Акустооптика — область физики, изучающая взаимодействие акустических волн с оптическим излучением в прозрачных средах. Основу этого взаимодействия составляет эффект модуляции показателя преломления вещества под действием упругих волн, что приводит к дифракции света. Этот феномен объясняется фотоупругим эффектом: при прохождении звуковой волны через материал, в нём создаётся периодическая модуляция плотности и, следовательно, показателя преломления. Свет, взаимодействуя с такой периодической структурой, ведёт себя аналогично дифракции на решётке.
Акустическая волна в среде создаёт временную дифракционную решётку. Пространственный период этой решётки равен длине ультразвуковой волны. Свет, проходя через неё, может испытывать дифракцию. В зависимости от условий взаимодействия различают два основных режима:
Режим Рамана-Ната (тонкая решётка): реализуется, когда толщина среды мала по сравнению с длиной дифракции. Дифракционные максимумы перекрываются, дифракционная эффективность невелика.
Режим Брэгга (толстая решётка): при значительной толщине среды и малых углах падения света. Характерна высокая эффективность дифракции при удовлетворении условию Брэгга:
2nΛsin θ = mλ
где n — показатель преломления среды, Λ — длина акустической волны, θ — угол между направлением света и волновым фронтом звука, λ — длина волны света, m — порядок дифракции.
Физическая основа акустооптического взаимодействия заключается в фотоупругом (электрооптическом) эффекте, при котором механическое напряжение изменяет оптические свойства материала. Математически изменение тензора диэлектрической проницаемости Δεij под действием механического напряжения σkl описывается тензором фотоупругости pijkl:
Δεij = pijklσkl
Изменение диэлектрической проницаемости ведёт к изменению показателя преломления, что и определяет оптическое поведение среды в присутствии акустической волны.
Дифракционная эффективность (η) — отношение интенсивности дифрагированного света к интенсивности падающего. В режиме Брэгга для первой дифракционной компоненты она определяется выражением:
$$ \eta = \sin^2\left( \frac{\pi}{\lambda} \cdot n^3 \cdot p \cdot \frac{L}{V} \cdot \sqrt{\frac{P}{A}} \right) $$
где:
Фигурa качества акустооптической среды (M²) — комплексная величина, характеризующая пригодность материала для использования в АО-устройствах:
$$ M^2 = \frac{n^6 p^2}{\rho V^3} $$
где ρ — плотность среды. Чем выше M², тем эффективнее материал.
Для эффективного взаимодействия света и звука необходимы материалы, обладающие высоким фотоупругим коэффициентом, хорошей прозрачностью и малым акустическим затуханием. Наиболее используемые:
Используется для управления интенсивностью или частотой светового пучка. Принцип действия основан на модуляции амплитуды акустической волны, вызывающей изменение дифракционной эффективности. Применяется в лазерной технике, спектроскопии, оптической связи.
Позволяет управлять направлением светового пучка путём изменения частоты ультразвука. При изменении частоты звуковой волны меняется угол дифракции света. Обеспечивает быстрое и точное позиционирование светового пятна, используется в лазерной печати, голографии, оптических трактах сканирования.
Работает по принципу выбора определённой длины волны света, соответствующей заданной частоте ультразвука. Обеспечивает узкополосную селекцию и применим в спектральной селекции, лазерной спектроскопии, многоканальной телекоммуникации.
Позволяет анализировать спектральный состав светового излучения. Комбинирует АО-фильтры и фотоприёмники для быстрого и точного измерения спектров в широком диапазоне частот.
Преимущества:
Ограничения:
Современные исследования в акустооптике направлены на разработку:
Акустооптика, находясь на стыке оптики, акустики и материаловедения, демонстрирует важнейшие возможности для развития современных оптических технологий, особенно в условиях миниатюризации и необходимости быстрого и точного управления светом.