Дифракция звукаи акустоопти́ческий модуля́тор
Дифракция звука— явление огибаниязвуковой волной малого препятствия,размер которого равен длине волныили меньше её. Первое строгое решение задачи дифракции получил в 1895году немецкий физики А. Зоммерфельд, рассмотрев падение плоскойволны на полуплоскость. Явлениедифракции звука описывается наоснове принципа Гюйгенса-Френеля.Дифракцией объясняетсяслышимость звука от источника,стоящего за углом, «проникновение»звука через небольшие отверстия илиузкие щели. Дифракция определяетвозможность диффузии звука —рассеивания звука поверхностью,покрытой выступами размером,равным длине волны. Дифракциязвука вблизи малых препятствий неможет быть объяснена законамигеометрической акустики, так как ониверны для сверхмалых длин волн илиотражающих поверхностей, размеркоторых много больше длины волны.Звук дифрагирует, проходя черезвентиляционные отверстия, через
дверные щели, полуоткрытое окно.Явление дифракции применяется присоздании рупоров громкоговорителей.Когда размер рупора, мал посравнению с длиной волны, звукраспространяется приблизительносферическими волнами, исходящимиот громкоговорителя, как от центра.
Акустоопти́ческий модуля́тор(АОМ) — устройство для измененияинтенсивности пропускаемого света,вследствие его дифракции нарешётке, образуемой в стекле врезультате пространственноймодуляции показателя преломленияакустической волной.
Принцип действия АОМ основан надифракции света на бегущейультразвуковой волне в оптическипрозрачном материале (стекле).Бегущую ультразвуковую волнусоздает пьезоэлектрическийпреобразователь, присоединённый кстеклянной пластине. Благодаряпоявлению участков сжатия ирастяжения, возникающих в стекле иразличающихся показателемпреломления, в среде формируетсядифракционная решётка. Световойпучок, дифрагируя на решётке,образует несколько выходных пучков(дифракционных порядков),разнесённых в пространстве подравными углами относительно другдруга. При помощи апертуры из всехвыходных лучей выделяется первыймаксимум, который существуеттолько при наличии звуковой волны вмодуляторе, и блокируются всеостальные (см. рисунок сверху).В зависимости от толщиныстеклянного тела АОМ имеетнекоторые отличия в работе. В тонкоммодуляторе принцип работы неотличается от того как это описаноранее, но в толстом — необходимоучитывать условия фазовогосинхронизма, , где — волновой вектор падающегоизлучения, и —волновые вектора звуковой иоптической, дифрагировавшей впервый порядок, волны. В толстоммодуляторе при правильном выбореугла падения входного луча иблагодаря условию синхронизмаможно возбудить в основном первый(или минус первый) порядокдифракции. Промышленностьвыпускает толстые модуляторы, таккак они требуют звуковую волнуменьшей мощности. Высокаяэффективность дифракции в толстыхмодуляторах достигается из-за болееширокой дифракционной решётки.
Тонкий модулятор(дифракция Рамана-Ната) При ортогональном падении света наповерхность кристалла проходящийсвет c длиной волны и звуковойволной— дифрагирует под углом в несколько дифракционныхпорядковm: .
Брэгговский режим(толстый модулятор)Практический интерес представляетслучай, когда свет (лазерный пучок)направляется на стекло под угломБрэгга. При этом наблюдаетсядифракция Брэгга, при которойинтенсивности всех дифракционныхмаксимумов, кроме первого,становятся малыми.
Характеристики АОМ
Дифракционный угол
Длина звуковой волны в стеклеравна: ,где — скорость звука, — частота звука.
При частоте модуляции 80 МГц (самаяраспространенная частота АОМ) искорости звука в стекле 3,2 км/с,длина волны звука в стеклесоставляет мкм, а уголотклонения дифрагированного лучапервого порядка равен около10 миллирадиан.
Интенсивность
Интенсивность дифрагированныхлучей зависит от интенсивностизвуковой волны и угла поворотамодулятора (Брэгговского угла).Модулируя интенсивность звуковойволны можно менять (нелинейно)интенсивность дифрагированныхлучей. Как правило, интенсивность
луча нулевого порядка меняется впределах 15—99 %, а интенсивностьпервого порядка — 0—80 %.Контрастность модуляции частопревышает 1000 и может легкодостигать 10 000 (40 дБ).
Частота
Частота дифрагированных лучейвследствие эффекта Доплераизменяется по формуле: .
Такое смещение частотыобусловливается также закономсохранения энергии и импульса(фотонов и фононов). В некоторыхАОМ акустические волны,распространяющиеся впротивоположных направлениях,создают стоячую волну, в результатечастоты дифракционных порядков неменяется.
Фаза
Фаза дифрагированных лучей такжесмещается на величину фазызвуковой волны.
Поляризация
Звуковая волна наводитдвулучепреломление в стекле,поэтому поляризация света послепрохождения модулятора можетизменяться.
Быстродействие
Быстродействие АОМ ограничиваетсявременем прохождения звуковойволны через сечение светового пучка t=d/v,(гдеd— поперечный размерлазерного луча, v— скорость звука вматериале ячейки) и составляетпорядка 2—10 мкс дляколлимированного лазерного лучадиаметром несколько миллиметров.Чем меньше пятно фокусировки, темлучше быстродействие АОМ, поэтомуобычно модулятор размещается вфокусе линзы, при этом выходныелучи коллимируются второй линзой.Толстый модулятор требуетприменения длиннофокусной линзы;при правильной компоновке июстировке возможно достичьбыстродействия в примерно 20 нс.АОМ может работать в режимемодулятора и дефлектора (то естьтакже отклонять по углу падающийлуч при изменении частоты звуковойволны).
Применение
АОМ используются для быстроймодуляции и отклонения лазерныхлучей, поэтому они находят широкоеприменение в оптическихлабораториях как простой способмодулирования лазерного луча(высокоскоростной затвор).
Использование АОМ внутрирезонатора лазера позволяетуправлять потерями резонатора иосуществлять активную модуляциюдобротности или синхронизацию модлазера.АОМ с коллинеарным пучкомименуется AOPDF, он способенформировать спектральную фазу иамплитуду ультракоротких лазерныхимпульсов.
