4.6.2. Акустооптические преобразователи

Рассмотрим кратко физические особенности и технические средства излучения ультразвука.

Ультразвук - колебательные движения частиц упругой среды (упругие колебания и волны), распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде с частотами от 15-20 кГц до 1 ГГц. Более низкие частоты соответствуют звуку, воспринимаемому человеком. Диапазон сверхвысоких частот от 10⁹ до 10¹³ Гц соответствует гиперзвуку, который возбуждают в тонких пленках.

Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические излучатели, которые преобразуют энергию высокочастотных электрических колебаний в механические (упругие) колебания (микродеформации) той же частоты. Излучателями ультразвука служат пластины или стержни из пьезоэлектрического материала: пьезокварца SiO₂, ниобата лития LiNbO₃, дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄. Такие излучатели «обрамлены» металлическими электродами, на которые подается переменное (высокочастотное) электрическое напряжение. Колеблющиеся пластины (или стержни) излучают упругие (ультразвуковые) волны, которые распространяются в окружающей среде.

Более мощные ультразвуковые излучатели основаны на магнитострикционном эффекте сжатия и растяжения материала под действием электрического поля.

Рассмотрим эффект воздействия ультразвука на вещества (материалы), применяемые в акустооптических преобразователях.

К ультразвуковым воздействиям чувствительны различные материалы: тяжелое оптическое стекло (флинт), двуокись теллура ТеO₂, молибданат свинца PbMoO₄ и др. Излучатель ультразвука прикрепляется к торцу акусточувствительного кристалла и при подаче переменного электрического напряжения создает в этом кристалле периодические упругие колебания (механические микродеформации). В прозрачной пластине или кристалле, под действием ультразвуковой волны, периодически формируются области сжатия и разрежения. Коэффициенты преломления таких областей, которые в первом приближении пропорциональны плотности среды, различны.

Ультразвуковая волна, распространяясь вдоль оси z, периодически деформирует среду и создает чередующиеся темные полосы сжатия и светлые полосы разрежения. Ритмично (по оси z) изменяется коэффициент преломления n. Различна и скорость распространения света, поданного перпендикулярно пластине, приводящая к разным фазовым задержкам в волнах сжатия и разряжения. Таким образом, в кристалле под действием ультразвуковых волн искусственно создается регулярная дифракционная решетка.

4.6.3. Свойства регулярных дифракционных решеток

Согласно ранее изложенному, дифракционной решеткой (в оптике) называется периодическая неоднородность большого числа препятствий и щелей (или отверстий), сосредоточенных в ограниченном пространстве, на которых происходит дифракция света. Такая решетка называется регулярной, если ее элементы распределены по периодическому закону, например на равных расстояниях.

В акустооптической среде, возбуждаемой высокочастотными электрическими сигналами напряжения E_p(t)=sinωt, регулярная дифракционная решетка формируется естественно, с помощью ультразвука. Моделируя такую решетку, следует учитывать, что показатель преломления не остается постоянным (больше - в участках сжатия, меньше - в разреженных зонах), поэтому падающая волна света частично отражается от границы разрежения и сжатия (как в полупрозрачном зеркале).

Ультразвуковые возмущения в направлении оси z не изменяют коэффициентов преломления среды в направлениях x и у, перпендикулярных оси z. Поэтому полупрозрачные зеркала акустооптической дифракционной решетки являются плоскими и распределены дискретно, перпендикулярно оси z на расстояниях, равных длине волны λ_s ультразвуковых волн.

Связь длины волны λ_s ультразвука со скоростью его распространения v_зв в акустооптической среде при заданной частоте возбуждения ν_s упругих колебаний проста: λ_s = v_зв/ν_s. В стекле скорость ультразвука v_зв=3,1×10³ м/с. При частоте ν_s=60 МГц это дает длину волны ультразвука (период дифракционной решетки) на уровне λ_s=52 мкм.

Очевидно, что акустооптическая дифракционная решетка является динамической; зоны сжатия и разрежения либо распространяются в среде со скоростью звука v_зв, либо периодически сменяют друг друга в каждой точке среды под влиянием стоячих волн. Следует также учитывать, что в акустооптических средах относительное изменение показателя преломления невелико (менее 10^-5-10^-4).

Рассмотрим варианты и схемы акустооптической дифракции.

Различают:

– дифракцию Рамана-Ната, когда луч света падает перпендикулярно дифракционной решетке;

– дифракцию Брэгга, когда луч света падает под углом к дифракционной решетке.

Указанные физические эффекты существенно зависят от длины волны падающего света (λ₀) и ультразвука (λ_s), а также от толщины I_вз области взаимодействия света и ультразвука.

При дифракции Рамана-Ната должно выполняться условие I_зв<<λ_s²/λ₀ и искривление (рефракция) падающего света после относительно тонкой дифракционной решетки оказывается незначительной. Периодические области усиления яркости на фронте световой волны с характерными многочисленными дифракционными максимумами (m=0, ±1, ±2, ±3, ...).

Дифракция Брэгга происходит, если I_вз>>λ_s²/λ₀; при этом наблюдается существенное пространственное отклонение всего светового пучка. Такое отклонение происходит в первом (+1 или -1-й) дифракционных максимумах, если выполняется условие Брэгга

(4.30)

где n - показатель преломления кристалла.

Угол Брэгга, под которым в этом случае должен падать луч света, определяется соотношением:

.

Например, в конкретном варианте λ₀=0,9 мкм, λ_s=52 мкм, n=1,92 (для тяжелого флинта), угол Брэгга θ=0,45 мрад или θ=0,25°. Поскольку sinθ<<1, можно использовать для оценки угла Брэгга более простое соотношение

.

На рис. 4.6 показана схема взаимодействия падающего светового луча1 и акустооптической дифракционной решетки 3, возбуждаемой пьезоэлектрическим преобразователем 2. Лучи 4 и 5 выходят под углами Брэгга в 1-м и -1-м максимумах.

Представленные варианты и схемы дифракции в акустооптической среде являются граничными (заметно идеализированными). Реальная дифракция в такой среде происходит по «своим» закономерностям, занимающим промежуточное положение между дифракционными законами Рамана-Ната и Брэгга.

Рис. 4.6.Схема взаимодействия луча и акустооптической

дифракционной решетки