Ակուստաօպտիկա

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Դիֆրակցիոն պատկերը ակուստաօպտիկ էֆեկտի առկայության դեպքում:

Ակուստաօպտիկա, ֆիզիկայի բաժին, որն ուսումնասիրում է օպտիկական (լուսային) և ակուստիկ ալիքների (ձայնային ալիքների) փոխազդեցությունը և դրա հիման վրա ստեղծված և աշխատող արդյունաբերական ու գիտահետազոտական սարքեր, որոնք հիմնված են այդ երևույթի վրա։ Ցանկացած ակուստա-օպտիկ սարքում ակուստա-օպտիկ երևույթը առաջանում է էլեկտրաակուստիկ ձևափոխիչի միջոցով։ Այսպիսով, ակուստաօպտիկ սարքերը ղեկավարվում են բարձր հաճախականությամբ էլեկտրական ազդանշանների օգնությամբ, որոնք ձևավորվում են համապատասխան էլեկտրական սարքավորումներով։

Ակուստաօպտիկայի հիմնական երևութները[խմբագրել]

  • Լույսի դիֆրակցիան գերձայնում (ակուստաօպտիկ դիֆրակցիա)։
  • Լուսի ռեֆռակցիան գերձայնային միջավայրում (ակուստաօպտիկ ռեֆրակցիա)։
  • Թույլ ակուստիկ ալիքների ոժեղացում՝ նրանց գեներացնող ուժեղ օպտիկական ալիքի ազդեցության տակ (ֆոտոակուստիկ երևույթներ)։ Հետևաբար, ֆիզիկայի բաժինը, որը ուսումնասիրում է ակուստիկ ալիքների գրգռվածությունը օպտիկական ալիքի ազդեցության տակ կոչվում է ֆոտո-ակուստիկա կամ օպտոակուստիկա։ Նյութի օպտիկական հատկությունները փոխվում են ձայնային ալիքի հաճախականության հետ։ Այսինքն այդպիսի պարբերությունը ավելի դանդաղ է լույսի էլեկտրոմագնիսական տատանման պարբերությանից։ Կախված ընկնող օպտիկական փնջի d և ձայնային L ալիքի երկարության լայնակի չափերից, լուսի տարածումը այդ նյութում ուղեկցվում է կամ ակուստաօպտիկ ռեֆռակցիայով, կամ ուլտրաձայնում՝ լույսի դիֆրակցիայով։ Լույսի դիֆրակցիան իրականանում է ոչ միայն ձայնային ալիքի տիրույթում, այլ նաև ակուստիկ ֆոնոների տիրույթում, որի հետևանքով առաջանում է լույսի և ակուստիկ ալիքի հաճախականության շեղում դեպի վերև կան ներքև (Մանդելշտամ-Բրիլույենի ցրում)։ Ակուստա-օպտիկ փոխազդեցությունը բերում է օպտիկական ռեֆրակցիայի և դիֆրակցիոն երևույթների միայն ցածր օպտիկական ճառագայթման ժամանակ։ Ուժեղացնելով լույսի ինտենսիվությունը սկսում են գործել ճառագայթման ոչ գծային էֆեկտներ միջավայրում։ Ակուստաօպտիկ էֆեկտների փոխազդեցությունը թույլ է տալիս չափել լույսի դիֆրակցիոն ուլտրաձայնային դաշտի լոկալ բնութագրիչները։ Դիֆրակցիայի էֆեկտիվության վերլուծությունը թույլ է տալիս կառուցել լույսի ինտեսիվության բաշխման տարածական պատկերը։ Մասնավորապես ակուստաօպտիկ էֆեկտի հիման վրա կարողանում ենք տեսանելի դարձնել ձայնային տատանումները։ Բրեգի դիֆրակցիայի օգնությամբ կարելի է ստանալ ինֆորմացիա ալիքների սպեկտրալ, անկյունային և ակուստիկ ֆոնոների տարածական բաշխման մասին։ Այս մեթոդը թույլ է տալիս ուսումնասիրել ֆոնոնային անկայունությունը կիսահաղորդիչներում՝ պայմանավորված լիցքերի գերձայնային խոտորումամբ (ակուստաէլեկտրոնային փոխազդեցություն)։ Z- առանքի երկայնքով ձայանային ալիքը տաևածվելիս՝ միջավայրի բեկման ցուցիչը փոխվում է հետևյալ բանաձևով


(1) \ n(z,t)=n+\Delta n \cos (\omega t - kz) \,


որտեղ n- միջավայրի բեկման ցուցիչը մինչև գրգռումը, ω – անկյունային հաճախականությունը, k- ալիքային թիվը, Δn- միջավայրի բեկման ցուցիչի ամպլիտուդը՝ պայմանվորված առաջացած ակուստիկ ալիքով։ Գրգռված միջավայրի բեկման ցուցիչը առաջացնում է միջավայրում դիֆրակցիոն ցանց, որի տատանումները կախված են միջավայրում անցնող ակուստիկ ալիքի արագությունով։ Լույսը բեկվելով այդ դիֆրակցիոն ցանցից առաջացնում է դիֆրակցիոն պատկեր, որի նկարը բերված է սկզբնամասում։ Քանի որ, դիֆրակցիոն ցանցը կախված է ընկնող լույսի անկյունից, ապա


(2) \ \Lambda \sin (\theta_m) = m\lambda\,
(3) \ \Delta n = - \frac{1}{2}n^3\ \Delta B\,


որտեղ \lambda - օպտիկական լույսի ալիքի երկարությունը, \Lambda - ձայնային ալիքի երկարությունը, m - առավելագույն կարգի թիվը, \Delta B - ֆոտոառաձգականության թիվը։ Ակուստիկ և լուսային ալիքների միախառնումից առաջանում է երկու տեսակի դիֆրակցիա՝ Ռաման-Նաթի և Բրեգի ։ Ռաման-Նաթի դիֆրակցիան դիտվում է 10 Մհց -ից ցածր հաճախականությունների դեպքում, երբ ակուստիկ ալիքը տարածվում է 1 սմ կարգի չափեր ունեցող միջավայրում։ Այս դիֆրակցիան դիտվում է ցանկացած լուսային ճառագայթի անկման դեպքում \theta_m։ Բրեգի դիֆրակցիան սովորաբար դիտվում է 100 Մհց բարձր հաճախականություների դեպքում։ Այդ երևույթի ժամանակ դիտվում են երկու դիֆրակցիոն մաքսիմում՝ առաջի և երկրորդ կարգի։ Այդ դիֆրակցիոն մաքսիմումները առաջանում են միայն Բրեգի անկյունի դեպքում \theta_B։ Բրեգի անկյունը հաշվարկում ենք հետևյալ բանաձևով


(4) \ \sin \theta_B = - \frac{\lambda f}{2 n_i \nu}\left[ 1+\frac{\nu^2}{\lambda^2 f^2 } \left( n_i^2 - n_d^2 \right) \right]


որտեղ \lambda - ընկնող լույսի ալիքի երկարությունն է, f - ակուստիկ ալիքի հաճախականությունն է, v - ակուստիկ ալիքի արագությունն է, n_i - լույսի բեկման ցուցիչը միչև դիֆրակցիոն երևույթի առաջացումը, n_d - լույսի բեկման ցուցիչը դիֆրակցիոն երևութից հետո։

Ակուստաօպտիկայի երևութները օգտագործումը[խմբագրել]

Ակուստաօպտիկ երևութները օգտագործվում են գիտական հետազոտություններում և տեխնիական սարքերում։ Մասնավորապես կարելի տեսանելի դարձնել ակուստիկ դաշտը և վերահսկել թափանցիկ նյութերի որակը։ Բացի դրանից ակուստա-օպտիկ սարքերը թույլ են տալիս գերհաճախանային ռադիոազդանշանների հետազոտումը։ Այս սարքերը մեծ կիրառում ունեն օտիկական ինֆորմացիայի վերամշակման համակարգերում, օպտիկական կապ և օպտիկական պրոցեսոներներում ։ Օպտիկական ալիքի բնութագրիչների արագ փոփոխություն հնարավորություն է տալիս լայն կիրառել ակուստա-օպտիկ սարքերը։

Ակուստաօպտիկ սարքերի դասակարգում[խմբագրել]

  • Ակուստաօպտիկ մոդուլյատոր — թույլ է տալիս ղեկավարել օպտիկական ճառագայթման ինտենսիվությունը,
  • Ակուստաօպտիկ դեֆլեկտոր — շեղում է օպտիկական ճառագայթը որոշ անկյունով,
  • Ակուստաօպտիկ ֆիլտր,
    • ֆիլտր ըստ ալիքի երկարություն-ով — բաց է թողնում օպտիկական ճառագայթման հատուկ հաճախականություն,
    • ֆիլտր ըստ տարածական հաճախականություն-ով — ղեկավարում է օպտիակական ճառագայթի տարածական կազմվածքը (բաց է թողնում օպտիկական ճառագայթման հատուկ տարածական հաճախականությունը),
  • Էլեկտրական ազդանշանների անալիզատոր,
  • Ղեկավարվող հապաղման սարքեր — ակուստա-օպտիկական ազդանշանի արհեստական հապաղումը որոշ ժամանակով,
  • Ռադիոազդանշանի սեղմիչ — կատարում է էլեկտրական ազդանշանի սեղմում,
  • Ակուստաօպտիկ պրոցեսորներ — կատարում են մաթեմատիկական գործողություններ ակուստիկ և օպտիկ ազդանշանների հետ,
  • Ակուստա օպտիկ համարգի էլեմենտների սկզբնաղբյուր — բիստաբիլ և մուլտիստաբիլ համակարգեր (դիոդ, տրիգեր)։

Ակուստաօպտիկային կից բաժիններ[խմբագրել]

Պետք չէ շփոթել ակուստաօպտիկան և օպտո-ակուստիկան ։ Դրանք ֆիզիկայի առանձին բաժիններ են։ Ժամանակակից ակուստաօպտիկան սերտորեն կապում է ֆիզիկայի հիմնական բաժինների հետ - ակուստիկայի և օպտիկայի, բյուրեղագիտություն (ուսումնասիրում է ակուստո-օպտիկ փոխազդեցությունը բյուրեղներում ), նաև կիրառական բաժիների հետ, ինչպիսին են օպտոէլեկտրոնիկան և ռադիոֆիզիական։ Ակուստաօպտիկ սարքերում տեղի է ունենում ակուստիկ ազդանշանի ձևափոխումը օպտիկական ազդանշանի, իսկ օպտոակուստիկայում - հակառակը։

Բյուրեղանյութեր[խմբագրել]

Ակուստաօպտիկական սարքերը պատրաստվում են հետևյալ բաղադրանյութերից — հալեցված կվարց, թելլուրի երկօքսիդ, կապարի բրոմիդ և այլ նյութեր։

Գրականություն[խմբագրել]

  1. Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света, — М.։ Наука, 1970.
  2. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е., Физические основы акустооптики, — М.։ Радио и связь, 1985.
  3. Ярив А., Юх П., Оптические волны в кристаллах, — пер. с англ., М.։ 1987.
  4. Задорин А. С., Шандаров С. М., Шарангович С. Н., Акустические и акустооптические свойства монокристаллов, — Томск։ Томский гос. университет, 1987.
  5. Бондаренко В. С., Зоренко В. П., Чкалова В. В., Акустооптические модуляторы света, — М.։ 1988.
  6. Гусев О. Б., Кулаков С. В., Разживин Б. П., Тигин Д. В., Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени, — М.։ Радио и связь, 1989.
  7. Xu J. and Stroud R., Acousto-optic devices, — New York, Wiley, 1992. ISBN 0-471-61638-9
  8. Корпел А., Акустооптика, — пер с англ., М.։ Мир, 1993 (оригинал։ Korpel A. / Acousto-optics, — N.Y. and Basel։ Marcel Dekker, Inc., 1988). ISBN 5-03-002598-7
  9. Goutzoulis A. P. and Pape D. R., Design and fabrication of acousto-optic devices, — New York, Marcel Dekker, 1994.
  10. Хименко В. И., Тигин Д. В., Статистическая акустооптика и обработка сигналов, — СПб.։ Изд-во С.-Петербургского ун-та. 1996. ISBN 5-288-00929-5
  11. Парыгин В. Н., Балакший В. И., Волошинов В. Б. Электрооптика, акустооптика и оптическая обработка информации на кафедре физики колебаний МГУ, — Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, № 7, С. 775—792.
  12. Задорин А. С. Динамика акустооптического взаимодействия, — Томск։ Томский гос. университет, 2004. ISBN 5-94621-096-3