Ակուստաօպտիկա

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

• 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 ինտենսիվության 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

$(4)\ \sin \theta _{B}=-{\frac {\lambda f}{2n_{i}\nu }}\left[1+{\frac {\nu ^{2}}{\lambda ^{2}f^{2}}}\left(n_{i}^{2}-n_{d}^{2}\right)\right]$

որտեղ $\lambda$ - ընկնող լույսի ալիքի երկարությունն է, $f$ - ակուստիկ ալիքի հաճախականությունն է, $v$ - ակուստիկ ալիքի արագությունն է, $n_{i}$ - լույսի բեկման ցուցիչը մինչև դիֆրակցիոն երևույթի առաջացումը, $n_{d}$ - լույսի բեկման ցուցիչը դիֆրակցիոն երևութից հետո։

Ակուստաօպտիկայի երևութները օգտագործումը

Ակուստաօպտիկ երևութները օգտագործվում են գիտական հետազոտություններում և տեխնիկական 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

• 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,
  • Ակուստաօպտիկ ռադիո ազդանշանի սպեկտրի անալիզատոր,
  • Ռադիոազդանշանների փուլի 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

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

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

Գրականություն

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