Акустооптические системы с обратными связями:

· системы стабилизации оптических и электрических параметров (например, системы стабилизации интенсивности оптического пучка);

· электронно-акустооптические генераторы — автоколебательные системы, содержащие в качестве основного нелинейного элемента акустооптическое устройство; позволяют получать согласованные автоколебания электрических, акустических и оптических величин, включая регулярные и стохастические колебательные режимы;

· бистабильные и мультистабильные системы — акустооптические системы, характеризующиеся двумя или несколькими стабильными состояниями, между которыми возможно переключение при определенном внешнем воздействии; такие системы можно рассматривать как оптические аналоги электронных триггеров.

Смежные с акустооптикой разделы

Следует заметить, что зачастую акустооптику и оптоакустику рассматривают как отдельные дисциплины.

Современная акустооптика тесно связана не только со своими «материнскими» разделами физики — с акустикой и оптикой, но и с кристаллофизикой (активно исследуется акустооптическое взаимодействие в кристаллах), а также с прикладными дисциплинами, такими как оптоэлектроника и радиофизика.

В то время как в акустооптических приборах происходит преобразование акустических сигналов в оптические (а в фотоакустических системах оптические сигналы преобразуются в акустические), в акустоэлектронике изучаются системы со взаимным преобразованием акустических и электрических сигналов.

Родственной по отношению к акустооптике областью является лазерная виброметрия, рассматривающая методы оптического зондирования колеблющихся (вибрирующих) тел. Эффект фотоупругости, обеспечивающий акустооптическую дифракцию и рефракцию, лежит также в основе поляризационно-оптического метода исследования статических деформаций материалов.

Акустооптика изучает взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми в твердых телах и жидкостях. На основе этих явлений в технике создаются различные приборы.

Взаимодействие света со звуком широко используется в оптике, электронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптические устройства (дефлекторы, сканеры, модуляторы, фильтры и др.) позволяют управлять амплитудой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча. Акустооптические приборы отличаются универсальностью, быстродействием, простотой конструкции, кроме того, позволяют вести обработку информации в реальном масштабе времени.

Работа подавляющего большинства акустооптических устройств основана на явлении дифракции света на ультразвуке. Поскольку угол отклонения дифрагированного света определяется длиной звуковой волны, им можно управлять, изменяя частоту вводимого звука. Этот принцип управления направлением светового луча в пространстве положен в основу работы акустооптических дефлекторов и сканеров, предназначенных для отклонения луча в заданном направлении и для непрерывной развёртки луча.

Распределение энергии между основным лучом и дифрагированным регулируется изменением интенсивности звука. Этот эффект используется в акустических модуляторах, управляющих интенсивностью световых пучков.

На периодической структуре, создаваемой монохроматической звуковой волной, эффективно дифрагирует свет лишь определенной длины волны. Это позволяет выделить из спектра падающего оптического излучения узкий спектральный интервал. С изменением частоты звука меняется в широких пределах и длина волны дифрагированного света. На этом явлении основывается работа быстродействующих перестраиваемых акустооптических фильтров светового излучения.

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.

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 L 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 (рассеяние Мандельштама - Бриллюэна). 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 всё 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 – так называемые 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 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 даёт возможность измерять локальные характеристики УЗ-полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения. Анализ эффективности дифракции в реальных точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптических эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удаётся 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.

Акустооптическая дифракция позволяет также измерять многие параметры вещества: скорость и коэффициент поглощения звука, модули упругости 2-го, 3-го и более высоких порядков, упругооптические 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 различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости . Коэффициент 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, 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 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 нём возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорциональной поглощённой 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 даёт. 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 объёме которого происходит взаимодействие света с УЗ-волной, и излучателя УЗ (обычно пьезоэлектрического преобразователя). В зависимости от назначения имеется нескольких 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 развёртки 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.

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 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 другие 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 отклонённого света к интенсивности I0 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 . Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для которой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f этому условию удовлетворяет уже другая 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 акустического пучка:

Для дефлектора с высокой разрешающей способностью требуется значительная расходимость звукового пучка, а следовательно, его минимальная ширина D. Уменьшение эффективности , вызванное уменьшением длины акустооптического взаимодействия, компенсируют увеличением вводимой акустической 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 минимального значения угла Брэгга . При падении света на звуковой пучок под углом небольшая расходимость звукового пучка обеспечивает выполнение условия Брэгга для достаточно широкого диапазона акустических частот, а следовательно, и значительный интервал углового отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустическим пучком, что снижает акустическую мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции , и даёт значительный выигрыш в разрешении по сравнению с дефлекторами, в которых 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 которой подбираются таким образом, чтобы фронт волны, отвечающей центральной частоте полосы пропускания, был параллелен плоскости отдельного преобразователя, а при изменении частот фронт поворачивался бы так, чтобы компенсировать соответствующее приращение угла Брэгга. Этот способ возбуждения звука позволяет в несколько раз увеличить полосу пропускания и разрешающую способность дефлекторов.

Существуют акустооптические дефлекторы, осуществляющие двухкоординатное отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, которые могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке, если в ней возбуждаются акустические волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Современные 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 нескольких десятков процентов при потребляемой акустической мощности 0,1 - 1 Вт.

В устройствах, основанных на акустооптической рефракции, отклонение светового луча осуществляется в результате искривления его пути при прохождении через среду, в которой стоячей или бегущей звуковой волной создаётся неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы ( МГц), осуществляющие развёртку светового пучка по синусоидальному закону. КПД рефракционных устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключённой в объёме АОЯ, расходуется на отклонение светового луча.

Акустооптические 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 значительной акустической мощностей. Акустооптический модулятор представляет собой АОЯ, в которой распространяется амплитудно-модулированная звуковая волна. Падающий на АОЯ свет частично дифрагирует, и отклонённый луч принимается фотоприёмным устройством. В модуляторах используется как брэгговская дифракция, так и дифракция Рамана - Ната. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и оказывается ~ 10-8-10-7 с. Акустооптические модуляторы при максимальной простоте конструкций позволяют осуществлять такие сложные операции, как параллельная обработка информации в акустооптических процессорах.

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

Как правило, в акустооптических фильтрах используется анизотропная дифракция в двулучепреломляющих кристаллах (рис. 2). На АОЯ 1 падает плоскополяризованный свет, степень поляризации которого контролируется поляризатором 2. В АОЯ в результате анизотропной брэгговской дифракции в узком спектральном интервале возникает оптическое излучение другой поляризации. Наличие его определяется анализатором 3. Монохроматический звук создаётся электроакустическим преобразователем 4. Эффективность фильтров увеличивается с ростом длины взаимодействия света со звуком , поэтому в них используется, как правило, коллинеарная дифракция, при которой направления распространения света и звука совпадают (рис. 2, а), хотя известны акустооптические фильтры и с неколлинеарными взаимодействиями (рис. 2, б).

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

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 акустических пучков и спектрального состава акустического сигнала. Величина существенно зависит от выбора участка электромагнитного спектра; в видимом диапазоне для современных акустооптических фильтров она не превышает нескольких . Эффективности имеющихся фильтров составляют 50-100% при интенсивности звука I ~ 1 Вт/см 2. Диапазон оптической перестройки определяется шириной полосы частот электроакустического преобразователя и частотной зависимостью поглощения УЗ. Как правило, он достаточен для перекрытия всего оптического диапазона.

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

Акустооптические процессоры. Акустооптические приборы, рассмотренные выше, служат основой для создания устройств обработки СВЧ-сигналов - т. н. процессоров, которые, в отличие от цифровых вычислительных машин, позволяют производить обработку информации в реальном масштабе времени. В акустооптическом процессоре переменный во времени электрический сигнал преобразуется электроакустическим преобразователем в УЗ-волну, которая, распространяясь в АОЯ, создаёт пространственное звуковое изображение сигнала.

При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптическое изображение сигнала, которое затем обрабатывается с помощью различных оптических элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путём одновременного считывания всей запасённой в звуковом импульсе информации. Акустооптические процессоры осуществляют быстрое, в реальном масштабе времени, фурье-разложение СВЧ-сигнала, частотную фильтрацию сигнала, нахождение функции корреляции исследуемого сигнала с заданным и другие операции.

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

В процессоре для фурье-разложения сигнала с использованием дифракции Рамана - Ната (рис. 3) монохроматический свет падает на АОЯ 1, в которой распространяется звуковой сигнал, являющийся пространственным изображением электрического 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, которое как функция расстояния х до оси линзы определяется спектральной характеристикой вводимого сигнала:

где - фурье-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.

Акустооптические процессоры используются для сжатия сигнала с линейной частотной модуляцией (рис. 4). Такой сигнал создаёт в АОЯ акустическую волну, длина которой меняется вдоль направления распространения, поэтому при дифракции Брэгга углы отклонения света на различных участках звукового импульса будут различны. Сжатие импульса обусловлено тем, что световые лучи, отклоняемые отдельными участками звукового импульса, попадают на фотодетектор одновременно.

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

Действие коррелятора основано на оптическом перемножении изображений этих сигналов. Свет в акустооптическом модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S (t), формирует оптическое изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание которого меняется по закону r(х )и собирается на фотоприёмном устройстве, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции . В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптический модулятор, в котором УЗ-волны модулируются сигналом r(t). В акустооптических корреляторах используется как дифракция Рамана - Ната, так и брэгговская дифракция (рис. 5). Если в модуляторах 1 и 1' распространяются одинаковые акустические сигналы, то световые лучи, прошедшие через них, будут параллельны падающему лучу. Свет фокусируется линзой 2 на фотодетекторе 3, сигнал с которого в этом случае будет максимальным.

Рис. 5. Акустооптический коррелятор.

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

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

Акустооптическое взаимодействие в оптических волноводах

В оптических волноводах, представляющих собой тонкий слой прозрачного материала на поверхности подложки (т. н. планарные волноводы), возникает взаимодействие оптических волноводных мод с поверхностными акустическими волнами (ПАВ), обычно рэлеевскими. В результате появляется свет, распространяющийся вдоль плоскости волновода, но отклонённый от своего первоначального направления. Для эффективной 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 оптических мод отличны друг от друга, то при различных углах падения светового пучка возможна как дифракция света без изменения номера моды, аналогичная обычной брэгговской дифракции, так и дифракция, при которой 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 электромагнитных полей для оптической моды, так и поля деформации в ПАВ неоднородно в поперечном сечении волновода. Эффективность акустооптической дифракции в оптическом волноводе сильно зависит от степени перекрытия этих полей. Она максимальна, когда глубины проникновения света и звука в волноводный слой 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.

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

Возможно также воздействие акустической 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 упругооптического эффекта, так и вследствие изменения длины и диаметра волновода под действием механических напряжений в звуковой волне. Изменение амплитуды световой волны также обусловлено механическими 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, которая распространяется перпендикулярно оси волновода.

Фазовая модуляция в волоконных световодах применяется в волоконных линиях связи для ввода информации в световод. На акустооптическом 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 акустического воздействия, то использование длинных световодов позволяет создавать высокочувствительные приёмники акустических колебаний.

Устройство и общие принципы работы акустооптических управляющих элементов

Суперпозиция, а также взаимодействие света со звуком широко используются в современной оптике, оптоэлектронике, лазерной технике. Например, путем воздействия на когерентное световое излучение акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением излучения.

Такие приборы отличаются универсальностью, быстродействием, простотой конструкции, позволяют вести параллельную обработку информации в реальном масштабе времени.

Принцип работы устройств данного типа основан на использовании явления дифракции света на ультразвуке. Так как угол отклонения дифрагированного света определяется длиной волны, то им можно управлять, изменяя частоту звука. Этот принцип управления световым лучом положен в основу работы акустооптических дефлекторов, сканеров. Это устройства, используемые для управления направлением светового луча в пространстве на основе явления акустооптической дифракции и рефракции. Сканеры предназначены для непрерывной развертки луча, в дефлекторе имеется набор фиксированных направлений распространения луча.

Распределение энергии между основным лучом и дифрагированным регулируется изменением интенсивности звука. На периодической структуре, создаваемой монохроматической звуковой волной, эффективно дифрагирует свет определенной длины волны. Такая избирательность позволяет выделить из спектра излучения узкий спектральный интервал. На этом явлении основывается работа быстродействующих акустооптических устройств, осуществляющих управляемую фильтрацию светового сигнала.

Картина взаимодействия оптического излучения со звуковыми волнами зависит от интенсивности звука и света. Если плотность потока световой энергии относительно невелика, то воздействием света на среду, в которой распространяется звук, можно пренебречь. Тогда взаимодействие света со звуком сводится, в зависимости от соотношения размеров светового луча и длины волны звука, к явлениям дифракции и рефракции.

Акустооптическая рефракция - это изменение хода световых лучей в неоднородно деформированной среде. Возникает в том случае, когда поперечный размер светового пучка значительно меньше длины звуковой волны. В результате световые лучи отклоняются от своего первоначального направления. В случае бегущей звуковой волны угол отклонения изменяется во времени и в функции координаты, что позволяет производить сканирование пространства световым лучом.

Брэгговская дифракция (на высоких частотах электромагнитных волн) и дифракция Рамана – Ната (на низких частотах)широко используются в технике, например, при проведении физических исследований свойств материалов. Акустооптическая дифракция позволяет измерять многие параметры материалов: скорость и поглощение звука, модули упругости и т.п. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения, осуществляется визуализация звуковых полей.

Если интенсивность света достаточно велика по сравнению со звуковой, то возможно усиление слабых звуковых волн светом или генерация звука в результате вынужденного рассеяния Мандельштама – Бриллюэна.

Акустооптические устройства позволяют управлять параметрами светового луча, обрабатывать информацию. Они состоят из рабочей среды (твердой или жидкой), в объеме которой происходит взаимодействие света с УЗ – волной. Для этой цели широко используют пьезоэлектрические преобразователи. На их основе создают: дефлекторы, сканеры, модуляторы, фильтры, процессоры и т.п. В основе их работы лежит управление световым лучом при помощи упругих дислокаций в материале, создаваемых звуковыми полями. Акустооптические фильтры позволяют выделить из широкого спектра оптического излучения узкий интервал длин волн, удовлетворяющих условию Брэгга, при этом плоско поляризованный свет с другими длинами волн не проходит через фильтр.

Создают также функциональные устройства для обработки СВЧ сигналов (процессоры), которые в отличие цифровых вычислительных машин позволяют обрабатывать информацию в режиме реального времени. Для этого преобразуют входную информацию в звуковой сигнал, используя для этого дифракцию Рамана – Ната низкочастотных сигналов (до 100МГц). Распределение энергии между основным лучом и дифрагированным регулируется изменением интенсивности звука.

Для большинства оптических датчиков важной характеристикой является их способность изменять параметры светового излучения под действием управляющих сигналов, которая называется модуляцией света. Управляющие сигналы могут иметь различную природу: температура, химические вещества с разными коэффициентами преломления, электрические поля, механические напряжения и т.д.

Коэффициент преломления в некоторых кристаллах зависит от приложенного электрического поля. Это объясняется природой распространения лучей света внутри кристалла. Обычно допустимые направления поляризации света определяются симметрией кристалла. Приложенное к кристаллу внешнее электрическое поле, изменяя симметрию кристалла, приводит к модуляции интенсивности света. Одним из часто используемых материалов в электрооптических устройствах является ниобат лития.

На рисунке 8.8 показан электрооптический модулятор, состоящий из кристалла, расположенного между двумя поляризационными фильтрами, ориентированными под углом 90° друг к другу. Входной поляризатор ориентирован под углом 45° к оси кристалла. На поверхность кристалла прикреплены два электрода, при изменении напряжения на которых происходит изменение поляризации падающего света на втором поляризаторе, что, в свою очередь, ведет к модуляции интенсивности выходного излучения.

Подобный эффект можно наблюдать и когда кристалл подвергается воздействию механических сил, акустических волн. Но акустооптические устройства используются, в основном, в качестве оптических фазовращателей и редко как модуляторы интенсивности излучения.

Акустические волны, проходя через кристалл, вследствие эффекта фотоупругости вызывают в нем механические напряжения, линейно изменяющие его коэффициент преломления. Это приводит к отклонению выходящих оптических лучей, проходящих через кристалл. Таким образом, акустические волны создают для лучей света как бы дифракционную решетку.

Акустооптические устройства часто изготавливают из кварца и ниобата лития, которые способны работать с акустическими волнами в широком частотном диапазоне. В частотном диапазоне около 1 ГГц длина акустической волны в среде сравнима с длиной волны ИК излучения.

Рис. 8.8 Акустооптический модулятор, создающий множество лучей.

В оптоволоконной технике в качестве выходного сигнала часто используется модуляция интенсивности излучения. На рисунке показан оптический волновод, состоящий из двух каналов. Волновод изготовлен внутри подложки из ниобата лития, легированного титаном для увеличения коэффициента преломления, стандартным фотолитографическим методом. Свет попадает в волновод через полированные концы. Управляющие электроды располагаются параллельно волноводам. Напряжение, поданное на эти электроды, приводит к значительному сдвигу фаз световых волн. Коэффициент оптического пропускания такого модулятора зависит от сдвига фаз между сигналами в двух каналах, который управляется напряжением.

Когда разность фаз в двух ветвях волновода равна нулю, выходные излучения суммируются на выходе волновода. Когда сдвиг фаз равен 180°, весь свет уходит в подложку. Хорошо сконструированные модуляторы имеют высокий коэффициент контрастности.

Устройство и принцип работы СТМ

Квантово-механическая теория сверхпроводимости

Пьезокварцевые иммуносенсоры

Электронно- и ионно-стимулированные процессы на поверхности твердых тел

Вернуться в оглавление: Физические явления