АКУСТОО́ПТИКА

АКУСТОО́ПТИКА, раз­дел аку­сто­элек­тро­ни­ки

, изу­чаю­щий взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­маг­нит­ных волн (как пра­ви­ло, оп­тич. диа­па­зо­на) с ко­ге­рент­ны­ми аку­стич. (зву­ко­вы­ми) вол­на­ми в твёр­дых те­лах и жид­ко­стях, на ос­но­ве ко­то­ро­го раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся разл. при­бо­ры и уст­рой­ства. Осн. ме­ха­низм аку­сто­оп­ти­че­ско­го (АО) взаи­мо­дей­ст­вия обу­слов­лен уп­ру­го­оп­тич., или фо­то­уп­ру­гим, эф­фек­том сре­ды, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го ме­ха­нич. де­фор­ма­ции, соз­да­вае­мые зву­ко­вой вол­ной, вы­зы­ва­ют мо­ду­ля­цию оп­тич. свойств све­то­зву­ко­про­во­да. Рас­про­стра­не­ние аку­стич. вол­ны в сре­де при­во­дит к пе­рио­дич. из­ме­не­нию ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти (обыч­но по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния све­та) сре­ды, что эк­ви­ва­лент­но воз­ник­но­ве­нию в ней дви­жу­щей­ся со ско­ро­стью зву­ка ди­фрак­ци­он­ной ре­шёт­ки

 >>

с пе­рио­дом, рав­ным дли­не аку­стич. вол­ны.

При боль­шой ши­ри­не оп­тич. лу­ча $D$, ко­гда $D≫Λ$ ($Λ$ – дли­на аку­стич. вол­ны), и оп­ре­де­лён­ном уг­ле па­де­ния све­та име­ет ме­сто аку­сто­оп­ти­че­ская ди­фрак­ция. Ха­рак­те­ри­сти­ки ди­фра­ги­ро­ван­но­го све­та (на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния, по­ля­ри­за­ция, час­то­та, фа­за и ин­тен­сив­ность) за­ви­сят от па­ра­мет­ров оп­тич. и аку­стич. волн, а так­же от уг­ла ме­ж­ду на­прав­ле­ния­ми рас­про­стра­не­ния этих волн (рис. 1). Раз­ли­ча­ют аку­сто­оп­тич. брэг­гов­скую ди­фрак­цию и ди­фрак­цию Ра­ма­на – На­та. Брэг­гов­ская ди­фрак­ция име­ет ме­сто при боль­шой «тол­щи­не» ди­фракц. ре­шёт­ки, ко­гда па­ра­метр Кляй­на – Ку­ка $Q≫1$ ($Q≈λd/Λ^2$, где $λ$ – дли­на све­то­вой вол­ны в сре­де, $d$ – ши­ри­на аку­стич. пуч­ка). Обыч­но брэг­гов­ская ди­фрак­ция про­ис­хо­дит при дос­та­точ­но боль­ших $d$ (∼1 см) и вы­со­ких час­то­тах зву­ка (ок. 100 МГц и вы­ше), при стро­го оп­ре­де­лён­ном уг­ле па­де­ния све­та на зву­ко­вой пу­чок $θ_п$, близ­ком к брэг­гов­ско­му уг­лу $θ_В$, т. е. при $θ_п≈θ_В= \text {arc­sin}\,(λ /2Λ )$ (см. Брэг­га – Вуль­фа ус­ло­вие

); при­чём на вы­хо­де по­ми­мо про­хо­дя­ще­го све­та (ну­ле­вой по­ря­док) воз­ни­ка­ет толь­ко один (пер­вый) ди­фракц. по­ря­док со сдви­гом час­то­ты све­та на час­то­ту зву­ка $Ω$ со­от­вет­ст­вен­но вверх или вниз. При $Q≪1$ име­ет ме­сто ди­фрак­ция Ра­ма­на – На­та, ко­то­рая воз­ни­ка­ет в дос­та­точ­но ши­ро­ком диа­па­зоне уг­лов па­де­ния све­та вбли­зи нор­маль­но­го уг­ла и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся од­но­врем. по­яв­ле­ни­ем мно­же­ст­ва срав­ни­мых по ин­тен­сив­но­сти ди­фракц. по­ряд­ков ($m=\ldots–2, –1, 0, +1, +2\ldots$) и со­от­вет­ствую­щи­ми сдви­га­ми час­то­ты, рав­ны­ми $mΩ$.

При ши­ри­не оп­тич. лу­ча $D≪Λ$ (рис. 2) воз­ни­ка­ет аку­сто­оп­ти­че­ская реф­рак­ция (из­ме­не­ние хо­да све­то­вых лу­чей в не­од­но­род­ной де­фор­ми­руе­мой сре­де), при ко­то­рой све­то­вая вол­на по­сле про­хо­ж­де­ния аку­стич. пуч­ка от­кло­ня­ет­ся от сво­его пер­во­на­чаль­но­го на­прав­ле­ния на угол $β$, про­пор­цио­наль­ный дли­не пу­ти све­то­во­го лу­ча в зву­ко­вом по­ле и гра­ди­ен­ту по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сре­ды. При дос­та­точ­но боль­шой ин­тен­сив­но­сти оп­тич. из­лу­че­ния ха­рак­тер АО взаи­мо­дей­ст­вия за­ви­сит так­же от ве­ли­чи­ны этой ин­тен­сив­но­сти; в ча­ст­но­сти, при ин­тен­сив­но­сти бо­лее 50–100 МВт/см² мо­жет про­ис­хо­дить уси­ле­ние сла­бых аку­стич. волн или их ге­не­ра­ция в ре­зуль­та­те вы­нуж­ден­но­го рас­сея­ния Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна.

Аку­сто­оп­тич. взаи­мо­дей­ст­вие ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся как при фи­зич. ис­сле­до­ва­ни­ях, так и в тех­ни­ке. АО ди­фрак­ция по­зво­ля­ет из­ме­рять ло­каль­ные ха­рак­те­ри­сти­ки аку­стич. волн (напр., ам­пли­туду, диа­грам­му на­прав­лен­но­сти, спек­траль­ный со­став), что мо­жет быть ис­поль­зо­ва­но для оп­ре­де­ле­ния мн. па­рамет­ров ве­ще­ст­ва – ско­ро­сти и ко­эф. погло­ще­ния зву­ка, мо­ду­лей уп­ру­го­сти 2-го и бо­лее вы­со­ких по­ряд­ков, уп­ру­го­оп­тич. по­сто­ян­ных и др. Ана­лиз эф­фек­тив­но­сти ди­фрак­ции в разл. точ­ках об­раз­ца да­ёт воз­мож­ность вос­ста­но­вить кар­ти­ну про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния ин­тен­сив­но­сти зву­ка и осу­ще­ст­вить ви­зуа­ли­за­цию аку­стич. по­лей.

Аку­сто­оп­ти­че­ские уст­рой­ст­ва. На ос­но­ве АО ди­фрак­ции и реф­рак­ции соз­да­ют­ся ак­тив­ные оп­тич. эле­мен­ты, по­зво­ляю­щие управ­лять все­ми па­ра­мет­ра­ми оп­тич. лу­чей, а так­же об­ра­ба­ты­вать ин­фор­ма­цию, но­си­те­лем ко­то­рой мо­жет быть как све­то­вая, так и аку­стич. вол­на. Ос­но­ву всех уст­ройств со­став­ля­ет аку­сто­оп­тич. ячей­ка (АОЯ), со­стоя­щая из све­то­зву­ко­про­во­да с при­сты­ко­ван­ным к не­му элек­тро­аку­сти­че­ским пре­об­ра­зо­ва­те­лем

(обыч­но пье­зо­элек­три­че­ским).

Аку­сто­оп­ти­че­ский мо­ду­ля­тор пред­на­зна­чен для мо­ду­ля­ции ин­тен­сив­но­сти (ино­гда фа­зы) оп­тич. из­лу­че­ния; прин­цип дей­ст­вия ос­но­ван на пе­ре­рас­пре­де­ле­нии све­то­вой энер­гии ме­ж­ду про­хо­дя­щим и ди­фра­ги­ро­ван­ным на аку­стич. вол­не све­том. Обыч­но ис­поль­зу­ют­ся мо­ду­ля­то­ры ди­фра­ги­ро­ван­но­го све­та. Та­кой мо­ду­ля­тор пред­став­ля­ет со­бой АОЯ, в ко­то­рой с по­мо­щью вы­со­ко­час­тот­но­го (ВЧ) элек­трич. на­пря­же­ния, по­да­вае­мо­го на пье­зо­пре­об­ра­зо­ва­тель, воз­бу­ж­да­ет­ся бе­гу­щая ам­пли­туд­но-мо­ду­лир. зву­ко­вая вол­на. Па­даю­щий на АОЯ от­но­си­тель­но уз­кий све­то­вой луч пре­тер­пе­ва­ет АО ди­фрак­цию, и от­кло­нён­ный луч (пер­вый ди­фракц. по­ря­док) по­сту­па­ет на вы­ход уст­рой­ст­ва (рис. 3). Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки мо­ду­ля­то­ра: ди­фракц. эф­фек­тив­ность $η$ – до­ля мощ­но­сти ди­фра­ги­ро­ван­но­го све­та по от­но­ше­нию к па­даю­ще­му; бы­ст­ро­дей­ствие $τ$ (оп­ре­де­ля­ет­ся вре­ме­нем про­хо­ж­де­ния аку­стич. вол­ны со ско­ро­стью $V_0$ че­рез апер­ту­ру све­то­во­го пуч­ка, $τ∼D/V_0$); ди­на­мич. диа­па­зон – от­но­ше­ние макс. мощ­но­сти све­та на вы­хо­де уст­рой­ст­ва к мощ­но­сти рас­се­ян­но­го све­та в от­сут­ст­вие ВЧ-сиг­на­ла. В совр. АО мо­ду­ля­то­рах све­та бы­ст­ро­дей­ст­вие ле­жит в диа­па­зо­не 10^–7– 10^–8 с, ди­на­мич. диа­па­зон в пре­де­лах 30–50 дБ, $η$ ок. 100%.

Вы­де­ля­ют пла­нар­ные аку­сто­оп­тич. мо­ду­ля­то­ры (рис. 4), ра­бо­та ко­то­рых ос­но­ва­на на взаи­мо­дей­ст­вии вол­но­вод­ных оп­тических мод с по­верх­но­ст­ны­ми аку­стическими вол­на­ми (ПАВ). Пла­нар­ные мо­ду­ля­то­ры при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве ак­тив­ных эле­мен­тов ин­те­граль­но-оп­тич. схем.

Аку­сто­оп­ти­че­ские де­флек­то­ры и ска­не­ры – уст­рой­ст­ва для управ­ле­ния от­кло­не­ни­ем све­то­во­го лу­ча в про­стран­ст­ве на ос­но­ве АО ди­фрак­ции или реф­рак­ции. Ска­не­ры слу­жат для не­пре­рыв­ной раз­вёрт­ки лу­ча, де­флек­то­ры – для ад­ре­са­ции лу­ча в пре­де­лах фик­сир. чис­ла на­прав­ле­ний, в ко­то­рые мо­жет от­кло­нять­ся све­то­вой луч. В ди­фракц. АО де­флек­то­ре (наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны) угол от­кло­не­ния све­та $θ$ из­ме­ня­ют пу­тём из­ме­не­ния час­то­ты зву­ка $f$. Два со­сед­них со­стоя­ния лу­ча «раз­ре­ша­ют­ся» по кри­те­рию Рэ­лея, ес­ли угол ме­ж­ду ни­ми $δθ=δf/V_0 \cosθ_В$, свя­зан­ный с из­ме­не­ни­ем час­то­ты $δf$, пре­вы­ша­ет угол рас­хо­ди­мо­сти лу­ча све­та $δθ_{св}≈λ/D$. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки та­ких де­флек­то­ров: чис­ло раз­ре­ши­мых со­стоя­ний све­то­во­го лу­ча (в пре­де­лах макс. уг­ло­во­го пе­ре­ме­ще­ния $Δθ$) $N=Δθ/δθ$; бы­ст­ро­дей­ст­вие $τ$, оп­ре­де­ляе­мое как вре­мя пе­ре­хо­да из од­но­го со­стоя­ния в дру­гое; по­те­ри про­пус­ка­ния све­та $α=P_{вх}/P_{вых}$ (в дБ), где $P_{вх}$, $P_{вых}$ – мощ­ность со­от­вет­ст­вен­но па­даю­ще­го и от­кло­нён­но­го лу­ча.

Су­ще­ст­ву­ют ди­фракц. АО де­флек­то­ры, осу­ще­ст­в­ляю­щие двух­ко­ор­ди­нат­ное от­кло­не­ние све­то­во­го лу­ча. В этом слу­чае ис­поль­зу­ют­ся два скре­щён­ных од­но­мер­ных де­флек­то­ра, как пра­ви­ло, со­вме­щён­ных в од­ной АОЯ, в ко­то­рой аку­стич. вол­ны воз­бу­ж­да­ют­ся в двух вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­ни­ях. Совр. де­флек­то­ры по­зво­ля­ют по­лу­чать до 10⁴ раз­ре­ши­мых со­стоя­ний со вре­ме­нем пе­ре­хо­да $τ$ по­ряд­ка 1–30 мкс и по­те­ря­ми про­пус­ка­ния в неск. де­сят­ков про­цен­тов при по­треб­ляе­мой элек­трич. мощ­но­сти по­ряд­ка 1 Вт.

Аку­сто­оп­ти­че­ский фильтр – час­тот­но-се­лек­тив­ный оп­тич. фильтр, свой­ст­ва ко­то­ро­го обу­слов­ле­ны ре­зо­нанс­ным ха­рак­те­ром син­хро­низ­ма ани­зо­троп­ной брэг­гов­ской ди­фрак­ции. Та­кая АО ди­фрак­ция в ви­де про­сто­го по­во­ро­та плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции ди­фра­ги­ро­ван­но­го из­лу­че­ния на угол 90° по­зво­ляет вы­де­лять из ши­ро­ко­го спек­тра па­даю­ще­го оп­тич. из­лу­че­ния дос­та­точ­но уз­кий ин­тер­вал длин волн $δλ$, а при из­ме­не­нии час­то­ты зву­ка пе­ре­ме­щать этот ин­тер­вал по оп­тич. спек­тру (пе­ре­страи­вать фильтр) в дос­та­точ­но ши­ро­ких пре­де­лах $Δλ$. Раз­ли­ча­ют АО фильт­ры с кол­ли­не­ар­ным (на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния све­та и зву­ка сов­па­да­ют или про­ти­во­по­лож­ны) и с не­кол­ли­не­ар­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем (рис. 5). Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки фильт­ров: ши­ри­на по­ло­сы про­пус­ка­ния $Δλ$, раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность $δλ/λ$, бы­ст­ро­дей­ст­вие $τ$ и по­те­ри про­пус­ка­ния све­та $α$. В ви­ди­мом диа­па­зо­не длин волн ($λ≈0,6$ мкм) для совр. АО фильт­ров $δλ⩾1$ Å, $τ⩽15$ мкс и $α⩽3$ дБ при управ­ляю­щей мощ­но­сти $∼1–5$ Вт. Об­ласть пе­ре­строй­ки мо­жет пе­ре­кры­вать весь оп­тич. и ближ­ний ИК-диа­па­зо­ны.

Внут­ри­по­ло­ст­ные АО мо­ду­ля­то­ры и фильт­ры слу­жат для управ­ле­ния про­цес­сом ге­не­ра­ции и па­ра­мет­ра­ми из­лу­че­ния оп­тич. кван­то­во­го ге­не­ра­то­ра. Вы­со­ко­про­зрач­ная АОЯ, бу­ду­чи по­ме­щён­ной внутрь оп­тич. ре­зо­на­то­ра, мо­жет мо­ду­ли­ро­вать его доб­рот­ность и обес­пе­чи­вать им­пульс­ную ра­бо­ту ла­зе­ра за счёт син­хро­ни­за­ции его собств. мод или пе­ре­страи­вать встро­ен­ный фильтр и кон­тро­ли­ро­вать дли­ну вол­ны ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Аку­сто­оп­ти­че­ский про­цес­сор – ана­лог оп­тич. про­цес­со­ра

, в ко­то­ром АОЯ ис­поль­зу­ет­ся в ка­че­ст­ве про­стран­ст­вен­но-вре­мен­но́­го мо­ду­ля­то­ра све­та. В АО про­цес­со­ре аку­стич. сиг­нал из­ме­ня­ет свои ам­пли­туд­но-фа­зо­вые ха­рак­те­ри­сти­ки в те­че­ние вре­ме­ни про­хо­ж­де­ния по зву­ко­про­во­ду, об­ра­зуя дви­жу­щее­ся од­но­мер­ное «изо­бра­же­ние» сиг­на­ла; ко­ге­рент­ный и хо­ро­шо кол­ли­ми­ро­ван­ный све­то­вой луч, ди­фра­ги­руя на та­ком изо­бра­же­нии, пе­ре­но­сит на оп­тич. не­су­щую всю ин­фор­ма­цию вход­но­го ВЧ-сиг­на­ла, что обу­слов­ли­ва­ет при­ме­не­ние та­ких уст­ройств для оп­тич. об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Раз­ли­ча­ют ана­ло­говые функ­цио­наль­ные и циф­ро­вые АО про­цес­со­ры. Пер­вые осу­ще­ст­в­ля­ют над вход­ным сиг­на­лом опе­ра­ции пре­об­ра­зо­ва­ния Фу­рье, на­хо­ж­де­ние функ­ции не­оп­ре­де­лён­но­сти или вза­им­ной кор­ре­ля­ции вход­но­го сиг­на­ла с за­дан­ной опор­ной функ­ци­ей, за­держ­ку, ге­не­ри­ро­ва­ние сиг­на­лов за­дан­ной фор­мы и т. д. Вто­рые мо­гут осу­ще­ст­в­лять ска­ляр­ное, век­тор­ное и мат­рич­ное ум­но­же­ние циф­ро­вых опе­ран­дов.

Наи­боль­шее при­ме­не­ние по­лу­чи­ли ана­ло­го­вые АО спек­троа­на­ли­за­то­ры и АО кор­ре­ля­то­ры сиг­на­лов. Для вы­со­ко­ско­ро­ст­ной ра­бо­ты в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни при­ме­ня­ют схе­му оп­тич. про­стран­ст­вен­но­го ин­тег­ри­ро­ва­ния свёрт­ки дви­жу­ще­го­ся изо­бра­же­ния сиг­на­ла с не­под­виж­ным (опор­ным) оп­тич. изо­бра­же­ни­ем (транс­па­ран­том); не слиш­ком бы­ст­рые про­цес­сы об­ра­ба­ты­ва­ют по схе­ме с вре­менны́ м ин­тег­ри­ро­ва­ни­ем. Од­но­ка­наль­ные АО спек­троа­на­ли­за­то­ры ко­рот­ких им­пульс­ных сиг­на­лов име­ют спек­траль­ное раз­ре­ше­ние до 30 кГц; для бо­лее дли­тель­ных про­цес­сов на ба­зе вре­мен­но­го ин­тег­ри­ро­ва­ния мо­жет быть дос­тиг­ну­то раз­ре­ше­ние по­ряд­ка 30 Гц. В обо­их слу­ча­ях эк­ви­ва­лент­ная опе­рац. ско­рость об­ра­бот­ки в уст­рой­ст­вах со­став­ля­ет ок. 10¹⁰–10¹² ана­ло­го­вых опе­ра­ций в се­кун­ду.

Дос­та­точ­но вы­со­кая про­из­во­ди­тель­ность, при­су­щая АО про­цес­со­ру как ана­ло­го­во­му вы­чис­лит. уст­рой­ст­ву, мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на в це­лях об­ра­бот­ки циф­ро­вой ин­фор­ма­ции, в ча­ст­но­сти для разл. опе­ра­ций ли­ней­ной ал­гебры (ска­ляр­ное ум­но­же­ние век­то­ров, ум­но­же­ние век­то­ра на мат­ри­цу, мат­ри­цы на мат­ри­цу и т. п.). Ум­но­же­ние циф­ро­вых опе­ран­дов осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ме­то­дом их свёрт­ки в ана­ло­го­вом АО про­цес­со­ре. Оцен­ки вы­чис­лит. ско­ро­сти для век­тор­но-мат­рич­но­го ум­но­же­ния в од­ном про­цес­со­ре на ба­зе совр. АО тех­но­ло­гии по­ка­зы­ва­ют прин­ци­пи­аль­ную воз­мож­ность дос­ти­же­ния ско­ро­сти ум­но­же­ния до 10¹⁰ опе­ра­ций сло­же­ния и ум­но­же­ния в се­кун­ду при 16 би­то­вых опе­ран­дах.

Ма­те­риа­лы для АО уст­ройств ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­кой про­зрач­но­стью в со­от­вет­ст­вую­щей об­лас­ти оп­тич. спек­тра и ма­лым за­ту­ха­ни­ем аку­стич. волн в диа­па­зо­не ра­бо­чих час­тот. Важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой та­ких ма­те­риа­лов яв­ля­ет­ся по­ка­за­тель аку­сто­оп­тич. ка­че­ст­ва $M$, ко­то­рый оп­ре­де­ля­ет эф­фек­тив­ность ди­фрак­ции $η$ при за­дан­ной мощ­но­сти зву­ка $P_{ак}: η∼MP_{ак}/λ^2$. Для осн. ти­пов АО уст­ройств ус­та­нов­ле­ны ха­рак­тер­ные по­ка­за­те­ли их аку­сто­оп­тич. ка­че­ст­ва: $M_1=pn^7/ρV$ – для ши­ро­ко­по­лос­ных од­но­ко­ор­ди­нат­ных мо­ду­ля­торов и де­флек­то­ров; $M_2=p^2n^6/ρV^3$ – для уз­ко­по­лос­ных мо­ду­ля­то­ров и фильт­ров и $M_3=p^2n^7/ρV^2$ – для двух­ко­ор­ди­нат­ных де­флек­то­ров (здесь $n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ма­те­риа­ла, $p$ – эф­фек­тив­ная уп­ру­го­оп­тич. кон­стан­та, $ρ$ – плот­ность ма­те­риа­ла, $V$ – фа­зо­вая ско­рость аку­стич. вол­ны). Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми АО ма­те­риа­ла­ми, ис­поль­зуе­мы­ми в ви­ди­мом и ближ­нем ИК-диа­па­зо­нах, яв­ля­ют­ся спец. стёк­ла, а так­же мо­но­кри­стал­лы па­ра­тел­лу­ри­та $β-\ce{TeO2}$ и нио­ба­та ли­тия $\ce{LiNbO3}$; для даль­не­го ИК-диа­па­зо­на наи­боль­шее при­ме­не­ние по­лу­чил мо­но­кри­стал­лич. гер­ма­ний.