Наши ученые предложили использовать новые метаматериалы для создания акустооптических приборов

Ученые с кафедры физики колебаний, представляющие лабораторию акустооптики, провели моделирование акустического метаматериала — двумерного фононного кристалла. В результате работы были исследованы акустические свойства новой структуры и предложены способы практического использования. Работа получила награду «выбор редакции» от редакции журнала «Materials» (Базель, Швейцария) в январе 2023 года. 

Фононные кристаллы — это среды, в которых периодически меняются свойства, что позволяет влиять на особенности распространения звука. Они могут использоваться в различных областях, в частности, как показала работа, в акустооптике. Акустооптические устройства используют звуковые волны в кристалле, чтобы посредством дифракции управлять световым пучком — например, лазерным излучением. В акустооптике, как правило, используются монокристаллические среды, которые обладают рядом недостатков. Монокристаллы выращиваются определенным способом, с заданными свойствами, на которые сложно повлиять и изменить в соответствии с требованиями конкретной задачи. Кроме того, это длительный, дорогостоящий и технологически сложный процесс. Фононные кристаллы позволяют обойти эти недостатки и открывают огромные возможности, поскольку, регулируя в материале размер, форму и расположение неоднородностей, можно получить структуру с необходимыми свойствами. 

В работе исследован недавно предложенный фононный кристалл: в изотропном кристалле плавленого кварца размещены периодически повторяющиеся круглые отверстия. Авторы провели численное решение волнового уравнения в вариационной форме методом конечных элементов и рассчитали основные акустические характеристики: скорость звука и поляризацию, а также направление распространения энергии всех распространяющихся в материале волн. Оказалось, что величина акустической анизотропии, которая появляется при появлении неоднородностей, определяется геометрией отверстий — отношением диаметра к периоду элементарной ячейки. Выбор различной геометрии позволяет изменять основные акустические параметры среды в соответствии с нашими желаниями и создавать материал с оптимальными свойствами, диктуемыми конкретной практической задачей.

«Такие фононные кристаллы удовлетворяют необходимым требованиям для создания на их основе акустооптических приборов: фильтров, дефлекторов и модуляторов, в которых необходимо иметь заданную скорость звука. Мы планируем и дальше исследовать поведение волн в фононных кристаллах теоретически и экспериментально», — прокомментировала работу доцент, к.ф.-м.н. Поликарпова Наталия Вячеславовна. 

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 19-12-00072.

Статья опубликована в журнале Materials: https://doi.org/10.3390/ma15238315.

Команда Медиацентра факультета