Акустооптическая перестройка является одним из наиболее эффективных и широко используемых методов управления параметрами лазерного излучения, особенно его частотой, направлением и интенсивностью. Основой этого метода служит взаимодействие света с акустическими волнами в прозрачной среде, приводящее к дифракции света. Явление акустооптической дифракции объясняется модуляцией показателя преломления материала под действием бегущей ультразвуковой волны. Это взаимодействие обладает высокой скоростью отклика и позволяет реализовать перестройку в широком спектральном диапазоне.
При прохождении ультразвуковой волны через оптически прозрачную среду (кристалл или стекло) в ней создаются периодические изменения плотности и, как следствие, модуляции показателя преломления. Такая периодическая структура действует как фазовая решётка. Если на неё падает световой пучок, он дифрагирует, причем условия дифракции зависят от параметров акустической волны — частоты, амплитуды и направления.
Световой пучок, взаимодействуя с этой решёткой, изменяет своё направление (угол дифракции), длину волны (в случае частотной модуляции), а также интенсивность (за счёт управляемого коэффициента дифракции). При этом процесс подчиняется законам сохранения энергии и импульса, что отражается в уравнениях фазового синхронизма:
k⃗инц + K⃗зв = k⃗диф,
где k⃗инц — волновой вектор падающего света, K⃗зв — волновой вектор звуковой волны, k⃗диф — волновой вектор дифрагированного пучка.
1. Частота ультразвука: Перестройка частоты выходного лазерного излучения осуществляется за счёт управления частотой прикладываемого акустического сигнала. Изменение этой частоты ведёт к изменению угла дифракции, а при использовании акустооптических фильтров — к изменению длины волны пропускаемого света.
2. Эффективность дифракции: Характеризуется коэффициентом дифракции, определяемым как отношение мощности в дифрагированном пучке к мощности входного сигнала. Он зависит от материала, мощности ультразвука, геометрии и длины взаимодействия.
3. Время отклика: Акустооптические элементы обеспечивают времена перестройки порядка микросекунд и меньше, что делает их пригодными для высокоскоростного управления лазерными системами.
4. Разрешающая способность: Определяется числом эффективно различимых частот или длин волн, которые может выделить или подавить система. Она зависит от добротности резонатора, ширины спектра ультразвука и геометрии элемента.
Наиболее часто используемыми акустооптическими элементами являются:
Акустооптические дефлекторы: Позволяют управлять направлением лазерного пучка в пространстве с высокой скоростью. В системах сканирования используются в спектроскопии, микроскопии и обработке материалов.
Акустооптические модуляторы: Регулируют интенсивность и модулируют амплитуду лазерного пучка, включая Q-модуляцию. Основной параметр — скорость модуляции, достигающая десятков МГц.
Акустооптические фильтры: Отдельно выделяются фильтры типа Туннеля и Вольтера — они обеспечивают селективную пропускную способность в заданном спектральном диапазоне. Широко применяются в спектроскопии, лазерной спектральной селекции и телекоммуникациях.
Акустооптические перестраиваемые фильтры (AOTF): Устройства, обеспечивающие перестройку длины волны без механического движения. Применяются в гиперспектральной визуализации, лазерной флуоресцентной микроскопии и других областях.
Материалы для акустооптических устройств должны обладать высокой оптической прозрачностью в рабочем диапазоне длин волн, низкими акустическими потерями и высоким коэффициентом электромеханической связи. Наиболее распространённые материалы:
ТЕЛУРАТ ЛИТИЯ (LiNbO₃): Применяется в устройствах для инфракрасного диапазона. Обладает высокой акустооптической эффективностью.
КВАРЦ (SiO₂): Имеет низкие акустические потери, используется в высокостабильных системах.
PbMoO₄ и PbWO₄ (молибдат и вольфрамат свинца): Применяются в акустооптических фильтрах с широкой полосой пропускания.
Тellurium Dioxide (TeO₂): Обладает одним из лучших показателей акустооптической фигуры качества; активно применяется в высокоэффективных AOTF.
Перестройка длины волны лазеров: Акустооптические фильтры позволяют выбирать нужную длину волны в системах с широкополосным или многомодовым генератором. Особенно эффективно в лазерах на красителях, волоконных лазерах и в твердотельных источниках с широким спектром генерации.
Q-модуляция и импульсное управление: Акустооптические модуляторы применяются для генерации коротких мощных импульсов путём модуляции добротности резонатора (Q-switching). Это позволяет достигать высокой пиковой мощности без разрушения активной среды.
Угловое сканирование и управление направлением пучка: Акустооптические дефлекторы используются в лазерной печати, медицинской диагностике (OCT), спектроскопии, системах LIDAR. Высокая скорость управления углом распространения лазерного пучка делает их идеальными для систем с быстро меняющимся положением фокусировки.
Гиперспектральная и флуоресцентная микроскопия: С применением AOTF возможно оперативное сканирование по длине волны, что позволяет детектировать множество хромофоров или химических соединений за счёт быстрого спектрального анализа.
Для описания процесса акустооптической дифракции применяются уравнения динамической дифракции, которые учитывают пространственную модуляцию поля, нелинейность и распределение интенсивности. В рамках приближения слабой модуляции выводится выражение для коэффициента дифракции:
$$ \eta = \sin^2 \left( \frac{\pi}{\lambda} \cdot \frac{n^3 p M L}{2 v} \right), $$
где λ — длина волны света, n — показатель преломления, p — коэффициент фотоупругости, M — амплитуда акустической модуляции, L — длина взаимодействия, v — скорость звука в материале.
Это выражение показывает, что максимальная эффективность достигается при правильном выборе геометрии и параметров ультразвукового возбуждения.
Температурная чувствительность: Акустооптические устройства чувствительны к температурным изменениям, которые влияют на скорость звука и показатель преломления. Необходима температурная стабилизация.
Апертура и угловая дисперсия: С увеличением размера апертуры снижается разрешающая способность. Также наблюдается угловая дисперсия, особенно при работе с широкополосными источниками.
Шумы и интерференция: Интерференция между различными дифрагированными пучками может создавать паразитные эффекты в системах с высокой спектральной чувствительностью.
Интеграция с волоконной оптикой: Разработка миниатюрных акустооптических устройств для волоконных систем, включая системы для биомедицинской диагностики.
Цифровое управление и FPGA: Применение цифровых схем управления с высокой частотой обновления параметров, обеспечивающих динамическую и программируемую перестройку.
Комбинация с другими эффектами: Ведутся исследования по объединению акустооптики с электрооптическими, магнитооптическими и нелинейными методами управления лазерным излучением.
Акустооптическая перестройка остаётся важнейшим инструментом в лазерной физике благодаря сочетанию скорости, надёжности и точности управления параметрами лазерного излучения.