АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Акустооптический эффект, известный в научной дитературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.

В основе акустооптического взаимодействия лежит более общий эффект фотоупругости, заключающийся в изменении диэлектрической проницаемости среды под действием механической деформации . Феноменологически этот эффект описывается как изменение коэффициентов оптической индикатрисы вызванное деформацией :

где - компоненты тензора фотоупругости, .

В случае акустооптического эффекта деформация создается акустической волной, возбуждаемой в прозрачной среде. Поэтому каждая акустическая волна сопровождается волной изменения показателя преломления среды. Для плоской монохроматической акустической волны, распространяющейся по оси Z, можно записать:

,

где n - невозмущенный показатель преломления, f и K - частота и волновое число акустической волны, - амплитуда изменения показателя преломления под действием акустической волны:

,

Для падающего света среда с показателем преломления представляет собой дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука V. Проходя через такую среду, свет дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, формируя в дальней зоне характерную дифракционную картину.

При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: раман-натовский и брэгговский. Режим Рамана-Ната соответствут относительно низким акустическим частотам f и малой длине акустооптического взаимодействия l (обычно, и ). Этот тип дифракции наблюдается при произвольных углах падения света на акустооптическую ячейку (Fig. 1,a), а дифракционная картина может содержать много дифракционных максимумов с симметричным распределением интенсивности света. В противоположность этому, режим Брэгга наблюдается на высоких частотах ультразвука, обычно превышающих 100 МГц. Дифракционная картина, даже при большой акустической мощности , состоит, как правило, только из двух дифракционных мксимумов

нулевого и первого порядков. Однако даже эти максимумы появляются только при определенных углах падения света вблизи так называемого угла Брэгга (Fig. 1,b). В этом случае боковой максимум (брэгговский максимум) образуется как селективное отражение света от волновых фронтов ультразвука. Угол Брэгга определяется соотношением

где - длина волны света в вакууме, и - показатели преломления соответственно для падающего и дифрагированного света.

Четко выделенной границы между двумя описанными режимами дифракции не существует. С увеличением частоты ультразвука угловая селективность акустооптического взаимодействия возрастает, а число наблюдаемых дифракционных максимумов постепенно уменьшается. Традиционно раман-натовский и брэгговский режимы определяются условиями и соответственно, где

- параметр Кляйна-Кука. Поскольку только один дифракционный максимум используется в акустооптических устройствах (как правило, первый порядок), то брэгговский режим более предпочтителен из-за малых световых потерь. Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость.

Если акустооптическая среда является оптически изотропной, то показатели преломления среды для обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы, и выражение определяющее угол Брэгга может быть приведено к виду:

Кривая 1 на Fig. 2 показывает зависимость для этого случая. В анизотропной среде возможно два варианта акустооптического взаимодействия. Если в процессе акустооптического взаимодействия не меняется тип оптической моды, то (рассеяние вида o => o) или (рассеяние вида e => e) , и тогда угол Брэгга определяется выражением, приведенным выше. Этот вариант акустооптического взаимодействия известен как изотропная дифракция. В другом варианте, известном как анизотропная дифракция, тип оптической моды трансформируется в процессе акустооптического взаимодействия (рассеяние вида o => e или e => o). Поэтому и зависимость становится намного сложнее. Кривые 2 и 3 на Fig.2 показывают эти зависимости для относительно простого случая, когда плоскость акустооптического взаимодействия перпендикулярна оптической оси одноосного кристалла.

С точки зрения практического применения все достоинства анизотропной дифракции являются следствием более сложной зависимости угла Брэгга от частоты ультразвука. Так, например, было показано, что наилучшие характеристики у акустооптических дефлекторов получаются в области, где (точка d на Fig.2). Аналогично, оптимальными областями для модуляторов и фильтров являются области вблизи точек m и f, соответственно, где и .

Аналитическое решение задачи акустооптического взаимодействия может быть получено только для предельных режимов раман-натовской и брэгговской дифракции. В последнем случае, если дополнительно предположить, что свет падает на ячейку под углом Брэгга, получается следующее выражение для эффективности дифракции:

где l и b определяют поперечное сечение акустического пучка. Параметр M определяемый формулой

где плотность среды, называется акустооптическим качеством. Это основной параметр, по которому оценивается пригодность материала для акустооптических применений, поскольку чем выше акустооптическое качество, тем меньшая требуется акустическая мощность для получения необходимой эффективности дифракции.