Материал: Акустооптический эффект

Акустооптический эффект

ВВЕДЕНИЕ

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.

Акустооптика - раздел физики, изучающий взаимодействие оптических и акустических волн (акустооптическое взаимодействие), а также раздел техники, в рамках которого разрабатываются и исследуются приборы, использующие акустооптическое взаимодействие (акустооптические приборы).

Для обозначения широкого круга явлений, связанных с акустооптическим взаимодействием, иногда используют общий термин «акустооптический эффект». Практически в любом акустооптическом устройстве акустическая волна возбуждается с помощью того или иного электроакустического преобразователя, чаще всего пьезоэлектрического. Таким образом, акустооптические приборы управляются с помощью электрических сигналов (высокой частоты), которые вырабатываются в соответствующих электронных блоках управления. Акустооптику в связи с этим считают ветвью функциональной электроники.

Акустооптический эффект широко применяется как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи и оптические процессоры.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА акустооптических эффектов

Дифракция света на ультразвуковых волнах была впервые предсказана Бриллюэном и независимо от него Мандельштамом в 1921 г., а экспериментально обнаружена спустя несколько лет Дебаем и Сирсом и Люка и Бикаром. Качественно это явление можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости из-за механических напряжений возникают изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, изменения показателя преломления среды. Таким образом, в среде образуются периодические слои с отличающимся показателем преломления. Эти слои движутся со скоростью звука и следуют друг за другом на расстоянии половины длины звуковой волны. При прохождении света через такую слоистую структуру возникает дифракция. (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Ход лучей при дифракции Рамана - Ната при нормальном падении света: 1 - падающий свет; 2 - звуковая волна; 3 - пьезопреобразователь, 4 - дифракционный максимум т-го порядка; 5 - экран

Различают два вида (режима) дифракции, отличающиеся разными дифракционными спектрами: Рамана - Ната и Брэгга. Дифракция Рамана - Ната наблюдается на низких звуковых частотах и при не слишком большой длине взаимодействия (глубине акустического поля). При нормальном падении света, т.е. параллельности волновому фронту звуковой волны, дифракционный спектр Рамана - Ната представляет расположенные симметрично по обе стороны от прошедшего пучка равноотстоящие друг от друга дифракционные максимумы. При наклонном падении света интенсивность максимумов, возникающих по обе стороны от прошедшего пучка, уменьшается, но их угловые направления на них остаются неизменными. Фотографии типичных спектров дифракции Рамана -Ната можно найти в книгах Бергмана и Борна и Вольфа. Угловое направление дифракционных максимумов (рис. 1.1) относительно нулевого (соответствующего прямо прошедшему свету] определяется формулой sinθm=mλ/Λ, т=0, ±1, ±2, где θm - угловое направление на дифракционный максимум т-го порядка; λ - длина световой волны в веществе; Λ - длина звуковой волны. Знак плюс соответствует максимумам, которые расположены с той стороны, куда отражается свет от фронтов звуковой волны. Частота света в т-м максимуме сдвинута относительно частоты ш падающего света на величину, пропорциональную акустической частоте Ω, и равна ω + mΩ.

Рисунок 1.2- Ход лучей при дифракции Брэгга: 1 - падающий cвет; 2 звуковая волна; 3 - дифрагированный свет; 4 - прошедший свет

О дифракции Брэгга говорят в том случае, когда дифракционный спектр состоит из двух максимумов, соответствующих значениям m=0 и m=1 (рисунок 1.2). Дифракционные максимумы минус первого и высших порядков отсутствуют. Интенсивность первого максимума будет наибольшей, если свет падает под углом к волновому фронту акустической волны, удовлетворяющим условию Брэгга

sinθБ = λ/2Λ                                                                          (1.1)

Угол θБ, определяемый выражением (1.1), называется углом Брэгга. Дифракция Брэгга имеет место на высоких частотах при большой длине взаимодействия света с акустической волной.

Физическая интерпретация этих двух различных типов дифракции состоит в следующем. При неизменной длине волны света на низких звуковых частотах при малой длине взаимодействия (длине акустического столба) направление распространения падающего света внутри области взаимодействия остается прямолинейным и оптическая неоднородность среды, связанная с изменением показателя преломления, влияет только на фазу света, прошедшего через акустический столб. Для света роль акустической волны в этом случае сводится к созданию движущейся со скоростью звука фазовой решетки с периодом, равным периоду звуковой волны. Такая ситуация соответствует дифракции Рамана - Ната. Дифракция света в режиме Рамана - Ната происходит по законам дифракции на обычной фазовой решетке и именно этим объясняется наличие симметричных эквидистантно расположенных дифракционных максимумов. Частоты света в дифракционных максимумах сдвинуты согласно эффекту Допплера вследствие движения фазовой решетки. При увеличении акустической частоты или длины взаимодействия направление распространения падающего света внутри акустического столба уже нельзя считать прямолинейным, а возникшую периодическую структуру - только фазовой решеткой.

Свет испытывает как фазовые, так и амплитудные возмущения, и происходит постепенный переход от дифракции на фазовой решетке (дифракции Рамана - Ната) к рассеянию на объемной периодической структуре (дифракции Брэгга) В переходной области между режимами Рамана - Ната и Брэгга при падении света под углом Брэгга помимо первого максимума наблюдаются дифракционные максимумы высших порядков. Угловые направления этих максимумов относительно падающего света сохраняются такими же, как и при дифракции Рамана - Ната, но распределение интенсивностей становится асимметричным. Наибольшую интенсивность имеет брэгговский (первый) максимум.

Наконец, на высоких частотах и при значительной глубине звукового поля акустооптическое взаимодействие целиком приобретает объемный характер, и происходит селективное отражение света под углом Брэгга от движущейся периодической структуры, созданной ультразвуковой волной. Дифракция света в режиме Брэгга аналогична хорошо известному явлению дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке в твердом теле.

Условия, при которых наблюдается тот или' иной вид дифракции, были предметом исследований многих работ. Однако, когда в современной акустооптике заходит речь о критерии, разграничивающем дифракцию Рама-на - Ната и дифракцию Брэгга, то обычно ссылаются на сравнительно недавнюю работу Клейна и Кука, обобщивших результаты предшествующих исследований. Согласно этой работе вид дифракции зависит! от величины безразмерного параметра Q=2πLλ/Λ2, где L - длина звукового столба.

При Q<<l имеет место дифракция Рамана - Ната, при Q>>l-дифракция Брэгга; значения Q<>1 соответствуют переходной области. Однако отмечается, что эти условия являются достаточно сильными, и практически дифракция Рамана - Ната наблюдается уже при

Q≤0,3                                                                                                       (1.2)

а дифракция Брэгга при

≥4π                                                                                                 (1.3)

Последнее условие означает, что падающий под углом Брэгга световой пучок пересекает две или более соседних плоскости с максимальной (минимальной) плотностью. Максимальное и минимальное значения параметра Q, определяемые (1.2) и (1.3), в последующем изложении примем соответственно за верхний предел дифракции Рамана -Ната и нижний предел дифракции Брэгга. Область, соответствующую значениям 0,3<Q< <4π, будем считать промежуточной между этими видами дифракции.

При этом необходимо сделать следующее замечание. Большинство акустооптических приборов, т. е. приборов, использующих явление дифракции света на акустических волнах, работает в режиме дифракции Брэгга (исключение составляют низкочастотные процессоры). Но иногда для акустооптического устройства условие (1.3) не выполняется. Тем не менее часто представляется возможным пренебречь интенсивностью высших дифракционных порядков по сравнению с интенсивностью первого и описывать характеристики такого прибора в предположении брэгговской дифракции. На тех случаях, когда влиянием дифракционных максимумов высших порядков пренебречь нельзя.

Для перестраиваемых фильтров используется как коллинеарная геометрия взаимодействия, описанная выше, так и неколлинеарная. Хронологически первым был изучен фильтр, основанный на коллинеарной дифракции в анизотропной среде.

В одноосном отрицательном кристалле падающий и дифрагированный лучи и звуковая волна направлены перпендикулярно оптической оси. Падающий луч поляризован вдоль оси (необыкновенный луч), дифрагированный- перпендикулярно ему (обыкновенный луч). Для дифракции используется сдвиговая звуковая волна. На выходе фильтра расположен анализатор, пропускающий только дифрагированный свет.

Пусть световые и звуковая волны распространяются вдоль кристаллографической оси У. Для определения интенсивности света, изменившего в процессе акустооптического взаимодействия поляризацию, следует вновь воспользоваться волновым уравнением (1.13а), положив в нем 2Еn/ Х2=0. Электрическое поле падающей и дифрагированной волн представим в виде:

                                                           (1.4)

                                                (1.5)

Применив стандартную процедуру вывода уравнений связанных волн, для интенсивности излучения на выходе фильтра найдем

                                                         (1.6)

Где L - расстояние, которое проходят лучи в возмущенной среде. Максимальная прозрачность фильтра достигается при условии Δk=0 и L=π. Последнее равенство выполняется, если плотность акустической мощности Pna=λ2o/2M2 L2. Для поддержания пропускания фильтра в процессе перестройки постоянным акустическая мощность должна меняться обратно пропорционально квадрату частоты. Условие ΔkL=2π позволяет найти оптическую полосу фильтра

Δλ0=λ20/(2ΔnL)                                                                             (1.7)

где Δn=|n1-n| принято не зависящим от длины волны. Быстродействие фильтра, как и других акустооптических приборов, определяется временем прохождения звуковой волны через область взаимодействия со светом.

Один из первых вариантов акустооптнческого фильтра с коллннеарным взаимодействием показан на рисунке 1.3. В фильтре использован кристалл СаМоO4 с относительно небольшим двулучепреломлением Δn =0,01 и с небольшой скоростью сдвиговой волны u=2,95-105 см/с. Звуковая волна возбуждается сдвиговым пьезопреобразователем. Отражаясь от поверхности, скошенной под углом 45°, волна не меняет своего типа и в кристалле распространяется вдоль оси [010] с поляризацией по [001], создавая деформацию S=S4.

Фильтр позволяет перекрыть всю видимую область длин волн светового излучения при перестройке акустической частоты от 40 до 100 МГц.

1- поляризатор; 2-анализатор; 3 - пьезопреобразователь; 4- поглотитель звука; 5 - кристалл молибдата кальция; 6 - кювета с силиконовым маслом

Рисунок 1.3-Cxемa акустооптического фильтра на молибдате кальция

Для того, чтобы ввести свет, кристалл, скошенный под углом 45о, помещался в кювету с силиконовым маслом (коэффициент преломления 1.63), обладающим настолько низким акустическим импедансом, что просачиванием звука из кристалла можно пренебречь. Длина кристалла 3,5 см, диаметр пьезопреобразователя 0,3 см. Потери на преобразование составили 7,5 дБ, ширина полосы пьезопреобразователя по уровню 3 дБ - 20 МГц. На рисунке 1.4 показана завиимость длины волны, на которою настроен фильтр, от частоты звука, а на рисунке 1.5-зависимость прозрачности от длины волны на частоте, соответствующей максимальному пропусканию на 0,63 мкм. Действующая фотоупругая постоянная для молибдата кальция р45=0,06 Управляющая мощность 2,67 Вт обеспечивала 90% пропускания. В качестве акустооптического материала использовался кристаллический кварц (рисунок 1.5). Фазовая скорость акустической волны, поляризованной по оси [100], совпадает с направлением [010], групповая скорость, как следствие акустической анизотропии, составляет с этой осью угол 24,3°. Величина этого угла определяется упругими постоянными кристалла. Световой луч. поляризованный на входе кристалла вдоль оси [001] (необыкновенный), дифрагируя, превращается в обыкновенный, поляризованный по оси [100]. Анализатор на выходе фильтра ориентирован так, что пропускает только этот луч. Для возбуждения акустической волны в фильтре использовались два сдвиговых пьезопреобразователя из ниобата лития, настроенные на частоты 75 и 145 МГц.

Благодаря этому удалось получить перестройку частоты в очень большом диапазоне от 54 до 175 МГц, что

Рисунок 1.4-Зависимость длины волны настройки фильтра от акустической частоты

Рисунок 1.5-Область пропускания фильтра при различных уровнях управляющей мощности соответствует перестройке длины волны пропускания от 0,63 до 0,25 мкм

Недостатком прибора является чрезвычайно низкая эффективность, определяемая фотоупругой константой рк и относительно небольшой длиной пути взаимодействия света и звука, что связано с различными направлениями их групповых скоростей. Увеличить эффективность фильтра можно отказавшись от условия коллинеарности фазовых скоростей, но потребовав его для групповых скоростей света и звука. Такой подход позволяет также за счет увеличения пути акустооптического взаимодействия, в соответствии с выражением (1.7), получить более высокое разрешение. При расчете геометрии взаимодействия фильтра очень важно обеспечить работоспособность в широком диапазоне углов падающего света.