3.2.2. Применение акустооптического эффекта в дефлекторах и для других преобразований излучения

Работа акустооптических устройств основывается на взаимодействии одновременно распространяющихся в веществе оптических и звуковых волн. Еще в начале XIX в. Т. Зеебеком и Д. Брюстером было обнаружено изменение под действием упругого механического напряжения показателя преломления света п вещества, что приводит к искусственной оптической анизотропии, проявляющейся в двойном лучепреломлении и дихроизме. Это так называемый упругооптический эффект (фотоупругость, акустооптический эффект), объясняемый деформацией электронных оболочек атомов и молекул, ориентацией анизотропных молекул и т.п. Под действием механических напряжений, вносимых звуковой волной, в веществе возникают чередующиеся полосы с различными показателями преломления, распространяющиеся со звуковой частотой vзв. Если на вещество направить также световой луч с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волны звука λзв = vзв/vзв, где vзв—скорость звука, ход светового луча будет периодически искривляться. Такое явление малоинтересно для оптической обработки информации уже из-за его низкочастотности. Однако при повышении частоты vзв (при переходе к ультразвуку), как было предсказано Л. Бриллюэном еще в 1922 г., свет испытывает на чередующихся полосах с различным п дифракцию, аналогичную дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле.

Подпись: Рис. 3.4. Устройство  акустооптического дефлектора:
I—кристалл, 2—акустоэлектри-ческий преобразователь, 3 — аку¬стический  поглотитель

Для наблюдения акустооптического эффекта (рис. 3.4) звуковую волну в кристалле возбуждают при помощи акустоэлектрического преобразователя, представляющего собой пьезоэлектрическую пластинку, прикрепленную к кристаллу, или тонкую пленку, нанесенную на его поверхность (LiNbO3, CdS, ZnO). Приложение к преобразователю переменного электрического напряжения U вызывает механические колебания пластинки (пленки) и может возбуждать в кристалле звуковые волны в широком диапазоне частот вплоть до десятков гигагерц (1 ГГц=1 • 109 Гц), уходящие в акустический поглотитель на противоположном конце кристалла (например, эпоксидная смола с наполнителем, сплав висмута с индием и т. п.).

Возможны две схемы дифракции света на звуковых волнах.

Когерентный оптический луч можно послать нормально к направлению распространения звуковой волны (дифракция Рамана Ната), и тогда на выходе световая волна разбивается на серию пучков, симметрично расходящихся под углами θт к падающему лучу

, (3.10)

где т = 0, ±1, ±2, ..., λ—длина волны света. Условию т = 0 соответствует нулевой порядок дифракции, т= ± 1 —первый порядок и т. д. Таким образом, энергия падающего луча распределяется среди множества пучков. Соотношение интенсивности дифрагированных пучков зависит от частоты и интенсивности звука, длины пути, пройденного светом в зоне действия звуковой волны (длины взаимодействия L), Для того чтобы дифракция Рамана—Ната имела место, должно выполняться условие λLзв2<<1. При противоположном неравенстве наблюдается другой тип дифракции, когда свет падает на кристалл не перпендикулярно направлению распространения звука (дифракция Брэгга).

Если угол между направлением падающего светового луча и нормалью к поверхности кристалла θБ (рис. 3.4) удовлетворяет условию, аналогичному условию Брэгга — Вульфа для рассеяния рентгеновских лучей

(3.11)

вся энергия светового луча сосредоточивается практически в пучке, соответствующем первому порядку дифракции.

Соотношение между интенсивностями дифрагированного луча и луча, вышедшего из кристалла параллельно падающему, зависит от длины взаимодействия и амплитуды звуковой волны. Чтобы значительная часть падающего светового потока (50—90%) оказалась дифрагированной при интенсивности звука 1 Вт/см2, длина взаимодействия для различных веществ должна по порядку величины составлять 0,1 — 10см. Частота звука v3B обычно превышает 1• 109 Гц, что соответствует так называемому гиперзвуку (ультразвуком называют упругие волны в диапазоне от 15—20 кГц до 1 • 109 Гц, а гиперзвуком—от 109 до 1012—1013 Гц).

Согласно (3.11) при sin θБ = 1 (рассеяние света назад) должно выполняться равенство 2λзв= λ, чему соответствует некоторая предельная частота звука для данной λ. Значение зависит не только от длины волны света, но и от материала акустооптической ячейки, поскольку в разных материалах скорость распространения звука различна. В видимой области спектра значение находится в пределах от нескольких гигагерц до нескольких десятков гигагерц.

Дифракция Брэгга успешно используется в быстродействующих оптических дефлекторах. Несомненным преимуществом таких дефлекторов по сравнению с электрооптическими является возможность изменять угол отклонения луча за счет изменения частоты звука. Однако в соответствии с (3.11) при этом необходимо согласованно изменять и угол падения светового луча так, чтобы каждый раз условие Брэгга выполнялось. Этого можно достичь, изменяя нужным образом направление распространения падающего луча или же звуковой волны, что существенно усложняет работу дефлектора. Однако условие (3.11) для различных углов выполняется при использовании расходящейся, а не плоской, звуковой волны (это схематически показано на рис. 3.4). Такую волну можно рассматривать как совокупность плоских волн, направленных в пределах некоторого углового интервала. Для заданной частоты звука дифракция Брэгга будет наблюдаться на той компоненте звуковой волны, для которой выполняется условие (3.11). Очевидно, что чем больше расходимость звуковой волны, тем в большем угловом интервале можно отклонять световой луч, изменяя частоту звука. При этом, однако, уменьшается длина акустооптического взаимодействия и для получения той же интенсивности дифрагированного луча приходится увеличивать интенсивность звуковой волны.

Если в качестве рабочего тела акустооптической ячейки использовать анизотропный кристалл, картина происходящих явлений усложняется по сравнению с рассмотренной, условия дифракции становятся зависимыми от взаимной ориентации направления распространения звука и оптической оси кристалла, положения плоскости поляризации света и т. п. При этом, однако, может быть заметно расширен диапазон изменения частоты звука, в котором выполняется условие Брэгга, а значит, и увеличен интервал углового положения дифрагированного луча при той же потребляемой мощности.

При помощи аку сто оптических устройств можно осуществлять не только однокоординатное, но и двухкоординатное отклонение светового луча. При этом дефлекторы с взаимно перпендикулярными плоскостями развертки могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке. Число различимых положений светового луча (разрешающая способность) акустооптического дефлектора может составлять 103—104, причем развертка может осуществляться не только по набору фиксированных направлений, но и при непрерывном сканировании, что достигается ступенчатым или плавным изменением частоты акустических колебаний.

Быстродействие акустооптического дефлектора определяется временем, в течение которого звуковая волна пройдет активную зону кристалла, т. е. оно ограничено относительно низкой скоростью звука. Тем не менее время переключения светового луча может составлять менее чем 1 • 10 -6 с.

В акустооптических дефлекторах могут использоваться многие материалы, слабо поглощающие звуковые колебания и прозрачные в соответствующей области оптического спектра: плавленый кварц, халькогенидные и другие стекла различного химического состава (например, As2S3), диоксид теллура ТеО2 (парателлурит), молибдат свинца РЬМоО4 (вульфинит), а также кристаллы KDP, DKDP, LiNbO3 и др. Доля энергии отклоненного луча по отношению к падающей (эффективность отклонения) акустоэлектрических дефлекторов обычно близка к 50—70%.

Дефлектор на основе акустооптического эффекта можно использовать в качестве модулятора (при этом легче достичь 100%-ной модуляции, если использовать не проходящий, а дифрагированный луч), а также для выполнения других преобразований световой волны.

Если на кристалл с введенной в него звуковой волной направить широкополосное (а не монохроматическое) излучение, то на угол 2θБ отклонится свет преимущественно одной длины волны. Это позволяет выделить из падающего луча узкий спектральный интервал излучения. Изменяя частоту звука, длину волны дифрагированного света можно изменить в широком диапазоне, охватывающем видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. На этом основана работа быстродействующих перестраиваемых акустооптических фильтров. Спектральная полуширина таких фильтров составляет 0,01 — 1 нм.

Поскольку в акустооптической ячейке свет дифрагирует на звуковой волне, т. е. на «движущейся решетке», возникает сдвиг частоты света вследствие эффекта Доплера. Для света, падающего на кристалл в сторону распространения звука, и для света, распространяющегося в противоположную сторону (на квантово-механическом языке этому соответствуют процессы излучения или поглощения фонона), частота света становится равной соответственно vv3B и v + v3B. Это явление можно использовать на практике для сдвига частоты света вверх или вниз на значение v3B, которое также можно изменять.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.