Акустооптика
10.08.2001 23:25 | "Физическая Энциклопедия"/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 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 , и по
измеренному углу между падающим и дифрагированными
световыми лучами определяют скорость звука:
cзв=
(где - угол Брэгга).
На основе полученных таким образом значений сзв,
для различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости .
Коэффициент поглощения звука 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:
.
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 , можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f компонент Мандельштама-Бриллюэна определить скорость звука сзв на данной частоте f. На основе измерений полуширины компонент Мандельштама-Бриллюэна определяется коэффициент поглощения на этой частоте: .
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 звуковых
частот - т. н. полосы пропускания дефлектора. определяет и др. параметры
прибора: максимальное угловое перемещение луча дифрагированного света
и разрешающую способность N, т. е. число различимых положений
светового луча в пределах . Разрешающая способность
определяется величиной
и угловой расходимостью светового пучка:
, где d
- поперечный размер светового пучка.
Важной
характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность
дифракции - 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 ак.
Для
заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на
той компоненте пучка, для которой волновой вектор
удовлетворяет условию Брэгга.
При
изменении f эт