2.5. Акустооптическое взаимодействие и устройства на его основе

Акустооптика – это раздел акустоэлектроники, изучающий взаимодействие электромагнитных волн (в основном оптического диапазона) с акустическими (звуковыми) волнами в твёрдых телах и жидкостях. Одним из основных следствий акустооптического (АО) взаимодействия является изменение характеристик оптического излучения в среде при распространении в ней акустической волны. Распространение акустической волны в среде вызывает периодическое изменение показателя преломления этой среды, что приводит к возникновению структуры, аналогичной дифракционной решётке с периодом, равным длине акустической волны, движущейся со скоростью звука.

При прохождении в такой среде оптического излучения с шириной пучка d s, где s – длина акустической волны, помимо основного возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света. Характеристики этих пучков света (направление в пространстве, поляризация и интенсивность) зависят от параметров акустической волны (частоты, поляризации, интенсивности и толщины пучка акустических волн), оптического излучения (частоты и поляризации), а также от угла между направлениями распространения световых и акустических волн (АО дифракция) (рис. 2.13).

При достаточно большой интенсивности оптического излучения (обычно лазерного) характер АО взаимодействия зависит также от величины этой интенсивности. Если интенсивность оптического излучения составляет 50 – 100 Мвт/см², то АО дифракция может привести к усилению относительно слабых акустических волн или их генерации в результате вынужденного рассеяния света, что широко используется в спектроскопии газов и конденсированных сред.

При прохождении в среде, в которой распространяется акустическая волна, оптического излучения с шириной пучка d < s возникает АО рефракция (изменение хода световых лучей в неоднородной деформируемой среде) (рис. 2.14). При этом световая волна после прохождения пучка акустических волн толщиной D отклоняется от своего первоначального направления на угол β, пропорциональный длине пути светового луча в звуковом поле и градиенту показателя преломления среды.

АО взаимодействие используется в оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления в основном когерентным оптическим излучением (обычно инфракрасного и видимого диапазонов длин волн) с помощью акустических волн, частоты которых лежат в пределах от единиц МГц до единиц ГГц. Использование АО методов в физических исследованиях позволяет изучать характеристики акустических полей и свойства материалов, в которых имеет место АО взаимодействие, а также осуществлять визуализацию акустических полей.

Устройства, функционирование которых основано на взаимодействии электромагнитных волн оптического диапазона с акустическими волнами в твёрдых телах и жидкостях, называются акустооптическими устройствами (АОУ). Действие большинства современных АОУ базируется на использовании дифракции света на ультразвуке (АО дифракции) в твёрдых телах. АОУ позволяют управлять характеристиками оптического излучения (амплитудой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и др.), а также обрабатывать информацию, носителем которой является световая или акустическая волна.

Основной элемент любого АОУ – АО ячейка, состоящая из электроакустического преобразователя, возбуждающего акустическую волну, и светозвукопровода, в объёме которого происходит дифракция света на этой волне. По функциональному назначению различают следующие АОУ: модуляторы, фильтры, дефлекторы, процессоры и др.

АО модулятор – модулятор света, принцип действия которого основан на перераспределении световой энергии между проходящим и дифрагированным на акустической волне светом. Такие модуляторы позволяют управлять интенсивностью и частотой оптического излучения. Обычно используются модуляторы дифрагированного света, так как стопроцентная модуляция проходящего оптического излучения требует значительных акустических мощностей.

Основные характеристики АО модулятора: эффективность – доля дифрагированного света, полоса пропускания ∆f и быстродействие τ. Быстродействие и максимальная ширина полосы пропускания определяются временем прохождения акустической волны через апертуру светового пучка

∆f_макс = 1/= v/D,

где v – скорость распространения акустической волны в светозвукопроводе, D – толщина пучка акустических волн. Выделяют планарные АО модуляторы, действие которых основано на взаимодействии оптического излучения и поверхностной акустической волны (рис. 2.10). Такие модуляторы используются также в качестве активных элементов ИОС.

АО фильтр – это оптический фильтр, селективные свойства которого обусловлены взаимодействием с монохроматическими акустическими волнами лишь световых волн с определенными длинами. Такие фильтры позволяют выделять из широкого спектра оптического излучения достаточно узкий интервал длин световых волн. Изменяя частоту акустических волн, можно выделяемый интервал перемещать по оптическому спектру в широких пределах.

Различают АО фильтры с коллинеарным (у которых направления распространения света и звука совпадают или противоположны) и с неколлинеарным взаимодействием (рис. 2.15). Основные характеристики АО фильтра: ширина полосы пропускания ∆_о, разрешающая способность ∆_о/_о, где _одлина световой волны в вакууме, а также диапазон оптической перестройки, эффективность и быстродействие.

Принцип действия АО дефлектора основан на явлениях АО дифракции или рефракции. Такие дефлекторы предназначены как для отклонения светового луча в пространстве в заданных фиксированных направлениях, так и для непрерывной развёртки светового луча (сканеры). В дифракционном АО дефлекторе (рис. 2.16) угол отклонения дифрагированного луча меняется при изменении частоты акустической волны. Такие дефлекторы осуществляют как одно-, так и двухкоординатное отклонение светового луча.

В последнем случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, как правило, совмещённых в одной АО ячейке, в которой акустические волны возбуждаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Основные характеристики дифракционного АО дефлектора: разрешающая способность – число различимых положений светового луча в пределах максимального углового перемещения; эффективность – отношение интенсивности отклонённого света к интенсивности падающего; быстродействие и связанная с ним полоса пропускания, представляющая собой диапазон частот акустических волн, внутри которого возможна дифракция падающего света.

В рефракционном АО дефлекторе отклонение светового луча осуществляется вследствие искривления его пути при прохождении через среду с неоднородной деформацией, которая возникает под действием стоячей или бегущей акустических волн. Такие дефлекторы являются низкочастотными (частота акустических волн не превышает 0,5 МГц) устройствами, осуществляющими развёртку светового луча по синусоидальному закону. АО процессор – это оптический процессор, в котором пространственно-временная модуляция оптического излучения осуществляется с помощью дифракционного АО дефлектора (рис. 2.17). Такие процессоры производят обработку информации в реальном масштабе времени в широком частотном диапазоне (до 10 ГГц). Они осуществляют преобразование Фурье акустических сигналов, вычисляют взаимную корреляцию заданной функции с опорной, генерируют сигналы заданной формы и др.

Для создания АОУ используются материалы, отличающиеся значительной прозрачностью в соответствующей области оптического спектра и слабым поглощением акустических волн в диапазоне рабочих частот. Важнейшей характеристикой таких материалов является показатель АО качества, который определяет эффективность АО дифракции при заданной мощности акустической волны для выбранных направлений распространения и поляризации света и звука.

Наиболее распространёнными материалами, используемыми для создания АОУ, являются специальные стёкла, а также монокристаллы TeO₂ и LiNbO₃, прозрачные в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Из материалов, прозрачных в дальнем инфракрасном диапазоне, наибольшее применение получил Ge.