Akustooptik

Die Akustooptik ist ein Zweig der Physik, der sich mit der Wechselwirkung zwischen Schallwellen und Lichtwellen befasst, insbesondere mit der Beugung eines Lasers durch Ultraschall und Schallwellen im Allgemeinen.

Historisch

Während die optische und akustische haben seit der Zeit untersucht worden antiken Griechenland , die Geburt des akustooptischen ist jünger, da diese Wissenschaft entsteht zu Beginn des XX - ten Jahrhunderts: 1914, in der Tat, die Französisch Physiker Léon Brillouin präsentiert eine erste Theorie der Kopplung zwischen einer Lichtwelle und einer Hyperschallwelle. Erst 1921, nach dem Ersten Weltkrieg, veröffentlichte er seine Theorie.

Er zeigt, dass eine Lichtwelle, die durch ein Fluid geht, das Kompressions-Dekompressions-Wellen sehr kleiner Wellenlänge ausgesetzt ist, in der Art eines Beugungsgitters gebeugt wird : Tatsächlich werden die periodischen Druckänderungen durch Variationen des photoelastischen Effekts im Brechungsindex induziert . Das Phänomen wurde 1932 durch Erfahrungen schnell bestätigt, gleichzeitig von Peter Debye und Francis Weston Sears (in) in den Vereinigten Staaten sowie von René Lucas und Pierre Biquard in Frankreich . Ein von Brillouin vorhergesagter Sonderfall der Beugung erster Ordnung bei einem bestimmten Einfallswinkel wurde 1935 in Rytow verifiziert .

Râman und Nath skizzieren 1937 ein mathematisches Modell der Beugung von Lichtwellen durch Schallwellen, das mehrere Beugungsordnungen umfasst . Sie veröffentlichen mehrere Artikel von 1935 bis 1936, die zeigen, dass es möglich ist, Licht mit der Stimme zu modulieren und Licht zum Tragen von Tönen zu verwenden. ein Modell, das P. Phariseau 1956 für einen einzigen Auftrag entwickelte.

Die Entdeckung von Râman und Nath gewann ab den 1970er Jahren während der Entstehung von Lichtwellenleitern eine sehr große Bedeutung , wobei die von ihnen entwickelte Theorie im Kontext der Telekommunikation von großem Interesse war .

Prinzip

Die Phänomene der Wechselwirkung zwischen Licht- und Schallwellen werden im Allgemeinen durch die Änderung des Brechungsindex der Materie aufgrund von Schallwellen verursacht, die durch sie hindurchtreten. Schallwellen erzeugen aufgrund des Wechsels zwischen Kompression und Relaxation von Materie, die sich wie ein Beugungsgitter verhält, ein regelmäßiges Brechungsindexmuster .

Akustooptischer Effekt

Der akustooptische Effekt ist ein Sonderfall der Photoelastizität, bei dem eine Änderung der Permittivität ε aufgrund einer Spannung α stattfindet. Die Photoelastizität führt zu einer Modifikation des optischen Koeffizienten B i durch eine mechanische Spannung α j gemäß der Beziehung p ij ist der photoelastische Tensor . Bei der Akustooptik ist die mechanische Beanspruchung das Ergebnis der Ausbreitung einer Schallwelle im Medium, die zu Schwankungen des Brechungsindex in diesem Medium führt. ${\ displaystyle \ Delta B_ {i} = p_ {ij} \ alpha _ {j}}$

Für eine akustische ebene Welle, die sich entlang der (Oz) -Achse ausbreitet, ist der Brechungsindex zeitlich und räumlich entlang der (Oz) -Achse variabel, was dazu führt, dass n der Brechungsindex des Mediums im stationären Zustand ist , Δn die Amplitude von die Indexvariation, ω die Pulsation und k die Wellenzahl . Es ist möglich, .DELTA.N auszudrücken : . ${\ displaystyle n (z, t) = n + \ Delta n \ cos {(\ omega t-kz)}}$ ${\ displaystyle \ Delta n = - {\ frac {1} {2}} n ^ {3} p_ {ij} \ alpha _ {i}}$

Das sinusförmige Brechungsindexprofil wirkt als Beugungsgitter, das mit der Geschwindigkeit der Schallwelle fortschreitet. Die Lichtwelle wird durch dieses Gitter gebeugt und für einen Winkel θ m zwischen gebeugter Welle und einfallender Welle gilt Λ die Wellenlänge der Schallwelle, λ die Wellenlänge der Lichtwelle und m die Beugungsordnung. ${\ displaystyle \ Lambda \ sin {\ theta _ {m}} = m \ lambda}$

Von einer Schallwelle mit einer einzigen Frequenz gebeugtes Licht erzeugt zwei Arten der Beugung: den Raman-Nath-Effekt und die Bragg-Beugung . Der Raman-Nath-Effekt tritt bei relativ niedrigen Schallfrequenzen in der Größenordnung von 10 MHz bei akustooptischen Wechselwirkungslängen von weniger als 1 cm und unter einem beliebigen Winkel θ 0 auf .

Im Gegenteil, die Bragg-Beugung wird für höhere Schallfrequenzen in der Größenordnung von 100 MHz oder mehr ins Spiel gebracht . Die gebildete Beugungsfigur umfasst zwei Intensitätsspitzen, die der Ordnung 0 und der Ordnung 1 entsprechen und nur für Winkel nahe dem Bragg-Winkel & thgr; B erscheinen, so dass , wobei & lgr; die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, f die Schallfrequenz v die Geschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit ist Welle, n i der Brechungsindex der Mitte der einfallenden Lichtwelle und n d der Index der Mitte der gebrochenen Welle. ${\ displaystyle \ sin {(\ theta _ {B})} = - {\ frac {\ lambda f} {2n_ {i} v}} \ left [1 + {\ frac {v ^ {2}} {\ Lambda ^ {2} f ^ {2}}} \ left (n_ {i} ^ {2} -n_ {d} ^ {2} \ right) \ right]}$

Wir unterscheiden normalerweise die beiden Beugungsarten (Bragg und Raman-Nath) anhand des Klein-Cook-Parameters Q (jeweils wenn Q >> 1 und Q << 1), angegeben durch . Da in akustooptischen Vorrichtungen im Allgemeinen nur das Maximum der ersten Beugungsordnung verwendet wird, ist eine Bragg-Beugung vorzuziehen, um übermäßige optische Verluste zu vermeiden. Diese Beugung begrenzt jedoch das mögliche Schallfrequenzspektrum. Infolgedessen ist auch die Betriebsgeschwindigkeit von akustooptischen Geräten begrenzt. ${\ displaystyle Q = {\ frac {2 \ pi \ lambda \ ell f ^ {2}} {n \ nu ^ {2}}}}$

Anwendung

Akustooptiken werden häufig zur Untersuchung von Ultraschall, aber auch zum Entwurf von Ablenkungs-, Modulations- , Signalverarbeitungs- und Frequenzverschiebungssystemen für Lichtstrahlen verwendet. Akustooptik wird auch in der Telekommunikation für die von Râman und Nath entdeckten Eigenschaften verwendet. Darüber hinaus ermöglichen die Fortschritte auf dem Gebiet der Laser und ihre größere Verfügbarkeit eine einfachere Untersuchung der mit der Akustooptik verbundenen Phänomene .

Bei den akustooptischen Komponenten wurden dank der Verbesserung der Kristallwachstumstechniken und der piezoelektrischen Wandler große Fortschritte erzielt .

In einem anderen Register kann die Akustooptik in Prozessen verwendet werden, die bei der Zustandsüberwachung von Strukturen (in) nicht zerstörerisch sind, und für biomedizinische Anwendungen, bei denen die Erzeugung von Ultraschall durch Licht oder optischer Messultraschall eine berührungslose Bildgebung ermöglicht.

Akustooptischer Modulator

Durch Variation der Parameter der Schallwelle, ihrer Amplitude , ihrer Phase , ihrer Frequenz oder ihrer Polarisation ist es möglich, die Eigenschaften der optischen Welle zu modulieren.

Die einfachste Methode zur Modulation des optischen Signals besteht darin, das Schallfeld abwechselnd ein- und auszuschalten: Wenn das Feld ausgeschaltet ist, wird das Licht nicht abgelenkt, wenn das Feld eingeschaltet ist, wird der Lichtstrahl durch Beugung durch Bragg gebeugt.

Beim Design und der Leistung eines akustooptischen Modulators muss das Material besonders gut gewählt werden, damit die Intensität des gebeugten Strahls optimal ist. Die Zeit, die für die akustische Welle zu Reise durch den Durchmesser des Lichtstrahls nimmt begrenzt die Modulationspassband ; Da die Geschwindigkeit der Schallwelle endlich ist, kann die Lichtwelle erst dann vollständig ausgeschaltet oder eingeschaltet werden, wenn die Schallwelle den gesamten Lichtstrahl durchlaufen hat. Um die Bandbreite zu erhöhen, muss das Licht anstelle der akustooptischen Wechselwirkung so weit wie möglich fokussiert werden.

Der minimale Bildfleck repräsentiert die Bandbreitenbegrenzung.

Akustooptischer Deflektor

Ein akustooptischer Deflektor steuert den gebeugten Lichtstrahl räumlich. Die Frequenz der Schallwelle moduliert wird , um den Lichtstrahl in unterschiedlichen Winkeln zu beugen, wie in dem θ d ist der Winkel des gebeugten Strahls, & Delta; f die Frequenzänderung der Schallwelle, und ν und λ sind die Geschwindigkeit und die Wellenlänge der Schallwelle jeweils. ${\ displaystyle \ Delta \ theta _ {d} = {\ frac {\ lambda} {\ nu}} \ Delta f}$

Die akustooptische Deflektortechnologie wurde 2001 für den Nobelpreis für Physik zur Bose-Einstein-Kondensation sowie für die optische Erfassung kleiner Moleküle verwendet.

Akustooptische Deflektoren sind akustooptischen Modulatoren insofern sehr ähnlich, als der erste ein Frequenzmodulator und der zweite ein Amplitudenmodulator ist. Das Entwerfen einer Schallwand ist schwieriger als das Entwerfen eines Modulators.

Akustooptischer Filter

Die akustooptische Filterung basiert auf der Abhängigkeit der Wellenlänge des gebeugten Lichts von der Schallfrequenz. Durch Ändern dieser Frequenz ist es möglich, eine genaue Wellenlänge akustooptisch zu beugen.

Es gibt zwei Arten von akustooptischen Filtern, kollineare und nichtkollineare, die nach der geometrischen Natur der beteiligten akustooptischen Wechselwirkung benannt sind.

Die Polarisation des einfallenden Lichts ist entweder gewöhnlich oder außergewöhnlich.

Sind:

α: der Winkel zwischen der Ausbreitungsachse der Schallwelle und der kristallographischen Achse des Kristalls,
γ: der Differenzwinkel der Parallelität zwischen den Eingangs- und Ausgangsflächen der Filterzelle (dieser Winkel ist erforderlich, um die durch eine Frequenzänderung verursachte Winkelverschiebung des gebeugten Strahls beseitigen zu können),
φ: der Winkel zwischen der Ausbreitungsachse des einfallenden Lichts und der kristallographischen Achse des Kristalls,
${\ displaystyle \ alpha _ {\ ell}}$ : der Winkel zwischen der Vorderseite der Zelle und der Ausbreitungsachse der Schallwelle,
β: der Winkel zwischen den Ausbreitungsachsen des einfallenden Lichts und gebeugt bei der Mittenfrequenz , $f_ {i}$
$\ Ell$ : die Länge des Wandlers.

Wir haben dann für ein normalerweise polarisiertes einfallendes Licht:

{\ displaystyle n _ {\ varphi} = {\ frac {n_ {0} n_ {e}} {\ sqrt {n_ {0} ^ {2} \ cos \ varphi + n_ {e} ^ {2} \ sin ^ {2} \ varphi}}}}

{\ displaystyle f_ {i} (\ varphi) = {\ frac {\ nu} {\ lambda}} \ left [n _ {\ varphi} \ cos (\ varphi + \ alpha) \ pm {\ sqrt {n_ { 0} ^ {2} -n _ {\ varphi} ^ {2} (\ varphi) \ sin ^ {2} (\ varphi + \ alpha)}} \ right]}

Die gewöhnlichen ( ) und außerordentlichen ( ) Brechungsindizes werden unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Streuung bestimmt. $n_ {0}$ $geboren$

Einfallendes Licht muss bei einem nicht kollinearen Filter nicht polarisiert werden. Unpolarisiertes Licht wird in orthogonal polarisierten Strahlen gestreut, die durch einen filterspezifischen Streuwinkel und eine Wellenlänge getrennt sind.

Materialien

Unter den Materialien mit akustooptischen Eigenschaften finden wir:

Das Quarzglas
Das Lithiumniobat (LiNbO 3)
Das Trisulfidarsen (en) (As 2 S 3)
Das Tellurdioxid (TeO 2) und allgemeiner Tellurgläser
Das Glas Flint Glassilikat fügte Blei hinzu
Der Ge 55 As 12 S 33
Das Kalomel Quecksilber oder Chlorid (Hg 2 Cl 2)
Das Blei (II) -bromid (PBBR 2)

Anmerkungen und Referenzen

(en) Dieser Artikel teilweise oder vollständig aus dem Wikipedia - Artikel in genommen englischen Titeln „ Akusto-Optik “ ( siehe die Liste der Autoren ) .

Brillouin, L. (1922) Streuung von Licht und Röntgenstrahlen durch einen homogenen transparenten Körper. Einfluss der thermischen Bewegung . Ann. Phys. (Paris), 17 (88-122), 21
Luiz Poffo, " Akustooptische Integration in integrierte Optik auf Glas und Anwendungen ", Université Joseph-Fourier - Grenoble I ,2007
Max Born und Emil Wolf , Prinzipien der Optik: Elektromagnetische Theorie der Ausbreitung, Interferenz und Beugung von Licht , Cambridge University Press,1999, 7 th ed. ( ISBN 0-521-642221 , online lesen ) , p. 674-694
C. V. Râman: Eine Biographie ( online lesen )
P. Phariseau , " Über die Beugung von Licht durch progressive Überschallwellen ", Proceedings of Indian Academy , vol. 44,Oktober 1956, p. 165-170 ( online lesen )
" Akustooptischer Effekt: Deflektor "
Der Nobelpreis für Physik 2001
(in) " Akustooptischer Effekt: Filter " (Zugriff am 7. August 2007 )

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links

Akustooptische Beugung am ENS-Standort in Cachan.

Literaturverzeichnis