Акустооптика

Акустооптика — раздел физики изучающий взаимодействие между звуковыми и световыми волнами, особенно дифракцию лазерного , света на ультразвуке (или звуке в целом) через ультразвуковую решетку .

Дифракционное изображение, показывающее акустооптический эффект.

Введение

В целом акустооптические эффекты основаны на изменении показателя преломления среды из-за присутствия в этой среде звуковых волн. Звуковые волны создают в материале решетку показателя преломления, и именно эту решетку «видит» световая волна. Эти изменения показателя преломления, вызванные колебаниями давления, могут быть обнаружены оптически с помощью эффектов рефракции, дифракции и интерференции; Также можно использовать отражение.

Акустооптический эффект широко используется при измерении и исследовании ультразвуковых волн. Однако растущая основная область интересов связана с акустооптическими устройствами для отклонения, модуляции , обработки сигналов и сдвига частоты световых лучей. Это связано с растущей доступностью и производительностью лазеров , которые упростили наблюдение и измерение акустооптического эффекта. Технический прогресс как в области выращивания кристаллов , так и в области высокочастотных пьезоэлектрических преобразователей принес ценные преимущества в усовершенствование акустооптических компонентов.

Наряду с текущими приложениями, акустооптика представляет собой интересное возможное применение. Его можно использовать в неразрушающем контроле , мониторинге состояния конструкций и в биомедицинских приложениях, где оптически генерируемые и оптические измерения ультразвука обеспечивают бесконтактный метод визуализации.

История

Оптика имеет очень долгую и насыщенную историю, начиная с древней Греции , эпохи Возрождения и до наших дней. Как и оптика, акустика имеет аналогичную историю, опять-таки начиная с древних греков. Напротив, акустооптический эффект имеет относительно короткую историю, начиная с того, что Бриллюэн предсказал дифракцию света на акустической волне, распространяющейся в среде взаимодействия, в 1922 году. Затем это было подтверждено экспериментами в 1932 году Дебаем и Сирсом . а также Лукаса и Бикара.

Частный случай дифракции первого порядка при определенном угле падения (также предсказанный Бриллюэном) наблюдался Рытоу в 1935 году. Раман и Нат (1937) разработали общую идеальную модель взаимодействия, принимая во внимание несколько заказы. Эта модель была разработана Фарисо (1956) для дифракции, включающей только один порядок дифракции.

Акустооптический эффект

Акустооптический эффект — это частный случай фотоупругости материала , при котором происходит изменение диэлектрической проницаемости . $\varepsilon$, из-за механического напряжения $a$. Фотоупругость - это изменение коэффициентов оптической индикатрисы. $B_{i}$ вызванное напряжением $a_{j}$ данный,

$(1)\ \Delta B_{i}=p_{ij}a_{j},\,$

где $p_{ij}$ – фотоупругий тензор с компонентами, $i$, $j$ = 1,2,...,6.

В частности, при акустооптическом эффекте деформации $a_{j}$ являются результатом акустической волны, возбужденной в прозрачной среде. Это приводит к изменению показателя преломления. Для плоской акустической волны, распространяющейся вдоль оси z, изменение показателя преломления можно выразить как

$(2)\ n(z,t)=n_{0}+\Delta n\cos(\Omega t-Kz),\,$

где $n_{0}$ – невозмущенный показатель преломления, $\Omega$ угловая частота , $K$ - волновое число акустической волны, а $\Delta n$ - амплитуда изменения показателя преломления, генерируемая акустической волной, и определяется как:

$(3)\ \Delta n=-{\frac {1}{2}}\sum _{j}n_{0}^{3}p_{zj}a_{j},$

Генерируемый показатель преломления (2) дает дифракционную решетку , движущуюся со скоростью, определяемой скоростью звуковой волны в среде. Свет, который затем проходит через прозрачный материал, преломляется из-за этого генерируемого показателя преломления, образуя отчетливую дифракционную картину . Эта дифракционная картина соответствует обычной дифракционной решетке под углами $\theta _{n}$ от исходного направления и определяется выражением:

$(4)\ \Lambda \sin(\theta _{m})=m\lambda ,\,$

где $\lambda$ длина волны оптической волны, $\Lambda$ длина волны акустической волны и $m$ – максимум целого порядка.

Свет, дифрагированный акустической волной одной частоты, приводит к двум различным типам дифракции. Это дифракция Рамана-Ната и дифракция Брэгга .

Дифракция Рамана-Ната наблюдается на относительно низких акустических частотах, обычно менее 10 МГц, и с небольшой длиной акустооптического взаимодействия ℓ, которая обычно составляет менее 1 см. Этот тип дифракции происходит под произвольным углом падения, $\theta _{0}$.

Напротив, дифракция Брэгга происходит на более высоких акустических частотах, обычно превышающих 100 МГц. Наблюдаемая дифракционная картина обычно состоит из двух дифракционных максимумов; это нулевой и первый порядки. Однако даже эти два максимума появляются лишь при определенных углах падения, близких к углу Брэгга: $\theta _{B}$. Максимум первого порядка или максимум Брэгга образуется за счет избирательного отражения света от волновых фронтов ультразвуковой волны. Угол Брэгга определяется выражением

$(5)\ \sin \theta _{B}=-{\frac {\lambda f}{2n_{i}\nu }}\left[1+{\frac {\nu ^{2}}{\lambda ^{2}f^{2}}}\left(n_{i}^{2}-n_{d}^{2}\right)\right],$

где $\lambda$ — длина волны падающей световой волны (в вакууме), $f$ акустическая частота, $v$ - скорость акустической волны, $n_{i}$ - показатель преломления падающей оптической волны, а $n_{d}$ – показатель преломления дифрагированных оптических волн.

В общем, не существует точки, в которой дифракция Брэгга сменила дифракцию Рамана – Ната. Это просто факт, что с увеличением акустической частоты количество наблюдаемых максимумов постепенно уменьшается из-за угловой избирательности акустооптического взаимодействия. Традиционно тип дифракции – Брэгга или Рамана–Ната – определяется условиями $Q\gg 1$ и $Q\ll 1$ соответственно, где Q определяется выражением,

$(6)\ Q={\frac {2\pi \lambda \ell f^{2}}{n\nu ^{2}}},$

который известен как параметр Клейна-Кука. Поскольку в акустооптических устройствах обычно используется только дифракционный максимум первого порядка, брэгговская дифракция предпочтительна из-за меньших оптических потерь. Однако акустооптические требования к брэгговской дифракции ограничивают диапазон частот акустооптического взаимодействия. Как следствие, ограничивается и скорость работы акустооптических устройств.

Акустооптические устройства

Акустооптический модулятор

Акустооптический модулятор

Изменяя параметры акустической волны, включая амплитуду , фазу , частоту и поляризацию , можно модулировать свойства оптической волны. Акустооптическое взаимодействие также позволяет модулировать оптический луч как временной, так и пространственной модуляцией.

Простой метод модуляции оптического луча, проходящего через акустооптическое устройство, осуществляется путем включения и выключения акустического поля. Когда световой луч не отклоняется, интенсивность света, направленного под углом дифракции Брэгга, равна нулю. При включении и возникновении брэгговской дифракции интенсивность под углом Брэгга увеличивается. Таким образом, акустооптическое устройство модулирует выходной сигнал по углу дифракции Брэгга, включая и выключая его. Устройство работает как модулятор, поддерживая фиксированную акустическую длину волны (частоту) и изменяя мощность возбуждения для изменения количества света в отклоненном луче.

Существует несколько ограничений, связанных с конструкцией и характеристиками акустооптических модуляторов. Акустооптическая среда должна быть тщательно спроектирована, чтобы обеспечить максимальную интенсивность света в одном дифрагированном луче. Время, необходимое акустической волне для прохождения через диаметр светового луча, ограничивает скорость переключения и, следовательно, ограничивает полосу пропускания модуляции. Конечная скорость акустической волны означает, что свет не может быть полностью включен или выключен до тех пор, пока акустическая волна не пройдет через световой луч. Таким образом, чтобы увеличить полосу пропускания, свет необходимо сфокусировать до небольшого диаметра в месте акустооптического взаимодействия. Этот минимальный сфокусированный размер луча представляет собой предел полосы пропускания.

Акустооптический перестраиваемый фильтр

Принцип работы акустооптических перестраиваемых фильтров основан на зависимости длины волны дифрагированного света от акустической частоты. Путем настройки частоты акустической волны желаемая длина оптической волны может подвергаться акустооптической дифракции.

Существует два типа акустооптических фильтров: коллинеарные и неколлинеарные. Тип фильтра зависит от геометрии акустооптического взаимодействия.

Поляризация падающего света может быть как обыкновенной, так и необыкновенной. Для определения мы предполагаем обычную поляризацию. Здесь используется следующий список символов:

$\alpha$: угол между вектором акустической волны и кристаллографической осью z кристалла;

$\gamma$: угол клина между входной и выходной гранями ячейки фильтра (угол клина необходим для устранения углового смещения дифрагированного луча, вызванного изменением частоты);

$\varphi$: угол между волновым вектором падающего света и осью [110] кристалла;

$\alpha _{\ell }$: угол между входной гранью ячейки и вектором акустической волны;

$\beta$: угол между отклоненным и неотклоненным светом на центральной частоте;

$\ell$: длина преобразователя.

Угол падения $\varphi$ и центральная частота $f_{i}$ фильтра определяются следующей системой уравнений:

$(7)\ n_{\varphi }={\frac {n_{0}n_{e}}{\sqrt {n_{0}^{2}\cos \varphi +n_{e}^{2}\sin ^{2}\varphi }}}$

$(8)\ f_{i}(\varphi )={\frac {\nu }{\lambda }}\left[n_{\varphi }\cos(\varphi +\alpha )\pm {\sqrt {n_{0}^{2}-n_{\varphi }^{2}(\varphi )\sin ^{2}(\varphi +\alpha )}}\right]$

Показатели преломления обыкновенного ( $n_{0}$) и необыкновенный ( $n_{e}$) поляризованные пучки определяются с учетом их дисперсионной зависимости.

Скорость звука, $v$, зависит от угла α, так что

$(9)\ \nu (\alpha )=\nu _{110}{\sqrt {\cos ^{2}\alpha +\left({\frac {\nu _{001}}{\nu _{110}}}\right)^{2}\sin ^{2}\alpha }}$

$v_{110}$ и $v_{001}$ – скорости звука вдоль осей [110] и [001] последовательно. Стоимость $\alpha _{1}$ определяется углами $\varphi$ и $\alpha$,

$(10)\ \alpha _{\ell }=\varphi +\alpha$

Угол $\beta$ между дифрагированным и недифрагированным лучами определяет поле зрения фильтра; его можно рассчитать по формуле,

$(11)\ \beta =\arcsin \left({\frac {\lambda f_{0}}{n_{0}\nu }}\sin \alpha +\varphi \right)$

Входной свет не обязательно должен быть поляризован для неколлинеарной конструкции. Неполяризованный входной свет рассеивается на ортогонально поляризованные лучи, разделенные углом рассеяния для конкретной конструкции и длиной волны. Если оптическая схема обеспечивает соответствующий блок луча для нерассеянного света, то два луча (изображения) формируются в оптической полосе пропускания, которая почти эквивалентна для обоих выходных лучей с ортогональной линейной поляризацией (различающихся параметром стоксова и антистоксового рассеяния). Из-за дисперсии эти лучи слегка движутся вместе с частотой сканирования.

Акустооптические дефлекторы

Акустооптический дефлектор пространственно управляет оптическим лучом. При работе акустооптического дефлектора мощность, возбуждающая акустический преобразователь, поддерживается на постоянном уровне, а акустическая частота изменяется для отклонения луча в различные угловые положения. Акустооптический дефлектор использует угол дифракции, зависящий от акустической частоты, при котором изменение угла $\Delta \theta _{d}$ как функция изменения частоты $\Delta f$ дается как,

$(12)\ \Delta \theta _{d}={\frac {\lambda }{\nu }}\Delta f$

где $\lambda$ - оптическая длина волны луча и $\nu$ – скорость акустической волны.

Технология AOD воплотила в жизнь конденсацию Бозе-Эйнштейна , за которую в 2001 году Нобелевская премия по физике была присуждена Эрику А. Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману. Другое применение акусто-оптического отклонения — оптический захват небольших молекул.

АОД по сути аналогичны акустооптическим модуляторам (АОМ). В АОМ модулируется только амплитуда звуковой волны (для модуляции интенсивности дифрагированного лазерного луча), тогда как в АОД регулируются как амплитуда, так и частота, что делает инженерные требования к АОД более жесткими, чем к АОМ.

Материалы

Все материалы обладают акустооптическим эффектом. Плавленый кварц используется в качестве стандарта для сравнения при измерении коэффициентов фотоупругости. Ниобат лития часто используется в высокочастотных устройствах. Более мягкие материалы, такие как трисульфид мышьяка , диоксид теллура и теллуритные стекла, силикат свинца , Ge ₅₅ As ₁₂ S ₃₃ , хлорид ртути (I) , бромид свинца (II) с медленными акустическими волнами создают высокоэффективные устройства на более низких частотах и ​​дают высокое разрешение.

См. также

• Акустооптический модулятор
• Акустооптический дефлектор
• Нелинейная оптика
• Сонолюминесценция
• Дифракция Шефера – Бергмана