Акустооптичні дефлектори

Акустооптичні дефлектори являють собою пристрої для керування напрямком поширення світлового променя в просторі. Брегговська дифракція дає простий спосіб відхилення світлового випромінювання: в якості відхиленого використовується промінь дифрагованорго світла. Кут відхилення визначається частотою ультразвуку f, тому при зміні звукової частоти дифрагований промінь переміщується в просторі. Цей принцип і покладено в основу роботи швидкодійних акустооптичних дефлекторів. В такому дефлекторі (рис. 8) промінь світла падає на акустооптичну комірку, в якій збуджується звукова хвиля з частотою f(t), яка змінюється у часі. Світло, відхилене внаслідок брегговської дифракції, фокусується в певній точці фотоприймача. При зміні частоти звуку змінюється і кут відхилення дифрагованого світла; в результаті відбувається переміщення світлової плями по екрану фотоприймача. Закон зміни у часі звукової частоти визначає характер переміщення променя. Акустооптичні дефлектори здійснюють як неперервне переміщення променя, так і його відхилення по набору фіксованих напрямків.

Важливими характеристиками дефлектора є максимальне кутове переміщення променя  і зв’язана з ним роздільна здатність дефлектора N. Остання являє собою число положень світлового променя, які можна розрізнити в межах максимального кутового переміщення . В акустооптичних дефлекторах кутова розбіжність дифрагованого світла дорівнює розбіжності світла, яке падає _опт = /d, де d – діаметр світлового пучка. Число положень світлового пучка, яке можна розрізнити визначається відношенням найбільшого кутового переміщення променя до його кутової розбіжності

.

У приладах, робота яких базується на дифракції Брегга, кут відхилення однозначно визначається звуковою частотою f і кутом падіння _Б. Для того щоб змінити напрямок дифрагованого променя при незмінному куті падіння світла на акустооптичну комірку, необхідно узгодженим чином змінювати частоти і напрямок поширення звукової хвилі так, щоб всередині смуги f робочих частот приладу скрізь виконувалась умова Брегга. У протилежному випадку виконання умови Брегга здійснюється за рахунок розбіжності акустооптичного пучка. Розбіжний пучок можна розглядати як сукупність плоских хвиль, напрямки поширення яких всередині кутового проміжку змінні густина і показник заломлення. Світло, проходячи крізь це середовище, як через дифракційну гратку з періодом , дифрагує. Напрямок поширення хвилі m-го порядку в дифракційному спектрі визначається з умови:

(49)

де _i –кут падіння світла на акустооптичне середовище,  - швидкість звуку,  - частота звуку.

Кут сканування, як правило, не перевищує десяти градусів. Тому у виразі (49) можна скористатись лінійним наближенням, з якого випливає, що кут сканування _d пропорційний діапазону зміни частоти:

(50)

Як правило, робочим являється перший дифракційний максимум.

В принципі, для сканування можна використати як раман-натовську, так і бреггівську дифракцію. Але оскільки дифракція Рамана-Ната спостерігається при низьких частотах і діапазон f для неї звичайно не перевищує кілька десятків мегагерц, то створити дефлектор з високим розділенням і швидкодією у цьому випадку не представляється можливим. Крім того, в дефлекторі з раман-натовською дифракцією неминучі великі світлові втрати, так як в робочий максимум перекачується не більше 33 % падаючого світла. Недоліком бреггівської дифракції є її кутова селективність.

Однією з важливих характеристик скануючого пристрою є число розділених положень світлового променя N. Для одномірного дефлектора:

, (51)

де _d – кутова ширина світлового пучка на виході з дефлектора. Використовується й інше, але цілком адекватне визначення N, як числа розділених плям , які укладаються уздовж лінії сканування на екрані. Слід відмітити, що число дозволених положень є більш важливою характеристикою, а ніж сканування, так що _d можна або зменшити пасивними електричними елементами (лінзами, призмами), але N при цьому не змінюється (у випадку ідеальної оптики).

Якщо кут _d зумовлений тільки дифракційними ефектами, пов’язаними з кінцевою шириною пучка , тоді:

(52)

Тут  – коефіцієнт, який залежить від структури пучка вибраного критерію розділення. Звичайно використовується критерій Релея, згідно з яким дві сусідні плями вважаються розділеними, якщо максимум інтенсивності світла в одному співпадає з першим нулем інтенсивності другого. Тоді для однорідного пучка прямокутного перерізу  = 1, а для однорідного пучка круглого перерізу  = 1,22. В подальшому для визначеності будемо вважати, що пучок є однорідним і має прямокутний переріз.

Підставляючи (), () в (), і прийнявши m = 1, одержимо:

, (53)

де – час проходження пружної хвилі крізь апертуру світлового пучка. Величина  визначає швидкодію дефлектора, оскільки неможна перевести скануючий промінь із одного положення в друге швидше, ніж за час, необхідний для того, щоб по всій апертурі установилась акустична хвиля нової частоти (винятком є дефлектори з лінійним законом сканування).

Співвідношенням (53), яке зв’язує дів важливі характеристики – розділення і швидкодію, є основним в теорії дифракційних дефлекторів. Із нього випливають два шляхи підвищення розділення: збільшення ширини світлового пучка d і розширення діапазону f. Перший шлях є більш простішим, хоча він і пов’язаний з погіршенням швидкодії. Для розширення пучка використовується телескопічна система або призми, які розміщуються на вході відхиляючої комірки. Діапазон f на практиці нерідко обмежується системою збудження ультразвуку. Однак існують і принципові обмеження смуги робочих частот дефлектора, зумовлені природною акустооптичної взаємодії.