Акустооптика

Акустооптика

Акустооптика

Бриллюэн предсказал дифракцию света на акустической волне, распространяющейся в среде взаимодействия, в 1922 году.

В 1932 году Дебай и Сирс, Лукас и Бикард провели первые эксперименты по проверке явлений.

Частный случай дифракции в первом порядке под некоторым углом падения (также предсказанный Бриллюэном) был отмечен Рытовым в 1935 году.

Раман и Нат (1937) разработали общую идеальную модель взаимодействия с учетом нескольких порядков. Эта модель была разработана Фарисо (1956) для дифракции, включая только один порядок дифракции.

В то время акустооптическое взаимодействие было всего лишь лабораторным экспериментом. Единственное приложение — измерение констант и акустических коэффициентов.

Изобретение лазера привело к развитию акустооптики и ее приложений, в основном для отклонения светового луча, модуляции и обработки сигналов. Технический прогресс как в выращивании кристаллов, так и в высокочастотных пьезоэлектрических преобразователях несет ценные преимущества для улучшения акустооптических компонентов.

Перечень терминов

Брэгговская ячейка: устройство, использующее объемное акустооптическое взаимодействие (например, дефлекторы, модуляторы и т. Д.).

«Нулевой», «Первый» порядок: нулевой порядок — это луч, проходящий через ячейку без изменения направления распространения. Первый порядок — это дифрагированный пучок, генерируемый при взаимодействии лазерного луча с акустической волной.

Угол Брэгга : особый угол падения (между падающим пучком и акустической волной), который дает эффективную дифракцию в один дифракционный порядок. Этот угол будет зависеть от длины волны и радиочастоты.

Угол разделения: Угол между первым и нулевым порядками дифракции.

Радиочастотный диапазон : для данной ориентации и оптической длины волны существует конкретная радиочастота, которая соответствует критериям Брэгга.

Тем не менее, существует диапазон частот, для которых ситуация все еще достаточно близка к оптимальной для того, чтобы дифракция была эффективной.

Эта диапазон радиочастот определяет, например, угол сканирования дефлектора или диапазон настройки акустооптического настраиваемого фильтра.

Максимальный угол отклонения : угол, на который луч первого дифракционного порядка может изменяться, при изменении частоты внутри радиочастотного диапазона.

Время нарастания: пропорционально времени, которое необходимо акустической волне, чтобы пересечь лазерный луч, и, следовательно, время, за которое луч реагирует на изменение радиочастотного сигнала. Время нарастания можно уменьшить, уменьшив ширину лазерного луча.

Диапазон модуляции: максимальная частота, на которой пучок света может быть модулирован по амплитуде. Зависит от времени нарастания и может быть увеличен за счет уменьшения диаметра лазерного луча.

Эффективность: доля пучка нулевого порядка, который может быть дифрагирован в пучок 1-го порядка.

Коэффициент затухания: соотношение между максимальной и минимальной интенсивностью света в пучке «1-го» порядка, когда акустическая волна «включена» и «выключена» соответственно.

Частотный сдвиг: разница в частоте между дифрагированными и падающими световыми пучками. Этот сдвиг равен акустической частоте и может быть сдвигом вверх или вниз по шкале частот в зависимости от ориентации.

Разрешение: число разрешимых точек, которые может генерировать дефлектор, соответствует максимальному числу отдельных положений дифрагированного светового луча, как определено критерием Рэлея.

Мощность радиочастоты: электропитание, потребляемое драйвером.

Акустическая мощность: акустическая мощность, генерируемая в кристалле пьезоэлектрическим преобразователем. Имеет меньшее значение, чем мощность радиочастоты, так как коэффициент электромеханического преобразования ниже 1.

Физические принципы

Радиочастотный сигнал, прикладываемый к пьезоэлектрическому преобразователю, связанному с подходящим кристаллом, будет генерировать акустическую волну.

Это работает как «фазовая решетка», проходящая через кристалл на скорости звука в материале и с акустической длиной волны, зависящей от частоты радиочастотного сигнала.

Любой падающий лазерный луч будет дифрагирован этой решеткой, как правило, давая ряд дифрагированных пучков.

Условия взаимодействия

Параметр, называемый «коэффициент качества, Q», определяет режим взаимодействия. Q определяется выражением:

где  – длина волны лазерного луча, n – показатель преломления кристалла, L – дистанция на которую лазерный луч проходит внутри акустической волны,  – длина акустической волны.

Q1: Это режим Брэгга. При одном конкретном угле падения Θ создается только один порядок дифракции — другие аннигилируются деструктивной интерференцией.

В промежуточной ситуации аналитическое решение невозможно, и компьютер должен провести численный анализ.

Большинство акустооптических устройств работают в режиме Брэгга, общим исключением являются акустооптические синхронизаторы мод и модуляторы добротности.

Дифракция Рамана-Ната

Дифракция Брэгга

Источник: http://photonica.pro/2018/06/15/akustooptika/

Акустооптическое взаимодействие

Такое взаимодействие рассматривается в физике как явления дифракции и рефракции только при невысокой интенсивности светопреломления. Электрострикация вызывает нелинейные эффекты, воздействующие светом на среду.

В число оптоакустических эффектов входит и общая генерация акустических колебаний.

Они [колебания] с определённой частотой повторяются в импульсах света, а также обусловлены механическими переменными напряжениями, которые возникают из-за термического расширения при световом нагревании пространства.

Акустооптическая дифракция делает возможным измерять некоторые показатели вещества:

  • Скорость поглощения звука;
  • Коэффициент поглощения звука;
  • Упруго-оптические постоянные величины;
  • Модули упругости второго и выше порядков.

Модули упругости высших порядков также получают, измерив показатели с использованием брэгговской дифракции. Это свойственно при распространении в определённой среде звука и интенсивности света.

Как результат в волне появляются мощные амплитуды. Они имеют прямую пропорциональность нелинейным процессам упругости.

Акустооптическая взаимосвязь достаточно часто применяется в научных исследованиях и технике. Точные измерения УЗ-полей позволяет осуществить дифракция света. Разбор и отслеживание эффективности этого явления в разнообразным наименьших материальных объектах образца обеспечивает относительно лёгкое восстановление схемы распространения интенсивности звуковой волны в пространстве.

Акусто-оптические модуляторы света (АОМ)

Акустооптический модулятор (АОМ) – прибор для отклонения пучка света при помощи дифракции на создаваемой в стекле из-за пространственной модуляции показателя преломления акустической волной решётке.

Применения акустооптических явлений

Сделать видимыми электромагнитные поля и отслеживать качество физических материалов позволяет использование акустооптического метода. Акустооптические фильтры помогают дистанционно анализировать среду (химический анализ). Помимо этого, применяемые в акустооптике приборы крайне эффективны при анализе сверхвысоких радиосигналов.

Идеи оптического изменения и преобразования данных, оптические процессоры и концепции оптического взаимодействия – главная научная область использования акустооптических процессов.

Широкое применения приборов, построенных на принципах акустооптики, обуславливается разнообразности того эффекта, который позволяет управлять показателями волны световых частиц.

Акустооптические устройства обеспечивают возможность управлять силой и интенсивностью лазерного излучения, спектральными свойствами и пространственным составом оптических пучков, поляризацией электромагнитной волны, фазой электромагнитной волны, формой оптического вектора.

Типы акустооптических приборов

В основе этих приборов находится акустооптическая ячейка. Она состоит из излучателя и материального (рабочего) тела, где и взаимодействует свет и УЗ-волна.

Базируясь на эффектах рефракции и дифракции луча света, происходит создание оптических элементов, которые ведают параметрами оптического вектора, анализируют поступающие сведения (их источником или, вернее сказать, носителем является волна – звуковая или световая).

В настоящее время созданы следующие акустооптические устройства:

  • Акустооптические процессоры. Они – основа для проектирования и создания высокоскоростных приборов анализа СВЧ-сигналов. Выполняют обработку сведений в реальном масштабе времени.
  • Акустооптические фильтры. Эти приспособления обеспечивают возможность выявить всецело соответствующий условия Брэгга узкий интервал длин световых волн из спектра излучения.
  • Компрессоры радиоимпульсов. С их помощью выполняется сжатие внутренних и электрических импульсов.
  • Акустооптические дефлекторы, сканеры. Такой вид акустооптических приборов применяются для манипуляции конечным направлением луча света в пространстве. Сканерами обеспечивается постоянная развёртка луча; дефлектор содержит совокупность установленных показателей, исходя из которых возможно отклонение вектора света.
  • Акустооптические модуляторы. Подобные устройства были созданы для совокупного управления интенсивностью и итоговым созданием световых пучков на основе перераспределения энергии между световыми лучами – проходящим и дифрагированным. Чаще используется модуляция дифрагированного света. Акустооптические модуляторы, будучи очень простыми по своей конструкции, обеспечивают проведение сложнейших действий, например, параллельный анализ информации в сверхскоростных процессах.
  • Важно знать, что нередко акустооптику представляют самостоятельной дисциплиной. Акустооптиканаших дней имеет сильную связь не только с заложившими её основы разделами физики – оптикой, акустикой – но и с кристаллофизикой и иными прикладными дисциплинами (оптоэлектроника, а также радиофизика и др.).

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/akustooptika/

Акустоэлектроника и акустооптика

Акустооптика
Акустооптический эффект

    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.

    Акустооптический эффект, известный в научной литературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.

При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: раман-натовский и брэгговский. Режим Рамана-Ната соответствует относительно низким акустическим частотам f и малой длине акустооптического взаимодействия l (обычно f < 10 МГц и l < 1 см).

Этот тип дифракции наблюдается при произвольных углах падения света на акустооптическую ячейку (Рис. 1, а), а дифракционная картина может содержать много дифракционных максимумов с симметричным распределением интенсивности света. В противоположность этому, режим Брэгга наблюдается на высоких частотах ультразвука, обычно превышающих 100 МГц. Дифракционная картина, даже при большой акустической мощности , состоит, как правило, только из двух дифракционных максимумов     

    нулевого и первого порядков. Однако даже эти максимумы появляются только при определенных углах падения света вблизи так называемого угла Брэгга (Рис. 1, б). Четко выделенной границы между двумя описанными режимами дифракции не существует. С увеличением частоты ультразвука угловая селективность акустооптического взаимодействия возрастает, а число наблюдаемых дифракционных максимумов постепенно уменьшается. Традиционно раман-натовский и брэгговский режимы определяются условиями Q > 1 соответственно, где Q — параметр Кляйна-Кука. Поскольку только один дифракционный максимум используется в акустооптических устройствах (как правило, первый порядок), то брэгговский режим более предпочтителен из-за малых световых потерь. Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость.

   Если акустооптическая среда является оптически изотропной, то имеем соотношение

   В анизотропной среде возможно два варианта акустооптического взаимодействия. Если в процессе акустооптического взаимодействия не меняется тип оптической моды, то (рассеяние вида ) или (рассеяние вида ), и тогда угол Брэгга определяется выражением (1). Этот вариант акустооптического взаимодействия известен как изотропная дифракция. В другом варианте, известном как анизотропная дифракция, тип оптической моды трансформируется в процессе акустооптического взаимодействия (рассеяние вида или ). Поэтому , и зависимость становится намного сложнее. С точки зрения практического применения все достоинства анизотропной дифракции являются следствием более сложной зависимости угла Брэгга от частоты ультразвука. Так, например, было показано, что наилучшие характеристики у акустооптических дефлекторов получаются в области, где . Аналогично, оптимальными областями для модуляторов и фильтров являются области, где и .

   Аналитическое решение задачи акустооптического взаимодействия может быть получено только для предельных режимов раман-натавской и брэгговской дифракции. В последнем случае, если дополнительно предположить, что свет падает на ячейку под углом Брэгга, получается следующее выражение для эффективности дифракции:

где l*b — поперечное сечение акустического пучка. Параметр M, определяемый формулой

   где p — плотность среды, называется акустооптическим качеством. Это основной параметр, по которому оценивается пригодность материала для акустооптических применений, поскольку, чем выше акустооптическое качество, тем меньшая требуется акустическая мощность для получения необходимой эффективности дифракции. Под действием механических деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптических свойств среды, обусловленная упруго-оптическим, или фотоупругим, эффектом. 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 волны 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.

Источник: http://labs.vt.tpu.ru/akusto/effect2.html

Акустооптическое взаимодействие

Акустооптическое взаимодействие в физике сводится к явлениям оптической дифракции и рефракции лишь при низких интенсивностях преломления света. Из-за электрострикции возникают нелинейные эффекты, которые воздействуют посредством света на среду.

К оптоакустическим эффектам относится также общая генерация акустических колебаний, которые периодически повторяются в световых импульсах и обусловлены механическими переменными напряжениями, появляющимися в результате теплового расширения при систематическом локальном нагревании пространства светом.

Акустооптическая дифракция позволяет специалистам в сфере разработки новых устройств также измерять многие показатели вещества:

  • коэффициент и скорость поглощения звука;
  • модули упругости второго, третьего и более высоких порядков;
  • упруго-оптические постоянные величины.

Замечание 1

При распространении в определенной среде звуковых волн и интенсивности светового луча модули упругости высших порядков получают после измерения параметров с помощью брэгговской дифракции.

В итоге возникают мощные амплитуды в волне, которые прямо пропорциональны нелинейным процессам упругости действующих порядков.

Эффекты акустооптической взаимосвязи широко используются при физических и научных исследованиях, так и в технике. Дифракция светового луча дает возможность исследователям точно измерять локальные особенности УЗ-полей.

По угловым переменным дифрагированного света реализуется на практике спектральный состав акустического преломления и диаграмма общей направленности.

Анализ и мониторинг эффективности такого явления в различных материальных точках образца помогает легко восстановить картину пространственного распространения интенсивности звука.

Рисунок 1. Акусто-оптические модуляторы света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Применения акустооптических явлений

Используя акустооптический метод в экспериментах, можно визуализировать электромагнитные поля и контролировать качество прозрачных, физических материалов. Акустооптические прочные фильтры позволяют проводить химический анализ среды дистанционно. Кроме того, устройства, которые используются в акустооптике, чрезвычайно эффективными и рентабельны для анализа сверхвысоких радиосигналов.

Замечание 2

Центральной областью применения акустооптических процессов являются концепции оптической обработки данных, включая элементы систем оптического взаимодействия и оптические процессоры.

Разнообразные использования акустооптических устройств становятся возможными благодаря многогранности этого эффекта, посредством которого возможно эффективно манипулировать всеми показателями световой волны.

Так акустооптические устройства помогают управлять интенсивностью и силой лазерного излучения, формой оптического вектора пространстве, фазой и поляризацией электромагнитной волны, а также спектральными особенностями и пространственным составом оптических пучков.

Типы акустооптических приборов

На базе эффектов рефракции и дифракции светового луча создаются мощные оптические элементы, управляющие всеми параметрами оптического вектора и обрабатывающие информацию, носителем которой выступает световая и звуковая волны. Основу таких приборов составляет акустооптическая ячейка, состоящая из рабочего, материального тела, где происходит тесное взаимодействие света с УЗ-волной, и самого излучателя.

В настоящий момент существуют такие виды акустооптических устройств:

  1. Акустооптические модуляторы – специальные приборы, комплексно управляющие интенсивностью и реализацией световых пучков на базе перераспределения внутренней энергии между дифрагированным и проходящим световым лучом. Обычно применяется модуляция дифрагированного света. Эти приборы позволяют при максимальной простоте своих конструкций проводить такие сложные операции, как параллельная обработка сведений в сверхскоростных процессорах.
  2. Акустооптические сканеры и дефлекторы – механизмы для управления конечного направлением светового луча в определенном пространстве. Сканеры осуществляют непрерывную развертку луча; в дефлекторе есть набор фиксированных показателей, по которым может отклоняться вектор света.
  3. Акустооптические фильтры – агрегаты, помогающие выделить достаточно узкий интервал длин световых волн из широкого спектра оптического излучения световых волн, полностью удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту оптического звука, выделяемый интервал можно перемещать по оптическому спектру в более масштабных пределах.
  4. Компрессоры радиоимпульсов — осуществляют сжатие электрических и внутренних импульсов.
  5. Акустооптические процессоры — служат базой для разработки высокоскоростных устройств обработки СВЧ-сигналов. В итоге производится обработка информации в реальном масштабе времени.

Следует отметить, что зачастую акустооптику рассматривают как отдельную дисциплину. Современная акустооптика тесно взаимосвязана не только со своими «материнскими» подразделами физики — с оптикой и акустикой, но и с кристаллофизикой и другими прикладными дисциплинами, такими как радиофизика и оптоэлектроника.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/akustooptika/

Booksm
Добавить комментарий