Акустооптика - пограничная научная область между техникой и физикой, в которой исследуется взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми и формируются основы использования этих явлений в науке.
Взаимодействие светового луча со звуком применяется в современной оптике, лазерной технике и оптоэлектронике для управления когерентным излучением света. Акустооптические устройства позволяют экспертам управлять частотой, амплитудой, спектральным составом, поляризацией сигнала и дальнейшим направлением распространения светового вектора.
Акустооптические взаимосвязи сводятся к эффектам оптических рефракции и дифракции только при крайне низких интенсивностях излучения света. С повышением световой мощности важную роль начинают играть нелинейные явления влияние световых лучей на среду. Из-за эффектов нагревания среды и электрострикции оптического преломления в среде появляются упругие переменные напряжения и генерируются звуковые волны, обладающие частотами от слышимых до гиперзвуковых.
На сегодняшний день исследователи выделяют такие основные акустооптические явления:
- дифракция светового вектора на ультразвуке (акустооптическая дифракция);
- рефракция света с помощью ультразвука (акустооптическая рефракция);
- усиление слабых акустических и звуковых волн, а также их генерация под влиянием мощного оптического поля (оптоакустические явления).
Важной сферой практического применения акустооптических эффектов являются комплексные системы обработки важной информации, где устройства акустооптики используются для обработки постоянных СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени. Под воздействием механических деформаций, которые переносятся звуковой волной, возникает пространственная модуляция оптических свойств пространства, обусловленная фотоупругими или упруго-оптическим фактором.
Акустооптическое взаимодействие
Акустооптическое взаимодействие в физике сводится к явлениям оптической дифракции и рефракции лишь при низких интенсивностях преломления света. Из-за электрострикции возникают нелинейные эффекты, которые воздействуют посредством света на среду. К оптоакустическим эффектам относится также общая генерация акустических колебаний, которые периодически повторяются в световых импульсах и обусловлены механическими переменными напряжениями, появляющимися в результате теплового расширения при систематическом локальном нагревании пространства светом.
Акустооптическая дифракция позволяет специалистам в сфере разработки новых устройств также измерять многие показатели вещества:
- коэффициент и скорость поглощения звука;
- модули упругости второго, третьего и более высоких порядков;
- упруго-оптические постоянные величины.
При распространении в определенной среде звуковых волн и интенсивности светового луча модули упругости высших порядков получают после измерения параметров с помощью брэгговской дифракции.
В итоге возникают мощные амплитуды в волне, которые прямо пропорциональны нелинейным процессам упругости действующих порядков.
Эффекты акустооптической взаимосвязи широко используются при физических и научных исследованиях, так и в технике. Дифракция светового луча дает возможность исследователям точно измерять локальные особенности УЗ-полей. По угловым переменным дифрагированного света реализуется на практике спектральный состав акустического преломления и диаграмма общей направленности. Анализ и мониторинг эффективности такого явления в различных материальных точках образца помогает легко восстановить картину пространственного распространения интенсивности звука.
Рисунок 1. Акусто-оптические модуляторы света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Применения акустооптических явлений
Используя акустооптический метод в экспериментах, можно визуализировать электромагнитные поля и контролировать качество прозрачных, физических материалов. Акустооптические прочные фильтры позволяют проводить химический анализ среды дистанционно. Кроме того, устройства, которые используются в акустооптике, чрезвычайно эффективными и рентабельны для анализа сверхвысоких радиосигналов.
Центральной областью применения акустооптических процессов являются концепции оптической обработки данных, включая элементы систем оптического взаимодействия и оптические процессоры.
Разнообразные использования акустооптических устройств становятся возможными благодаря многогранности этого эффекта, посредством которого возможно эффективно манипулировать всеми показателями световой волны. Так акустооптические устройства помогают управлять интенсивностью и силой лазерного излучения, формой оптического вектора пространстве, фазой и поляризацией электромагнитной волны, а также спектральными особенностями и пространственным составом оптических пучков.
Типы акустооптических приборов
На базе эффектов рефракции и дифракции светового луча создаются мощные оптические элементы, управляющие всеми параметрами оптического вектора и обрабатывающие информацию, носителем которой выступает световая и звуковая волны. Основу таких приборов составляет акустооптическая ячейка, состоящая из рабочего, материального тела, где происходит тесное взаимодействие света с УЗ-волной, и самого излучателя.
В настоящий момент существуют такие виды акустооптических устройств:
- Акустооптические модуляторы – специальные приборы, комплексно управляющие интенсивностью и реализацией световых пучков на базе перераспределения внутренней энергии между дифрагированным и проходящим световым лучом. Обычно применяется модуляция дифрагированного света. Эти приборы позволяют при максимальной простоте своих конструкций проводить такие сложные операции, как параллельная обработка сведений в сверхскоростных процессорах.
- Акустооптические сканеры и дефлекторы – механизмы для управления конечного направлением светового луча в определенном пространстве. Сканеры осуществляют непрерывную развертку луча; в дефлекторе есть набор фиксированных показателей, по которым может отклоняться вектор света.
- Акустооптические фильтры – агрегаты, помогающие выделить достаточно узкий интервал длин световых волн из широкого спектра оптического излучения световых волн, полностью удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту оптического звука, выделяемый интервал можно перемещать по оптическому спектру в более масштабных пределах.
- Компрессоры радиоимпульсов - осуществляют сжатие электрических и внутренних импульсов.
- Акустооптические процессоры - служат базой для разработки высокоскоростных устройств обработки СВЧ-сигналов. В итоге производится обработка информации в реальном масштабе времени.
Следует отметить, что зачастую акустооптику рассматривают как отдельную дисциплину. Современная акустооптика тесно взаимосвязана не только со своими «материнскими» подразделами физики — с оптикой и акустикой, но и с кристаллофизикой и другими прикладными дисциплинами, такими как радиофизика и оптоэлектроника.
