Акустооптичні модулятори та дефлектори Загальні відомості

Як відомо, світло і звук  хвилі, поширення яких в середовищі приводить до його збурення. Саме тому одночасне поширення в матеріальному середовищі світла і звуку приводить до взаємного впливу на характер їх поширення – акустичної взаємодії.

Дія звуку на середовище – це лінійний ефект: під дією деформацій, що переносяться звуковою хвилею, виникає просторова модуляція оптичних властивостей середовища, яка змінюється з часом із звуковою частотою, тобто повільно у порівнянні з періодом електромагнітних коливань у світловій хвилі. Дія оптичного випромінювання на акустичні явища визначається нелінійними квадратичними ефектами, оскільки частота світла на багато порядків перевищує звукову частоту.

Відомі два механізми оптоакустичних явищ. Один із них, динамічний, обумовлений високочастотною електрострікцією, тобто появою в електричному полі світлової хвилі механічних напруг, пропорційних квадрату поля хвилі.

Другий являє собою розігрівний ефект: періодичний локальний нагрів середовища світлом приводить за рахунок теплового розширення до виникнення в середовищі змінних механічних напруг (світло-термопружний ефект). Результатом обох ефектів є генерація акустичних коливань в полі світлового випромінювання.

Характер акустооптичної взаємодії в середовищі залежить від інтенсивності світлового потоку. Якщо інтенсивність світла невелика, то квадратичними акустооптичними ефектами можна знехтувати, і основну роль відіграють ефекти, обумовлені модуляцією показника заломлення звуковою хвилею.

Для низькочастотного звуку, довжина хвилі якого порівняна з поперечними розмірами світлового пучка, ефект полягає у викривленні ходу світлових променів в неоднорідно деформованому матеріалі. Для високочастотного звуку характерна дифракція світла на періодичній неоднорідності показника заломлення, створеній акустичною хвилею. Якщо через таку структуру проходить світло, в середовищі, крім основного променя, виникає один або декілька світлових променів, відхилених внаслідок дифракції. При розсіюванні на рухомій гратці за рахунок ефекта Доплера виникає зсув частоти дифрагованого світла. з підвищенням інтенсивності оптичного випромінювання основну роль починають відігравати ефекти, обумовлені електрострікцією. Під дією світлових полів в середовищі виникають змінні пружні напруги, частоти яких лежать в ультразвуковому або гіперзвуковому діапазонах, і генеруються звукові хвилі відповідних частот. У полі потужного оптичного випромінювання можливе також і підсилення ультразвуку за рахунок одночасної дії ефектів акустооптичної дифракції і електрострікції. При цьому, поряд з підсиленням ультразвуку, буде відбуватися і наростання інтенсивності розсіяного світла. особливий інтерес представляє підсилення акустичних теплових шумів у полі інтенсивного світлового випромінювання – явище вимушеного розсіювання Мандельштама-Бріллюена.

Нагадаємо, що частотний діапазон пружних хвиль в рідинах і твердих тілах лежить в межах від дуже низьких частот до значень 10¹² – 10¹³ Гц. Із широкого діапазону частот для акустичної взаємодії найбільший інтерес викликає високочастотний ультразвук (10⁶ – 10⁹ Гц) і гіперзвук (10⁹ Гц і вище).

Акустична хвиля являє собою процес переносу механічних деформацій, об’ємних і зсуву. У загальному випадку вздовж певного напряму можливе поширення трьох типів (віток) акустичних хвиль, кожному із яких відповідає своя швидкість поширення і свій напрям коливального руху частинок середовища – поляризації хвилі.

В ізотропному твердому середовищі поширюються хвилі тільки двох типів – повздовжні і поперечні. У повздовжній хвилі рух частинок паралельний до напряму поширення, а деформація, яка переноситься, є комбінацією обємної деформації і зсуву. Поперечні хвилі переносять деформацію чистого зсуву, а частинки середовища коливаються в довільному напрямі, який лежить в площині, перпендикулярній до напряму поширення.

У кристалічному середовищі поділ хвиль на поздовжні і поперечні втрачає зміст, так як усі три акустичні хвилі, які поширюються в даному напрямі, переносять як обємні, так і зсувові деформації.

Для кристалічного середовища навіть з високим ступенем симетрії характерна значна анізотропія акустичних властивостей: швидкість поширення сильно залежать від напрямку відносно кристалографічних осей. Фазова і групова швидкості акустичної хвилі можуть помітно відрізнятись як по величині, так і за напрямом. Основними характеристиками акустичних властивостей середовища є швидкість поширення звукової хвилі і коефіцієнт поглинання.

Згідно загальним уявленням механіки середовищ, швидкість звуку є параметром матеріалу і не залежить від частоти. Поглинання звукових хвиль в середовищі визначається дисипативними процесами – в’язкістю і теплопровідністю, коефіцієнти яких також вважаються матеріальними сталими. Коефіцієнт поглинання  пропорційний в’язкості  і зростає пропорційно квадрату звукової частоти :  ~ ². В рамках подібних уявлень дисперсія швидкості звуку виникає в області дуже високих частот, де уявлення про неперервність середовища стає неправомірним і проявляється дискретний характер її структури.

Однак, у самих різних матеріалах спостерігається частотна дисперсія швидкості звуку і відхилення від квадратичної частотної залежності коефіцієнта поглинання, зумовлене залежністю ефективної в’язкості середовища від частоти. Частотна дисперсія швидкості звуку і коефіцієнта в’язкості пов’язана з наявністю в середовищі двох типів процесів: резонансного збудження звуковою хвилею внутрішніх ступіней вільності системи і процесів акустичної релаксації. Процеси резонансного збудження типові для гетерогенного середовища (коливання окремих кристалітів в полікристалічних речовинах або мікробульбашок повітря в рідині), хоча можливі і в однорідному середовищі, наприклад, збудження дислокації в кристалах. Акустична релаксація являє собою процес встановлення локальної рівноваги у середовищі, збуреному звуковою хвилею. Часи встановлення рівноважних значень різних фізичних величин можуть сильно відрізнятись один від одного, тому можна говорити про акустичні релаксації певної величини. Якщо час встановлення її рівноважного значення  набагато більший за період хвилі 1, то змінами цієї величини у присутності звукової хвилі можна знехтувати.

Якщо ж період звукових коливань порівняний з часом релаксації або більший за нього, тобто 1, то розглядувана величина змінюється із звуковою частотою. Оскільки процеси встановлення носять незворотний характер, то частина енергії звукової хвилі переходить в тепло. В результаті в акустичному спектрі поблизу частоти _р = 1/, яка носить назву релаксаційної частоти, виникає дисперсія швидкості звуку: при підвищенні частоти швидкості звуку зростає від свого низькочастотного значення _so при 1 до високочастотного _s при 1.