Акустооптика - Acousto-optics

Акустооптики является филиалом физики , что исследования взаимодействия между звуковыми волнами и световыми волнами, в особенности дифракции от лазерного света с помощью ультразвука (или звука в целом) через ультразвуковую решетку .

Дифракционное изображение, демонстрирующее акустооптический эффект.

Вступление

У оптики очень долгая и полная история, от древней Греции до эпохи Возрождения и современности. Как и в случае с оптикой, акустика имеет такую же длительную историю, опять же, начиная с древних греков. Напротив, акустооптический эффект имеет относительно короткую историю, начиная с предсказания Бриллюэном дифракции света на акустической волне, распространяющейся в среде взаимодействия, в 1922 году. Затем это было подтверждено экспериментами в 1932 году Дебаем и Sears , а также Лукасом и Бикардом.

Частный случай дифракции первого порядка под определенным углом падения (также предсказанный Бриллюэном) наблюдался Ритоу в 1935 году. Раман и Нат (1937) разработали общую идеальную модель взаимодействия, учитывающую несколько заказы. Эта модель была разработана Фаризо (1956) для дифракции, включающей только один порядок дифракции.

Как правило, акустооптические эффекты основаны на изменении показателя преломления среды из-за присутствия в ней звуковых волн. Звуковые волны создают в материале решетку показателя преломления, и именно эту решетку «видит» световая волна. Эти изменения показателя преломления из-за флуктуаций давления могут быть обнаружены оптически по эффектам преломления, дифракции и интерференции, также можно использовать отражение.

Акустооптический эффект широко используется при измерении и изучении ультразвуковых волн. Однако все больший интерес вызывают акустооптические устройства для отклонения, модуляции , обработки сигналов и частотного сдвига световых лучей. Это связано с увеличением доступности и производительности лазеров , которые упростили акустооптический эффект для наблюдения и измерения. Технический прогресс как в выращивании кристаллов, так и в высокочастотных пьезоэлектрических преобразователях принес ценные преимущества в усовершенствовании акустооптических компонентов.

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

Акустооптический эффект

Акустооптический эффект является частным случаем фотоупругости , где есть изменение материала диэлектрической проницаемости , , из - за механической деформации . Фотоупругость - это изменение коэффициентов оптической индикатрисы, вызванное деформацией, определяемой выражением, ${\ displaystyle \ varepsilon}$ ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle B_ {i}}$ ${\ displaystyle a_ {j}}$

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

где это фотоэластический тензор с компонентами, , = 1,2, ..., 6. ${\ displaystyle p_ {ij}}$ ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle j}$

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

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

где - невозмущенный показатель преломления, - угловая частота , - волновое число акустической волны, - амплитуда изменения показателя преломления, создаваемого акустической волной, и задается как, ${\ displaystyle n_ {0}}$ ${\ displaystyle \ Omega}$ ${\ displaystyle K}$ ${\ displaystyle \ Delta n}$

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

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

{\ Displaystyle (4) \ \ Lambda \ sin (\ theta _ {m}) = м \ лямбда, \,}

где - длина волны оптической волны, - длина волны акустической волны и - максимум целого порядка. ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle \ Lambda}$ ${\ displaystyle m}$

Свет, дифрагированный акустической волной одной частоты, дает два различных типа дифракции. Эти Раманы-Нат и брэгговская дифракция .

Рамана-Ната дифракция наблюдается при относительно низких акустических частотах, обычно менее 10 МГц, и при небольшой длине акустооптического взаимодействия, которая обычно составляет менее 1 см. Этот тип дифракции возникает при произвольном угле падения . ${\ displaystyle \ theta _ {0}}$

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. Тем не менее, даже эти два максимума появляется только при определенном угле падения близко к углу Брэгга . Максимум первого порядка или максимум Брэгга формируется за счет избирательного отражения света от волновых фронтов ультразвуковой волны. Угол Брэгга определяется выражением, ${\ displaystyle \ theta _ {B}}$

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

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

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

который известен как параметр Клейна – Кука. Поскольку, как правило, в акустооптических устройствах используется только дифракционный максимум первого порядка, брэгговская дифракция предпочтительнее из-за меньших оптических потерь. Однако акустооптические требования к брэгговской дифракции ограничивают частотный диапазон акустооптического взаимодействия. Как следствие, скорость работы акустооптических устройств также ограничена.

Акустооптические устройства

Мы обсудим три категории акустооптических устройств. В их состав входят акустооптический модулятор, настраиваемый фильтр и дефлектор.

Акустооптический модулятор

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

Простой метод модуляции оптического луча, проходящего через акустооптическое устройство, заключается в включении и выключении акустического поля. Когда световой луч выключен, 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 длину (частоту) акустической волны и изменяя мощность возбуждения для изменения количества света в отклоненном луче.

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

Акустооптический перестраиваемый фильтр

Принцип работы акустооптических перестраиваемых фильтров основан на зависимости длины волны дифрагированного света от акустической частоты. Регулируя частоту акустической волны, желаемая длина оптической волны может быть дифрагирована акустооптически.

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

Поляризация падающего света может быть обычной или необычной. Для определения мы предполагаем обычную поляризацию. Здесь используется следующий список символов,

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

${\ displaystyle \ gamma}$ : угол клина между входной и выходной гранями фильтрующей ячейки (угол клина необходим для устранения углового смещения дифрагированного пучка, вызванного изменением частоты);

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

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

${\ displaystyle \ beta}$ : угол между отклоненным и неотраженным светом на центральной частоте;

${\ displaystyle \ ell}$ : длина преобразователя.

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

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

{\ displaystyle (8) \ f_ {i} (\ varphi) = {\ frac {\ nu} {\ lambda}} \ left [п _ {\ varphi} \ cos (\ varphi + \ alpha) \ pm {\ sqrt {п_ {0} ^ {2} -n _ {\ varphi} ^ {2} (\ varphi) \ sin ^ {2} (\ varphi + \ alpha)}} \ right]}

Показатели преломления обыкновенного ( ) и необыкновенного ( ) поляризованных пучков определяются с учетом их дисперсионной зависимости. ${\ displaystyle n_ {0}}$ ${\ displaystyle n_ {e}}$

Скорость звука зависит от угла α, так что, ${\ displaystyle v}$

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

${\ displaystyle v_ {110}}$ и - скорости звука по осям [110] и [001], последовательно. Величина определяется углами и , ${\ displaystyle v_ {001}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {1}}$ ${\ displaystyle \ varphi}$ ${\ displaystyle \ alpha}$

{\ Displaystyle (10) \ \ альфа _ {\ ell} = \ varphi + \ альфа}

Угол между дифрагированными и недифрагированными лучами определяет поле обзора фильтра; его можно рассчитать по формуле, ${\ displaystyle \ beta}$

{\ displaystyle (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 длины волны. Если оптическая конструкция обеспечивает соответствующий блок пучка для нерассеянного света, то два луча (изображения) формируются в оптической полосе пропускания, которая почти эквивалентна для обоих ортогонально линейно поляризованных выходных лучей (различающихся параметрами стоксова и антистоксова рассеяния). Из-за дисперсии эти лучи немного перемещаются со сканирующей радиочастотной частотой.

Акустооптические дефлекторы

Акустооптический дефлектор пространственно управляет оптическим лучом. При работе акустооптического дефлектора мощность, приводящая в действие акустический преобразователь, сохраняется на постоянном уровне, в то время как акустическая частота изменяется для отклонения луча в различные угловые положения. Акустооптический дефлектор использует угол дифракции, зависящий от акустической частоты, где изменение угла в зависимости от изменения частоты выражается как, ${\ displaystyle \ Delta \ theta _ {d}}$ ${\ displaystyle \ Delta f}$

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

где - длина оптической волны луча, - скорость акустической волны. ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle \ nu}$

Технология AOD осуществила конденсацию Бозе – Эйнштейна, за которую Нобелевская премия по физике 2001 г. была присуждена Эрику А. Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману. Еще одно применение акустико-оптического отклонения - оптический захват небольших молекул.

AOD по сути такие же, как акустооптические модуляторы (AOM). В AOM модулируется только амплитуда звуковой волны (для модуляции интенсивности дифрагированного лазерного луча), тогда как в AOD регулируются как амплитуда, так и частота, что делает технические требования для AOD более жесткими, чем для AOM.

Материалы

Все материалы обладают акустооптическим эффектом. Плавленый кварц используется в качестве эталона для сравнения при измерении коэффициентов фотоупругости. Ниобат лития часто используется в высокочастотных устройствах. Более мягкие материалы, такие как трисульфид мышьяка , диоксид теллура и теллуритовые 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.

Languages

In other projects