L'acustoòptica és una branca de la física que estudia les interaccions entre les ones sonores i les ones lluminoses, especialment la difracció de la llum làser per ultrasons (o so en general) a través d'una xarxa ultrasònica. miniatura|Una imatge de difracció que mostra l'efecte acústicoòptic.
Introducció En general, els efectes acustoòptics es basen en el canvi de l'índex de refracció d'un medi a causa de la presència d'ones sonores en aquest medi. Les ones sonores produeixen una xarxa d'índex de refracció al material, i és aquesta xarxa la que "es veu" per l'ona de llum. Aquestes variacions de l'índex de refracció, a causa de les fluctuacions de pressió, es poden detectar òpticament mitjançant efectes de refracció, difracció i interferència; també es pot utilitzar la reflexió.
L'efecte acustoòptic s'utilitza àmpliament en la mesura i l'estudi de les ones ultrasòniques. Tanmateix, la principal àrea d'interès creixent són els dispositius acustoòptics per a la desviació, la modulació, el processament del senyal i el canvi de freqüència dels feixos de llum. Això es deu a la creixent disponibilitat i rendiment dels làsers, que han fet que l'efecte acustoòptic sigui més fàcil d'observar i mesurar. El progrés tècnic tant en el creixement de cristalls com en els transductors piezoelèctrics d'alta freqüència ha aportat valuosos beneficis a les millores dels components acustoòptics.
Juntament amb les aplicacions actuals, l'acústoòptica presenta possibles aplicacions interessants. Es pot utilitzar en assaigs no destructius, monitorització de la salut estructural i aplicacions biomèdiques, on els mesuraments òptics i generats òpticament d'ultrasons proporcionen un mètode d'obtenció d'imatges sense contacte.
Història L'òptica ha tingut una història molt llarga i completa, des de l'antiga Grècia, passant pel renaixement i l'època moderna. Igual que amb l'òptica, l'acústica té una història de durada similar, que comença de nou amb els grecs antics. En canvi, l'efecte acustoòptic ha tingut una història relativament curta, començant amb Brillouin predient la difracció de la llum per una ona acústica, que es propaga en un medi d'interacció, el 1922. Això va ser confirmat amb experimentació el 1932 per Debye i Sears, i també per Lucas i Biquard.
El cas particular de la difracció de primer ordre, sota un cert angle d'incidència (també predit per Brillouin), va ser observat per Rytow el 1935. Raman i Nath (1937) han dissenyat un model ideal general d'interacció tenint en compte diversos ordres. Aquest model va ser desenvolupat per Phariseau (1956) per a la difracció que inclou només un ordre de difracció.
Efecte acústico-òptic L'efecte acústicoòptic és un cas específic de fotoelasticitat, on hi ha un canvi en la permitivitat d'un material. , a causa d'una tensió mecànica La fotoelasticitat és la variació dels coeficients indicadors òptics. causat per la tensió donat per,
on és el tensor fotoelàstic amb components, , = 1, 2,..., 6.
Concretament en l'efecte acústicoòptic, les deformacions són el resultat de l'ona acústica que s'ha excitat dins d'un medi transparent . Això dóna lloc a la variació de l'índex de refracció. Per a una ona acústica plana que es propaga al llarg de l'eix z, el canvi en l'índex de refracció es pot expressar com
on és l'índex de refracció inalterat, és la freqüència angular, és el nombre d'ona de l'ona acústica, i és l'amplitud de variació de l'índex de refracció generat per l'ona acústica, i es dóna com,
L'índex de refracció generat, (2), dóna una xarxa de difracció que es mou amb la velocitat donada per la velocitat de l'ona sonora en el medi. La llum que passa a través del material transparent es difracta a causa d'aquest índex de refracció generat, formant un patró de difracció prominent. Aquest patró de difracció correspon a una xarxa de difracció convencional en angles... des de la direcció original, i ve donat per,
on és la longitud d'ona de l'ona òptica, és la longitud d'ona de l'ona acústica i és el màxim d'ordre enter.
La llum difractada per una ona acústica d'una sola freqüència produeix dos tipus de difracció diferents. Aquests són la difracció Raman-Nath i la difracció de Bragg.
La difracció Raman-Nath s'observa amb freqüències acústiques relativament baixes, normalment inferiors a 10 MHz, i amb una petita longitud d'interacció acustoòptica, ℓ, que normalment és inferior a 1 cm. Aquest tipus de difracció es produeix en un angle d'incidència arbitrari, .
En canvi, la difracció de Bragg es produeix a freqüències acústiques més altes, normalment superiors a 100 MHz. El patró de difracció observat generalment consta de dos màxims de difracció; aquests són l'ordre zero i el primer. Tanmateix, fins i tot aquests dos màxims només apareixen a angles d'incidència definits propers a l'angle de Bragg, El màxim de primer ordre o màxim de Bragg es forma a causa d'una reflexió selectiva de la llum dels fronts d'ona de l'ona ultrasònica. L'angle de Bragg ve donat per l'expressió,
on és la longitud d'ona de l'ona de llum incident (en el buit), és la freqüència acústica, és la velocitat de l'ona acústica, és l'índex de refracció de l'ona òptica incident, i és l'índex de refracció de les ones òptiques difractades.
En general, no hi ha cap punt en què la difracció de Bragg substitueixi la difracció de Raman-Nath. Simplement és un fet que a mesura que augmenta la freqüència acústica, el nombre de màxims observats es redueix gradualment a causa de la selectivitat angular de la interacció acustoòptica. Tradicionalment, el tipus de difracció, de Bragg o de Raman-Nath, ve determinat per les condicions i respectivament, on Q ve donat per
que es coneix com a paràmetre de Klein-Cook. Com que, en general, només s'utilitza el màxim de difracció de primer ordre en dispositius acustoòptics, la difracció de Bragg és preferible a causa de les pèrdues òptiques més baixes. Tanmateix, els requisits acustoòptics per a la difracció de Bragg limiten el rang de freqüències de la interacció acustoòptica. Com a conseqüència, la velocitat de funcionament dels dispositius acustoòptics també és limitada.
Dispositius acústico-òptics miniatura|252x252px|Un modulador acustoòptic Variant els paràmetres de l'ona acústica, incloent-hi l'amplitud, la fase, la freqüència i la polarització, es poden modular les propietats de l'ona òptica. La interacció acustoòptica també permet modular el feix òptic mitjançant la modulació temporal i espacial.
Un mètode senzill per modular el feix òptic que viatja a través del dispositiu acustoòptic es realitza activant i desactivant el camp acústic. Quan està apagat, el feix de llum no es desvia, la intensitat de la llum dirigida a l'angle de difracció de Bragg és zero. Quan s'activa i es produeix la difracció de Bragg, la intensitat a l'angle de Bragg augmenta. Per tant, el dispositiu acustoòptic modula la sortida al llarg de l'angle de difracció de Bragg, activant-la i desactivant-la. El dispositiu funciona com a modulador mantenint fixa la longitud d'ona acústica (freqüència) i variant la potència d'accionament per variar la quantitat de llum al feix desviat.
Hi ha diverses limitacions associades al disseny i el rendiment dels moduladors acustoòptics. El medi acustoòptic s'ha de dissenyar acuradament per proporcionar la màxima intensitat de llum en un sol feix difractat. El temps que triga l'ona acústica a viatjar a través del diàmetre del feix de llum dóna una limitació a la velocitat de commutació i, per tant, limita l'amplada de banda de modulació. La velocitat finita de l'ona acústica significa que la llum no es pot encendre o apagar completament fins que l'ona acústica hagi viatjat a través del feix de llum. Per tant, per augmentar l'amplada de banda, la llum s'ha d'enfocar a un diàmetre petit a la ubicació de la interacció acustoòptica. Aquesta mida mínima enfocada del feix representa el límit de l'amplada de banda.
Filtre sintonitzable acústico-òptic El principi de funcionament dels filtres acústico-òptics sintonitzables es basa en la dependència de la longitud d'ona de la llum difractada de la freqüència acústica. Ajustant la freqüència de l'ona acústica, es pot difractar acústicament la longitud d'ona desitjada de l'ona òptica.
Hi ha dos tipus principals de filtres acustoòptics, els filtres col·lineals i els no col·lineals. El tipus de filtre depèn de la geometria de la interacció acustoòptica. A més d'aquestes configuracions tradicionals, s'ha desenvolupat una geometria gairebé col·lineal (o quasi col·lineal), que ofereix avantatges com ara una longitud d'interacció més llarga i una resolució espectral millorada en comparació amb les configuracions estàndard. No obstant això, normalment es requereix una polarització d'entrada específica per a un rendiment correcte.
La polarització de la llum incident pot ser ordinària o extraordinària. Per a la definició, assumim una polarització ordinària. Aquí s'utilitza la següent llista de símbols,
: l'angle entre el vector d'ona acústica i l'eix cristal·logràfic z del cristall;
: l'angle de falca entre les cares d'entrada i sortida de la cel·la del filtre (l'angle de falca és necessari per eliminar el desplaçament angular del feix difractat causat pel canvi de freqüència);
: l'angle entre el vector d'ona de llum incident i l'eix del cristall;
: l'angle entre la cara d'entrada de la cel·la i el vector d'ona acústica;
: l'angle entre la llum desviada i la no desviada a la freqüència central;
: la longitud del transductor.
L'angle d'incidència i la freqüència central del filtre es defineixen mitjançant el següent conjunt d'equacions,
Índexs de refracció de l'ordinari () i extraordinari () els feixos polaritzats es determinen tenint en compte la seva dependència dispersiva.
La velocitat del so, , depèn de l'angle α, de manera que,
and are the sound velocities along the axes and , consecutively. The value of is determined by the angles and ,
L'angle entre els feixos difractats i no difractats defineix el camp de visió del filtre; es pot calcular a partir de la fórmula
No cal que la llum d'entrada estigui polaritzada per a un disseny no colineal. La llum d'entrada no polaritzada es dispersa en feixos polaritzats ortogonalment separats per l'angle de dispersió per al disseny i la longitud d'ona particulars. Si el disseny òptic proporciona un bloc de feix adequat per a la llum no dispersada, aleshores es formen dos feixos (imatges) en una banda de pas òptica que és gairebé equivalent en ambdós feixos de sortida polaritzats linealment ortogonalment (que difereixen pel paràmetre de dispersió de Stokes i Anti-Stokes). A causa de la dispersió, aquests feixos es mouen lleugerament amb la freqüència de radiofreqüència d'escaneig.
Deflectors acústico-òptics Un deflector acustoòptic controla espacialment el feix òptic. En el funcionament d'un deflector acustoòptic, la potència que impulsa el transductor acústic es manté activada, a un nivell constant, mentre que la freqüència acústica es varia per desviar el feix a diferents posicions angulars. El deflector acustoòptic utilitza l'angle de difracció dependent de la freqüència acústica, on un canvi en l'angle en funció del canvi de freqüència es dóna com,
on és la longitud d'ona òptica del feix i és la velocitat de l'ona acústica.
La tecnologia AOD ha fet pràctica la condensació de Bose-Einstein per la qual es va atorgar el Premi Nobel de Física del 2001 a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle i Carl E. Wieman. Una altra aplicació de la desviació acústico-òptica és la captura òptica de petites molècules.
Els AOD són essencialment els mateixos que els moduladors acustoòptics (AOM). En un AOM, només es modula l'amplitud de l'ona sonora (per modular la intensitat del feix làser difractat), mentre que en un AOD, tant l'amplitud com la freqüència s'ajusten, cosa que fa que els requisits d'enginyeria siguin més estrictes per a un AOD que per a un AOM.
Materials