загрузка...
загрузка...
На головну

Акустооптіческіе системи з зворотними зв'язками:

«== Попередня стаття |

· системи стабілізації оптичних і електричних параметрів (Наприклад, системи стабілізації інтенсивності оптичного пучка);

· електронно-акустооптичні генератори - Автоколивальні системи, що містять в якості основного нелінійного елемента акустооптичні пристрій; дозволяють отримувати узгоджені автоколивання електричних, акустичних і оптичних величин, включаючи регулярні та стохастичні коливальні режими;

· бістабільні і мультістабільние системи - Акустооптичні системи, що характеризуються двома або кількома стабільними станами, між якими можливе перемикання при певному зовнішньому впливі; такі системи можна розглядати як оптичні аналоги електронних тригерів.

Суміжні з акустооптика розділи

Слід зауважити, що найчастіше акустооптика і оптоакустіку розглядають як окремі дисципліни.

Сучасна акустооптика тісно пов'язана не тільки зі своїми «материнськими» розділами фізики - з акустикою і оптикою, але і з кристалофізики (активно досліджується акустооптичні взаємодія в кристалах), а також з прикладними дисциплінами, такими як оптоелектроніка та радіофізика.

У той час як в акустооптичних приладах відбувається перетворення акустичних сигналів в оптичні (а в фотоакустичний системах оптичні сигнали перетворяться в акустичні), в акустоелектроніці вивчаються системи зі взаємним перетворенням акустичних і електричних сигналів.

Спорідненої по відношенню до акустооптиці областю є лазерна віброметр, яка розглядає методи оптичного зондування вагається (вібруючих) тел. Ефект фотоупругості, що забезпечує акустооптичні дифракцию і рефракцію, лежить також в основі поляризаційно-оптичного методу дослідження статичних деформацій матеріалів.

Акустооптика вивчає взаємодію електромагнітних хвиль зі звуковими в твердих тілах і рідинах. На основі цих явищ в техніці створюються різні прилади.

Взаємодія світла зі звуком широко використовується в оптиці, електроніці, лазерної техніки для управління когерентним світловим випромінюванням. Акустооптіческіе пристрої (дефлектори, сканери, модулятори, фільтри і ін.) Дозволяють управляти амплітудою, поляризацією, спектральним складом світлового сигналу і напрямом поширення світлового променя. Акустооптіческіе прилади відрізняються універсальністю, швидкодією, простотою конструкції, крім того, дозволяють вести обробку інформації в реальному масштабі часу.

Робота переважної більшості акустооптичних пристроїв заснована на явищі дифракції світла на ультразвуку. Оскільки кут відхилення діфрагованого світла визначається довжиною звукової хвилі, їм можна управляти, змінюючи частоту вводиться звуку. Цей принцип керування напрямком світлового променя в просторі покладено в основу роботи акустооптичних дефлекторів і сканерів, призначених для відхилення променя в заданому напрямку і для безперервної розгортки променя.

Розподіл енергії між основним променем і дифрагованим регулюється зміною інтенсивності звуку. Цей ефект використовується в акустичних модуляторах, керуючих інтенсивністю світлових пучків.

На періодичної структурі, створюваної монохроматичної звуковою хвилею, ефективно дифрагує світло лише певної довжини хвилі. Це дозволяє виділити з спектра падаючого оптичного випромінювання вузький спектральний інтервал. Зі зміною частоти звуку змінюється в широких межах і довжина хвилі діфрагованого світла. На цьому явищі грунтується робота швидкодіючих перебудовуються акустооптичних фільтрів світлового випромінювання.

Акустооптика - прикордонна область між фізикою і технікою, в якій вивчається взаємодія електромагнітних хвиль зі звуковими і розробляються основи застосування цих явищ у техніці. Взаємодія світла зі звуком використовується в сучасній оптиці, оптоелектроніці, лазерної техніки для управління когерентним світловим випромінюванням. Акустооптіческіе пристрої дозволяють управляти амплітудою, частотою, поляризацією, спектральним складом світлового сигналу і напрямом поширення світлового променя. Важливою сферою практичного застосування акустооптичних ефектів є системи обробки інформації, де акустооптичні пристрої використовуються для обробки СВЧ-сигналів в реальному масштабі часу. Під дією механічних деформацій, які переносяться звуковою хвилею, виникає просторова модуляція оптичних властивостей середовища, обумовлена пружно-оптичним, або фотопружних, ефектом.

Оптичні властивості середовища змінюються в часі з частотою звукової хвилі, т. Е. Значно повільніше і в порівнянні з періодом електромагнітних коливань в світловий хвилі, і в порівнянні з часом проходження світлового променя через звуковий пучок. Залежно від співвідношення між поперечним розміром падаючого оптичного пучка d і довжиною звукової хвилі L поширення світла в такому середовищі супроводжується явищами або акустооптичні рефракції, або дифракції світла на ультразвуку. Дифракція світла відбувається не тільки на введеної ззовні звуковій хвилі, але і на колективних возбуждениях середовища - акустичних фононах, в результаті чого виникає розсіювання світла зі зрушенням частоти вгору і вниз на величину частоти фонона (розсіювання Мандельштама - Бріллюена). В спектрі розсіяного випромінювання з'являються пари зсунутих за частотою компонент Мандельштама - Бріллюена, що відповідають розсіювання світла на поздовжніх і поперечних акустичних фононах.

Акустооптичні взаємодія зводиться до ефектів оптичної рефракції і дифракції лише при низьких інтенсивностях оптичного випромінювання. З підвищенням інтенсивності світла дедалі більшу роль починають грати нелінійні ефекти впливу світла на середу. Через електрострикції і ефектів нагрівання середовища оптичним випромінюванням в ній виникають змінні пружні напруги і генеруються звукові хвилі з частотами від чутних до гіперзвукових - так звані оптоакустіческіе або фотоакустичної явища.

В поле потужного оптичного випромінювання в результаті одночасного протікання процесів дифракції світла на УЗ і генерації УЗ-хвиль внаслідок електрострикції відбувається посилення світлом УЗ-хвилі. Зокрема, при поширенні в середовищі інтенсивного лазерного випромінювання спостерігається вимушене розсіювання Мандельштама - Бріллюена, при якому відбувається посилення лазерним випромінюванням теплових акустичних шумів, що супроводжується наростанням інтенсивності розсіяного світла.

До оптоакустіческім ефектів належить також генерація акустичних коливань періодично повторюваними світловими імпульсами, яка обумовлена змінними механічними напруженнями, що виникають в результаті теплового розширення при періодичному локальному нагріванні середовища світлом.

Ефекти акустооптичного взаємодії використовуються як при фізичних дослідженнях, так і в техніці. Дифракція світла на УЗ дає можливість вимірювати локальні характеристики УЗ-полів. За кутовим залежностям діфрагованого світла визначаються діаграма спрямованості і спектральний склад акустичного випромінювання. Аналіз ефективності дифракції в реальних точках зразка дозволяє відновити картину просторового розподілу інтенсивності звуку. Зокрема, на основі акустооптичних ефектів здійснюється візуалізація звукових полів. За допомогою бреггівськими дифракції вдається отримати інформацію про спектральному, кутовому і просторовому розподілі акустичних фононів в ДВ-області фононного спектра. Цей метод являє цінність для вивчення нерівноважних акустичних фононів, наприклад, в умовах фононної (акустоелектричного) нестійкості в напівпровідниках, зумовленої посиленням УЗ надзвуковим дрейфом носіїв заряду.

Акустооптичні дифракція дозволяє також вимірювати багато параметрів речовини: швидкість і коефіцієнт поглинання звуку, модулі пружності 2-го, 3-го і більш високих порядків, упругооптіческіе постійні і ін. Величини.

Так, з умови Брегга за відомими значеннями частоти УЗ f і довжини хвилі світла і за вимірюваним кутку між падаючим і дифрагованим світловими променями визначають швидкість звуку: (де - Кут Брегга). На основі отриманих таким чином значень для різних напрямків розраховується повна матриця модулів пружності . Коефіцієнт поглинання звуку можна знайти, порівнюючи інтенсивності I1 і I2 діфрагованого світла, виміряні при двох положеннях падаючого світлового променя, зміщених один відносно одного на відстань а вздовж напрямку поширення звукової хвилі:

При поширенні в середовищі звукових хвиль великої інтенсивності дані про модулях пружності вищих порядків отримують вимірюючи за допомогою бреггівськими дифракції амплітуди виникаючих у хвилі гармонік, які пропорційні нелінійним модулів пружності відповідних порядків.

Для дослідження дисперсії швидкості звуку і коефіцієнта його поглинання на гіперзвукових частотах використовується розсіювання Мандельштама - Бріллюена. Пропускаючи через середу промінь когерентного оптичного випромінювання і фіксуючи кут розсіювання , Можна з умов Брегга за величиною спектрального зсуву f компонент Мандельштама - Бріллюена визначити швидкість звуку на даній частоті f. На основі вимірів півширини компонент Мандельштама - Бріллюена визначається коефіцієнт поглинання на цій частоті:

На основі оптоакустіческой генерації звуку створений метод фотоакустичної спектроскопії для отримання спектрів оптичного поглинання речовин в різних фізичних станах. У цьому методі коефіцієнт поглинання світла вимірюється за інтенсивністю звукових коливань, які утворюються періодично переривається світлом. Наприклад, при періодичному нагріванні газу в ньому виникають звукові коливання з амплітудою, пропорційної поглиненої світлової енергії. Змінюючи довжину хвилі падаючого світла, можна отримати фотоакустичний спектр речовини - повний аналог спектра поглинання, вимірюваного звичайними методами. Гідність фотоакустичної спектроскопії в високої чутливості методу, що дозволяє отримувати спектри оптичного поглинання в широкому діапазоні світлових довжин хвиль, що включає в себе як області сильного поглинання, так і області прозорості; крім того, цим методом вимірюється лише та частина енергії падаючого випромінювання, яка дійсно поглинається речовиною, а розсіяне випромінювання ніякого вкладу не дає. Це дозволяє досліджувати спектри поглинання зразків з поганою якістю поверхні: порошків, пухких, пористих матеріалів, біологічних об'єктів.

Акустооптіческіе пристрої. На основі ефектів дифракції та рефракції світла на УЗ створюються активні оптичні елементи, що дозволяють управляти всіма параметрами світлового променя, а також обробляти інформацію, носієм якої є як світлова, так і звукова хвилі. Основу таких пристроїв становить акустооптичні осередок (АОЯ), що складається з робочого тіла (твердотільного зразка або кювети з рідиною), в обсязі якого відбувається взаємодія світла з УЗ-хвилею, і випромінювача УЗ (зазвичай п'єзоелектричного перетворювача). Залежно від призначення є декількох типів акустооптичних приладів: дефлектори, модулятори, фільтри, процесори та ін.

Акустооптіческіе дефлектори і сканери - пристрої для керування напрямком світлового променя в просторі. Сканери призначаються для безперервної розгортки променя; в дефлектори є набір фіксованих напрямків, за якими повинен відхилятися світловий промінь.

У дифракційному дефлектори (рис. 1) промінь світла падає на АОЯ, в якій порушується звукова хвиля частоти f і в результаті бреггівськими дифракції частково відхиляється.

Мал. 1. Схема акустооптичного дефлектора.

1 - акустооптичні осередок; 2 - випромінювач ультразвуку; 3 - фотопріёмное пристрій; - Максимальне кутове переміщення променя.

При зміні f змінюється і кут відхилення діфрагованого променя і промінь переміщається по екрану фотопріёмного пристрою. Використання частотно-модульованих звукових сигналів дозволяє управляти напрямком світлового променя. Щоб змінити напрямок діфрагованого променя при незмінному куті падіння світла на АОЯ, необхідно одночасно з частотою змінювати і напрямок поширення звукової хвилі, так щоб умова Брегга виконувалося всюди всередині інтервалу звукових частот - т. н. смуги пропускання дефлектора. визначає і інші параметри приладу: максимальне кутове переміщення променя діфрагованого світла

і роздільну здатність N, т. е. число помітних положень світлового променя в межах . Роздільна здатність визначається величиною і кутовий расходимостью світлового пучка:, Де d - поперечний розмір світлового пучка. Важливою характеристикою пристроїв просторового управління променем є також ефективність дифракції - Відношення інтенсивності I1 відхиленого світла до інтенсивності I0 падаючого. У найпростішому випадку умови Брегга виконуються завдяки розбіжність акустичного пучка. Пучок можна розглядати як сукупність плоских хвиль, хвильові вектори яких лежать всередині кутового інтервалу . Для заданої частоти звуку f дифракція відбуватиметься лише на тій компоненті пучка, для якої хвилевий вектор задовольняє умові Брегга. При зміні f цій умові задовольняє вже інша компонента пучка. При використанні изотропного матеріалу в якості робочого тіла АОЯ , Де D - поперечний розмір звукового пучка, - Довжина хвилі звуку. Відповідно до цього смуга пропускання і роздільна здатність N виявляються пропорційними розбіжність акустичного пучка:

Для дефлектора з високою роздільною здатністю потрібна значна розбіжність звукового пучка, а отже, його мінімальна ширина D. Зменшення ефективності , Викликане зменшенням довжини акустооптичного взаємодії, компенсують збільшенням введеної акустичної потужності. Однак зі збільшенням N падає ефективність використання цієї потужності, т. К. На дифракцію світла витрачається лише 1 / N її частина.

Застосування в АОЯ двулучепреломляющего матеріалів дозволяє істотно поліпшити характеристики дефлекторів. З цією метою використовується анізотропна дифракція світла поблизу мінімального значення кута Брегга . При падінні світла на звуковий пучок під кутом невелика розбіжність звукового пучка забезпечує виконання умови Брегга для досить широкого діапазону акустичних частот, а отже, і значний інтервал кутового відхилення діфрагованого світла. Це дозволяє користуватися широким акустичним пучком, що знижує акустичну потужність, необхідну для отримання високої ефективності дифракції , І дає значний виграш в дозволі в порівнянні з дефлекторами, в яких використовуються ізотропні матеріали. Однак робітники частоти таких приладів лежать зазвичай в гігагерцевому діапазоні.

Управляти дифрагованим променем можна використовуючи т. Н. фазованого грати випромінювачів - Ступінчасту систему зсунутих по фазі перетворювачів, параметри якої підбираються таким чином, щоб фронт хвилі, що відповідає центральній частоті смуги пропускання, був паралельний площині окремого перетворювача, а при зміні частот фронт повертався б так, щоб компенсувати відповідне прирощення кута Брегга. Цей спосіб збудження звуку дозволяє в кілька разів збільшити смугу пропускання і роздільну здатність дефлекторів.

Існують акустооптичні дефлектори, які здійснюють двокоординатної відхилення світлового променя. У цьому випадку використовуються два схрещених одновимірних дефлектора, які можуть бути суміщені в одній акустооптичні осередку, якщо в ній порушуються акустичні хвилі в двох взаємно перпендикулярних напрямках. Сучасні дефлектори дозволяють отримувати 103-104 вирішуваних елементів з часом переходу від одного елемента до іншого порядку 10-6-10-7 с. Частка відхиленого світла досягає декількох десятків відсотків при споживаної акустичної потужності 0,1 - 1 Вт.

У пристроях, заснованих на акустооптичні рефракції, Відхилення світлового променя здійснюється в результаті викривлення його шляху при проходженні через середовище, в якій стоячій або біжить звуковою хвилею створюється неоднорідна деформація. Такі пристрої являють собою відносно низькочастотні прилади ( МГц), що здійснюють розгортку світлового пучка за синусоїдальним законом. ККД рефракційних пристроїв малий, т. К. Лише незначна частина звукової енергії, укладеної в обсязі АОЯ, витрачається на відхилення світлового променя.

Акустооптіческіе модулятори - прилади, що керують інтенсивністю світлових пучків на основі перерозподілу світлової енергії між проходять і дифрагованим світлом. Зазвичай використовується модуляція діфрагованого світла, т. К. 100% -ва модуляція проходить випромінювання вимагає значної акустичної потужностей. Акустооптичний модулятор являє собою АОЯ, в якій поширюється амплітудно-модульована звукова хвиля. Падаючий на АОЯ світло частково дифрагує, і відхилений промінь приймається фотопріёмним пристроєм. У модуляторах використовується як бреггівськими дифракція, так і дифракція Рамана - Ната. Швидкодія модулятора визначається часом проходження звукового сигналу через поперечний переріз світлового пучка і виявляється ~ 10-8-10-7 с. Акустооптіческіе модулятори при максимальній простоті конструкцій дозволяють здійснювати такі складні операції, як паралельна обробка інформації в акустооптичних процесорах.

Акустооптіческіе фільтри - пристрої, що дозволяють виділити з широкого спектру оптичного випромінювання досить вузький інтервал довжин світлових хвиль, які відповідають умові Брегга. Змінюючи частоту звуку, можна виділяється інтервал переміщати по оптичному спектру в широких межах.

Як правило, в акустооптичних фільтрах використовується анізотропна дифракція в двулучепреломляющего кристалах (рис. 2). На АОЯ 1 падає плоскополярізованний світло, ступінь поляризації якого контролюється поляризатором 2. У АОЯ в результаті анизотропной бреггівськими дифракції у вузькому спектральному інтервалі виникає оптичне випромінювання інший поляризації. Наявність його визначається аналізатором 3. Монохроматичний звук створюється електроакустичним перетворювачем 4. Ефективність фільтрів збільшується з ростом довжини взаємодії світла зі звуком , Тому в них використовується, як правило, колінеарна дифракція, при якій напрямку поширення світла і звуку збігаються (рис. 2, а), хоча відомі акустооптичні фільтри і з неколінеарна взаємодіями (рис. 2, б).

Мал. 2. Схеми акустооптичних фільтрів на основі колінеарний (а) і неколінеарна (б) дифракцій.

Ширина смуги пропускання фільтра (де - Довжина хвилі світла у вакуумі) визначається спектральної шириною випромінювання, що виникає в результаті бреггівськими дифракції. Для колінеарний дифракції ,

де n0 - показник заломлення падаючого світла, n1 - діфрагованого. У реальних пристроях ширина смуги пропускання залежить, крім того, від розходження як світлового, так і акустичних пучків і спектрального складу акустичного сигналу. величина істотно залежить від вибору ділянки електромагнітного спектра; у видимому діапазоні для сучасних акустооптичних фільтрів вона не перевищує декількох . Ефективності наявних фільтрів складають 50-100% при інтенсивності звуку I ~ 1 Вт / см 2. Діапазон оптичної перебудови визначається шириною смуги частот електроакустичного перетворювача і частотної залежністю поглинання УЗ. Як правило, він достатній для перекриття всього оптичного діапазону.

Акустооптіческіе пристрої використовуються як для зовнішнього управління світловим променем, так і для управління процесом генерації і параметрами когерентного випромінювання всередині оптичного квантового генератора. Вміщена всередині оптичного резонатора АОЯ модулює його добротність і відхиляє лазерний промінь для виведення його з резонатора. Використання акустооптичних фільтрів в лазерах з широким спектром генерації дозволяє отримувати вузькі лінії випромінювання, перебудовуються всередині діапазону генерації зміною акустичної частоти. Введення акустичної хвилі безпосередньо в активне середовище дозволяє здійснювати розподілену зворотний зв'язок, при якій переотражения світлового випромінювання виникають в результаті дифракції його на УЗ-хвилі. Розподілена зворотний зв'язок забезпечує високу спектральну селективність і дозволяє управляти інтенсивністю генерованого світла, змінюючи ефективність зворотного зв'язку за рахунок зміни амплітуди звукової хвилі.

Акустооптіческіе процесори. Акустооптіческіе прилади, розглянуті вище, є основою для створення пристроїв обробки СВЧ-сигналів - т. Н. процесорів, які, на відміну від цифрових обчислювальних машин, дозволяють проводити обробку інформації в реальному масштабі часу. У акустооптичні процесорі змінний в часі електричний сигнал перетвориться електроакустичним перетворювачем в УЗ-хвилю, яка, поширюючись в АОЯ, створює просторове звукове зображення сигналу.

При дифракції світла на звуковому сигналі в дифрагованим випромінюванні виникає оптичне зображення сигналу, яке потім обробляється за допомогою різних оптичних елементів: лінз, дзеркал, діафрагм, транспарантів і ін. Обробка сигналу здійснюється шляхом одночасного зчитування всієї запасеної в звуковому імпульсі інформації. Акустооптіческіе процесори здійснюють швидке, в реальному масштабі часу, фур'є-розкладання СВЧ-сигналу, частотну фільтрацію сигналу, знаходження функції кореляції досліджуваного сигналу з заданим і інші операції.

Дія процесорів, призначених для аналізу спектру або частотний метод фільтрації СВЧ-сигналу, Засноване на перетворенні частотного спектра звукового сигналу в кутовий спектр діфрагованого світла. За кутовому розподілу його інтенсивності можна отримати спектральну характеристику СВЧ-сигналу. Помістивши на шляху світлових променів оптичні транспаранти зі змінною прозорістю, змінюють кутовий розподіл інтенсивності діфрагованого світла і тим самим отримують на виході фотопріёмного пристрої фільтроване електричний сигнал.

У процесорі для фур'є-розкладання сигналу з використанням дифракції Рамана - Ната (рис. 3) монохроматичне світло падає на АОЯ 1, в якій поширюється звуковий сигнал, який є просторовим зображенням електричного сигналу S (t) на вході АОЯ.

Мал. 3. акустооптичні аналізатор спектру, який працює в режимі дифракції Рамана - Ната.

В результаті в фокальній площині аа 'лінзи 2 виникає розподіл інтенсивності світла I, яке як функція відстані х до осі лінзи визначається спектральної характеристикою вводиться сигналу:

де - Фур'є-образ СВЧ-сигналу S (t), k - хвильове число світлової хвилі, F - фокусна відстань лінзи 2.

Розподіл фотоструму, виміряний фотодетектором 4 в площині , Дає спектральний розподіл вхідного сигналу S (t). Структурна схема процесорів, що використовують бреггівськими дифракцию, відрізняється тільки способом введення світлового пучка в АОЯ. Оскільки при дифракції Брегга кут падіння світлового променя строго заданий, то для здійснення дифракції на всіх частотах, що входять в спектр звукового сигналу, необхідно освітлення АОЯ розходяться світловим пучком.

Мал. 4. Процесори для стиснення імпульсного сигналу з лінійною частотною модуляцією на основі ізотропної бреггівськими дифракції:

1 - акустооптичні осередок, 2 - фотодетектор.

Акустооптіческіе процесори використовуються для стиснення сигналу з лінійною частотною модуляцією (Рис. 4). Такий сигнал створює в АОЯ акустичну хвилю, довжина якої змінюється вздовж напрямку поширення, тому при дифракції Брегга кути відхилення світла на різних ділянках звукового імпульсу будуть різні. Стиснення імпульсу обумовлено тим, що світлові промені, відхиляються окремими ділянками звукового імпульсу, потрапляють на фотодетектор одночасно.

акустооптичний коррелятор призначений для знаходження функції кореляції двох сигналів - досліджуваного S (t) і опорного r (t):

Дія коррелятора засноване на оптичному перемножении зображень цих сигналів. Світло в акустооптичних модуляторе, діфрагіруя на звуковій хвилі, модульованої сигналом S (t), формує оптичне зображення цього сигналу. Далі дифрагованим світло проходить через просторовий фільтр, пропускання якого змінюється за законом r (х) і збирається на фотопріёмном пристрої, на виході якого виникає сигнал, пропорційний функції кореляції . Як просторового фільтра може використовуватися другий акустооптичний модулятор, в якому УЗ-хвилі модулюються сигналом r (t). У акустооптичних коррелятором використовується як дифракція Рамана - Ната, так і бреггівськими дифракція (рис. 5). Якщо в модуляторах 1 і 1 'поширюються однакові акустичні сигнали, то світлові промені, що пройшли через них, будуть паралельні падаючому променю. Світло фокусується лінзою 2 на фотодетектор 3, сигнал з якого в цьому випадку буде максимальним.

Мал. 5. акустооптичні коррелятор.

Якщо ж сигнали S і r неоднакові, то сигнал на виході фотодетектора буде пропорційний функції взаємної кореляції.

Процесори на основі різних акустооптічіх пристроїв можуть працювати в широкому діапазоні частот, аж до 10 ГГц. Вони застосовуються в різних системах обробки інформації, особливо там, де є обмеження по габаритах, вазі і енергоспоживанню апаратури.

Акустооптичні взаємодія в оптичних хвилеводах

В оптичних хвилеводах, що представляють собою тонкий шар прозорого матеріалу на поверхні підкладки (т. Зв. планарниє хвилеводи), Виникає взаємодія оптичних хвилеводних мод с поверхневими акустичними хвилями (ПАР), зазвичай релєєвського. В результаті з'являється світло, що поширюється уздовж площини хвилеводу, але відхилений від свого первісного напрямку. Для ефективної дифракції необхідно, щоб в площині хвилеводу світлові промені падали на пучок ПАР під відповідним бреггівськими кутом. Оскільки навіть в ізотропної хвилевідній системі швидкості поширення різних оптичних мод відмінні один від одного, то при різних кутах падіння світлового пучка можлива як дифракція світла без зміни номера моди, аналогічна звичайній бреггівськими дифракції, так і дифракція, при якій падаючий і дифрагованим світло належить до різних повноводним модам.

В останньому випадку закони дифракції аналогічні закономірностям анизотропной дифракції, що виникає при взаємодії об'ємних хвиль в двулучепреломляющего середовищі. В хвилеводних системах розподіл як електромагнітних полів для оптичної моди, так і поля деформації в ПАР неоднорідне в поперечному перерізі хвилеводу. Ефективність акустооптичні дифракції в оптичному хвилеводі сильно залежить від ступеня перекриття цих полів. Вона максимальна, коли глибини проникнення світла і звуку в хвилеводний шар одного порядку. Товщина хвилеводу підбирається так, щоб число мод, що поширюються в ньому, було невелике. Ці умови визначають товщини світловода порядку 1-3 мкм і оптимальні частоти ПАР - в діапазоні 300-800 МГц.

Акустооптичні дифракція в пленарних структурах використовується для створення поверхневих аналогів акустооптичних пристроїв на об'ємних хвилях, описаних вище. Світловодні акустооптичні пристрої, поряд з іншими перевагами планерного технології, дозволяють істотно зменшувати підводиться до акустооптичні осередку керуючі потужності, оскільки енергія в поверхневої хвилі зосереджується в тонкому приповерхневому шарі. Створюючи випромінювачі ПАР спеціальної форми, можна отримувати акустичні поля, що дозволяють значно поліпшити характеристики пленарних акустооптичних пристроїв.

Можливо також вплив акустичної хвилі на поширення світла в волоконних световодах, що представляють собою волокно з прозорого матеріалу з неоднорідним розподілом показника заломлення по його перетину. Звукова хвиля модулює амплітуду і фазу світлової хвилі. Зміна фази відбувається як через зміну показника заломлення в результаті упругооптіческого ефекту, так і внаслідок зміни довжини і діаметру хвилевода під дією механічної напруги в звуковій хвилі. Зміна амплітуди світлової хвилі також обумовлено механічними напруженнями, що приводять до спотворення профілю показника заломлення і витоку частини світлового випромінювання з хвилеводу. Можлива також амплітудна модуляція випромінювання в світловод в результаті бреггівськими дифракції на високочастотної УЗ-хвилі, яка поширюється перпендикулярно осі хвилеводу.

Фазова модуляція в волоконних световодах застосовується в волоконних лініях зв'язку для введення інформації в світловод. На акустооптичні взаємодії засновано також застосування волоконних світловодів як приймачі звуку. У зануреному в рідину световоде під впливом розповсюджується в ній звукової хвилі відбувається модуляція фази світлового випромінювання. Величина модуляції, пропорційна звуковому тиску, реєструється на виході із світловода фотоприймачем. Оскільки величина модуляції визначається також довжиною акустичного впливу, то використання довгих світловодів дозволяє створювати високочутливі приймачі акустичних коливань.

Пристрій і загальні принципи роботи акустооптичних керуючих елементів

Суперпозиція, а також взаємодія між світлом та звуком широко використовуються в сучасній оптиці, оптоелектроніці, лазерної техніки. Наприклад, шляхом впливу на когерентне світлове випромінювання акустооптичні пристрої дозволяють управляти амплітудою, частотою, поляризацією, спектральним складом світлового сигналу і напрямом випромінювання.

Такі прилади відрізняються універсальністю, швидкодією, простотою конструкції, дозволяють вести паралельну обробку інформації в реальному масштабі часу.

Принцип роботи пристроїв даного типу заснований на використанні явища дифракції світла на ультразвуку. Так як кут відхилення діфрагованого світла визначається довжиною хвилі, то їм можна управляти, змінюючи частоту звуку. Цей принцип управління світловим променем покладено в основу роботи акустооптичних дефлекторів, сканерів. Це пристрої, що використовуються для управління напрямком світлового променя в просторі на основі явища акустооптичні дифракції та рефракції. Сканери призначені для безперервної розгортки променя, в дефлектори є набір фіксованих напрямків поширення променя.

Розподіл енергії між основним променем і дифрагованим регулюється зміною інтенсивності звуку. На періодичної структурі, створюваної монохроматичної звуковою хвилею, ефективно дифрагує світло певної довжини хвилі. Така вибірковість дозволяє виділити з спектра випромінювання вузький спектральний інтервал. На цьому явищі грунтується робота швидкодіючих акустооптичних пристроїв, які здійснюють керовану фільтрацію світлового сигналу.

Картина взаємодії оптичного випромінювання зі звуковими хвилями залежить від інтенсивності звуку і світла. Якщо щільність потоку світлової енергії відносно невелика, то впливом світла на середу, в якій поширюється звук, можна знехтувати. Тоді взаємодія між світлом та звуком зводиться, в залежності від співвідношення розмірів світлового променя і довжини хвилі звуку, до явищ дифракції та рефракції.

Акустооптичні рефракція - це зміна ходу світлових променів в неоднорідне деформованої середовищі. Виникає в тому випадку, коли поперечний розмір світлового пучка значно менше довжини звукової хвилі. В результаті світлові промені відхиляються від свого первісного напрямку. У разі біжить звукової хвилі кут відхилення змінюється в часі і в функції координати, що дозволяє проводити сканування простору світловим променем.

Брегговская дифракція (На високих частотах електромагнітних хвиль) і дифракція Рамана - Ната (На низьких частотах) широко використовуються в техніці, наприклад, при проведенні фізичних досліджень властивостей матеріалів. Акустооптичні дифракція дозволяє вимірювати багато параметрів матеріалів: швидкість і поглинання звуку, модулі пружності і т. П. За кутовим залежностям діфрагованого світла визначаються діаграма спрямованості і спектральний склад акустичного випромінювання, здійснюється візуалізація звукових полів.

Якщо інтенсивність світла досить велика в порівнянні зі звуковою, то можливе посилення слабких звукових хвиль світлом або генерація звуку в результаті вимушеного розсіювання Мандельштама - Бріллюена.

Акустооптіческіе пристрої дозволяють управляти параметрами світлового променя, обробляти інформацію. Вони складаються з робочого середовища (твердою або рідкою), в обсязі якої відбувається взаємодія світла з УЗ - вільний. Для цієї мети широко використовують п'єзоелектричні перетворювачі. На їх основі створюють: дефлектори, сканери, модулятори, фільтри, процесори і т. П. В основі їх роботи лежить управління світловим променем за допомогою пружних дислокацій в матеріалі, що створюються звуковими полями. Акустооптіческіе фільтри дозволяють виділити з широкого спектру оптичного випромінювання вузький інтервал довжин хвиль, які відповідають умові Брегга, при цьому плоско поляризоване світло з іншими довжинами хвиль не проходить через фільтр.

Створюють також функціональні пристрої для обробки НВЧ сигналів (процесори), які на відміну цифрових обчислювальних машин дозволяють обробляти інформацію в режимі реального часу. Для цього перетворять вхідну інформацію в звуковий сигнал, використовуючи для цього дифракцию Рамана - Ната низькочастотних сигналів (до 100 МГц). Розподіл енергії між основним променем і дифрагованим регулюється зміною інтенсивності звуку.

Для більшості оптичних датчиків важливою характеристикою є їх здатність змінювати параметри світлового випромінювання під дією керуючих сигналів, яка називається модуляцією світла. Керуючі сигнали можуть мати різну природу: температура, хімічні речовини з різними коефіцієнтами заломлення, електричні поля, механічні напруги і т. Д.

Коефіцієнт заломлення в деяких кристалах залежить від прикладеного електричного поля. Це пояснюється природою поширення променів світла всередині кристала. Зазвичай допустимі напрямки поляризації світла визначаються симетрією кристала. Прикладена до кристалу зовнішнє електричне поле, змінюючи симетрію кристала, призводить до модуляції інтенсивності світла. Одним з часто використовуваних матеріалів в електрооптичних пристроях є ніобат літію.

На малюнку 8.8 показаний електрооптичний модулятор, що складається з кристала, розташованого між двома поляризаційними фільтрами, орієнтованими під кутом 90 ° один до одного. Вхідний поляризатор орієнтований під кутом 45 ° до осі кристала. На поверхню кристала прикріплені два електроди, при зміні напруги на яких відбувається зміна поляризації падаючого світла на другому поляризаторі, що, в свою чергу, веде до модуляції інтенсивності вихідного випромінювання.

Подібний ефект можна спостерігати і коли кристал піддається впливу механічних сил, акустичних хвиль. Але акустооптичні пристрої використовуються, в основному, в якості оптичних фазовращателей і рідко як модулятори інтенсивності випромінювання.

Акустичні хвилі, проходячи через кристал, внаслідок ефекту фотоупругості викликають в ньому механічні напруги, лінійно змінюють його коефіцієнт заломлення. Це призводить до відхилення виходять оптичних променів, що проходять через кристал. Таким чином, акустичні хвилі створюють для променів світла як би дифракційну решітку.

Акустооптіческіе пристрої часто виготовляють з кварцу і ниобата літію, які здатні працювати з акустичними хвилями в широкому частотному діапазоні. У частотному діапазоні близько 1 ГГц довжина акустичної хвилі в середовищі порівнянна з довжиною хвилі ІЧ випромінювання.

Мал. 8.8 акустооптичні модулятор, що створює безліч променів.

У оптоволоконної техніки в якості вихідного сигналу часто використовується модуляція інтенсивності випромінювання. На малюнку показаний оптичний хвилевід, що складається з двох каналів. Хвилевід виготовлений всередині підкладки з ниобата літію, легованого титаном для збільшення коефіцієнта заломлення, стандартним фотолітографічним методом. Світло потрапляє в хвилевід через поліровані кінці. Електроди розташовуються паралельно волноводам. Напруга, подану на ці електроди, призводить до значного зсуву фаз світлових хвиль. Коефіцієнт оптичного пропускання такого модулятора залежить від зсуву фаз між сигналами в двох каналах, який управляється напругою.

Коли різниця фаз в двох гілках хвилеводу дорівнює нулю, вихідні випромінювання підсумовуються на виході хвилеводу. Коли зрушення фаз дорівнює 180 °, весь світ йде в підкладку. Добре сконструйовані модулятори мають високий коефіцієнт контрастності.

«== Попередня стаття |

Читайте також:

Плівки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ - плівки) добре видно в атомно-силовий мікроскоп

Оптичні иммуносенсор

Сенсорні системи людини

Спадний гальмування (посилення). Механізм негативного зворотного зв'язку. Механізм позитивного зворотного зв'язку. Багатоканальність.

Принцип роботи скануючого тунельного мікроскопа

наноелектроніка

Методи дослідження наноматеріалів та наноструктур

електромеханічна пам'ять

ефект Мессбауера

Растровиий едектронний мікроскоп

Виробництво і методи очищення консолей

Атомна силова мікроскопія

Лінійно-цепочечний вуглець. Синтез і аналіз

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua