Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Акустично-оптични системи с обратна връзка:

<== предишна статия |

· Системи за стабилизиране на оптични и електрически параметри (например системи за стабилизиране на интензитета на оптичния лъч);

· Електронно-акустооптични генератори - автоколебателни системи, съдържащи акустооптично устройство като основен нелинеен елемент; позволяват да се получат постоянни автоколебания на електрически, акустични и оптични величини, включително редовни и стохастични колебателни режими;

· Бистабилни и многостепенни системи - акустооптични системи, характеризиращи се с две или няколко стабилни състояния, между които е възможно превключване при определено външно въздействие; Такива системи могат да се разглеждат като оптични аналози на електронните тригери.

Раздели, съседни на акустооптиката

Трябва да се отбележи, че акустооптиката и оптоакустиката често се разглеждат като отделни дисциплини.

Съвременните акустооптики са тясно свързани не само с неговите "родителски" клонове на физиката - с акустика и оптика, но и с кристална физика (активно се изучава акустооптично взаимодействие в кристалите), както и с приложни дисциплини като оптоелектроника и радиофизика.

Докато в акустооптичните устройства има преобразуване на акустични сигнали в оптични (а в фото-акустични системи се преобразуват оптични сигнали в акустични), в акустоелектронни системи с взаимно преобразуване на акустични и електрически сигнали се изследват.

Сходна област на акустооптиката е лазерната виброметрия, която изследва методите на оптично озвучаване на трептящи (вибриращи) тела. Ефектът от фотоеластичността, който осигурява акустооптична дифракция и пречупване, също е в основата на поляризационно-оптичния метод за изследване на статични деформации на материалите.

Акустооптичните изследвания изучават взаимодействието на електромагнитните вълни със звук в твърди вещества и течности. На базата на тези явления се създават различни устройства в технологията.

Взаимодействието на светлината със звука се използва широко в оптиката, електрониката и лазерната технология за контрол на кохерентната светлинна радиация. Акустооптични устройства (дефлектори, скенери, модулатори, филтри и др.) Ви позволяват да контролирате амплитудата, поляризацията, спектралния състав на светлинния сигнал и посоката на разпространение на светлинния лъч. Акустооптичните устройства се отличават с гъвкавост, бързина, простота на изработката, а освен това позволяват обработване на информация в реално време.

Работата на по-голямата част от акустооптичните устройства се основава на явлението дифракция на светлината чрез ултразвук. Тъй като ъгълът на отклонение на дифрагираната светлина се определя от дължината на звуковата вълна, той може да се контролира чрез промяна на честотата на входния звук. Този принцип за контролиране на посоката на светлинния лъч в пространството е основата за работата на акустооптични дефлектори и скенери, предназначени да отклоняват гредата в дадена посока и непрекъснато да изместват лъча.

Разпределението на енергията между основния лъч и дифрагирания се регулира от промяната на интензивността на звука. Този ефект се използва в акустични модулатори, които контролират интензивността на светлинните лъчи.

При периодична структура, създадена от монохроматична звукова вълна, само определена дължина на вълната се дифрагира ефективно. Това ви позволява да изберете тесен спектрален интервал от спектъра на падащото оптично лъчение. С промяната на честотата на звука, дължината на вълната на дифрагираната светлина също варира в широк диапазон. Работата на високоскоростните регулируеми акустооптични филтри на светлинното излъчване се основава на това явление.

Акустооптиката е гранична зона между физика и технология, в която се изучава взаимодействието на електромагнитните вълни със звуковите вълни и се разработват основите на прилагане на тези явления в технологията. Взаимодействието на светлината със звука се използва в съвременната оптика, оптоелектрониката, лазерната технология за контрол на кохерентната светлинна радиация. Акустооптичните устройства ви позволяват да контролирате амплитудата, честотата, поляризацията, спектралния състав на светлинния сигнал и посоката на разпространение на светлинния лъч. Важна област на практическо приложение на акустооптичните ефекти са системите за обработка на информация, при които акусто-оптичните устройства се използват за обработка на микровълнови сигнали в реално време. Под действието на механични деформации, носени от звукова вълна, се получава пространствена модулация на оптичните свойства на средата, поради еластично-оптичния или фотоеластичния ефект.

Оптичните свойства на средата се променят във времето с честотата на звуковата вълна, т.е. много по-бавно, както в сравнение с периода на електромагнитните колебания в светлинната вълна, така и в сравнение с времето на преминаване на светлинния лъч през звуковия лъч. В зависимост от съотношението между напречния размер на падащия оптичен лъч d и дължината на звуковата вълна L, разпространението на светлината в такава среда се съпровожда от явления на акустооптична рефракция или дифракция на светлината чрез ултразвук. Дифракцията на светлината възниква не само върху звуковата вълна, въведена отвън, но и върху колективните възбуждания на средно акустичните фонони, в резултат на което се наблюдава разсейване на светлината с изместване на честотата нагоре и надолу с величината на фононната честота (Манделщам - Брилуеново разсейване). В спектъра на разпръснатото излъчване се появяват двойки от изместените честоти на Манделщам-Брилуен, съответстващи на разсейването на светлината от надлъжни и напречни акустични фонони.

Акустооптичното взаимодействие намалява до ефектите на оптичната рефракция и дифракция само при ниски интензитети на оптичното излъчване. С увеличаване на интензивността на светлината нелинейните ефекти на светлината върху околната среда започват да играят все по-голяма роля. Вследствие на електрострикцията и ефектите от нагряване на средата чрез оптично излъчване в нея възникват променливи еластични напрежения и се генерират звукови вълни с честоти от звук до хиперзвук - така наречените оптоакустични или фазоакустични явления .

В областта на високомощните оптични излъчвания, в резултат на едновременната поява на дифракция на светлината чрез ултразвук и генерирането на ултразвукови вълни, дължащи се на електрострикция, ултразвуковата светлина се усилва със светлина . По-специално, стимулирано разпръскване на Брилуен се наблюдава по време на разпространението на интензивно лазерно излъчване в средата, при което термичният акустичен шум се усилва чрез лазерно лъчение, придружен от увеличаване на интензивността на разсеяната светлина.

Оптоакустичните ефекти включват и генериране на акустични колебания от периодично повтарящи се светлинни импулси, което се дължи на променливи механични напрежения, дължащи се на топлинно разширение при периодично локално нагряване на средата със светлина.

Ефектите от акустооптичното взаимодействие се използват както в физическите изследвания, така и в технологиите. Дифракцията на светлината чрез ултразвук прави възможно измерването на локалните характеристики на ултразвуковите полета. Ъгловите зависимости на дифракционната светлина определят модела на излъчване и спектралния състав на акустичното излъчване. Анализът на дифракционната ефективност в реалните точки на пробата позволява да се реконструира картината на пространственото разпределение на интензивността на звука. По-специално, визуализацията на звуковите полета се извършва въз основа на акустооптични ефекти. Чрез дифракция на Браг е възможно да се получи информация за спектралното, ъгловото и пространствено разпределение на акустичните фонони в DV областта на фононния спектър. Този метод е ценен за изследване на неравновесни акустични фонони, например в условията на фононна (акустоелектрична) нестабилност в полупроводниците, поради усилване на ултразвуковия свръхзвуков дрейф на носителите на заряд.

Акустооптичната дифракция също ви позволява да измервате много параметри на веществото: коефициента на скорост и абсорбция на звука, модулите на еластичност на 2-ри, 3-ти и по-високи порядъци, еластично-оптични константи и други величини.

И така, от условието на Браг за известните стойности на ултразвуковата честота f и дължината на вълната на светлината и от измерения ъгъл между инцидентните и дифрагираните светлинни лъчи определят скоростта на звука: (където е - Ъгъл на Браг. Въз основа на така получените стойности за различни посоки се изчислява пълната матрица на еластичните модули , Коефициент на поглъщане на звука може да се намери чрез сравняване на интензитетите I1 и I2 на дифрагираната светлина, измерени в две позиции на падащия светлинен лъч, изместени един спрямо друг от разстояние a по протежение на посоката на разпространение на звуковата вълна:

При разпространение на високоинтензивни звукови вълни в средата се получават данни от модул на еластичност от по-висок порядък чрез измерване с дифракция на Браг на амплитудите на хармониците, възникващи във вълната, които са пропорционални на нелинейните еластични модули на съответните редове.

За изследване на дисперсията на скоростта на звука и неговия коефициент на поглъщане при свръхзвукови честоти се използва разпръскването на Манделшам-Брилуен. Пропускане на кохерентно оптично лъчение през средата и фиксиране на ъгъла на разсейване , възможно е да се определи скоростта на звука от условията на Браг от величината на спектралното изместване f на компонентите на Манделщам - Брильоен; при дадена честота f. Въз основа на измервания на половината ширина компонентът на Манделщам-Брилуен се определя от коефициента на поглъщане на тази честота:

На основата на оптоакустично генериране на звук е създаден метод на фотоакустична спектроскопия, за да се получат оптичните спектри на абсорбция на вещества в различни физични състояния. При този метод коефициентът на поглъщане на светлината се измерва чрез интензивността на звуковите вибрации, възбуждани от периодично прекъсната светлина. Например, когато газът се нагрява периодично, в него се появяват звукови вибрации с амплитуда, пропорционална на абсорбираната светлинна енергия. Чрез промяна на дължината на вълната на падащата светлина е възможно да се получи фотоакустичен спектър на вещество - пълен аналог на спектъра на абсорбция, измерен по конвенционални методи. Предимството на фотоакустичната спектроскопия е високата чувствителност на метода, която дава възможност да се получат оптични спектри на абсорбция в широк диапазон от дължини на светлинните вълни, включващи както областта на силна абсорбция, така и областта на прозрачността; Освен това, този метод измерва само онази част от енергията на падащото излъчване, която действително се абсорбира от веществото, а разпръснатата радиация не допринася. Това ни позволява да изследваме абсорбционните спектри на проби с лошо качество на повърхността: прахове, насипни, порести материали, биологични обекти.

Акустично-оптични устройства . Въз основа на ефектите на дифракция и пречупване на светлината върху ултразвук се създават активни оптични елементи, които ви позволяват да контролирате всички параметри на светлинния лъч, както и да обработвате информация, която се носи от светлинните и звуковите вълни. Основата на такива устройства е акустооптична клетка (AOJ), състояща се от работна среда (твърда проба или клетка с течност), в обема на която светлината взаимодейства с ултразвуковата вълна и ултразвуков излъчвател (обикновено пиезоелектричен преобразувател). В зависимост от предназначението има няколко вида акустооптични устройства: дефлектори, модулатори, филтри, процесори и др.

Акустооптичните дефлектори и скенери са устройства за контролиране на посоката на светлинния лъч в пространството. Скенерите са предназначени за непрекъснато почистване на лъча; дефлекторът има набор от неподвижни посоки, по които светлинният лъч трябва да се отклонява.

В дифракционния дефлектор (Фиг. 1) светлинният лъч пада върху AOS, в който се възбужда звукова вълна с честота f и в резултат на Браггов дифракция частично се отклонява.

Фиг. 1. Схема на акустооптичния дефлектор.

1 - акустооптична клетка; 2 - ултразвуков емитер; 3 - фотодетектор; - максимално ъглово изместване на гредата.

Тъй като f се променя, ъгълът на отклонение на дифрагираната греда също се променя и лъчът се движи по екрана на устройството за приемане на снимки. Използването на честотни модулирани аудио сигнали ви позволява да контролирате посоката на светлинния лъч. За да се промени посоката на дифрагирания лъч с постоянен ъгъл на падане на светлината върху AOJ, е необходимо едновременно да се промени посоката на разпространение на звуковата вълна, така че условието на Браг да се изпълни навсякъде в интервала звукови честоти - т.нар. дефлектор на честотната лента. определя други параметри на устройството: максималното ъглово изместване на лъча на дифрагираната светлина

и резолюция N, т.е. броя на разпознаваемите позиции на светлинния лъч вътре , Резолюцията се определя от и ъгловата дивергенция светлинен лъч: където d е напречният размер на светлинния лъч. Важна характеристика на пространствените устройства за контрол на лъча е също дифракционната ефективност. - отношението на интензитета I1 на отклонената светлина към интензивността I0 на падащата светлина. В най-простия случай условията на Браг са удовлетворени поради дивергенцията на акустичния лъч. Разсейващият лъч може да се разглежда като съвкупност от равнинни вълни, чиито вълнови вектори лежат в ъгловия интервал , За дадена звукова честота f, дифракцията ще се случи само върху тази компонента на лъча, за която вълновия вектор отговаря на условието на Браг. Тъй като f се променя, друго условие на лъча отговаря на това условие. Когато се използва изотропен материал като работен флуид където D е напречният размер на звуковия лъч, \ t - дължина на вълната на звука. Според тази честотна лента и разделителната способност N е пропорционална на отклонението на акустичния лъч:

За дефлектор с висока резолюция е необходимо значително разминаване на звуковия лъч, поради което минималната му ширина е D. Намалена ефективност причинено от намаляване на дължината на акустооптичното взаимодействие, се компенсира с увеличаване на входната акустична мощност. Въпреки това, с увеличаване на N, ефективността от използването на тази мощност намалява, тъй като само 1 / N от светлината се изразходва за дифракцията на светлината.

Използването на двупроливни материали в OJA може значително да подобри характеристиките на дефлекторите. За тази цел се използва анизотропна дифракция на светлината в близост до минималния ъгъл на Браг. , Когато светлината пада върху звуковия лъч под ъгъл Малката дивергенция на звуковия лъч гарантира, че условието на Брегг е изпълнено за доста широк диапазон от акустични честоти, и следователно, значителен интервал на ъглово отклонение на дифрагираната светлина. Това ви позволява да използвате широк акустичен лъч, който намалява акустичната мощност, необходима за постигане на висока дифракционна ефективност и дава значително увеличение в резолюцията в сравнение с дефлекторите, които използват изотропни материали. Въпреки това, работните честоти на такива устройства обикновено лежат в гигагерцовия диапазон.

Можете да контролирате дифрагираната греда, използвайки т.нар. фазова решетка от излъчватели - стъпкова система от фазово изместени преобразуватели, параметрите на която са подбрани така, че фронтът на вълната, съответстващ на централната честота на лентата за пропускане, е успоредна на равнината на отделния преобразувател и с промяната на честотите фронтът ще се върти така, че да компенсира съответния ъгъл на Браг. Този метод на звуково възбуждане позволява да се увеличи честотната лента и разделителната способност на дефлекторите няколко пъти.

Има акустооптични дефлектори, които изпълняват двукоординатна деформация на светлинния лъч . В този случай се използват два кръстосани едномерни дефлектора, които могат да се комбинират в една акустооптична клетка, ако акустичните вълни се възбуждат в нея в две взаимно перпендикулярни посоки. Съвременните дефлектори правят възможно получаването на 103-104 разрешими елемента с време на преход от един елемент към друг в порядъка на 10-6-10-7 s. Делът на отклонената светлина достига няколко десетки процента с акустична консумация на енергия от 0.1-1 W.

При устройства, базирани на акустооптична рефракция , светлинният лъч се отклонява в резултат на кривината на пътя, докато преминава през среда, в която неравномерната деформация се създава от стояща или пътуваща звукова вълна. Такива устройства са устройства с относително ниска честота ( MHz), извършвайки размах на светлинния лъч съгласно синусоидален закон. Ефективността на рефракционните устройства е малка, тъй като само една незначителна част от звуковата енергия, съдържаща се в обема на AOJ, се изразходва за огъване на светлинния лъч.

Акустооптичните модулатори са устройства, които контролират интензивността на светлинните лъчи на базата на преразпределението на светлинната енергия между предаваната и дифрагираната светлина. Обычно используется модуляция дифрагированного света, т. к. 100%-ная модуляция проходящего излучения требует значительной акустической мощностей. Акустооптический модулятор представляет собой АОЯ, в которой распространяется амплитудно-модулированная звуковая волна. Падающий на АОЯ свет частично дифрагирует, и отклонённый луч принимается фотоприёмным устройством. В модуляторах используется как брэгговская дифракция, так и дифракция Рамана - Ната. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и оказывается ~ 10-8-10-7 с. Акустооптические модуляторы при максимальной простоте конструкций позволяют осуществлять такие сложные операции, как параллельная обработка информации в акустооптических процессорах.