АКУСТООПТИКА

Акустооптика - Акустооптика - пограничная область между физикой и техникой, в которой изучается взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми и разрабатываются основы применения этих явлений в технике. Взаимодействие света со звуком используется в современной оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча. Важной областью практического применения акустооптических эффектов являются системы обработки информации, где акустооптические устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени. Под действием механических деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптических свойств среды, обусловленная упруго-оптическим, или фотоупругим, эффектом (см. Фотоупругость). Оптические свойства среды меняются во времени с частотой звуковой волны, т. е. значительно медленнее и по сравнению с периодом электромагнитных колебаний в световой волне, и по сравнению со временем прохождения светового луча через звуковой пучок. В зависимости от соотношения между поперечным размером падающего оптического пучка d и длиной звуковой волнм распространение света в такой среде сопровождается явлениями либо акустооптической рефракции, либо дифракции света на ультразвуке. Дифракция света происходит не только на вводимой извне звуковой волне, но и на коллективных возбуждениях среды - акустических фононах, в результате чего возникает рассеяние света со сдвигом частоты вверх и вниз на величину частоты фонона (Мандельштама-Бриллюэна рассеяние). В спектре рассеянного излучения появляются пары сдвинутых по частоте компонент Мандельштама-Бриллюэна, отвечающих рассеянию света на продольных и поперечных акустических фононах. Акустооптическое взаимодействие сводится к эффектам оптической рефракции и дифракции лишь при низких интенсивностях оптического излучения. С повышением интенсивности света все возрастающую роль начинают играть нелинейные эффекты воздействия света на среду. Из-за электрострикции и эффектов нагревания среды оптическим излучением в ней возникают переменные упругие напряжения и генерируются звуковые волны с частотами от слышимых до гиперзвуковых - т. н. оптоакустические или фотоакустические явления. В поле мощного оптического излучения в результате одновременного протекания процессов дифракции света на УЗ и генерации УЗ-волн вследствие электрострикции происходит усиление светом УЗ-волны. В частности, при распространении в среде интенсивного лазерного излучения наблюдается т. н. вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, при котором происходит усиление лазерным излучением тепловых акустических шумов, сопровождающееся нарастанием интенсивности рассеянного света. К оптоакустическим эффектам относится также генерация акустических колебаний периодически повторяющимися световыми импульсами, которая обусловлена переменными механическими напряжениями, возникающими в результате теплового расширения при периодическом локальном нагревании среды светом. Эффекты акустооптического взаимодействия используются как при физических исследованиях, так и в технике. Дифракция света на УЗ дает возможность измерять локальные характеристики УЗ-полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения. Анализ эффективности дифракции в различных точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптических эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удается получить информацию о спектральном, угловом и пространственном распределении акустических фононов в ДВ-области фононного спектра. Этот метод представляет ценность для изучения неравновесных акустических фононов, например, в условиях фононной (акустоэлектрической) неустойчивости в полупроводниках, обусловленной усилением УЗ сверхзвуковым дрейфом носителей заряда (см. Акустоэлектронное взаимодействие). Акустооптическая дифракция позволяет также измерять многие параметры вещества: скорость и коэффициент поглощения звука, модули упругости 2-го, 3-го и более высоких порядков, упругооптич. постоянные и др. величины. Так, из условия Брэгга по известным значениям частоты УЗ f и длины волны света , и по измеренному углу между падающим и дифрагированными световыми лучами определяют скорость звука: cзв= (где - угол Брэгга). На основе полученных таким образом значений сзв, для различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости . Коэффициент поглощения звука можно найти, сравнивая интенсивности и дифрагированного света, измеренные при двух положениях падающего светового луча, смещенных друг относительно друга на расстояние а вдоль направления распространения звуковой волны: . При распространении в среде звуковых волн большой интенсивности данные о модулях упругости высших порядков получают измеряя с помощью брэгговской дифракции амплитуды возникающих в волне гармоник (см. Нелинейная акустика), которые пропорциональны нелинейным модулям упругости соответствующих порядков. Для исследования дисперсии скорости звука и коэффициента его поглощения на гиперзвуковых частотах используется рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Пропуская через среду луч когерентного оптического излучения и фиксируя угол рассеяния , можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f компонент Мандельштама-Бриллюэна определить скорость звука сзв на данной частоте f. На основе измерений полуширины компонент Мандельштама-Бриллюэна определяется коэффициент поглощения на этой частоте: . На основе оптоакустической генерации звука создан метод фотоакустической спектроскопии для получения спектров оптического поглощения веществ в различных физических состояниях. В этом методе коэффициент поглощения света измеряется по интенсивности звуковых колебаний, возбуждаемых периодически прерываемым светом. Например, при периодическом нагреве газа в нем возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорциональной поглощенной световой энергии. Меняя длину волны падающего света, можно получить фотоакустический спектр вещества - полный аналог спектра поглощения, измеряемого обычными методами. Достоинство фотоакустической спектроскопии в высокой чувствительности метода, позволяющего получать спектры оптического поглощения в широком диапазоне световых длин волн, включающем в себя как области сильного поглощения, так и области прозрачности; кроме того, этим методом измеряется только та часть энергии падающего излучения, которая действительно поглощается веществом, а рассеянное излучение никакого вклада не дает. Это позволяет исследовать спектры поглощения образцов с плохим качеством поверхности: порошков, рыхлых, пористых материалов, биологических объектов. Акустооптические устройства. На основе эффектов дифракции и рефракции света на УЗ создаются активные оптические элементы, позволяющие управлять всеми параметрами светового луча, а также обрабатывать информацию, носителем которой являются как световая, так и звуковая волны. Основу таких устройств составляет акустооптическая ячейка (АОЯ), состоящая из рабочего тела (твердотельного образца или кюветы с жидкостью), в объеме которого происходит взаимодействие света с УЗ-волной, и излучателя УЗ (обычно пьезоэлектрического преобразователя). В зависимости от назначения имеется несколько типов акустооптических приборов: дефлекторы, модуляторы, фильтры, процессоры и др. Акустооптические дефлекторы и сканеры - устройства для управления направлением светового луча в пространстве. Сканеры предназначаются для непрерывной развертки луча; в дефлекторе имеется набор фиксированных направлений, по которым должен отклоняться световой луч. В дифракционном дефлекторе (рис. 1) луч света падает на АОЯ, в которой возбуждается звуковая волна частоты f и в результате брэгговской дифракции частично отклоняется. При изменении f меняется и угол отклонения дифрагированного луча и луч перемещается по экрану фотоприемного устройства. Использование частотно-модулированных звуковых сигналов (см. Модуляция колебаний) позволяет управлять направлением светового луча. Чтобы изменить направление дифрагированного луча при неизменном угле падения света на АОЯ, необходимо одновременно с частотой менять и направление распространения звуковой волны, так чтобы условие Брэгга выполнялось повсюду внутри интервала звуковых частот - т. н. полосы пропускания дефлектора. определяет и др. параметры прибора: максимальное угловое перемещение луча дифрагированного света и разрешающую способность N, т. е. число различимых положений светового луча в пределах . Разрешающая способность определяется величиной и угловой расходимостью светового пучка: , где d - поперечный размер светового пучка. Важной характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность дифракции - отношение интенсивности I1 отклоненного света к интенсивности I2 падающего. В простейшем случае условия Брэгга выполняются благодаря расходимости акустического пучка. Расходящийся пучок можно рассматривать как совокупность плоских волн, волновые векторы которых лежат внутри углового интервала ак. Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для которой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f 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 ее часть. Применение в АОЯ двулучепреломляющих материалов позволяет существенно улучшить характеристики дефлекторов. С этой целью используется анизотропная дифракция света вблизи минимого 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 углов отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустическим пучком, что снижает акустическую мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции , и дает 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 решетку 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 двухкоординатнос 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 разрешимых элементов со временем перехода от одного элемента к другому порядка с. Доля отклоненного 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 создается неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы (0,5 МГц), осуществляющие развертку светового пучка по синусоидальному закону. Кпд рефракционных устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключенной в объеме 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 значительных акустических мощностей. Акустооптический модулятор представляет собой АОЯ, в которой распространяется амплитудно-модулированная звуковая волна. Падающий на АОЯ свет частично дифрагирует, и отклоненный луч принимается фотоприемным 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 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 создается 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). 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 акустического 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 Iак 1 Вт/см2 и нескольких см. 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. Помещенная 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 распределенную обратную связь, при которой переотражения светового излучения возникают в результате дифракции его на УЗ-волне. Распределенная обратная связь обеспечивает высокую спектральную селективность и позволяет управлять интенсивностью генерируемого света, меняя эффективность обратной связи за счет 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, создает пространственное звуковое изображение сигнала. При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптическое изображение сигнала, к-рое затем обрабатывается с помощью различных оптических элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путем одновременного считывания всей запасенной 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 фотоприемного устройства фильтрованный электрический сигнал. В процессоре для фурье-разложения сигнала с использованием дифракции РаманаНата (рис. 3) монохроматический свет падает на АОЯ 1, в которой распространяется звуковой сигнал, являющийся пространственным изображением электрического сигнала S(t) на входе АОЯ. В результате в фокальной плоскости аа' линзы 2 возникает распределение интенсивности света I, которое как функция расстояния x 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 аа', дает 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. Акустооптические процессоры используются для сжатия радиоимиульса с линейной частотной модуляцией (рис. 4). Такой сигнал создает 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(x) и собирается на фотоприемном 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 РаманаНата, 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. Если же сигналы S и r неодинаковы, то сигнал на выходе фотодетектора будет пропорционален функции взаимной корреляции. Процессоры на основе различных акустооптических 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 отклоненный 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 волноводным модам. В последнем случае законы дифракции аналогичны закономерностям анизотропной дифракции, возникающей при взаимодействии объемных 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.