дифракция света на ультразвуке

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ (акустооптическая дифракция) - совокупность явлений, связанных с отклонением от законов прямолинейного распространения света в среде в присутствии УЗ-волны. В результате периодич. изменения показателя преломления света под действием звуковой волны в среде возникает струкгура, аналогичная дифракционной решётке. Если в такой структуре распространяется пучок монохроматич. света, то в ней, помимо основного, возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света. Поскольку дифракция происходит на движущейся решётке, то в результате Доплера эффекта частота дифрагированного света оказывается сдвинутой по отношению к частоте падающего света: для m-го порядка дифракции

где - частота дифрагированного света,- частота звука. Частота света, отклонённого в сторону распространения УЗ-волны, увеличивается, а отклонённого в противоположную сторону - уменьшается.

Наблюдать Д. с. на у. можно, посылая лазерный луч 1 (рис. 1) на образец 2, в к-ром излучатель звука 3 возбуждает УЗ-волну. Линза 4 собирает дифрагированный свет, идущий по разным направлениям, в разл. точках экрана 5. В отсутствие УЗ на экране видно световое пятно от проходящего света; при включении УЗ справа и слева от него появляются пятна, создаваемые дифрагированным светом разл. порядков. Помещая вместо экрана диафрагму, можно выделить соответствующий порядок дифракции. Регистрирующая система, содержащая фотоприёмное устройство 6 и поляризац. анализатор 7, позволяет измерять интенсивность дифрагированного излучения, его угл. и поляризац. характеристики.

Рис. 1. Схема наблюдения дифракции света на ультразвуке: I - акустооптическая, II - регистрирующая системы.

Теоретич. описание Д. с. на у. основано на решении Максвелла уравнений в среде, диэлектрич. проницаемость к-рой содержит периодич. возмущение, вызванное акустич. волной:

где - диэлектрич. проницаемость невозмущённой среды, - упругооптич. постоянная, S₀ - амплитуда деформации в звуковой волне, - волновой вектор и частота звука. В первом приближении электрич. поляризация, обусловленная одновременным воздействием на среду падающей световой волны и звука, является источником рассеянного светового излучения, содержащего две компоненты с частотами . Компонента с суммарной частотой выходит из объёма взаимодействия по направлению вектора суммы (k+K), а с разностной - по направлению (k-К), где k - волновой вектор света (рис. 2). T. о., непосредств. взаимодействие падающего излучения с УЗ обусловливает лишь 1-й порядок дифракции: более высокие порядки возникают при взаимодействии со звуком света, уже отклонённого в 1-й порядок.

Рис. 2. Схема дифракции света на ультразвуке.

Дифракция имеет место при любом угле падения света на акустич. пучок. В общем случае интенсивность дифрагированного света I мала по сравнению с интенсивностью падающего , поскольку эл--магн. волны, испускаемые разл. частями области акустооптич. взаимодействия, интерферируя, взаимно гасят друг друга. Лишь при определ. условиях излучение рассеянное разл. точками оказывается синфазным и эффективность дифракции возрастает на много порядков - возникает явление т. н. резонансной дифракции. Интенсивность отклонённого в результате дифракции света I увеличивается как с ростом интенсивности звука I_зв, так и с возрастанием размера области акустооптич. взаимодействия в направлении распространения дифрагированного света - длины взаимодействия L: . При достаточной длине L значение I становится сравнимым с и дифракционная картина определяется характером взаимодействия с УЗ-света, уже отклонённого в 1-й порядок. Резонансная дифракция возникает, если выполняется условие синфазности рассеянного излучения:

где п - показатель преломления света в среде.

Если рассматривать резонансную дифракцию как процесс поглощения (испускания) акустич. фонона фотоном приводящий к образованию рассеянного фотона с частотой и волновым вектором , то условие (3) эквивалентно закону сохранения энергии - импульса:

Рис. 3. Схема дифракции Рамана - Ната.

Условие возникновения и характер резонансной Д. с. на у. зависят от соотношения между длинами волн света и звука . Для низкочастотного звука, длина волны к-рого удовлетворяет условию , резонансная дифракция имеет место при нормальном падении света на звуковой пучок - это т. н. дифракция Рамана - Ната. В этом случае световая волна проходит сквозь звуковой пучок не отражаясь, а периодич. изменение п под действием УЗ приводит к модуляции фазы прошедшей волны. Такая волна эквивалентна значительному числу плоских волн, распространяющихся под малыми углами к проходящему световому пучку (рис. 3). При выходе из области акустооптич. взаимодействия световой пучок разбивается на серию лучей с частотами , m=0, 1, . . ., направления к-рых определяются соотношениями:

Интенсивность света в т-м. дифракц. максимуме равна

где J_m - ф-ция Бесселя 1-го рода m-го порядка, - длина световой волны в вакууме. Величина M₂= ( - плотность материала, с_зв - скорость звука в нём) наз. акустооптическим качеством материала и является осн. характеристикой его акустооптич. свойств. С увеличением L или S₀ интенсивности как проходящего света, так и света, отклонённого в разл. порядки дифракции, осциллируют (рис. 4), причём амплитуда осцилляции постепенно уменьшается, т. к. энергия падающего излучения перераспределяется среди всё возрастающего числа дифракц. максимумов. Дифракция Рамана - Ната наблюдается при рассеянии света на звуковых волнах с частотами от неск. десятков МГц и ниже. С уменьшением ширины звукового пучка интервал акустич. частот, для к-рых возможен этот вид дифракции, расширяется в область более высоких частот.

Рис. 4. Зависимость интенсивности света, отклонённого в различные порядки при дифракции Рамана - Ната, от длины взаимодействия L или амплитуды деформации S₀ в звуковой волне.

Резонансная дифракция света на высокочастотном звуке, длина волны к-рого удовлетворяет условию , наз. дифракцией Брэгга или брэгговской дифракцией.

Она представляет собой частичное отражение волны от звуковой решётки (рис. 5). Эффективная дифракция имеет место, если волны, отражённые от соседних максимумов показателя преломления, имеют разность оптич. хода, равную . Это происходит, если свет падает под определ. углом, т. н. углом Брэгга . При брэгговской дифракции свет отклоняется только в один из максимумов 1-го порядка. В зависимости от того, какой угол - тупой или острый образуют векторы k и К, частота дифрагированного света равна (+1-й порядок) или (-1-й порядок).

Рис. 5. Схема дифракции Брэгга в изотропной среде: 1 - проходящий свет; 2 - дифрагированный свет.

В изотропной среде угол Брэгга определяется лишь длинами волн света и звука:

Угол рассеяния , под к-рым выходит дифрагированный свет, равен . Для данной длины световой волны существует предельная звуковая частота , выше к-рой брэгговская дифракция невозможна. Эта частота отвечает рассеянию света точно в обратном направлении. Энергия падающего излучения распределяется между проходящим и дифрагированным лучами. Интенсивность дифрагированного света I₁ возрастает с увеличением интенсивности звука I_зв и длины взаимодействия L до тех пор, пока весь падающий свет не окажется дифрагированным. При дальнейшем увеличении I_зв или L часть отклонённого света, вновь дифрагируя на звуковой решётке, выходит из акустич. пучка по направлению падающего излучения. В результате возникает периодич. зависимость интенсивности проходящего I₀ и дифрагированного I₁ света от I_зв и L:

В анизотропной среде свет с разной поляризацией имеет разл. скорости распространения. Поэтому условия (4) выполняются при разл. углах падения света в зависимости от того, сохраняет дифрагированный свет поляризацию падающего или нет. Если поляризация не меняется, то угол по-прежнему определяется выражением (6), а . Дифракция с изменением плоскости поляризации (т. н. анизотропная дифракция) имеет место, когда свет падает под углом

где п₀ - показатель преломления падающего света, n_l - дифрагированного. Угол рассеяния при анизотропной дифракции равен

и меняется в пределах от (рис. 6).

Осн. особенности анизотропной дифракции следующие. 1) При неизменном угле падения света на акустич. пучок дифракция имеет место при двух разл. значениях частоты звука, к-рым соответствуют разл. углы отклонения дифрагированного света (рис. 7). 2) Если плоскость рассеяния не проходит через оптич. ось кристалла, то существует мин. значение частоты звука , ниже к-рого анизотропная дифракция невозможна (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость угла Брэгга и угла дифракции от частоты f звуковой волны при анизотропной дифракции для случая n₀>n₁. Пунктиром показана зависимость в изотропной среде.

Рис. 7. а - схема дифракции Брэгга в анизотропной среде с поворотом плоскости поляризации: 0 - падающий луч света; 1 и 2 - дифрагированные лучи, соответствующие двум различным частотам звука; направления электрических колебаний световых волн указаны на лучах стрелками (колебания в плоскости рисунка) и точками в кружках (колебания, перпендикулярные плоскости рисунка); 6 - векторная диаграмма.

3) При n₀>n₁ (рис. 8) существует мин. значение угла падения:

при к-ром анизотропная дифракция ещё наблюдается. Если свет падает на звуковой пучок под углом , то дифракция с поворотом плоскости поляризации наблюдается на частоте звука

При изменении акустич. частоты вблизи значения угол меняется незначительно, а угол - существенно. Дифрагированный луч при выходит из области дифракции под прямым углом к направлению распространения звука (рис. 8). Если же n₁>n₀ (рис. 9), то анизотропная дифракция имеет место при любых углах падения света, однако возможные значения ограничены:

Наименьшее значение угла рассеяния соответствует нормальному падению света на акустич. пучок.

Рис. 8. а - схема анизотропной дифракции для случая предельного угла падения света на звуковой пучок при n₀>n₁; б - векторная диаграмма.

4) Возможна коллинеарная дифракция, при к-рой направления распространения падающего и дифрагированного света совпадают (рис 10). Она имеет место, если частота звука равна .

Применение акустооптической дифракции. Д. с. на у. позволяет определять по изменению интенсивности света в дифракц. спектрах характеристики звуковых полей, практически не возмущая поля. С помощью Д. с. на у. измеряют поглощение и скорость УЗ в диапазоне частот от неск. МГц до десятков ГГц, модули упругости 2-го и 3-го порядков, упругооптич. свойства материалов. Возможность спектрального анализа звукового сигнала акустооптич. методами позволяет исследовать отклонение формы профиля звуковой волны от синусоидальной из-за нелинейных искажений. Д. с. на у. применяется для модуляции и отклонения света в разл. устройствах акустооптики (модуляторах, дефлекторах, фильтрах). Используется Д. с. на у. при оптико-акустич. обработке сигналов, для приёма сигналов в УЗ-линиях задержки и др.

Рис. 9. а - схема анизотропной дифракции при n₀<n₁; б - векторная диаграмма.

Рис. 10. а - схема анизотропной коллинеарной дифракции; б - векторная диаграмма: векторы К, k и k' - коллинеарны.

Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона и P. Терстона, пер. с англ., т. 7, M., 1974, гл. 5; Tакер Дж., Pэмптон В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., M., 1975; Гуляев Ю. В., Проклов В. В., Шкердин Г. H., Дифракция света на звуке в твердых телах, "УФН", 1978, т. 124, с. 61. В. M. Левин,

   <<      Предметный указатель      >>