История акустооптики

Бриллюэн предсказал дифракцию света на акустической волне, распространяющейся в среде взаимодействия, в 1922 году.

В 1932 году Дебай и Сирс, Лукас и Бикард провели первые эксперименты по проверке явлений.

Частный случай дифракции в первом порядке под некоторым углом падения (также предсказанный Бриллюэном) был отмечен Рытовым в 1935 году.

Раман и Нат (1937) разработали общую идеальную модель взаимодействия с учетом нескольких порядков. Эта модель была разработана Фарисо (1956) для дифракции, включая только один порядок дифракции.

В то время акустооптическое взаимодействие было всего лишь лабораторным экспериментом. Единственное приложение – измерение констант и акустических коэффициентов.

Изобретение лазера привело к развитию акустооптики и ее приложений, в основном для отклонения светового луча, модуляции и обработки сигналов. Технический прогресс как в выращивании кристаллов, так и в высокочастотных пьезоэлектрических преобразователях несет ценные преимущества для улучшения акустооптических компонентов.

Перечень терминов

 Брэгговская ячейка: устройство, использующее объемное акустооптическое взаимодействие (например, дефлекторы, модуляторы и т. Д.).

«Нулевой», «Первый» порядок: нулевой порядок – это луч, проходящий через ячейку без изменения направления распространения. Первый порядок – это дифрагированный пучок, генерируемый при взаимодействии лазерного луча с акустической волной.

Угол Брэгга : особый угол падения (между падающим пучком и акустической волной), который дает эффективную дифракцию в один дифракционный порядок. Этот угол будет зависеть от длины волны и радиочастоты.

Угол разделения: Угол между первым и нулевым порядками дифракции.

Радиочастотный диапазон : для данной ориентации и оптической длины волны существует конкретная радиочастота, которая соответствует критериям Брэгга. Тем не менее, существует диапазон частот, для которых ситуация все еще достаточно близка к оптимальной для того, чтобы дифракция была эффективной. Эта диапазон радиочастот определяет, например, угол сканирования дефлектора или диапазон настройки акустооптического настраиваемого фильтра.

Максимальный угол отклонения : угол, на который луч первого дифракционного порядка может изменяться, при изменении частоты внутри радиочастотного диапазона.

Время нарастания: пропорционально времени, которое необходимо акустической волне, чтобы пересечь лазерный луч, и, следовательно, время, за которое луч реагирует на изменение радиочастотного сигнала. Время нарастания можно уменьшить, уменьшив ширину лазерного луча.

Диапазон модуляции: максимальная частота, на которой пучок света может быть модулирован по амплитуде. Зависит от времени нарастания и может быть увеличен за счет уменьшения диаметра лазерного луча.

Эффективность: доля пучка нулевого порядка, который может быть дифрагирован в пучок 1-го порядка.

Коэффициент затухания: соотношение между максимальной и минимальной интенсивностью света в пучке «1-го» порядка, когда акустическая волна «включена» и «выключена» соответственно.

Частотный сдвиг: разница в частоте между дифрагированными и падающими световыми пучками. Этот сдвиг равен акустической частоте и может быть сдвигом вверх или вниз по шкале частот в зависимости от ориентации.

Разрешение: число разрешимых точек, которые может генерировать дефлектор, соответствует максимальному числу отдельных положений дифрагированного светового луча, как определено критерием Рэлея.

Мощность радиочастоты: электропитание, потребляемое драйвером.

Акустическая мощность: акустическая мощность, генерируемая в кристалле пьезоэлектрическим преобразователем. Имеет меньшее значение, чем мощность радиочастоты, так как коэффициент электромеханического преобразования ниже 1.

Физические принципы

Радиочастотный сигнал, прикладываемый к пьезоэлектрическому преобразователю, связанному с подходящим кристаллом, будет генерировать акустическую волну. Это работает как «фазовая решетка», проходящая через кристалл на скорости звука в материале и с акустической длиной волны, зависящей от частоты радиочастотного сигнала. Любой падающий лазерный луч будет дифрагирован этой решеткой, как правило, давая ряд дифрагированных пучков.

Условия взаимодействия

Параметр, называемый «коэффициент качества, Q», определяет режим взаимодействия. Q определяется выражением:

где  – длина волны лазерного луча, n – показатель преломления кристалла, L – дистанция на которую лазерный луч проходит внутри акустической волны,  – длина акустической волны.

Q<<1: Это режим Рамана-Ната. Лазерный луч падает примерно нормально к акустической волне и существует несколько порядков дифракции (… -2 -1 0 1 2 3 …) с интенсивностями, заданными функциями Бесселя.

Q>>1: Это режим Брэгга. При одном конкретном угле падения Θ создается только один порядок дифракции – другие аннигилируются деструктивной интерференцией.

В промежуточной ситуации аналитическое решение невозможно, и компьютер должен провести численный анализ.

Большинство акустооптических устройств работают в режиме Брэгга, общим исключением являются акустооптические синхронизаторы мод и модуляторы добротности.

Дифракция Рамана-Ната

Дифракция Брэгга