Акустооптика

АКУСТООПТИКА раздел акустоэлектроники, изучающий взаимодействие электромагнитных волн (как правило, оптического диапазона) с когерентными акустическими (звуковыми) волнами в твёрдых телах и жидкостях, на основе которого разрабатываются различные приборы и устройства. Основной механизм акустооптического (АО) взаимодействия обусловлен упруго-оптическим, или фотоупругим, эффектом среды, в результате которого механические деформации, создаваемые звуковой волной, вызывают модуляцию оптических свойств светозвукопровода. Распространение акустической волны в среде приводит к периодическому изменению диэлектрической проницаемости (обычно показателя преломления света) среды, что эквивалентно возникновению в ней движущейся со скоростью звука дифракционной решётки с периодом, равным длине акустической волны.

При большой ширине оптического луча D, когда D »Λ (Λ - длина акустической волны), и определённом угле падения света имеет место акустооптическая дифракция. Характеристики дифрагированного света (направление распространения, поляризация, частота, фаза и интенсивность) зависят от параметров оптической и акустической волн, а также от угла между направлениями распространения этих волн (рис. 1).

Рис. 1. Акустооптическая дифракция широкого оптического луча (D » Λ): D - ширина светового пучка; d - ширина звукового пучка; θп - угол падения света на звуковой пучок (Λ - длина акустической волны).

Различают акустооптическую брэгговскую дифракцию и дифракцию Рамана - Ната. Брэгговская дифракция имеет место при большой «толщине» дифракционной решётки, когда параметр Кляйна - Кука Q » 1 (Q ≈ λd/Λ2, где λ - длина световой волны в среде, d - ширина акустического пучка). Обычно брэгговская дифракция происходит при достаточно больших d ( ~ 1 см) и высоких частотах звука (около 100 МГц и выше), при строго определённом угле падения света на звуковой пучок θ_п, близком к брэгговскому углу θ_В, то есть при θ_п ≈ θ_В = arcsin(λ/2Λ) (смотри Брэгга - Вульфа условие), причём на выходе помимо проходящего света (нулевой порядок) возникает только один (первый) дифракционный порядок со сдвигом частоты света на частоту звука Ω соответственно вверх или вниз. При Q « 1 имеет место дифракция Рамана - Ната, которая возникает в достаточно широком диапазоне углов падения света вблизи нормального угла и характеризуется одновременным появлением множества сравнимых по интенсивности дифракционных порядков (m=...-2, -1, 0, +1, +2...) и соответствующими сдвигами частоты, равными m Ω.

При ширине оптического луча D«Λ (рис. 2) возникает акустооптическая рефракция (изменение хода световых лучей в неоднородной деформируемой среде), при которой световая волна после прохождения акустического пучка отклоняется от своего первоначального направления на угол β, пропорциональный длине пути светового луча в звуковом поле и градиенту показателя преломления среды. При достаточно большой интенсивности оптического излучения характер АО взаимодействия зависит также от величины этой интенсивности; в частности, при интенсивности более 50-100 МВт/см может происходить усиление слабых акустических волн или их генерация в результате вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна.

Рис. 2. Акустооптическая рефракция тонкого оптического луча (D « Λ): D - ширина светового пучка; d – ширина звукового пучка; β - угол отклонения светового пучка; Λ - длина акустической волны.

Акустооптическое взаимодействие широко используется как при физических исследованиях, так и в технике. АО дифракция позволяет измерять локальные характеристики акустических волн (например, амплитуду, диаграмму направленности, спектральный состав), что может быть использовано для определения многих параметров вещества - скорости и коэффициента поглощения звука, модулей упругости 2-го и более высоких порядков, упруго-оптических постоянных и др. Анализ эффективности дифракции в различных точках образца даёт возможность восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука и осуществить визуализацию акустических полей.

Акустооптические устройства. На основе АО дифракции и рефракции создаются активные оптические элементы, позволяющие управлять всеми параметрами оптических лучей, а также обрабатывать информацию, носителем которой может быть как световая, так и акустическая волна. Основу всех устройств составляет акустооптическая ячейка (АОЯ), состоящая из светозвукопровода с пристыкованным к нему электроакустическим преобразователем (обычно пьезоэлектрическим).

Акустооптический модулятор предназначен для модуляции интенсивности (иногда фазы) оптического излучения; принцип действия основан на перераспределении световой энергии между проходящим и дифрагированным на акустической волне светом. Обычно используются модуляторы дифрагированного света. Такой модулятор представляет собой АОЯ, в которой с помощью высокочастотного (ВЧ) электрического напряжения, подаваемого на пьезопреобразователь, возбуждается бегущая амплитудно-модулированная звуковая волна. Падающий на АОЯ относительно узкий световой луч претерпевает АО дифракцию, и отклонённый луч (первый дифракционный порядок) поступает на выход устройства (рис. 3). Основные характеристики модулятора: дифракционная эффективность η - доля мощности дифрагированного света по отношению к падающему; быстродействие τ (определяется временем прохождения акустической волны со скоростью V₀ через апертуру светового пучка, τ ~D/V₀); динамический диапазон - отношение максимальной мощности света на выходе устройства к мощности рассеянного света в отсутствие ВЧ-сигнала. В современных АО модуляторах света быстродействие лежит в диапазоне 10^-7-10^-8 с, динамический диапазон в пределах 30-50 дБ, η около 100%.

Рис. 3. Схема акустооптического дифракционного модулятора: 1 - светозвукопровод; 2 - пьезопреобразователь; 3 - коллимирующая линза для выходного луча света.

Выделяют планарные акустооптические модуляторы (рис. 4), работа которых основана на взаимодействии волноводных оптических мод с поверхностными акустическими волнами (ПАВ). Планарные модуляторы применяются в качестве активных элементов интегрально-оптических схем.

Рис. 4. Схема волноводного акустооптического дифракционного модулятора на поверхностных акустических волнах: 1 - ВЧ-генератор; 2 - подложка; 3 - оптический волновод; 4 - встречноштыревой пьезопреобразователь; I_n, I₀ и I₁ - волноводные моды соответственно падающего, прошедшего и дифрагированного света.

Акустооптические дефлекторы и сканеры - устройства для управления отклонением светового луча в пространстве на основе АО дифракции или рефракции. Сканеры служат для непрерывной развёртки луча, дефлекторы для адресации луча в пределах фиксированного числа направлений, в которые может отклоняться световой луч. В дифракционном АО дефлекторе (наиболее распространены) угол отклонения света θ изменяют путём изменения частоты звука f. Два соседних состояния луча «разрешаются» по критерию Рэлея, если угол между ними δθ = δf/V0cosθ_В, связанный с изменением частоты δf, превышает угол расходимости луча света δθ_СВ ≈ λ/D. Основные характеристики таких дефлекторов: число разрешимых состояний светового луча (в пределах максимального углового перемещения Δθ) N = Δθ/δθ; быстродействие τ, определяемое как время перехода из одного состояния в другое; потери пропускания света α = Р_вх/Р_вых (в дБ), где Р_вх, Р_вых - мощность соответственно падающего и отклонённого луча.

Существуют дифракционные АО дефлекторы, осуществляющие двухкоординатное отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещённых одномерных дефлектора, как правило, совмещённых в одной АОЯ, в которой акустические волны возбуждаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Современные дефлекторы позволяют получать до 10⁴ разрешимых состояний со временем перехода τ порядка 1-30 мкс и потерями пропускания в несколько десятков процентов при потребляемой электрической мощности порядка 1 Вт.

Акустооптический фильтр - частотно-селективный оптический фильтр, свойства которого обусловлены резонансным характером синхронизма анизотропной брэгговской дифракции. Такая АО дифракция в виде простого поворота плоскости поляризации дифрагированного излучения на угол 90° позволяет выделять из широкого спектра падающего оптического излучения достаточно узкий интервал длин волн δλ, а при изменении частоты звука перемещать этот интервал по оптическому спектру (перестраивать фильтр) в достаточно широких пределах Δλ. Различают АО фильтры с коллинеарным (направления распространения света и звука совпадают или противоположны) и с неколлинеарным взаимодействием (рис. 5). Основные характеристики фильтров: ширина полосы пропускания Δλ, разрешающая способность δλ/λ, быстродействие τ и потери пропускания света а. В видимом диапазоне длин волн (λ ≈0,6 мкм) для современных АО фильтров δλ&≥1 А, τ≤15 мкс и α≥3 дБ при управляющей мощности ~ 1-5 Вт. Область перестройки может перекрывать весь оптический и ближний ИК-диапазоны.

Внутриполостные АО модуляторы и фильтры служат для управления процессом генерации и параметрами излучения оптического квантового генератора. Высокопрозрачная АОЯ, будучи помещённой внутрь оптического резонатора, может модулировать его добротность и обеспечивать импульсную работу лазера за счёт синхронизации его собственных мод или перестраивать встроенный фильтр и контролировать длину волны лазерного излучения.

Рис. 5. Схемы акустооптического перестраиваемого фильтра на основе коллинеарного (а) и неколлинеарного (б) АО взаимодействия: 1 - поляризатор; 2 - светозвукопровод; 3 акустический поглотитель; 4 - поляризационный анализатор; 5 - пьезопреобразователь; стрелками указана поляризация световых лучей.

Акустооптический процессор - аналог оптического процессора, в котором АОЯ используется в качестве пространственно-временного модулятора света. В АО процессоре акустической сигнал изменяет свои амплитудно-фазовые характеристики в течение времени прохождения по звукопроводу, образуя движущееся одномерное «изображение» сигнала; когерентный и хорошо коллимированный световой луч, дифрагируя на таком изображении, переносит на оптическую несущую всю информацию входного ВЧ-сигнала, что обусловливает применение таких устройств для оптической обработки информации. Различают аналоговые функциональные и цифровые АО процессоры. Первые осуществляют над входным сигналом операции преобразования Фурье, нахождение функции неопределённости или взаимной корреляции входного сигнала с заданной опорной функцией, задержку, генерирование сигналов заданной формы и так далее. Вторые могут осуществлять скалярное, векторное и матричное умножение цифровых операндов.

Наибольшее применение получили аналоговые АО спектроанализаторы и АО корреляторы сигналов. Для высокоскоростной работы в режиме реального времени применяют схему оптического пространственного интегрирования свёртки движущегося изображения сигнала с неподвижным (опорным) оптическим изображением (транспарантом); не слишком быстрые процессы обрабатывают по схеме с временным интегрированием. Одноканальные АО спектроанализаторы коротких импульсных сигналов имеют спектральное разрешение до 30 кГц; для более длительных процессов на базе временного интегрирования может быть достигнуто разрешение порядка 30 Гц. В обоих случаях эквивалентная операционная скорость обработки в устройствах составляет около 10¹⁰-10¹² аналоговых операций в секунду.

Достаточно высокая производительность, присущая АО процессору как аналоговому вычислительному устройству, может быть использована в целях обработки цифровой информации, в частности для различных операций линейной алгебры (скалярное умножение векторов, умножение вектора на матрицу, матрицы на матрицу и т.п.). Умножение цифровых операндов осуществляется методом их свёртки в аналоговом АО процессоре. Оценки вычислительной скорости для векторно-матричного умножения в одном процессоре на базе современной АО технологии показывают принципиальную возможность достижения скорости умножения до 10¹⁰ операций сложения и умножения в секунду при 16 битовых операндах.

Материалы для АО устройств характеризуются высокой прозрачностью в соответствующей области оптического спектра и малым затуханием акустических волн в диапазоне рабочих частот. Важнейшей характеристикой таких материалов является показатель акустооптического качества М, который определяет эффективность дифракции η при заданной мощности звука Р_ак: η~МР_ак/λ². Для основных типов АО устройств установлены характерные показатели их акустооптического качества: М₁=рn⁷/ρV - для широкополосных однокоординатных модуляторов и дефлекторов; М₂ = р²n⁶/ρV³ - для узкополосных модуляторов и фильтров и М₃ = р²n⁷/ρV² - для двухкоординатных дефлекторов (здесь n – показатель преломления материала, р - эффективная упруго-оптическая константа, ρ - плотность материала, V - фазовая скорость акустической волны). Наиболее распространёнными АО материалами, используемыми в видимом и ближнем ИК-диапазонах, являются специальные стёкла, а также монокристаллы парателлурита β-ТеО₂ и ниобата лития LiNbО₃; для дальнего ИК-диапазона наибольшее применение получил монокристаллический германий.

Лит.: Гуляев Ю.В., Проклов В. В., Шкердин Г. Н. Дифракция света на звуке в твердых телах // Успехи физических наук. 1978. Т. 124. Вып. 1; Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. М., 1978; Яковкин И. Б., Петров Д. В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах. Новосиб., 1979; Балакший В. П., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М., 1985; Бондаренко В. С., Зоренко В. П., Чкалова В. В. Акустооптические модуляторы света. М., 1988.