воздействием на кристаллическую решетку метелла из которого создан провод катушки. Но там все раздуто до безобразия, аж ветер из электронов дует.

Вполне возможно и наблюдение такого эффекта в жидкостях и газах при импульсном и быстром изменении давления. Явление молнии и свечение в соленой воде можно считать следствием такого пьезоэффекта. И собственно не пьезоэффекта а факта прохождения тока в среде при механическом воздействии.

Пьезоэффект.

Для начала посмотрим на пьезоэффект с механической точки зрения.

Всем хорошо известно свойство металлов: пластичность и способность упрочнятся при ковке.

В материалах типа кварц, непроводящих кристаллах, это свойство казалось бы практически сведено к нулю. Однако, как и у большинства металлов, такие материалы, как правило, имеют структуру кристалла в виде гранецентрированного куба. Или близкую к нему.

И точно также эти кристаллы изменяют размеры при внешнем механическом воздействии. Причем даже именно у пьезоэлектриков этот эффект выражен гораздо сильнее. Такая структура в виде гранецентрированного куба наблюдается у большинства хорошо проводящих материалов – металлов и их соединений. Вполне логично считать что у металлов в силу меньшей способности изменять размеры при одинаковой приложенной силе этот эффект выражен слабее чем у пьезоэлектриков просто в силу меньшего размера кристаллов. Парадоксальный отсюда следует вывод: хрупкие с виду пьезоэлектрики при воздействии, не нарушающем их целостность, медленно нарастающем, более пластичны, чем металлы. Все дело только в отсутствии концентрированного удара, как в Карате-до. Получается, как видно из опыта, у пьезоэлектриков, чем больше деформация, полученная от неразрушающего воздействия, тем сильнее эффект, тем большую разность потенциалов можно получить. То есть у металлов этот эффект слабый, и разность потенциалов мала. Естественно все условия проведения опытов одинаковы.

Гранецентрированный куб вполне определяет и свойство противоположное пластичности – хрупкость. Чем она выше, тем сильнее пьезоэффект.

Сама механика эффекта проста и незамысловата. Любое тело обладает свойством инерции. Даже при отсутствии точки опоры деформация при внешнем ударе присутствует, а значит, в той или иной мере присутствует пьезоэффект у любых материалов.

Как происходит образование потенциалов. При нарастающем воздействии происходит некоторая деформация куба решетки. Она сжимается как пружина за счет: с одной стороны параллельных плоскостей кристалла, расположенных как сетка у матраса, с другой стороны прочность обеспечивается множеством связей одновременно препятствующих разрушению, перпендикулярных воздействию. Верхний слой образца получает больший механический потенциал, чем ниже лежащие слои. Процесс сжатия – процесс затухающий. Поэтому и при ковке металлов упрочняются в первую очередь верхние поверхностные слои. Нарастание напряжения происходит постепенно от самих верхних, до самых нижних слоев. В конце концов, все имеет свой предел прочности, до которого можно сжимать такую «пружину». На грани этого предела и работает пьезоэффект. Монокристалл с одной стороны более деформирован, чем с другой. Именно на этой сильнее деформированной стороне и накапливается больший потенциал, как механическое напряжение, так и соответственно электрическое. В нашем случае это плюс. В электротехнике это « минус» в силу недоразумения, как и недоразумение с Северным полюсом Земли, на самом деле Южном.

Поясним теперь возникновение пьезоэффекта на уровне взаимодействия атомов.

Рассмотрим сам пьезоэффект с позиции не электронной теории, и а с позиции передачи энергии излучением. Магнитным, электрическим. В силу многих причин нет смысла считать электронную теорию универсальной палочкой выручалочкой для объяснения и электрического тока и множества эффектов подобного этому. Только с позиции понимания общих принципов передачи энергии, и ее видового преобразования можно решить проблему в комплексе.

Любой механический Импульс не передается кристаллу или телу целиком. В нем не возникает волна сжатий и разряжений плотности. Она возникает только при периодическом воздействии. И это объясняется инерционностью массы. И не волна является носителем тока. В общем-то, это и не волна, а серия импульсов излучения энергии, которая только может описываться математически в виде волны. На самом деле нет перемещения вверх вниз, есть перемещение элементов упругой среды в основном вперед назад. А перемещение вверх вниз определяется пластичностью. Можно ли такое перемещение называть волной – вопрос. Скорее это можно назвать импульсным возмущением среды, не обязательно периодическим.

Сжатие от внешнего импульса, деформируя сначала атомы, деформирует и кристаллическую решетку, уплотняя ее. Сами атомы, за счет движения при сжатии, получают некоторое количество энергии, достаточное для излучения избытка порции энергии, которая излучается и передается дальше последовательно, атом за атомом, атомам и решетке, меняя и форму решетки и свою собственную. В связи с сопротивлением (упругостью) этот процесс затухающий. Поэтому-то и нет как таковой волны. Изменение собственной формы атома влечет за собой изменение скорости его вращения и, следовательно, свойств. Это свойство имеет электромагнитную природу, поскольку изменяется магнитное поле атома (оно тоже сжимается и вытягивается во взаимно перпендикулярных плоскостях), затем изменяется его взаимодействие в системе атомов, в кристаллической решетке. Меняется спектр его излучения. И вроде диэлектрик вначале не проводивший электрический ток, на короткое время в локальной поверхностной области приложения механической силы становится проводником. Внешнее излучение, если это одиночный импульс недостаточной мощности поглощается и вызывает слабую деформацию. Любое механическое воздействие в конечном счете сводится к электромагнитному. Сам пьезоэффект и объясняет сам себя. Но поскольку тело обладает инерцией, то импульс как бы застревает в начале. И только следующий импульс начнет наращивать уплотнение по направлению распространения внешнего воздействия. То есть для первого же импульса создается потенциал на одном конце больший, чем на другом. Появляется разность потенциалов, которую сама собой не ликвидируется без внешнего воздействия. Аккумулирование энергии до критического состояния. В принципе это уже объясняет явление пьезоэффекта как резонансное (несколько грубо, скорее синхронное) поглощение энергии внешнего воздействия атомом и решеткой. При частом периодическом поступлении импульсов локальная деформация медленно нарастает, а общая деформация перемещается к концу кристалла, причем размеры кристалла и расположение осей имеет большое значения при таком поглощении. Собственная частота вращения атомов и геометрия решетки определяют собственную частоту колебаний кристалла. Когда к нему присоединен проводник с внешним импульсным источником питания. Кристалл в целом начинает колебаться и модулировать (импульсно частотная модуляция) импульсы в соответствии с собственной частотой. Если к поверхностям кристалла не присоединен хороший проводник, совпадающий по спектру поглощения со спектром излучения возбужденных атомов, кристалл, полностью деформировавшийся и изменивший резонансную частоту, будет воспринимать внешние воздействия только очень слабой интенсивности. Большая интенсивность и частота могут привести к большей деформации и без резонансного поглощения вплоть до разрушения кристалла.

Таким образом, если внешнее излучение, скорее импульсное чем волновое, достаточно большой частоты, то за счет инерции массы импульсы сглаживаются и, наконец, при съеме эдс мы получаем постоянный ток, чем больше частота, тем глаже. Это еще одно свойство пьезоэффекта при высокочастотном воздействии. Акустоэлектрический эффект. См. выше. Причем ток то не переменный (волновой) а именно импульсный. То есть пьезокристалл не является колебательным контуром!!!!!

Почему кристалл принимает обратную форму при соединении поверхностей проводником? В воздух кристалл не излучает интенсивно по причине сильного несовпадения основных линий спектра. Это и объясняет в принципе электропроводность.

К кристаллу вплотную необходимо присоединить металлическую проводящую пленку – электрод. А у большинства металлов линии спектра (не в газообразном состоянии они перекрываются, поэтому и сплошной в спектроскопии) совпадают и совпадают с линиями спектра излучения атомов кристалла в возбужденном состоянии. Разность потенциалов ликвидируется за счет электрического разряда или потребляющей ток нагрузки, а также механическим растяжением. Кристалл возвращается в основное состояние. Происходит то же самое что происходит и в грозовом облаке – увеличение потенциала по отношению к окружающей среде, сброс разряда –молния, электрический пробой, множество других видоизмененных способов передачи энергии тока. Фактически тот же пьезоэффект. Любой замкнутый проводящий канал снимает разность потенциалов.

В тоже время при сверхпроводимости соединяющего проводника данное напряжение снять невозможно и ток будет циркулировать почти бесконечно. Источник напряжения в принципе халявный, но не в смысле затрат энергии на поддержание сверхпроводимости. См. Джозефсона эффект

Высоко температурная сверхпроводимость это и есть получение при комнатной и выше температуре данного эффекта.

Обратный пьезоэффект: приложенная разность потенциалов изменяет размеры проводника, опять связана с излучением, но уже исходящим от проводника со сплошным спектром. Индуцированный пьезоэффект в металле получается путем подключения внешнего источника излучения (ЭДС).

Следствие: лазерным импульсом большой мощности можно вызвать пьезоэффект. См. Поккельса эффект

Посмотрим, как эффект толкует обычная физика:

Известно, что некоторые твердые материалы, например, кварц способны в электрическом поле изменять свои линейные размеры. Железо, никель, их сплавы или окислы при изменении окружающего магнитного поля также могут изменять свои размеры. Первые из них относятся к пьезоэлектрическим материалам, а вторые - к пьезомагнитным. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты. Существует прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой - это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента. Обратный - линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля. Впервые пьезоэффект обнаружили Жанна и Поль Кюри в 1880 году на кристаллах кварца. В дальнейшем эти свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др.

Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880 г. французскими учеными братьями П. Кюри и Ж. Кюри. Слово "пьезоэлектричество" означает "электричество от давления". Прямой пьезоэлектрический эффект или просто пьезоэффект состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные по величине, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т. е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный.

К пьезоэлектрикам относятся некоторые естественные или искусственные кристаллы, например, кварц или сегнетова соль, а также специальные пьезоэлектрические материалы, например, титанат бария. Кроме прямого пьезоэффекта применяется также и обратный пьезоэффект, который состоит в том, что под действием электрического поля пьезоэлектрик сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности поля. У кристаллических пьезоэлектриков интенсивность прямого и обратного пьезоэффекта зависит от того, как направлена относительно осей кристалла механическая сила или напряженность электрического поля.

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Из кристаллов такие пьезоэлементы вырезают определенным образом, соблюдая при этом ориентировку относительно осей кристалла. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом, получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т. е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает определенной частотой собственных колебаний, то может наблюдаться явление резонанса. Наибольшая амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента получается при совпадении частоты внешней ЭДС с собственной частотой колебаний пластинки. Следует отметить, что имеется несколько резонансных частот, которые соответствуют различным типам колебаний пластинки.

Под воздействием внешней переменной механической силы на пьезоэлементе возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой, в которой могут происходить электромеханические колебания. Каждый пьезоэлемент эквивалентен колебательному контуру. В обычном колебательном контуре, составленном из катушки и кондера, периодически осуществляется переход энергии электрического поля, сосредоточенной в кондере, в энергию магнитного поля катушки и наоборот. В пьезоэлементе механическая энергия периодически переходит в электрическую. Посмотрим на эквивалентную схему пьезоэлемента:

Рис. 1 - Эквивалентная схема пьезоэлемента

Индуктивность L отражает инерционные свойства пьезоэлектрической пластинки, емкость С характеризует упругие свойства пластинки, активное сопротивление R - потери энергии при колебаниях. Емкость С₀ называется статической и представляет собой обычную емкость между обкладками пьезоэлемента и не связана с его колебательными свойствами.

Но это только от переменного тока. Или от переменного механического воздействия: сжал-растянул, упал-отжался.

Что еще сказать по данному поводу. Кварц, как известно очень хорошо пропускает

Ультрафиолетовое излучение, причем полоса пропускания достаточно узкая. Что происходит при пьезоэффекте. Поскольку электрический ток в металлах это ультрафиолетовое излучение – ультрафиолетовый шум, спектр практически сплошной, то совпадение спектров в ультрафиолетовой области металла и кварца может наступить и без деформации кристалла, то есть надо подобрать соответствующий металл или сплав. Что можно получить в итоге. Сверхпроводимость при обычных условиях. Что это может быть за металл? Литий и Ему подобные щелочные металлы. И лучше всего цезий.

То есть в световодах из кварца можно вместо видимого света использовать ультрафиолетовое излучение, то есть электрический ток, а, следовательно, можно обойтись без электронноптических преобразователей! Сам контакт металл – кварц и будет преобразователем. Опять же все это будет работать на черт знает каких расстояниях без усилителей.

При белом шуме или при несовпадении спектров кварц начинает вибрировать, то есть переводить ненужное излучение в механическую работу.

У кварца две модификации: a-фаза Гексогональная и устойчивая при 870-573 ⁰С и b-фаза при t меньшей 573 ⁰С тригональная. Эта решетка аналог гексагональной, только это не правильный куб, а ромбоэдрический вытянутый по двум противолежащим углам.

Так вот: пьезоэффект для второй фазы гораздо сильнее, чем при первой.

От чего это получается. Кристаллографическая ось и есть ось, по которой сжимается кристалл до получения гранецентрированного, напряженного состояния.

С пьезоэффектом напрямую связан пироэффект .

В некоторых кристаллах  суммарный  дипольный  момент отличен от нуля даже в отсутствие внешнего электрического поля. Такого рода кристаллы называют самопроизвольно  или  спонтанно поляризованными кристаллами. Другое название этих кристаллов - п и р о э л е к т р и к и.  Это название появилось потому, что

пироэлектрики обнаруживают по возникновению заряда на их поверхности при нагревании или охлаждении.

Ну какой дипольный момент?

Можно подумать, что обнаружили вращение кристалла в электрическом поле, как же…

Хотя оно и есть возможно, но не с дипольным моментом связано. Вообще понятие дипольного момента вещь абстрактная до невозможности. Вещь, которую нельзя измерить. Только посчитать теоретически. Есть другое = момент силы, который изменяется с изменением длины рычага. Это Архимед придумал. А все что в нынешнее время, все от лукавого.

Строго говоря это явление напрямую связанное с электретами. То же самое нагревание - остывание, но не между обкладками внешнего конденсатора, а просто в воздушной среде. И кто сказал, что это поле электрическое, а точнее просто ток излучения в ней, в воздушной среде отсутствует напрочь? Объяснять ортодоксам, все равно что обывателям, бесполезно, что все вокруг нас пронизано токами – потоками излучений. То есть внешнее электрическое поле, как его называют, присутствует всегда и везде, только измерять его надо соответствующими методами и приборами, а не списывать на сомнительные теории.

Почему возникает такой эффект? Да очень просто. Это совпадение спектра поглощения и излучения материала со спектром внешнего излучения при изменении температуры за счет изменения свойств атомов материала. Наступление сверхпроводимости. Раз сверхпроводимость, значит не аккумуляция (концентрация внешнего излучения, тока), в отличие от электретов, где она (энергия) запасается явно. Оттого и старение электретов. Это относится и к магнитам.

В дополнение к пьезоэффекту: Считается что пьезокристалл – диэлектрик. Да. Для слабых токов вроде бы и так. А на самом деле? Берем два пьезокристалла, например, от обычной зажигалки, соединяем последовательно и нажимаем. Со второго кристалла снимаем приличный импульс-разряд, что говорит об отличной проводимости диэлектрика. То есть не о пробое, а именно о проводимости!!! Кристалл то не разрушается!! Значит у него есть сопротивление электрическому току. И оно не подчиняется закону Ома.

А вот изложение от современного представления в теоретической физики

Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца (рис. 1), элем. ячейка к-рого, содержащая три молекулы SiO₂, схематически изображена на рис. 2. При сжатии вдоль оси Х₁ положит. ион 1(Si⁺) и отрицат. ион 2(O^-) перемещаются в глубь ячейки, в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении на плоскостях А и В возникают заряды противоположного знака. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Справедливо общее утверждение: в кристаллах, обладающих центром симметрии, пьезоэффект невозможен. Наличие др. элементов симметрии (оси,

Рис. 1. Кристалл кварца SiO₂.

Рис. 2. Схема структуры кварца: проекции ионов Si⁺ и О^- на плоскость, перпендикулярную оси третьего порядка. Заштрихованные кружки Соответствуют ионам Si⁺, светлые — паре ионов О^-; а, — недеформированное состояние; б — сжатие вдоль оси X₁; в — растяжение вдоль оси X₁.

плоскости симметрии; см. Симметрия кристаллов) может запрещать появление поляризации в некоторых направлениях или при деформациях, т. е. также ограничивает число кристаллов — П. В результате П. могут принадлежать лишь к 20 точечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, т, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222,4, 422, 42m, 6, 622, 6m 2, 32, 23m, 3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсутствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механич. деформации. Пьезоэлектрич. св-ва можно создавать в некоторых некристаллических диэлектриках за счёт образования в них т. н. пьезоэлектрической текстуры, напр. поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика), механич. обработкой (древесина) и др.

Количеств. хар-кой пьезоэффекта явл. совокупность пьезоконстант — коэфф. пропорциональности в соотношениях между электрич. величинами (напряжённость электрич. поля Е, поляризация P) и механич. величинами (механич. напряжения s, относит. деформации u). Напр., поляризация, возникающая в П. под действием механич. напряжения s, выражается соотношением P=ds. Полная поляризация (с учётом электрич. поля) складывается из поляризации, вызванной механич. напряжением, и поляризации, вызванной электрич. полем. Она равна: P=ds+cE(c диэлектрич. восприимчивость). Коэфф. d — одна из пьезоконстант. Т. к. механич. напряжения могут быть представлены как совокупность шести независимых величин (сжатия и растяжения вдоль трёх осей, а также сдвиги в плоскостях, перпендикулярных этим осям), а вектор поляризации имеет три независимые компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант. Пьезоконстантами наз. также коэфф. в соотношениях: P=ru+cЕ, u=ss+gP (коэфф. s — упругая податливость) и т. п. Все пьезоконстанты (d, r, g) связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрич. св-в кристалла можно ограничиться только константами одного типа, напр. d.

Величины пьезоконстант сильно различаются для кристаллов разных типов. Для ионных кристаллов порядок величины пьезоконстант можно оценить след. образом. Допустим, что разноимённые ионы сдвинулись под действием механич. напряжения s на расстояние l. Возникший при этом дипольный момент на единицу объёма P~е1/а³, где е — заряд иона (можно считать равным заряду эл-на), а — постоянная решётки. Относит. деформация u~l/а. Из выражений P=ds и s=cu (Гука закон) следует, что d~P/s=P/lcu~e/a²c. Принимая е~ ~10^-10 ед. СГСЭ, a~10^-8—10^{-7 см, а с~1012} СГСЭ, получим d=10^-6— 10^-8 ед. СГСЭ. Для кварца, напр., величины пьезоконстант составляют неск. ед. на 10^-8 ед. СГСЭ. Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты у сегнетоэлектриков, т. к. их поляризация может быть связана с перестройкой доменной структуры при механич. деформации.

П. применяются в технике и лабораторной практике, медицине и др.

• Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977; С и в у х и н Д. В., Общий курс физики, т. 3, М., 1977. См. также лит. при ст. Диэлектрики.

А. П. Леванюк.

ПОПЕРЕЧНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Е. Д. Гутлянский, С. Е. Гутлянский

НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону

Известия РАН. Серия физическая

- том 73, № 3, Март 2009, С. 446-448

В сверхпроводнике второго рода с ферромагнитной подсистемой и пренебрежимо малым эффектом Холла продольная ультразвуковая волна увлекает вихревую структуру в направлении своего распространения и генерирует постоянное поперечное электрическое поле (акустоэлектрическое поле). Это поле имеет максимум по температуре и внешнему магнитному полю. Величина и положение этих максимумов зависят от величины и направления внутреннего ферромагнитного момента сверхпроводника. Показано, что экспериментальное исследование зависимости акустоэлектрического поля от температуры в фиксированном внешнем магнитном поле или при фиксированной температуре от величины внешнего магнитного поля позволяет измерить магнитный момент и магнитную восприимчивость ферромагнитной подсистемы сверхпроводника и коэффициент вязкости вихревой структуры.

Акустоэлектрический эффект. Пьезоэффект. Обратный пьезоэффект.

Строго говоря, это импульсная эдс звуковой частоты.

В принятой сегодня теории свободных электронов, считается, что появление тока связано с передачей импульса (соответственно части энергии) электронам проводимости и дыркам. Такой ток аналогичен акустическому ветру и другим эффектам увлечения элементов среды интенсивной звуковой волной, распространяющейся в этой среде. Т.е. вызывается деформация проводника, при которой появляются локальные электрические поля, бегущие по кристаллу вместе с волной. Эти поля и приводят к увлечению носителей тока. Эффект относят к нелинейной акустике. См. Нелинейная аккустика.doc.

Замечание нулевое.

Не логично ли привести все к единой системе с поправкой на сопротивление воздействию?

Оставляю на суд читателей…

Замечание первое.

Передача энергии пустому пространству, которое представляет собой дырка просто немыслимо, поскольку это всего лишь абстракция, отсутствие электрона у атома. Дырка не может нести энергии, она является вакансией, ее отсутствием. По теории полупроводников вакансия может перемещаться, но нести энергию это дудки, тем более отрицательную. Даже по этой сверх навороченной теории, сначала должен начать движение электрон (освободить место), и только потом появится дырка. А еще дырке невозможно передать энергию потому, что у нее нет массы. Надо такой квазичастицы приписывать свойства фотона, но до этого еще не додумались. Но это так к слову.

Замечание второе.

Заметив явный пьезоэффект, никто сразу не проверил, как само по себе разумеющееся влияние ультразвука на непроводящие ток пьезокристаллы. Оказывается эффект работает и в таких диэлектриках как кварц. Что на нет сводит представленное выше объяснение потока электронов как носителей тока. В диэлектриках по теории свободных электронов их мало, либо отсутствуют вовсе. Кстати при большом звуковом давлении и достаточно коротком одиночном импульсе этот эффект наблюдается и при малых частотах, именно у металлов и пьезоэлектриков особенно. И объясняется обычным давлением звука. Механической причиной. Один опыт Мандельштама-Папалекси, Тоулмена-Стюарта уже доказывает это. Ток вызван пьезоэффектом, механическим воздействием на кристаллическую решетку. Но там все раздуто до безобразия, аж ветер из электронов дует.

Вполне возможно и наблюдение такого эффекта в жидкостях и газах при импульсном изменении давления. Явление молнии и свечение в соленой воде можно считать следствием такого пьезоэффекта. И собственно не пьезоэффекта а факта прохождения тока в среде при механическом воздействии.

Пьезоэффект.

Для начала посмотрим на пьезоэффект с механической точки зрения.

Всем хорошо известно свойство металлов: пластичность и способность упрочнятся при ковке.

Поясним теперь возникновение пьезоэффекта на уровне взаимодействия атомов.

Следствие: лазерным импульсом большой мощности можно вызвать пьезоэффект. См. Поккельса эффект

Посмотрим, как эффект толкует обычная физика:

Рис. 1 - Эквивалентная схема пьезоэлемента

Что еще сказать по данному поводу. Кварц, как известно очень хорошо пропускает

Так вот: пьезоэффект для второй фазы гораздо сильнее, чем при первой.

С пьезоэффектом напрямую связан пироэффект .

В некоторых кристаллах  суммарный  дипольный  момент отличен от нуля даже в отсутствие внешнего электрического поля. Такого рода кристаллы называют самопроизвольно  или  спонтанно поляризованными кристаллами. Другое название этих кристаллов - п и р о э л е к т р и к и.  Это название появилось потому, что

пироэлектрики обнаруживают по возникновению заряда на их поверхности при нагревании или охлаждении.

Ну какой дипольный момент?

Можно подумать, что обнаружили вращение кристалла в электрическом поле, как же…

А вот изложение от Матфея теоретической физики

Рис. 1. Кристалл кварца SiO₂.

П. применяются в технике и лабораторной практике, медицине и др.

А. П. Леванюк

ПОПЕРЕЧНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Е. Д. Гутлянский, С. Е. Гутлянский

НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону

Известия РАН. Серия физическая

- том 73, № 3, Март 2009, С. 446-448

Акустоэлектрический эффект
13.08.2001 11:35 | Phys.Web.Ru

Акустоэлектрический эффект - появление в проводнике постоянного тока в замкнутой цепи (т. н. акустоэлектрического тока) или электрического напряжения на концах разомкнутого проводника (т. н. акустоэдс) при распространении в нем акустической волны. Акустоэлектрический эффект был предсказан Р. Парментером (1953) и впервые обнаружен Г. Вайнрайхом н X. Дж. Уайтом (1057). Акустоэлектрический эффект возникает из-за увлечения носителей тока акустической волной вследствие акустоэлектронного взаимодействия, при котором часть импульса, переносимого волной, передается электронам проводимости, в результате чего на них действует средняя сила, направленная в сторону распространения волны. В соответствии с этим акустоэлектрический эффект меняет знак при изменении направления волны на противоположное. Акустоэлектрический эффект - одно из проявлений нелинейных эффектов в акустике (см. Нелинейная акустика), он аналогичен другим эффектам увлечения, например, акустическому ветру (см. Акустические течения).

Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэффициенту электронного поглощения звука $\alpha_e$ и интенсивности акустической волны I. Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной $\Delta x$ : уменьшается за счет электронного поглощения на величину $\alpha_e I\Delta x$ , передает в среду механический импульс $\alpha_e I\Delta x/v_s$ , приходящийся на $n_e\Delta x$ электронов слоя (v_s - скорость звука. n_e - концентрация свободных электронов). Следовательно, на отдельный электрон действует средняя сила

$F=\alpha_e I/n_ev_s$ .

(1)

Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность которого $J_{ae}=\mu n_eF$ ( $\mu$ - подвижность электронов) определяется соотношением

$J_{ae}=\mu\alpha_eI/v_s$

(2)

(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустических полей выражение для акустоэлектрического тока получается как среднее по времени значение произведения переменной концентрации свободных носителей $\tilde n$ , возникающих под действием акустических полей в проводнике, и их переменной скорости $\tilde v$ .

$J_{ae}=e\langle\tilde n\tilde v\rangle$

(3)

(e - заряд электрона).

Возникновение акустоэлектрического эффекта может быть объяснено с позиций квантовой механики, если рассматривать акустическую волну с частотой $\omega$ и волновым вектором $\vec k$ как поток когерентных фононов, каждый из которых несет энергию $\hbar\omega$ и импульс $\hbar\vec k$ . При поглощении фонона электрон получает дополнительную скорость, н результате чего появляется электрический ток (2).

Для наблюдения акустоэлектрического эффекта измеряют либо ток в проводнике, в котором внешним источником возбуждается звуковая волна (рис. 1, а), либо напряжение на его разомкнутых концах (рис. 1, б). В последнем случае на концах проводника возникает эдс, индуцированная звуковой волной (акустоэдс):

$U_{ae}={\displaystyle 1\over\displaystyle e}\int\limits_0^L F(x)dx={\displaystyle\alpha_e \mu I_0\over\displaystyle \alpha\sigma v_s}(1-e^{-\alpha L})$ ,

(4)

где L - длина проводника. I₀ - интенсивность звука на входе образца, $\alpha=\alpha_e+\alpha_0$ - коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение $\alpha_e$ так н решеточное $\alpha_0$ , $\sigma$ - проводимость образца.

Величина акустоэлектрического эффекта, так же как и значение электронного поглощения звука, зависит от частоты УЗ. Акустоэлектрический эффект максимален, когда длина волны оказывается одного порядка с радиусом дебаевского экранирования для свободных электронов. Акустоэдс существенно меняется с изменением $\sigma$ и имеет максимум в области значений $\sigma_m$ , где электронное поглощение звука также максимально (рис. 2). Такие зависимости наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в которых значительные изменения проводимости происходят при изменении освещенности.

Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниковых кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значительный акустоэлектрический эффект (на 5 - 6 порядков больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (Cd S, CdSe, Zn O, Ca As, In Sb и др.). За счет сильного пьезоэлектрического взаимодействия электронов проводимости с акустической волной на частотах $(0,5 - 1)10^9с^{-1}$ и образцах длиной около 1 см возникает акустоэдс $\sim$ нескольких вольт при интенсивности звука $\sim$ 1 Вт/см².

Особый характер носит акустоэлектрический эффект в полупроводниках, помещенных в сильное электрическое поле E, где коэффициент электронного поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей $v_d=\mu E$ . При сверхзвуковой скорости дрейфа ( $v_d\gt v_s$ ) коэффициент $\alpha_e$ меняет знак и вместо поглощения звуковой волны происходит ее усиление. При этом акустоэдс также меняет знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости. Средняя сила, действующая на электрон, направлена в сторону, противоположную направлению распространения волны, так что воздействие УЗ уменьшает электрический ток в образце - акустоэлектрический ток вычитается из тока проводимости.

В сильных электрических полях акустоэлектрический эффект имеет место даже в отсутствие внешней волны, из-за того что в полупроводнике происходит генерация и усиление фононов внутри конуса углов $\theta$ вокруг направления дрейфа носителей, для которых $v_d\cos\theta\gt v_s$ - акустический аналог Черенкова-Вавилова излучения. Сила, действующая на носители со стороны нарастающего фононного потока, имеет направление, противоположное дрейфу носителей. В результате происходит их эффективное торможение, приводящее к неоднородному перераспределению электрического поля в образце (рис. 3, а) (образуется т. н. акустоэлектрический домен) и падению полного тока в нем (рис. 3, б). На опыте этот эффект обычно наблюдается но отклонению электрического тока через образец от его омического значения $J_0=\sigma UL$ , где U - приложенное к образцу напряжение.

Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может происходить преимущественно вдоль какого-либо направления $\vec m$ , не совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов (рис. 4), поэтому акустоэлектрическая сила, действующая на носители, будет иметь составляющую F_\bot, перпендикулярную дрейфовой скорости. В этом случае наблюдается разность потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю (рис. 4, а),- возникает поперечный акустоэлектрический эффект. Кроме того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов приводит за счет акустоэлектрического эффекта к появлению в кристалле вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного перпендикулярно как скорости дрейфа , так и направлению преимущественной генерации фононов $\vec m$ .

Значительный акустоэлектрический эффект наблюдается при распространении поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На опыте акустоэлектрический эффект обычно наблюдается в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрическое поле, возникающее в пьезоэлектрике за счет пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в приповерхностном слое. Поскольку движение носителей происходит как параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре наблюдается как продольный, так и поперечный акустоэлектрический эффект (рис. 4, 6). Продольный акустоэлектрический ток неоднороден по сечению полупроводника: он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что приводит к появлению вихревых токов и возникновению магнитного момента. Поперечная компонента акустоэлектрического тока обусловливает появление поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления распространения поверхностной акустической волны на противоположное.

Акустоэлектрический эффект применяется для измерения интенсивности УЗ-излучения, частотных характеристик УЗ-преобразователей, а также для исследования электрических свойств полупроводников: измерения подвижности носителей тока, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.

Аномальный акустоэлектрический эффект
18.10.2001 22:03 | УФН

Обычный акустоэлектрический эффект состоит в появлении электрического тока в веществе в направлении распространения звуковой волны. Изучение этого эффекта полезно для понимания процессов взаимодействия электронов с колебаниями кристаллической решетки. Группой исследователей из России (Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе), Украины и Польши было изучено распространение поверхностных звуковых волн в тонкой пленке La_0,67Ca_0,33MnO₃, нанесенной на подложку из пьезоэлектрика LiNbO₃. Оказалось, что наряду с обычным генерируется дополнительный ток, который не зависит от направления звуковой волны и в некотором температурном интервале преобладает над током обычного акустическоэлектрического эффекта. Детальное исследование показало, что дополнительный ток связан со свойствами пьезоэлектрической подложки, он вызывается электрическими полями, которые появляются из-за сжатий и разряжений в поле акустической волны. Источник: Physics News Update, Number 557

Акустомагнитоэлектрический эффект
9.08.2001 17:57 | Phys.Web.Ru

Акустомагнитоэлектрический эффект - возникновение поперечной ЭДС под действием УЗ-волны в твердом проводнике, помещенном в магнитное поле. Акустомагнитоэлектрический эффект обусловлен увлечением носителей заряда УЗ-волной (см. Акустоэлектрический эффект) и отклонением потоков носителей заряда магнитным полем. При прохождении ультразвука через проводник с биполярной проводимостью (собственно полупроводник, полуметалл) возникают потоки электронов проводимости и дырок в направлении распространения УЗ. Под действием перпендикулярного к ним магнитного поля эти потоки отклоняются в противоположные стороны. В результате возникает эдс (или ток в случае электрически замкнутого проводника) в направлении, перпендикулярном к магнитному полю и к УЗ-потоку. Таким образом, акустомагнитоэлектрический эффект в биполярных проводниках аналогичен фотомагнитоэлектрическому эффекту с той разницей, что потоки электронов и дырок обусловлены не градиентом концентрации носителей, вызванным неоднородным освещением образца, а УЗ-волной.

В монополярных проводниках (примесных полупроводниках) происхождение акустомагнитоэлектрического эффекта сложнее. Если в направлении УЗ-потока образец электрически замкнут, то имеет место акустоэлектрический эффект Холла, отличающийся от обычного Холла эффекта тем, что продольный (диссипативный) ток создается не внешим электрическим полем, а УЗ-потоком. Если же в направлении распространения УЗ-потока образец разомкнут, то возникает акустоэлектрическое поле, которое компенсирует действие УЗ-волны на носители заряда так, что полный электрический ток в направлении УЗ-потока будет равен нулю. Однако такая компенсация воздействия УЗ-потока акустоэлектрическим полем имеет место не для каждого электрона в отдельности, а лишь для некоторого "среднего" электрона. Изменение распределения электронов по импульсам под действием УЗ-потока по своему виду существенно отличается от того, которое вызывается электрическим полем. Поэтому в зависимости от энергии для одних электронов преобладающим оказывается воздействие УЗ-потока, для других - воздействие компенсирующего акустоэлектрического поля. В результате при равенстве нулю полного акустоэлектрического (продольного) тока в образце будут существовать взаимно компенсирующиеся "парциальные" токи, создаваемые группами энергетически различных электронов. Вследствие зависимости времени свободного пробега электронов от их энергии средние подвижности электронов в этих "парциальных" токах будут в общем случае различны. Токи Холла, образуемые этими группами электронов, не будут компенсировать друг друга, и в направлении, перпендикулярном к магнитному полю и УЗ-потоку, возникнут отличные от нуля акустомагнитоэлектрический ток (если образец замкнут в этом направлении) или эдс (если образец разомкнут). Величина и даже знак акустомагнитоэлектрического эффекта в примесных полупроводниках зависят от механизма рассеяния носителей заряда.

Акустомагнитоэлектрическое поле по порядку величины равно:
$E\sim{\displaystyle\alpha W\over\displaystyle ens}\cdot{\displaystyle\mu H/c\over\displaystyle 1+(\mu H/c)^2}$ ,
где е - заряд электрона, s - скорость звука, $\alpha$ - коэффициент поглощения звука, W - плотность потока звуковой энергии, $\mu$ - подвижность носителей тока, n - концентрация носителей тока, Н - напряженность магнитного поля.

Акустомагнитоэлектрический эффект возможен также в планарной конфигурации, когда векторы звукового потока, магнитного поля и акустомагнитоэлектрического поля лежат в одной плоскости. В этом случае акустомагнитоэлектрический эффект является эффектом, четным по магнитному полю.

Первоначально предсказанный теоретически, акустомагнитоэлектрический эффект в дальнейшем был обнаружен экспериментально в (биполярных) полуметаллах (Bi, графит) и монополярных полупроводниках (In Sb, Те). Подобно фотомагнитоэлектрическому эффекту, биполярный акустомагнитоэлектрический эффект может быть использован для измерения скорости поверхностной рекомбинации и времени жизни носителей заряда в полупроводниках. Изучение акустомагнитоэлектрического эффекта в монополярных полупроводниках дает информацию о механизмах рассеяния носителей.

Акустоэлектрические домены
13.08.2001 11:26 | Phys.Web.Ru

Акустоэлектрические домены (звукоэлектрические домены) - области сильного электрического поля и большой интенсивности низкочастотных акустических фононов (акустических шумов} в полупроводнике, возникающие при усилении фононов дрейфом носителей заряда (см. Акустоэлектронлое взаимодействие). При приложении достаточно сильного электрического поля к пьезоэлектрическому полупроводнику акустические шумы в нем могут существенно усиливаться. Интегральная интенсивность усиленных шумов может достигать большой величины, так что изменяются макроскопические свойства кристалла. Как правило, при этом электропроводность уменьшается, в результате чего на области с большой интенсивностью шумов падает значительная часть приложенного к образцу напряжения. Таким образом, возникает неустойчивость, приводящая к образованию областей сильного электрического поля и большой интенсивности шумов - акустоэлектрические домены. Уменьшение электропроводности может быть обусловлено различными механизмами. Одним из наиболее важных является акустоэлектрический эффект, состоящий в увлечении носителей заряда звуковой волной. В режиме усиления фононы увлекают носители заряда против омического тока, что приводит к уменьшению электрического тока через образец. Уменьшение электропроводности может быть обусловлено также наличием ловушек, захватывающих носители заряда.

На опыте наблюдаются как статические, так и движущиеся акустоэлектрические домены. Первые, как правило, образуются в высокоомных материалах (например, в фотопроводящем Cd S с удельным сопротивлением $\sim$ 10³ - 10⁵ $Ом $\cdot$ см$ при комнатной температуре), вторые - в сравнительно низкоомных материалах (полупроводящие образцы CdS, Ga As, GaSb, Те, Zn O и др.). Размеры акустоэлектрических доменов обычно составляют 0,1-1 мм. Они образуются на неоднородностях образца, каковыми могут служить и электроды. Статические акустоэлектрические домены, как правило, возникают вблизи анода, а движущиеся - на аноде исчезают. При наличии статических акустоэлектрических доменов наблюдается эффект насыщения тока: плотность тока не зависит от приложенного напряжения и близка к произведению заряда электрона на концентрацию электронов и скорость звука. При наличии движущихся акустоэлектрических доменов, скорости движения которых обычно порядка скорости звука, в цепи, содержащей образец, возникают осцилляции тока во времени. Период этих осцилляции складывается из т. н. времени зарождения (инкубации) акустоэлектрических доменов, зависящего от величины электрического поля, и времени прохождения образца доменом. Электрическое поле в акустоэлектрических доменах в низкоомных материалах может значительно превышать поле в остальной части образца (до 10² раз); в высокоомных образцах превышение не столь велико. Распределение электрического поля в акустоэлектрических доменах изучалось экспериментально как с помощью зондов, так и по поглощению СВЧ-волн. Спектральное распределение шумов в акустоэлектрических доменах изучалось по Мандельштама-Бриллюэна рассеянию света.

Акустоконцентрационный эффект
8.08.2001 22:12 | Phys.Web.Ru

Акустоконцентрационный эффект - изменение концентрации носителей заряда вблизи поверхностей полупроводникового образца под действием распространяющегося в нем стационарного акустического потока. Является прямым следствием увлечения носителей звуковой волной (см. Акустоэлектрический эффект).

Акустоэлектромагнитный эффект
13.08.2001 12:35 | Phys.Web.Ru

Акустоэлектромагнитный эффект - возникновение магнитного момента у полупроводникового кристалла при приложении к нему достаточно сильного электрического поля, приводящего к усилению акустических шумов (фононов). Генерируемый в образце поток акустической энергии приводит к увлечению носителей заряда (см. Акустоэлектрический эффект). При этом в ряде случаев поле сил увлечения оказывается непотенциальным (например, в анизотропном кристалле, где направление наибольшего усиления шумов может не совпадать с направлением приложенного электрического поля). В результате возникает кольцевой электрический ток, обтекающий образец, а следовательно, и магнитный момент. Если поток акустической энергии вводится в образец извне, то магнитный момент может возникать и в отсутствие внешнего электрического поля (такой эффект называется акустомагнитным). Непотенциальность поля сил увлечения в этом случае может быть связана как с анизотропией кристалла, так и с неоднородностью потока акустической энергии. Такое явление может наблюдаться и в металлических образцах. Акустомагнитное поле возникает, в частности, при распространении поверхностных акустических волн. В этом случае поле сил увлечения всегда неоднородно, поскольку колебательное смещение частиц затухает в глубь образца.

Акустоэлектронное взаимодействие
14.08.2001 15:53 | Phys.Web.Ru

Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в полупроводниках и металлах. Смещение атомов решетки, вызванное УЗ-волной, приводит к изменению внутрикристаллических полей, что сказывается на распределении и характере движения электронов проводимости. В свою очередь перераспределение электронов и их направленное движение изменяют картину деформаций, а следовательно, и характер распространения акустической волны в кристалле.

При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и электронами проводимости. Передача энергии от волны к электронам приводит к дополнительному электронному поглощению УЗ, а передача импульса - к акустоэлектрическому эффекту. Когда в проводнике имеет место направленное движение электронов со сверхзвуковой скоростью, они отдают часть энергии своего направленного движения волне, в результате чего возникает усиление УЗ. Кроме того, вследствие АЭВ в проводниках возникает ряд специфических механизмов нелинейности акустических волн, обусловливающих разнообразные нелинейные эффекты.

AЭВ представляет собой взаимодействие электронов с колебаниями длинноволновой части акустического спектра ( $\hbar\omega\ll kT$ , где Т - температуpa, $\omega$ - частота колебаний), при описании которых кристалл рассматривается как упругий континуум, а колебания решетки - как волны упругой деформации. В пределе высоких частот АЭВ эквивалентно электронно-фононному взаимодействию.

Механизм АЭВ. В процессе АЭВ сила F, действующая на свободные носители со стороны деформированной решетки, вызывает электронные токи и перераспределение носителей. Возникающие при этом электромагнитные поля частично компенсируют силу F, и реально действующая сила оказывается в результате экранирования в $\varepsilon(\omega,\vec k)$ раз меньше ( $\varepsilon$ - диэлектрическая проницаемость кристалла; $\omega$ и $\vec k$ - частота и волновой вектор УЗ-волны). Перераспределенные заряды и индуцированные поля действуют на решетку с силой, объемная плотность которой пропорциональна в конечном итоге амплитуде деформации. В зависимости от типа кристалла и диапазона УЗ-частот силы, возникающие в системе "решетка-носители", имеют различное происхождение.

В полупроводниках АЭВ определяют два основных механизма. Общим для всех материалов является взаимодействие через деформационный потенциал, обусловленное локальными изменениями ширины запрещенной зоны полупроводника под действием деформации. В результате на электрон действует сила F, пропорциональная градиенту деформации S: $F = D\partial S/ \partial x$ с константой деформационного потенциала D, которая зависит от направления распространения и поляризации УЗ-волны. В свою очередь, на решетку действует сила, пропорциональная градиенту функции распределения носителей $g (\vec p, \vec r, t)$ :

$f=\int d\vec p {\displaystyle\partial g\over\displaystyle \partial x}D$ ,

где $\vec p$ - импульс электрона, $\vec r$ - его радиус-вектор, t - время. Взаимодействие через деформационный потенциал растет с увеличением частоты УЗ и поэтому эффективно на высоких частотах в неполярных полупроводниках (Ge, Si и др.) и полуметаллах (висмут и др.).

В полупроводниках без центра симметрии наблюдается пьезоэлектрическое взаимодействие, при котором деформация сопровождается появлением электрического поля и, наоборот, электрическое поле вызывает деформацию кристалла. На электрон в звуковой волне действует сила

$F={\displaystyle 4\pi e\beta\over\displaystyle \varepsilon_0}S$ ,

пропорциональная деформации (е - заряд электрона, $\beta$ - пьезомодуль, $\varepsilon_0$ - диэлектрическая проницаемость решетки). Объемная сила, действующая на решетку, пропорциональна градиенту электрического поля $\tilde E$ , индуцированного УЗ-волной: $f=\beta{\displaystyle\partial\tilde E\over\displaystyle\partial x}$ .

Сильная анизотропия пьезоэффекта приводит к зависимости АЭВ от направления распространения и поляризации УЗ-волны. Пьезоэлектрическое взаимодействие - основной механизм АЭВ в пьезополупроводниках (Cd S, Zn O. Ga As, In Sb, Те и др.) вплоть до частот порядка 10-100 ГГц, выше которых взаимодействие через деформационный потенциал становится преобладающим. В ряде центросимметричных кристаллов - сегнетоэлектриков (SbSI, Ва TiO₃ др.) за счет эффекта электрострикции и больших внутренних электрических полей $E_{вн}$ возникает АЭВ, которое формально сводится к пьезоэлектрическому. При этом эффэктивная пьезоконстанта ( $\beta_{эфф}=aE_{вн}$ , где а - константа электрострикции.

В металлах из-за большой концентрации электронов они наряду с ионной решеткой определяют упругие свойства материала. АЭВ возникает как результат действия на электроны и ионы решетки самосогласованного электромагнитного поля, вызванного движением ионов. Для продольного звука это поле имеет электростатический характер; в случае поперечного звука на электроны и ионы действует вихревое электрическое поле. Наряду с силами, определяемыми макроскопическим электромагнитным полем звуковой волны, на электроны действуют также силы, обусловленные локальным изменением электронного закона дисперсии при деформации кристалла. Поскольку со звуковой волной эффективно взаимодействует лишь небольшое число электронов, принадлежащих ферми-поверхности, то такое взаимодействие определяется потенциалом деформации, описывающим локальное возмущение поверхности Ферми. Нередко, особенно при квантовомеханическом описании АЭВ в металлах, все взаимодействие описывается в терминах эффективного деформационного потенциала. Электромагнитный механизм взаимодействия помимо металлов проявляется в полуметаллах и полупроводниках с решеткой, содержащей большое число заряженных примесей.

В кристаллах с выраженным эффектом магнитострикции возможно АЭВ, обусловленное переменным магнитным полем, пропорциональным деформации. Оно характерно для ферромагнитных металлов (никель, кобальт) и сплавов, а также других магнитных материалов и зависит от спонтанной намагниченности и напряженности внешнего магинтного поля.

Экранирование. Эффективность АЭВ определяется не только величиной сил, действующих на электроны, но и характером перестройки электронной подсистемы под действием этих сил. В результате экранирования эффекты АЭВ зависят от высокочастотной электронной проводимости - отклика электронов на переменное и неоднородное электрическое поле, индуцированное УЗ. Зависимость проводимости от частоты, внешнего электрического и магнитного полей, температуры проявляется в акустических характеристиках проводника.

Экранирование приводит к сложной частотной зависимости АЭВ. Ее характер определяется соотношением между длиной акустической волны $\lambda$ и длиной свободного пробега электрона 1_е. В случае, если электрон на длине волны испытывает большое число соударений ( $kl_e=2\pi l_e/ \lambda\ll 1$ ), акустическая волна взаимодействует с электронными сгустками - возмущениями электронной плотности. Поведение электронного газа в этом случае хорошо описывается уравнениями гидродинамики. Именно в этом диапазоне частот проявляется релаксационный характер процесса экранирования: степень экранирования зависит от соотношения между периодом колебаний и временем электронной релаксации $\tau_м=\varepsilon_0/ \sigma_0$ ( $\sigma_0$ - статическая проводимость). При $\omega\tau_м\ll 1$ внешняя сила экранируется почти полностью. С ростом частоты степень экранирования уменьшается, но одновременно уменьшается и длина волны - характерное расстояние, на котором действует внешняя сила. Поэтому на высоких частотах, когда $\lambda$ становится меньше пространственного масштаба экранирования - радиуса Дебая-Хюккеля $r_д=\sqrt{\varepsilon_0 v_e^2/4\pi en_0}$ ( - тепловая скорость электрона, n₀ - плотность электронов), степень экранирования вновь велика. Минимальное экранирование возникает при .

Когда длина свободного пробега велика ( $kl_e\gg 1$ ), акустическая волна взаимодействует с отдельными электронами. Основной вклад в АЭВ вносит небольшая группа движущихся в фазе с волной электронов, проекция скорости v которых на направление распространения волны близка к скорости звука ( $\vec k\vec v\approx\omega$ ). Для остальных электронов взаимодействие с волной малоэффективно, поскольку на длине свободного пробега действующая на них сила много раз меняет знак.

Эффекты акустоэлектронного взаимодействия. На опыте АЭВ проявляется либо непосредственно как эффект увлечения носителей заряда акустической волной, либо в виде зависимости параметров акустической волны (ее скорости, коэффициента поглощения и др.) от концентрации носителей проводимости, величины внешнего электрического и магнитного полей. АЭВ - одна из причин дисперсии звука в твердых телах. Получая в процессе АЭВ энергию, электроны рассеивают ее при столкновениях с дефектами и тепловыми фононами, обусловливая электронное поглощение УЗ. Зависимость коэффициента поглощения от частоты при этом может отличаться от квадратичной, предсказываемой классической теорией (см. Поглощение звука). В полупроводниках в сильном электрическом поле поглощение звука сменяется его усилением. Усиление электрическим полем низкочастотных фононов (акустических шумов) приводит к развитию электрической неустойчивости в полупроводниках и возникновению акустоэлектрических доменов. АЭВ является источником электронной акустической нелинейности, которая обусловливает зависимость от электронных параметров амплитуд акустических волн, возникающих в результате нелинейного взаимодействия, эффекты электроакустического эха в полупроводниках и др.

Электронное поглощение УЗ в металлах является основным при низких температурах. В длинноволновой области ( $kl\ll 1$ ) электронное поглощение обусловлено вязкостью электронного газа; коэффициент поглощения $\alpha$ при этом пропорционален времени $\tau$ между соударениями электронов и квадрату частоты:

$\alpha=A{\displaystyle n_0\mathcal{E}_F\over\displaystyle \rho v_s^3}\tau\omega^2$ ,

где $\mathcal{E}_F$ - энергия Ферми, $\rho$ - плотность металла, v_s - скорость звука, А - числовой коэффициент. Температурная зависимость электронного поглощения определяется зависимостью $\tau(T)$ . С понижением температуры время между соударениями увеличивается, а вместе с ним растет и электронное поглощение. В области коротких волн ( $kl\gg 1$ ) коэффициент поглощения линейно увеличивается с ростом частоты

$\alpha=A^\prime{\displaystyle n_0 mv_F\over\displaystyle \rho v_s^2}\omega$

где - фермиевская скорость электрона, m - его масса, А' - числовой коэффициент. Коэффициент поглощения $\alpha$ не содержит зависимости от $\tau$ , а следовательно, не зависит от механизма рассеяния носителей и слабо зависит от температуры.

Особый характер имеет акустическое поглощение в металлах, помещенных в постоянное магнитное поле. В магнитном поле траектории электронов искривляются, и в достаточно сильных полях, для которых циклотронная частота $\Omega_H=eB/c$ (В - магнитная индукция, с - скорость света) значительно превосходит частоту соударений $1/ \tau (\Omega_H\tau\gg 1)$ , движение приобретает периодический характер. Траектории такого движения определяются топологией поверхности Ферми. В общем случае коэффициент поглощения имеет тот же порядок, что и в отсутствие поля. Однако, когда на характерном размере траектории электрона (диаметр орбиты для замкнутых траекторий или пространств, период для открытых) укладывается целое число длин волн, поглощение сильно возрастает. В результате возникает осцилляционная зависимость коэффициента поглощения от частоты или магнитного поля: взаимодействие волны с электронами на замкнутых траекториях определяет геометрические осцилляции, а на открытых траекториях - магнитоакустический резонанс. При низких температуpax в сильных магнитных полях ( $\hbar\Omega_H\gg kT$ ) возникают квантовые осцилляции - периодическая зависимость коэффициента поглощения ультразвука от величины (рис. 1), обусловленная квантованием движения электронов в магнитном поле (см. Квантовые осцилляции в магнитном поле). По своему происхождению квантовые осцилляции поглощения ультразвука аналогичны эффекту Шубникова-де Хааза. Наконец, при $\omega\tau\gg 1$ возможно наблюдение акустического циклотронного резонанса.

Акустическое поглощение в сверхпроводниках происходит только из-за взаимодействия акустической волны с "нормальными" электронами; сверхпроводящие электроны в поглощении звука не участвуют. Поскольку с уменьшением температуры число "нормальных" электронов уменьшается, то при температуре Т<Т_С (Т_С - температуpa перехода в сверхпроводящее состояние) коэффициент поглощения звука падает, стремясь к нулю при $T\to 0$ (рис, 2, кривая 7).

Электронное поглощение ультразвука в полупроводниках - основной механизм поглощения в широком диапазоне температур и частот. Несколько механизмов АЭВ, наличие различных типов носителей и примесных центров, возможность изменения концентрации и подвижности, влияние электрического и магнитного полей приводят к сложной картине акустического поглощения в полупроводниках. В пьезополупроводниках пьезоэлектрический механизм АЭВ преобладает над всеми другими при температуpax вплоть до комнатных и в диапазоне частот вплоть до десятков Гц и дает основной вклад в поглощение по сравнению с другими механизмами диссипации акустической энергии. Для комнатных температур, когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны ( $kl_e\ll 1$ ), коэффициент поглощения имеет вид

$\alpha={\displaystyle 1\over\displaystyle 2}K^2{\displaystyle\omega\over\displaystyle v_s}{\displaystyle\omega\tau_м \over\displaystyle (\omega\tau_м)^2 +(1+k^2 r_д^2)^2}$ ,

где $K^2=4\pi^2\beta^2/ \varepsilon_0\rho v_s^2$ коэффициент электромеханической связи.

При низких температуpax, когда $kl_e\gg 1$ , коэффициент поглощения

$\alpha={\displaystyle\pi^2\over\displaystyle 8}K^2({\displaystyle v_s\over\displaystyle v_F}){\displaystyle k^2r_д^2\over\displaystyle (1+k^2r_д^2)^2}{\displaystyle\omega\over\displaystyle v_s}$

не зависит от времени между соударениями $\tau$ , а следовательно, слабо зависит от температуры. В обоих случаях с увеличением частоты поглощение растет и коэффициент $\alpha$ достигает максимума, равного $\alpha_{max}=K^2\omega/2v_{s0}$ , при $\omega=v_s/r_д$ (рис. 3, кривая 1), а затем убывает вследствие кулоновского экранирования. Последнее определяет и зависимость коэффициента поглощения от концентрации носителей n₀: он сначала растет пропорционально n₀, а затем, проходя через максимум, падает как 1/n₀ - При всех разумных концентрациях носителей поглощение ультразвука в пьезополупроводниках значительно эффективнее при $kl_e\ll 1$ , т. е. в области комнатных температур.

Значительное электронное поглощение, обусловленное АЭВ через деформационный потенциал, наблюдается в многодолинных полупроводниках (Ge, Si) и полуметаллах (Bi), где энергия электрона имеет несколько минимумов (долин), расположенных в различных точках зоны Бриллюэна. При определенном направлении распространения волны на электроны, принадлежащие двум разным минимумам, вследствие АЭВ будут действовать силы, равные по величине, но противоположные по направлению. Тогда неоднородный объемный заряд не образуется и экранирование оказывается слабым. Коэффициент поглощения в этом случае монотонно растет с увеличением n₀ и в кристаллах с высокой концентрацией достигает значительной величины.

В сильных магнитных полях при низких температуpax в вырожденных полупроводниках и полуметаллах наблюдаются те же резонансные осцилляционные зависимости, что и в металлах. В невырожденных полупроводниках возможно наблюдение только акустического циклотронного резонанса.

Электронная дисперсия скорости звука наиболее значительна в пьезополупроводниках, где она достигает нескольких процентов. Дисперсия носит релаксационный характер: на низкой частоте электроны почти полностью экранируют пьезоэлектрические поля и скорость звука равна значению $v_{s0}$ , определяемому только упругими свойствами кристалла. На больших частотах ( $kr_д\gg 1$ ) влияние электронов незначительно и скорость звука равна ее значению в пьезодиэлектрике $v_s=v_{s0}\sqrt{1+K^2}$ (рис. 3, кривая 2).

Усиление УЗ в полупроводниках возникает, когда имеется направленное движение (дрейф) носителей заряда вдоль распространения волны. Дрейф создается внешним электрическим полем. С ростом поля движение электронов сначала уменьшает коэффициент поглощения (рис. 4), а затем при скорости дрейфа , равной , обращает его в нуль. При сверхзвуковом движении ( $v_d\gt v_s$ ) возникает электронное усиление УЗ; оно происходит за счет энергии источника, поддерживающего сверхзвуковой дрейф носителей. С ростом напряженности внешнего поля усиленно растет линейно, достигает максимума, а затем начинает уменьшаться, поскольку при больших дрейфовых скоростях электроны не успевают эффектинно взаимодействовать со звуковой волной (рис. 4). В пьезополупроводниках при $kl_e\ll 1$ коэффициент электронного усиления

$\gamma_e={\displaystyle 1\over\displaystyle 2}K^2{\displaystyle\omega\over\displaystyle v_s}{\displaystyle\omega\tau_м({\displaystyle v_d\over\displaystyle v_s}-1)\over\displaystyle (\omega\tau_м)^2({\displaystyle v_d\over\displaystyle v_s}-1)+(1+k^2 r_д^2)^2}$

достигает максимума, равного , при значении дрейфовой скорости

$v_d=v_s\lbrack 1+(1+k^2r_д^2)/ \omega\tau_м \rbrack$

достаточно близком к v_s. В случае $kl_e\gt 1$ зависимость $\gamma(v_d)$ остается линейной вплоть до значений , близких к тепловой (или фермиевской) скорости электронов

$\gamma=\alpha({\displaystyle v_d\over\displaystyle v_s}-1)$ ,

где $\alpha$ - коэффициент электронного поглощения в отсутствие дрейфа.

Усиление ультразвука возможно, если только оно превосходит поглощение, обусловленное решеткой. На опыте наблюдалось усиление ультразвука в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, Те, GaAs, InSb и др.) в диапазоне частот 10-10⁴ МГц при температуpax от гелиевых до комнатных. Значения экспериментально наблюдаемых инкрементов составляют 20-80 дБ/см. При низких температурах наблюдалось также усиление ультразвука в неполярных полупроводниках (Ge) и полуметаллах (Bi).

Электронная акустическая нелинейность. Рассмотренные выше эффекты относились к распространению достаточно слабого ультразвука. С повышением интенсивности звуковой волны все большую роль начинают играть нелинейные эффекты, искажающие ее форму, ограничивающие рост ее интенсивности при усилении или уменьшающие ее затухание. В проводящих средах, помимо обычного решеточного ангармонизма, существует специфический механизм нелинейности, связанный с захватом электронов проводимости в минимумы потенциальной энергии электрического поля, сопровождающего акустическую волну {т. н. электронная акустическая нелинейность). В полупроводниках такой механизм нелинейности становится существенным при интенсивностях ультразвука, значительно меньших тех, при которых сказывается ангармонизм решетки, характерный для диэлектриков. Захват электронов электрическим полем волны приводит к различным эффектам в зависимости от соотношения между длиной звуковой волны и длиной свободного пробега электрона.

Для низкочастотного звука ( $kl_e\ll 1$ ) в пьезополупроводниках основную роль играет пространственное перераспределение носителей: с ростом интенсивности звука растет число электронов, захваченных в потенциальных ямах, созданных переменным пьезопотенциалом $\tilde\varphi$ (т. н. концентрационная нелинейность). Когда глубина потенциальных ям - $e\tilde\varphi$ превышает тепловую энергию электронов kT, носители застревают в ямах и оказывают меньшее воздействие на волну. В результате электронное усиление (поглощение) звука падает с ростом его интенсивности, а форма волны существенно отличается от синусоидальной.

При распространении высокочастотного звука ( $kl_e\gt 1$ ) в металлах, полуметаллах и полупроводниках акустическая волна значительно искажает распределение по импульсам тех электронов, которые движутся в фазе с волной и эффективно взаимодействуют с ней (т. н. импульсная акустическая нелинейность). Это искажение тем сильнее, чем больше интенсивность звука, а также время между соударениями, определяющее время жизни электрона в потенциальной яме. С ростом интенсивности все больше электронов движутся в фазе с волной и не взаимодействуют с ней, что приводит к уменьшению усиления или поглощения звука. Импульсная акустическая нелинейность аналогична нелинейному Ландау затуханию электромагнитных волн в плазме. Имеется и ряд других электронных механизмов акустической нелинейности, связанных, например, с разогревом электронного газа УЗ-волной, захватом носителей на примесные центры - ловушки и т. д.

Вследствие электронной акустической нелинейности при распрострэнении ультразвуковой волны в кристалле возникают электрические поля и токи не только на частоте ультразвука, но и на частотах гармоник. Обратное воздействие этих полей на решетку приводит к генерации акустических гармоник. Аналогичным образом при одновременном распространении в кристалле нескольких ултразвуковых волн электронная нелинейность служит причиной нелинейного взаимодействия акустических волн (см. Нелинейная акустика). При воздействие на кристалл переменным электрическим (электромагнитным) полем электронная нелинейность обеспечивает параметрическое усиление акустических волн на субгармониках частоты внешнего поля, эффект обращения акустического волнового фронта, который лежит в основе электроакустического эха, и другие эффекты.

Эффекты АЭВ в полупроводниках применяются в акустоэлектронике при создании приборов для усиления и генерации волн, управления амплитудой и фазой волны, выполнения нелинейных операций с сигналами. АЭВ в металлах широко используется для изучения формы поверхности Ферми.

Акустооптика
13.08.2001 11:18 | Phys.Web.Ru

Акустооптика - пограничная область между физикой и техникой, в которой изучается взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми и разрабатываются основы применения этих явлений в технике. Взаимодействие света со звуком используется в современной оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча. Важной областью практического применения акустооптических эффектов являются системы обработки информации, где акустооптические устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени.

Под действием механических деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптических свойств среды, обусловленная упруго-оптическим, или фотоупругим, эффектом (см. Фотоупругость). Оптические свойства среды меняются во времени с частотой звуковой волны, т. е. значительно медленнее и по сравнению с периодом электромагнитных колебаний в световой волне, и по сравнению со временем прохождения светового луча через звуковой пучок. В зависимости от соотношения между поперечным размером падающего оптического пучка d и длиной звуковой волнм $\lambda$ распространение света в такой среде сопровождается явлениями либо акустооптической рефракции, либо дифракции света на ультразвуке. Дифракция света происходит не только на вводимой извне звуковой волне, но и на коллективных возбуждениях среды - акустических фононах, в результате чего возникает рассеяние света со сдвигом частоты вверх и вниз на величину частоты фонона (Мандельштама-Бриллюэна рассеяние). В спектре рассеянного излучения появляются пары сдвинутых по частоте компонент Мандельштама-Бриллюэна, отвечающих рассеянию света на продольных и поперечных акустических фононах.

Акустооптическое взаимодействие сводится к эффектам оптической рефракции и дифракции лишь при низких интенсивностях оптического излучения. С повышением интенсивности света все возрастающую роль начинают играть нелинейные эффекты воздействия света на среду. Из-за электрострикции и эффектов нагревания среды оптическим излучением в ней возникают переменные упругие напряжения и генерируются звуковые волны с частотами от слышимых до гиперзвуковых - т. н. оптоакустические или фотоакустические явления.

В поле мощного оптического излучения в результате одновременного протекания процессов дифракции света на УЗ и генерации УЗ-волн вследствие электрострикции происходит усиление светом УЗ-волны. В частности, при распространении в среде интенсивного лазерного излучения наблюдается т. н. вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, при котором происходит усиление лазерным излучением тепловых акустических шумов, сопровождающееся нарастанием интенсивности рассеянного света. К оптоакустическим эффектам относится также генерация акустических колебаний периодически повторяющимися световыми импульсами, которая обусловлена переменными механическими напряжениями, возникающими в результате теплового расширения при периодическом локальном нагревании среды светом.

Эффекты акустооптического взаимодействия используются как при физических исследованиях, так и в технике. Дифракция света на УЗ дает возможность измерять локальные характеристики УЗ-полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения. Анализ эффективности дифракции в различных точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптических эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удается получить информацию о спектральном, угловом и пространственном распределении акустических фононов в ДВ-области фононного спектра. Этот метод представляет ценность для изучения неравновесных акустических фононов, например, в условиях фононной (акустоэлектрической) неустойчивости в полупроводниках, обусловленной усилением УЗ сверхзвуковым дрейфом носителей заряда (см. Акустоэлектронное взаимодействие).

Акустооптическая дифракция позволяет также измерять многие параметры вещества: скорость и коэффициент поглощения звука, модули упругости 2-го, 3-го и более высоких порядков, упругооптич. постоянные и др. величины. Так, из условия Брэгга по известным значениям частоты УЗ f и длины волны света $\lambda$ , и по измеренному углу $2\theta_Б$ между падающим и дифрагированными световыми лучами определяют скорость звука: c_зв= $\lambda f/2 \sin \theta_Б$ (где $2\theta_Б$ - угол Брэгга). На основе полученных таким образом значений с_зв, для различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости $C_{ij}$ . Коэффициент поглощения звука $\alpha$ можно найти, сравнивая интенсивности и дифрагированного света, измеренные при двух положениях падающего светового луча, смещенных друг относительно друга на расстояние а вдоль направления распространения звуковой волны:
$\alpha={\displaystyle 1\over\displaystyle 2a}\ln{\displaystyle I_1\over\displaystyle I_2}$ .
При распространении в среде звуковых волн большой интенсивности данные о модулях упругости высших порядков получают измеряя с помощью брэгговской дифракции амплитуды возникающих в волне гармоник (см. Нелинейная акустика), которые пропорциональны нелинейным модулям упругости соответствующих порядков.

Для исследования дисперсии скорости звука и коэффициента его поглощения на гиперзвуковых частотах используется рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Пропуская через среду луч когерентного оптического излучения и фиксируя угол рассеяния $\theta$ , можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f компонент Мандельштама-Бриллюэна определить скорость звука с_зв на данной частоте f. На основе измерений полуширины $\delta f$ компонент Мандельштама-Бриллюэна определяется коэффициент поглощения $\alpha$ на этой частоте: $\alpha=2\pi\cdot\delta f/c_{зв}$ .

На основе оптоакустической генерации звука создан метод фотоакустической спектроскопии для получения спектров оптического поглощения веществ в различных физических состояниях. В этом методе коэффициент поглощения света измеряется по интенсивности звуковых колебаний, возбуждаемых периодически прерываемым светом. Например, при периодическом нагреве газа в нем возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорциональной поглощенной световой энергии. Меняя длину волны падающего света, можно получить фотоакустический спектр вещества - полный аналог спектра поглощения, измеряемого обычными методами. Достоинство фотоакустической спектроскопии в высокой чувствительности метода, позволяющего получать спектры оптического поглощения в широком диапазоне световых длин волн, включающем в себя как области сильного поглощения, так и области прозрачности; кроме того, этим методом измеряется только та часть энергии падающего излучения, которая действительно поглощается веществом, а рассеянное излучение никакого вклада не дает. Это позволяет исследовать спектры поглощения образцов с плохим качеством поверхности: порошков, рыхлых, пористых материалов, биологических объектов.

Акустооптические устройства. На основе эффектов дифракции и рефракции света на УЗ создаются активные оптические элементы, позволяющие управлять всеми параметрами светового луча, а также обрабатывать информацию, носителем которой являются как световая, так и звуковая волны. Основу таких устройств составляет акустооптическая ячейка (АОЯ), состоящая из рабочего тела (твердотельного образца или кюветы с жидкостью), в объеме которого происходит взаимодействие света с УЗ-волной, и излучателя УЗ (обычно пьезоэлектрического преобразователя). В зависимости от назначения имеется несколько типов акустооптических приборов: дефлекторы, модуляторы, фильтры, процессоры и др.

Акустооптические дефлекторы и сканеры - устройства для управления направлением светового луча в пространстве. Сканеры предназначаются для непрерывной развертки луча; в дефлекторе имеется набор фиксированных направлений, по которым должен отклоняться световой луч.

В дифракционном дефлекторе (рис. 1) луч света падает на АОЯ, в которой возбуждается звуковая волна частоты f и в результате брэгговской дифракции частично отклоняется. При изменении f меняется и угол отклонения дифрагированного луча и луч перемещается по экрану фотоприемного устройства. Использование частотно-модулированных звуковых сигналов (см. Модуляция колебаний) позволяет управлять направлением светового луча. Чтобы изменить направление дифрагированного луча при неизменном угле падения света на АОЯ, необходимо одновременно с частотой менять и направление распространения звуковой волны, так чтобы условие Брэгга выполнялось повсюду внутри интервала $\Delta f$ звуковых частот - т. н. полосы пропускания дефлектора. $\Delta f$ определяет и др. параметры прибора: максимальное угловое перемещение луча дифрагированного света
$\psi={\displaystyle\lambda\over\displaystyle c_{зв}\cos\theta_Б}\Delta f$
и разрешающую способность N, т. е. число различимых положений светового луча в пределах $\psi$ . Разрешающая способность определяется величиной $\psi$ и угловой расходимостью $\gamma_{опт}$ светового пучка: $N=\psi / \gamma_{опт}=\psi d/ \lambda$ , где d - поперечный размер светового пучка. Важной характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность дифракции $\eta=I_1/I_0$ - отношение интенсивности I₁ отклоненного света к интенсивности I₂ падающего. В простейшем случае условия Брэгга выполняются благодаря расходимости акустического пучка. Расходящийся пучок можно рассматривать как совокупность плоских волн, волновые векторы которых лежат внутри углового интервала $\gamma$ _ак. Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для которой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f этому условию удовлетворяет уже другая компонента пучка. При использовании изотропного материала в качестве рабочего тела АОЯ $\psi=2\gamma_{ак}\approx 2\Lambda/D$ , где D - поперечный размер звукового пучка, $\Lambda$ - длина волны звука. В соответствии с этим полоса пропускания $\Delta f$ и разрешающая способность N оказываются пропорциональными расходимости акустического пучка:
$\\Delta f=2\cdot{\displaystyle c_{зв}\cos\theta_Б\over\displaystyle\lambda}\gamma_{ак}, N={\displaystyle 2\gamma_{ак}d\over\displaystyle\lambda}$
Для дефлектора с высокой разрешающей способностью требуется значительная расходимость звукового пучка, а следовательно, его минимальная ширина D. Уменьшение эффективности $\eta$ , вызванное уменьшением длины акустооптического взаимодействия, компенсируют увеличением вводимой акустической мощности. Однако с увеличением N падает эффективность использования этой мощности, т. к. на дифракцию света расходуется лишь 1/N ее часть.

Применение в АОЯ двулучепреломляющих материалов позволяет существенно улучшить характеристики дефлекторов. С этой целью используется анизотропная дифракция света вблизи минимого значения угла Брэгга $\theta_{min}$ . При падении света на звуковой пучок под углом $\theta_{min}$ небольшая расходимость звукового пучка обеспечивает выполнение условия Брэгга для достаточно широкого диапазона акустических частот, а следовательно, и значительный интервал углов отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустическим пучком, что снижает акустическую мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции $\eta$ , и дает значительный выигрыш в разрешении по сравнению с дефлекторами, в которых используются изотропные материалы. Однако рабочие частоты таких приборов лежат обычно в гигагерцевом диапазоне.

Управлять дифрагированным лучом можно используя т. н. фазированную решетку излучателей - ступенчатую систему сдвинутых по фазе преобразователей, параметры которой подбираются таким образом, чтобы фронт волны, отвечающей центральной частоте полосы пропускания, был параллелен плоскости отдельного преобразователя, а при изменении частот фронт поворачивался бы так, чтобы компенсировать соответствующее приращение угла Брэгга. Этот способ возбуждения звука позволяет в несколько раз увеличить полосу пропускания и разрешающую способность дефлекторов. Существуют акустооптические дефлекторы, осуществляющие двухкоординатнос отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, которые могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке, если в ней возбуждаются акустические волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Современные дефлекторы позволяют получать разрешимых элементов со временем перехода от одного элемента к другому порядка $10^{-6}-10^{-7}$ с. Доля отклоненного света достигает нескольких десятков процентов при потребляемой акустической мощности 0,1 - 1 Вт.

В устройствах, основанных на акустооптической рефракции, отклонение светового луча осуществляется в результате искривления его пути при прохождении через среду, в которой стоячей или бегущей звуковой волной создается неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы ( $f\leq$ 0,5 МГц), осуществляющие развертку светового пучка по синусоидальному закону. Кпд рефракционных устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключенной в объеме АОЯ, расходуется на отклонение светового луча.

Акустооптические модуляторы - приборы, управляющие интенсивностью световых пучков на основе перераспределения световой энергии между проходящим и дифрагированным светом. Обычно используется модуляция дифрагированного света, т. к. 100%-ная модуляция проходящего излучения требует значительных акустических мощностей. Акустооптический модулятор представляет собой АОЯ, в которой распространяется амплитудно-модулированная звуковая волна. Падающий на АОЯ свет частично дифрагирует, и отклоненный луч принимается фотоприемным устройством. В модуляторах используется как брэгговская дифракция, так и дифракция Рамана-Ната. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и оказывается $\sim 10^{-6}-10^{-7}$ с. Акустооптические модуляторы при максимальной простоте конструкций позволяют осуществлять такие сложные операции, как параллельная обработка информации в акустооптических процессорах.

Акустооптические фильтры - устройства, позволяющие выделить из широкого спектра оптического излучения достаточно узкий интервал длин световых волн, удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту звука, можно выделяемый интервал перемещать по оптическому спектру в широких пределах.

Как правило, в акустооптических фильтрах используется анизотропная дифракция в двулучепреломляющих кристаллах (рис. 2). На АОЯ 1 падает плоскополяризованный свет, степень поляризации которого контролируется поляризатором 2. В АОЯ в результате анизотропной брэгговской дифракции в узком спектральном интервале возникает оптическое излучение другой поляризации. Наличие его определяется анализатором 3. Монохроматический звук создается электроакустическим преобразователем 4. Эффективность фильтров увеличивается с ростом длины взаимодействия света со звуком $\mathcal{L}$ , поэтому в них используется, как правило, коллинеарная дифракция, при которой направления распространения света и звука совпадают (рис. 2, а), хотя известны акустооптические фильтры и с неколлинеарными взаимодействиями (рис. 2, б). Ширина полосы пропускания фильтра $\Delta\lambda_0$ (где $\lambda_0$ - длина волны света в вакууме) определяется спектральной шириной излучения, возникающего в результате брэгговской дифракции. Для коллинеарной дифракции $\Delta\lambda_0={\displaystyle\lambda_0^2\over\displaystyle 2|n_1-n_0|\mathcal{L}}$ , где n₀ - показатель преломления падающего света, n₁ - дифрагированного. В реальных устройствах ширина полосы пропускания зависит, кроме того, от расходимости как светового, так и акустического пучков и спектрального состава акустического сигнала. Величина $\Delta\lambda_0$ существенно зависит от выбора участка электромагнитного спектра; в видимом диапазоне для современных акустооптических фильтров она не превышает нескольких $\AA$ . Эффективности имеющихся фильтров составляют 50-100% при интенсивности звука I_ак $\sim$ 1 Вт/см² и $\mathcal{L}\sim$ нескольких см. Диапазон оптической перестройки определяется шириной полосы частот электроакустического преобразователя и частотной зависимостью поглощения УЗ. Как правило, он достаточен для перекрытия всего оптического диапазона.

Акустооптические устройства используются как для внешнего управления световым лучом, так и для управления процессом генерации и параметрами когерентного излучения внутри оптического квантового генератора. Помещенная внутри оптического резонатора АОЯ модулирует его добротность и отклоняет лазерный луч для вывода его из резонатора. Использование акустооптических фильтров в лазерах с широким спектром генерации позволяет получать узкие линии излучения, перестраиваемые внутри диапазона генерации изменением акустической частоты. Введение акустической волны непосредственно в активную среду позволяет осуществлять распределенную обратную связь, при которой переотражения светового излучения возникают в результате дифракции его на УЗ-волне. Распределенная обратная связь обеспечивает высокую спектральную селективность и позволяет управлять интенсивностью генерируемого света, меняя эффективность обратной связи за счет изменения амплитуды звуковой волны.

Акустооптические процессоры. Акустооптические приборы, рассмотренные выше, служат основой для создания устройств обработки СВЧ-сигналов - т. н. процессоров, которые, в отличие от цифровых вычислительных машин, позволяют производить обработку информации в реальном масштабе времени. В акустооптическом процессоре переменный во времени электрический сигнал преобразуется электроакустическим преобразователем в УЗ-волну, которая, распространяясь в АОЯ, создает пространственное звуковое изображение сигнала. При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптическое изображение сигнала, к-рое затем обрабатывается с помощью различных оптических элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путем одновременного считывания всей запасенной в звуковом импульсе информации. Акустооптические процессоры осуществляют быстрое, в реальном масштабе времени, фурье-разложение СВЧ-сигнала, частотную фильтрацию сигнала, нахождение функции корреляции исследуемого сигнала с заданным и другие операции.

Действие процессоров, предназначенных для анализа спектра или частотной фильтрации СВЧ-сигнала, основано на преобразовании частотного спектра звукового сигнала в угловой спектр дифрагированного света. По угловому распределению его интенсивности можно получить спектральную характеристику СВЧ-сигнала. Помещая на пути световых лучей оптические транспаранты с переменной прозрачностью, изменяют угловое распределение интенсивности дифрагированного света и тем самым получают на выходе фотоприемного устройства фильтрованный электрический сигнал.

В процессоре для фурье-разложения сигнала с использованием дифракции РаманаНата (рис. 3) монохроматический свет падает на АОЯ 1, в которой распространяется звуковой сигнал, являющийся пространственным изображением электрического сигнала S(t) на входе АОЯ. В результате в фокальной плоскости аа' линзы 2 возникает распределение интенсивности света I, которое как функция расстояния x до оси линзы определяется спектральной характеристикой $\tilde S(\omega)$ вводимого сигнала:
$I(x)\sim|\tilde S({\displaystyle kx\over\displaystyle F})|^2$
где $\tilde S(\omega)$ фурье-образ СВЧ-сигнала S(t), k волновое число световой волны, F фокусное расстояние линзы 2. Распределение фототока, измеренное фотодетектором 4 в плоскости аа', дает спектральное распределение входного сигнала S(t). Структурная схема процессоров, использующих брэгговскую дифракцию, отличается только способом ввода светового пучка в АОЯ. Поскольку при дифракции Брэгга угол падения светового луча строго задан, то для осуществления дифракции на всех частотах, входящих в спектр звукового сигнала, необходимо освещение АОЯ расходящимся световым пучком.

Акустооптические процессоры используются для сжатия радиоимиульса с линейной частотной модуляцией (рис. 4). Такой сигнал создает в АОЯ акустическую волну, длина которой меняется вдоль направления распространения, поэтому при дифракции Брэгга углы отклонения света на различных участках звукового импульса будут различны. Сжатие импульса обусловлено тем, что световые лучи, отклоняемые отдельными участками звукового импульса, попадают на фотодетектор одновременно.

Акустооптический коррелятор предназначен для нахождения функции корреляции двух сигналов исследуемого S(t) и опорного r(t):
$\varphi(t)=\int\limits_{-\infty}^\infty S(\tau-t)r(\tau)d\tau$ .
Действие коррелятора основано на оптическом перемножении изображений этих сигналов. Свет в акустооптическом модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S(t), формирует оптическое изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание которого меняется по закону r(x) и собирается на фотоприемном устройстве, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции $\varphi(t)$ . В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптический модулятор, в котором УЗ-волны модулируются сигналом r(t). В акустооптических корреляторах используется как дифракция РаманаНата, так и брэгговская дифракция (рис. 5). Если в модуляторах 1 и 1' распространяются одинаковые акустические сигналы, то световые лучи, прошедшие через них, будут параллельны падающему лучу. Свет фокусируется линзой 2 на фотодетекторе 3, сигнал с которого в этом случае будет максимальным. Если же сигналы S и r неодинаковы, то сигнал на выходе фотодетектора будет пропорционален функции взаимной корреляции.

Процессоры на основе различных акустооптических устройств могут работать в широком диапазоне частот, вплоть до 10 ГГц. Они применяются в различных системах обработки информации, особенно там, где имеются ограничения по габаритам, весу и энергопотреблению аппаратуры.

Акустооптическое взаимодействие в оптических волноводах. В оптических волноводах, представляющих собой тонкий слой прозрачного материала на поверхности подложки (т. н. планарные волноводы), возникает взаимодействие оптических волноводных мод с поверхностными акустическими волнами (ПАВ), обычно рэлеевскими. В результате появляется свет, распространяющийся вдоль плоскости волновода, но отклоненный от своего первоначального направления. Для эффективной дифракции необходимо, чтобы в плоскости волновода световые лучи падали на пучок ПАВ под соответствующим брэгговским углом. Поскольку даже в изотропной волноводной системе скорости распространения разных оптических мод отличны друг от друга, то при различных углах падения светового пучка возможна как дифракция света без изменения номера моды, аналогичная обычной брэгговской дифракции, так и дифракция, при которой падающий и дифрагированный свет принадлежит к разным волноводным модам. В последнем случае законы дифракции аналогичны закономерностям анизотропной дифракции, возникающей при взаимодействии объемных волн в двулучепреломляющей среде. В волноводных системах распределение как электромагнитных полей для оптической моды, так и поля деформации в ПАВ неоднородно в поперечном сечении волновода. Эффективность акустооптической дифракции в оптическом волноводе сильно зависит от степени перекрытия этих полей. Она максимальна, когда глубины проникновения света и звука в волноводный слой одного порядка.

Акустический ветер - (звуковой ветер) , регулярное течение среды (жидкости, газа), образующееся в звуковом поле большой интенсивности. При интенсивности звука ок. 100 Вт/см2 скорость акустического ветра в воде может составлять десятки см/с. ;

акустические течения

АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ (акустический, или звуковой, ветер) - регулярные течения среды, возникающие в звуковом поле большой интенсивности. А. т. могут быть как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи разл. рода препятствий. Возникновение А. т. обусловлено законом сохранения кол-ва движения: переносимое звуковой волной кол-во движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передаётся среде в др. форме, вызывая её регулярное движение. Поэтому скорость А. т. пропорциональна коэфф. поглощения звука и его интенсивности, но обычно не превосходит величины колебательной скорости частиц в звуковой волне. А. т. всегда имеют вихревой характер.

В зависимости от соотношения характерного масштаба течения l и длины звуковой волны , где k - волновое число, различают 3 типа А. т.: 1) течения в свободном неоднородном поле, где l определяется размером неоднородности, напр. радиусом звукового пучка r (рис.), при этом 1; 2) течения в стоячих волнах, масштаб к-рых определяется длиной волны, а 1:3) течения в пограничном слое вблизи препятствий, помещённых в акустич. поле; в этом случае l определяется толщиной акустич. по-гранич. слоя(- кинематич. вязкость среды, - круговая частота звука), а 1.

Скорость А. т. и обычно мала по сравнению с амплитудой колебат. скорости u частиц в звуковой волне и характеризуется величиной , где - акустич. Маха число, с - скорость звука. Скорость течения 1-го типа, вызванного ограниченным звуковым пучком при условии 1, по порядку величины определяется соотношением

где - коэфф. сдвиговой и объёмной вязкости. При

где - акустич. Рейнольдса число для А. т., - плотность среды, А - константа (для воды y10^-4). Скорость А. т. в стоячих звуковых волнах рассчитана Рэлеем при условии ; по порядку величины она определяется соотношением Скорость течения в погранич. слое толщиной , согласно Г. Шлихтингу (H. Schlichting), оценивается по ф-ле , применимой при условии Экспериментально наблюдались течения со скоростью 0,1 м/с в воде, вызванные звуковым пучком частоты 1.2 МГц при амплитуде звукового давления р = 10 атм и 1 м/с. В воздухе в стоячей волне с уровнем интенсивности 167 дБ ( 17 м/с) наблюдались течения со скоростью 5 м/с.

А. т. являются помехой при измерениях звуковых полей с помощью радиометра акустического и Рэлея диска ,но они имеют и полезные применения. Пропорциональность скорости течений Эккарта величине позволяет по измерениям А. т. определять отношение коэфф. объёмной и сдвиговой вязкости. На явлении А. т. основано действие нек-рых типов насосов, удобных для работы в агрессивных средах. Возникновение А. т. у препятствий, помещённых в звуковое поле, усиливает процессы массо- и теплопередачи через их поверхность. А. т. являются одним из факторов, обусловливающих УЗ-очистку.

Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 2, M., 1955, с. 212, 324; Физика и техника мощного ультразвука, [кн. 2] - Мощные ультразвуковые поля, M., 1968; Pуденко О. В., Солуян С. И., Теоретические основы нелинейной акустики, M., 1975.

Фатьянов А.В. Спб. 26. 08 .2010

Fatyalink@mai.ru

В начало на лист изменений

Free Web Counter