Дифракция света на ультразвуке

Если в кристалле или жидкости возбудить ультразвуковую волну с длиной , то вследствие явления фотоупругости в среде возникнут периодические изменения показателя преломления . Плоская монохроматическая волна с длиной , проходя через такую среду, будет дифрагировать на неоднородностях показателя преломления. Различают два режима дифракции:

– дифракция Брэгга;

– дифракция Рамана–Ната.

Дифракция Брэгга имеет место, когда длина звуковой волны меньше глубины акустического поля , что соответствует дифракции световой волны на объемной периодической структуре (рис. 60.1). В этом случае наблюдаются два дифракционных максимума нулевого и первого порядков, причем максимум первого порядка будет наиболее интенсивным, если угол падения равен углу Брэгга , определяемому выражением

. (60.1)

В режиме дифракции Брэгга проходящий луч пересекает две или более волновые поверхности ультразвуковой волны. Если угол падения равен углу Брэгга, то волны, отраженные на неоднородностях показателя преломления, имеют разность хода, равную длине волны, и в результате интерференции усиливают друг друга. Интенсивность света в первом дифракционном порядке возрастает по мере увеличения глубины акустического столба , а интенсивность прошедшего света ( ) уменьшается. При достижении некоторой оптимальной длины практически весь падающий свет дифрагирует в первый порядок. При дальнейшем увеличении интенсивность света в первом дифракционном порядке вновь уменьшается.

Дифракция Рамана–Ната имеет место, когда длина акустической волны больше глубины взаимодействия (рис. 60.2). В этом случае среда работает как фазовая дифракционная решетка. В результате дифракции на ультразвуке в плоскости экрана наблюдаются дифракционные максимумы различных порядков, причем угол дифракции , под которым наблюдается максимум порядка , определяется формулой решетки (59.2), где в качестве периода выступает длина ультразвуковой волны , т. е.

. (60.2)

В результате эффекта Доплера частота света в максимуме порядка отличается от частоты падающего света и равна , где – частота ультразвуковой волны.

Дифракция электромагнитных волн на ультразвуке используется для создания различных устройств акустоэлектроники, таких как акустооптические модуляторы, дефлекторы, процессоры для обработки оптического сигнала и др. Акустооптические модуляторы позволяют осуществлять амплитудную и частотную модуляции оптического сигнала. В них в основном используется режим дифракции Брэгга, который обеспечивает более широкую полосу пропускания устройства. Изменяя частоту ультразвуковой волны, можно изменять как интенсивность, так и частоту оптического излучения в первом дифракционном максимуме. Наиболее широко акустооптические модуляторы используются для управления параметрами лазерного излучения. Достоинствами акустооптических модуляторов являются высокая контрастность, определяемая отношением максимальной дифрагированной световой мощности к минимальной, и низкие управляющие напряжения. Быстродействие акустооптических модуляторов определяется временем распространения звуковой волны через поперечное сечение светового пучка и достигает нескольких наносекунд. При частотной модуляции оптического сигнала достигается сдвиг частоты до 1 ГГц.

Акустооптические дефлекторы применяются для изменения направления распространения светового пучка (сканирования в пространстве). Это осуществляется путем изменения акустической частоты. Практически для всех применений необходимо двухкоординатное отклонение излучения, поэтому свет пропускается через две акустооптические ячейки, ориентированные в перпендикулярных направлениях. Акустооптические дефлекторы могут применяться в системах оптической памяти для считывания информации; в устройствах вывода информации из ЭВМ; для получения телевизионных изображений; сканирования диаграммой направленности в лазерной локации и т. п. Очень перспективно применение акустооптических дефлекторов в интегральной оптике для создания интегрально-оптических переключателей и сканеров. На рисунке 60.3 приведена схема дефлектора в интегральном исполнении. На подложке 1 из пьезоэлектрического кристалла нанесены металлические контакты (встречно-штыревой преобразователь) в виде взаимопроникающих гребенок 2, предназначенных для возбуждения поверхностной акустической волны (ПАВ). Эта волна передается в нанесенный на подложку волноводный слой 3 и приводит к возникновению в волноводе фазовой дифракционной решетки. Если угол падения луча удовлетворяет условию Брэгга (60.1), то входное излучение практически полностью отклоняется в первый дифракционный максимум, т. е. первоначальное направление распространения луча изменяется на угол .