Акустооптика. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Акустооптика - пограничная область между физикой и техникой, в к-рой изучается взаимодействие эл--магн. волн со звуковыми и разрабатываются основы применения этих явлений в технике. Взаимодействие света со звуком используется в совр. оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптич. устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча. Важной областью практич. применения акустооптич. эффектов являются системы обработки информации, где акустооптич. устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени. Под действием механич. деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптич. свойств среды, обусловленная упруго-оптическим, или фотоупругим, эффектом (см. Фотоупругость).

Оптич. свойства среды меняются во времени с частотой звуковой волны, т. е. значительно медленнее и по сравнению с периодом эл--магн колебаний в световой волне, и по сравнению со временем прохождения светового луча через звуковой пучок. В зависимости от соотношения между поперечным размером падающего оптич. пучка d и длиной звуковой волны L распространение света в такой среде сопровождается явлениями либо акустооптич. рефракции, либо дифракции света на ультразвуке. Дифракция света происходит не только на вводимой извне звуковой волне, но и на коллективных возбуждениях среды - акустич. 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 акустич. фононах.

Акустооптич. взаимодействие сводится к эффектам оптич. рефракции и дифракции лишь при низких интенсивностях оптич. излучения. С повышением интенсивности света всё возрастающую роль начинают играть нелинейные эффекты воздействия света на среду. Из-за электрострикции и эффектов нагревания среды оптич. 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 оптич. излучения в результате од-новрем. 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 к-ром происходит усиление лазерным излучением тепловых акустич. шумов, сопровождающееся нарастанием интенсивности рассеянного света. К оптоакустич. эффектам относится также генерация акустич. колебаний периодически повторяющимися световыми импульсами, к-рая обусловлена переменными механич. напряжениями, возникающими в результате теплового расширения при периодич. локальном нагревании среды светом.

Эффекты акустооптич. взаимодействия используются как при физ. исследованиях, так и в технике. Дифракция света на УЗ даёт возможность измерять локальные характеристики УЗ-полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустич. излучения. Анализ эффективности дифракции в раал. точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптич. эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удаётся получить информацию о спектральном, угловом и пространственном распределении акустич. фононов в ДВ-области фононного спектра. Этот метод представляет ценность для изучения неравновесных акустич. фононов, напр. в условиях фононной (акустоэлектрической) неустойчивости в полупроводниках, обусловленной усилением УЗ сверхзвуковым дрейфом носителей заряда (см. Акустоэлектрочное взаимодействие).

Акустооптич. дифракция позволяет также измерять многие параметры вещества: скорость и коэфф. 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:

(где

- угол Брэгга). На основе полученных таким образом значений

для разл. направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости

. Коэфф. поглощения звука

можно найти, сравнивая интенсивности I₁ и I₂ дифрагированного света, измеренные при двух положениях падающего светового луча, смещённых 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 ),к-рые пропорциональны нелинейным модулям упругости соответствующих порядков.

Для исследования дисперсии скорости звука и коэфф. его поглощения на гиперзвуковых частотах используется рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Пропуская через среду луч когерентного оптич. излучения и фиксируя угол рассеяния

, можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f компонент Мандельштама - Бриллюэна определить скорость звука

на данной частоте f. На основе измерений полуширины

компонент Мандельштама - Бриллюэна определяется коэфф. поглощения

на этой частоте:

На основе оптоакустич. генерации звука создан метод фотоакустической спектроскопии для получения спектров оптич. поглощения веществ в разл. физ. состояниях. В этом методе коэфф. поглощения света измеряется по интенсивности звуковых колебаний, возбуждаемых периодически прерываемым светом. Напр., при периодич. нагреве газа в нём возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорц. поглощённой световой энергии. Меняя длину волны падающего света, можно получить фотоакустич. спектр вещества - полный аналог спектра поглощения, измеряемого обычными методами. Достоинство фотоакустич. спектроскопии в высокой чувствительности метода, позволяющего получать спектры оптич. 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, к-рая действительно поглощается веществом, а рассеянное излучение никакого вклада не даёт. Это позволяет исследовать спектры поглощения образцов с плохим качеством поверхности: порошков, рыхлых, пористых материалов, биол. объектов.

Акустооптические устройства. На основе эффектов дифракции и рефракции света на УЗ создаются активные оптич. элементы, позволяющие управлять всеми параметрами светового луча, а также обрабатывать информацию, носителем к-рой являются как световая, так и звуковая волны. Основу таких устройств составляет акустооптич. ячейка (АОЯ), состоящая из рабочего тела (твердотельного образца или кюветы с жидкостью), в объёме к-рого происходит взаимодействие света с УЗ-волной, и излучателя УЗ (обычно пьезоэлектрического преобразователя). В зависимости от назначения имеется неск. типов акустооптич. приборов: дефлекторы, модуляторы, фильтры, процессоры и др.

Акустооптич. дефлекторы и сканеры - устройства для управления направлением светового луча в пространстве. Сканеры предназначаются для непрерывной развёртки луча; в дефлекторе имеется набор фиксированных направлений, по к-рым должен отклоняться световой луч.

В дифракц. дефлекторе (рис. 1) луч света падает на АОЯ, в к-рой возбуждается звуковая волна частоты f и в результате брэгговской дифракции частично отклоняется.

Рис. 1. Схема акустооптического дефлектора. 1 - акустооптическая ячейка; 2 - излучатель ультразвука; 3 - фотоприёмное устройство;

- максимальное угловое перемещение луча.

При изменении f меняется и угол отклонения дифрагированного луча и луч перемещается по экрану фотоприёмного 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: макс. угл. перемещение луча дифрагированного света

и разрешающую способность N, т. е. число различимых положений светового луча в пределах

. Разрешающая способность определяется величиной

и угл. расходимостью

светового пучка:

, где d - поперечный размер светового пучка. Важной характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность дифракции

- отношение интенсивности I₁отклонённого света к интенсивности I₀ падающего. В простейшем случае условия Брэгга выполняются благодаря расходимости акустич. пучка. Расходящийся пучок можно рассматривать как совокупность плоских волн, волновые векторы к-рых лежат внутри угл. интервала

. Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для к-рой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f этому условию удовлетворяет уже др. компонента пучка. При использовании изотропного материала в качестве рабочего тела АОЯ

, где D - поперечный размер звукового пучка,

- длина волны звука. В соответствии с этим полоса пропускания

и разрешающая способность N оказываются пропорциональными расходимости акустич. пучка:

Для дефлектора с высокой разрешающей способностью требуется значит. расходимость звукового пучка, а следовательно, его миним. ширина D. Уменьшение эффективности

, вызванное уменьшением длины акустооптич. взаимодействия, компенсируют увеличением вводимой акустич. мощности. Однако с увеличением N падает эффективность использования этой мощности, т. к. на дифракцию света расходуется лишь 1/N её часть.

Применение в АОЯ двулучепреломляющих материалов позволяет существенно улучшить характеристики дефлекторов. С этой целью используется анизотропная дифракция света вблизи миним. значения угла Брэгга

. При падении света на звуковой пучок под углом

небольшая расходимость звукового пучка обеспечивает выполнение условия Брэгга для достаточно широкого диапазона акустич. частот, а следовательно, и значит. интервал углов отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустич. пучком, что снижает акустич. мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции

, и даёт значит. выигрыш в разрешении по сравнению с дефлекторами, в к-рых используются изотропные материалы. Однако рабочие частоты таких приборов лежат обычно в гигагерцевом диапазоне.

Управлять дифрагированным лучом можно используя т. н. фазированную решётку излучателей - ступенчатую систему сдвинутых по фазе преобразователей, параметры к-рой подбираются таким образом, чтобы фронт волны, отвечающей центр. частоте полосы пропускания, был параллелен плоскости отд. преобразователя, а при изменении частот фронт поворачивался бы так, чтобы компенсировать соответствующее приращение угла Брэгга. Этот способ возбуждения звука позволяет в неск. раз увеличить полосу пропускания и разрешающую способность дефлекторов.

Существуют акустооптич. дефлекторы, осуществляющие двухкоординатное отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, к-рые могут быть совмещены в одной акустооптич. ячейке, если в ней возбуждаются акустич. волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Совр. дефлекторы позволяют получать 10³-10⁴ разрешимых элементов со временем перехода от одного элемента к другому порядка 10^-6-10^-7 с. Доля отклонённого света достигает неск. десятков процентов при потребляемой акустич. мощности 0,1 - 1 Вт.

В устройствах, основанных на акустооптич. рефракции, отклонение светового луча осуществляется в результате искривления его пути при прохождении через среду, в к-рой стоячей или бегущей звуковой волной создаётся неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы (

МГц), осуществляющие развёртку светового пучка по синусоидальному закону. Кпд рефракц. устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключённой в объёме АОЯ, расходуется на отклонение светового луча.

Акустооптич. модуляторы - приборы, управляющие интенсивностью световых пучков на основе перераспределения световой энергии между проходящим и дифрагированным светом. Обычно используется модуляция дифрагированного света, т. к. 100%-ная модуляция проходящего излучения требует значит. акустич. мощностей. Акустооптич. модулятор представляет собой АОЯ, в к-рой распространяется амплитудно-модулир. звуковая волна. Падающий на АОЯ свет частично дифрагирует, и отклонённый луч принимается фотоприёмным устройством. В модуляторах используется как брэгговская дифракция, так и дифракция Рамаяа - Ната. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и оказывается ~ 10^-8-10^-7 с. Акустооптич. модуляторы при макс. простоте конструкций позволяют осуществлять такие сложные операции, как параллельная обработка информации в акустооптич. процессорах.

Акустооптич. фильтры - устройства, позволяющие выделить из широкого спектра оптич. излучения достаточно узкий интервал длин световых волн, удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту звука, можно выделяемый интервал перемещать по оптич. спектру в широких пределах.

Как правило, в акустооптич. фильтрах используется анизотропная дифракция в двулучепреломляю-щих кристаллах (рис. 2). На АОЯ 1 падает плоскополяризованный свет, степень поляризации к-рого контролируется поляризатором 2. В АОЯ в результате анизотропной брэгговской дифракции в узком спектральном интервале возникает оптич. излучение другой поляризации. Наличие его определяется анализатором 3. Монохроматич. звук создаётся электроакустич. преобразователем 4. Эффективность фильтров увеличивается с ростом длины взаимодействия света со звуком

, поэтому в них используется, как правило, коллинеарная дифракция, при к-рой направления распространения света и звука совпадают (рис. 2, а), хотя известны акустооптич. фильтры и с неколли-неарными взаимодействиями (рис. 2, б). Ширина полосы пропускания фильтра

(где

- длина волны света в вакууме) определяется спектральной шириной излучения, возникающего в результате брэгговской дифракции. Для коллинеарной дифракции

где n₀ - показатель преломления падающего света, n₁ - дифрагированного. В реальных устройствах ширина полосы пропускания зависит, кроме того, от расходимости как светового, так и акустич. пучков и спектрального состава акустич. сигнала. Величина

существенно зависит от выбора участка эл--магн. спектра; в видимом диапазоне для совр. акустооптич. фильтров она не превышает неск.

. Эффективности имеющихся фильтров составляют 50-100% при интенсивности звука I_ак ~ 1 Вт/см² и

~ неск. см. Диапазон оптич. перестройки определяется шириной полосы частот электроакустич. преобразователя и частотной зависимостью поглощения УЗ. Как правило, он достаточен для перекрытия всего оптич. диапазона.

Акустооптич. устройства используются как для внеш. управления световым лучом, так и для управления процессом генерации и параметрами когерентного излучения внутри оптич. квантового генератора. Помещённая внутри оптич. резонатора АОЯ модулирует его добротность и отклоняет лазерный луч для вывода его из резонатора. Использование акустооптич. фильтров в лазерах с широким спектром генерации позволяет получать узкие линии излучения, перестраиваемые внутри диапазона генерации изменением акустич. частоты. Введение акустич. волны непосредственно в активную среду позволяет осуществлять распределённую обратную связь, при к-рой переотражения светового излучения возникают в результате дифракции его на УЗ-волне. Распределённая обратная связь обеспечивает высокую спектральную селективность и позволяет управлять интенсивностью генерир. света, меняя эффективность обратной связи за счёт изменения амплитуды звуковой волны.

Акустооптич. процессоры. Акустооптич. приборы, рассмотренные выше, служат основой для создания устройств обработки СВЧ-сигналов - т. н. процессоров, к-рые, в отличие от цифровых вычислит. машин, позволяют производить обработку информации в реальном масштабе времени. В акустооптич. процессоре переменный во времени электрич. сигнал преобразуется электроакустич. преобразователем в УЗ-волну, к-рая, распространяясь в АОЯ, создаёт пространственное звуковое изображение сигнала.

Рис. 2. Схемы акустооптических фильтров на основе коллинеарной (а) и неколлинеарной (б) дифракций.

При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптич. изображение сигнала, к-рое затем обрабатывается с помощью разл. оптич. элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путём одноврем. считывания всей запасённой в звуковом импульсе информации. Акусто-оптич. процессоры осуществляют быстрое, в реальном масштабе времени, фуръе-разложение СВЧ-сигнала, частотную фильтрацию сигнала, нахождение функции корреляции исследуемого сигнала с заданным и др. операции.

Действие процессоров, предназначенных для анализа спектра или частотной фильтрации СВЧ-сигнала, основано на преобразовании частстного спектра звукового сигнала в угл. спектр дифрагированного света. По угл. распределению его интенсивности можно получить спектральную характеристику СВЧ-сигнала. Помещая на пути световых лучей оптич. транспаранты с переменной прозрачностью, изменяют угл. распределение интенсивности дифрагированного света и тем самым получают на выходе фотоприёмного устройства фильтрованный электрич. сигнал.

В процессоре для фурье-разложения сигнала с использованием дифракции Рамана - Ната (рис. 3) монохроматич. свет падает на АОЯ 1, в к-рой распространяется звуковой сигнал, являющийся пространственным изображением электрич. сигнала S (t)на входе АОЯ.

Рис. 3. Акустооптический анализатор спектра, работающий в режиме дифракции Рамана - Ната.

В результате в фокальной плоскости аа' линзы 2 возникает распределение интенсивности света I, к-рое как функция расстояния х до оси линзы определяется спектральной характеристикой

вводимого сигнала:

где

-фуръе-образ СВЧ-сигнала S(t), k - волновое число световой волны, F - фокусное расстояние линзы 2. Распределение фототока, измеренное фотодетектором 4 в плоскости

, даёт спектральное распределение входного сигнала S(t). Структурная схема процессоров, использующих брэгговскую дифракцию, отличается только способом ввода светового пучка в АОЯ. Поскольку при дифракции Брэгга угол падения светового луча строго задан, то для осуществления дифракции на всех частотах, входящих в спектр звукового сигнала, необходимо освещение АОЯ расходящимся световым пучком.

Рис. 4. Процессоры для сжатия импульсного сигнала с линейной частотной модуляцией на основе изотропной брэгговской дифракции: 1 - акустооптическая ячейка, 2 - фотодетектор.

Акустооптич. процессоры используются для сжатия радиоимпульса с линейной частотной модуляцией (рис. 4). Такой сигнал создаёт в АОЯ акустич. волну, длина к-рой меняется вдоль направления распространения, поэтому при дифракции Брэгга углы отклонения света на разл. участках звукового импульса будут различны. Сжатие импульса обусловлено тем, что световые лучи, отклоняемые отд. участками звукового импульса, попадают на фотодетектор одновременно.

Акустооптич. коррелятор предназначен для нахождения функции корреляции двух сигналов - исследуемого S (t) и опорного r(t):

Действие коррелятора основано на оптич. перемножении изображений этих сигналов. Свет в акустооп-тич. модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S (t), формирует оптич. изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание к-рого меняется по закону r(х)и собирается на фотоприёмном устройстве, на выходе к-рого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции

. В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптич. модулятор, в к-ром УЗ-волны модулируются сигналом r(t). В акустооптич. корреляторах используется как дифракция Рамана - Ната, так и брэгговская дифракция (рис. 5). Если в модуляторах 1 и 1' распространяются одинаковые акустич. сигналы, то световые лучи, прошедшие через них, будут параллельны падающему лучу. Свет фокусируется линзой 2 на фотодетекторе 3, сигнал с к-рого в этом случае будет максимальным.

Если же сигналы S и r неодинаковы, то сигнал на выходе фотодетектора будет пропорционален функции взаимной корреляции.

Процессоры на основе разл. акустооптич. устройств могут работать в широком диапазоне частот, вплоть до 10 ГГц. Они применяются в разл. системах обработки информации, особенно там, где имеются ограничения по габаритам, весу и энергопотреблению аппаратуры.

Акустооптическое взаимодействие в оптических волноводах. В оптич. волноводах, представляющих собой тонкий слой прозрачного материала на поверхности подложки (т. н. планарные волноводы), возникает взаимодействие оптич. волноводных мод с поверхностными акустическими волнами (ПАВ), обычно рэлеев-скими. В результате появляется свет, распространяющийся вдоль плоскости волновода, но отклонённый от своего первоначального направления. Для эфф. дифракции необходимо, чтобы в плоскости волновода световые лучи падали на пучок ПАВ под соответствующим брэгговским углом. Поскольку даже в изотропной волноводной системе скорости распространения разных оптич. мод отличны друг от друга, то при разл. углах падения светового пучка возможна как дифракция света без изменения номера моды, аналогичная обычной брэгговской дифракции, так и дифракция, при к-рой падающий и дифрагированный свет принадлежит к разным полноводным модам.

В последнем случае законы дифракции аналогичны закономерностям анизотропной дифракции, возникающей при взаимодействии объёмных волн в двулучепреломляющей среде. В волноводных системах распределение как эл--магн. полей для оптич. моды, так и поля деформации в ПАВ неоднородно в поперечном сечении волновода. Эффективность акустооптич. дифракции в оптич. волноводе сильно зависит от степени перекрытия этих полей. Она максимальна, когда глубины проникновения света и звука в волноводный слон одного порядка. Толщина волновода подбирается так, чтобы число мод, распространяющихся в нём, было невелико. Эти условия определяют толщины световода порядка 1-3 мкм и оптимальные частоты ПАВ - в диапазоне 300-800 МГц.

Акустооптич. дифракция в пленарных структурах используется для создания поверхностных аналогов акустооптич. устройств на объёмных волнах, описанных выше. Световодные акустооптич. устройства, наряду с прочими достоинствами планерной технологии, позволяют существенно уменьшать подводимые к акустооптич. ячейке управляющие мощности, поскольку энергия в поверхностной волне сосредоточивается в тонком приповерхностном слое. Создавая излучатели ПАВ спец. формы, можно получать аку-стич. поля, позволяющие значительно улучшить характеристики пленарных акустооптич. устройств.

Возможно также воздействие акустич. волны на распространение света в волоконных световодах, представляющих собой волокно из прозрачного материала с неоднородным распределением показателя преломления по его сечению. Звуковая волна модулирует амплитуду и фазу световой волны. Изменение фазы происходит как из-за изменения показателя преломления в результате упругооптич. эффекта, так и вследствие изменения длины и диаметра волновода под действием механич. напряжений в звуковой волне. Изменение амплитуды световой волны также обусловлено механич. напряжениями, приводящими к искажению профиля показателя преломления и утечке части светового излучения из волновода. Возможна также амплитудная модуляция излучения в световоде в результате брэгговской дифракции на высокочастотной УЗ-волне, к-рая распространяется перпендикулярно оси волновода.

Фазовая модуляция в волоконных световодах применяется в волоконных линиях связи для ввода информации в световод. На акустооптич. взаимодействии основано также применение волоконных световодов в качестве приёмников звука. В погружённом в жидкость световоде под воздействием распространяющейся в ней звуковой волны происходит модуляция фазы светового излучения. Величина модуляции, пропорциональная звуковому давлению, регистрируется на выходе из световода фотоприёмником. Поскольку величина модуляции определяется также длиной акустич. воздействия, то использование длинных световодов позволяет создавать высокочувствит. приёмники акустич. колебаний.

Литература по акустооптике

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.