La acústica-óptica es una rama de la física que estudia las interacciones entre ondas sonoras y ondas de luz, especialmente la difracción de la luz láser por ultrasonido (o sonido en general) a través de una rejilla ultrasónica .
En general, los efectos acústico-ópticos se basan en el cambio del índice de refracción de un medio debido a la presencia de ondas sonoras en ese medio. Las ondas sonoras producen una rejilla de índice de refracción en el material, y es esta rejilla la que es "vista" por la onda de luz. [1] Estas variaciones en el índice de refracción, debidas a las fluctuaciones de presión, pueden detectarse ópticamente mediante efectos de refracción, difracción e interferencia; [2] También se puede utilizar la reflexión.
El efecto acústico-óptico se utiliza ampliamente en la medición y estudio de ondas ultrasónicas. Sin embargo, el principal área de interés en crecimiento son los dispositivos acústico-ópticos para la desviación, modulación , procesamiento de señales y desplazamiento de frecuencia de haces de luz. Esto se debe a la creciente disponibilidad y rendimiento de los láseres , que han hecho que el efecto acústico-óptico sea más fácil de observar y medir. El progreso técnico tanto en el crecimiento de cristales como en los transductores piezoeléctricos de alta frecuencia ha aportado valiosos beneficios a las mejoras de los componentes acústico-ópticos.
Junto con las aplicaciones actuales, la acústica-óptica presenta posibles aplicaciones interesantes. Se puede utilizar en pruebas no destructivas , monitoreo de salud estructural y aplicaciones biomédicas , donde las mediciones ópticas y generadas ópticamente de ultrasonido brindan un método de obtención de imágenes sin contacto.
La óptica ha tenido una historia muy larga y completa, desde la antigua Grecia , pasando por el renacimiento y la época moderna. [3] Al igual que la óptica, la acústica tiene una historia de duración similar, comenzando nuevamente con los antiguos griegos. [4] Por el contrario, el efecto acústico-óptico ha tenido una historia relativamente corta, comenzando con Brillouin prediciendo la difracción de la luz por una onda acústica, propagándose en un medio de interacción, en 1922. [5] Esto fue luego confirmado con experimentación en 1932 por Debye y Sears , [6] y también por Lucas y Biquard. [7]
El caso particular de la difracción de primer orden, bajo un cierto ángulo de incidencia (también predicho por Brillouin), fue observado por Rytow en 1935. Raman y Nath (1937) diseñaron un modelo ideal general de interacción teniendo en cuenta varios pedidos. Este modelo fue desarrollado por Phariseau (1956) para la difracción que incluye sólo un orden de difracción.
El efecto acústico-óptico es un caso específico de fotoelasticidad , donde hay un cambio en la permitividad de un material , debido a una tensión mecánica . La fotoelasticidad es la variación de los coeficientes de la indicatriz óptica causada por la deformación dada por, [8]
donde está el tensor fotoelástico con componentes, , = 1,2,...,6.
Específicamente en el efecto acústico-óptico, las tensiones son el resultado de la onda acústica que ha sido excitada dentro de un medio transparente . Esto da lugar entonces a la variación del índice de refracción. Para una onda acústica plana que se propaga a lo largo del eje z, el cambio en el índice de refracción se puede expresar como [8]
donde es el índice de refracción no perturbado, es la frecuencia angular , es el número de onda de la onda acústica y es la amplitud de variación en el índice de refracción generado por la onda acústica, y se expresa como, [8]
El índice de refracción generado, (2), da una rejilla de difracción que se mueve con la velocidad dada por la velocidad de la onda sonora en el medio. La luz que luego pasa a través del material transparente se difracta debido a este índice de refracción generado, formando un patrón de difracción prominente . Este patrón de difracción se corresponde con una rejilla de difracción convencional en ángulos con respecto a la dirección original y viene dado por [2]
donde es la longitud de onda de la onda óptica, es la longitud de onda de la onda acústica y es el máximo de orden entero.
La luz difractada por una onda acústica de una única frecuencia produce dos tipos distintos de difracción. Éstas son la difracción de Raman-Nath y la difracción de Bragg .
La difracción Raman-Nath se observa con frecuencias acústicas relativamente bajas, típicamente inferiores a 10 MHz, y con una longitud de interacción acústico-óptica pequeña, ℓ, que suele ser inferior a 1 cm. Este tipo de difracción ocurre en un ángulo de incidencia arbitrario, .
Por el contrario, la difracción de Bragg se produce a frecuencias acústicas más altas, normalmente superando los 100 MHz. El patrón de difracción observado generalmente consta de dos máximos de difracción; estos son el orden cero y el primero. Sin embargo, incluso estos dos máximos sólo aparecen en ángulos de incidencia definidos cercanos al ángulo de Bragg, . El máximo de primer orden o máximo de Bragg se forma debido a una reflexión selectiva de la luz desde los frentes de onda ultrasónica. El ángulo de Bragg viene dado por la expresión, [8]
donde es la longitud de onda de la onda de luz incidente (en el vacío), es la frecuencia acústica, es la velocidad de la onda acústica, es el índice de refracción de la onda óptica incidente y es el índice de refracción de las ondas ópticas difractadas.
En general, no hay ningún punto en el que la difracción de Bragg reemplace a la difracción de Raman-Nath. Es simplemente un hecho que a medida que aumenta la frecuencia acústica, el número de máximos observados se reduce gradualmente debido a la selectividad angular de la interacción acústico-óptica. Tradicionalmente, el tipo de difracción, Bragg o Raman-Nath, está determinado por las condiciones y respectivamente, donde Q viene dado por, [8]
que se conoce como parámetro de Klein-Cook. Dado que, en general, en los dispositivos acústico-ópticos sólo se utiliza el máximo de difracción de primer orden, es preferible la difracción de Bragg debido a las menores pérdidas ópticas. Sin embargo, los requisitos acústico-ópticos para la difracción de Bragg limitan el rango de frecuencia de la interacción acústico-óptica. Como consecuencia, la velocidad de funcionamiento de los dispositivos acústico-ópticos también es limitada.
Al variar los parámetros de la onda acústica, incluida la amplitud , la fase , la frecuencia y la polarización , se pueden modular las propiedades de la onda óptica. La interacción acústico-óptica también permite modular el haz óptico mediante modulación tanto temporal como espacial.
Un método sencillo para modular el haz óptico que viaja a través del dispositivo acústico-óptico se realiza activando y desactivando el campo acústico. Cuando el haz de luz no está desviado, la intensidad de la luz dirigida al ángulo de difracción de Bragg es cero. Cuando se enciende y se produce difracción de Bragg, la intensidad en el ángulo de Bragg aumenta. Entonces, el dispositivo acústico-óptico modula la salida a lo largo del ángulo de difracción de Bragg, encendiéndola y apagándola. El dispositivo funciona como un modulador manteniendo fija la longitud de onda acústica (frecuencia) y variando la potencia de accionamiento para variar la cantidad de luz en el haz desviado. [9]
Existen varias limitaciones asociadas con el diseño y el rendimiento de los moduladores acústico-ópticos. El medio acústico-óptico debe diseñarse cuidadosamente para proporcionar la máxima intensidad de luz en un solo haz difractado. El tiempo que tarda la onda acústica en viajar a través del diámetro del haz de luz limita la velocidad de conmutación y, por tanto, limita el ancho de banda de modulación. La velocidad finita de la onda acústica significa que la luz no se puede encender o apagar completamente hasta que la onda acústica haya atravesado el haz de luz. Por lo tanto, para aumentar el ancho de banda, la luz debe enfocarse a un diámetro pequeño en el lugar de la interacción acústico-óptica. Este tamaño mínimo enfocado del haz representa el límite del ancho de banda.
El principio de funcionamiento de los filtros sintonizables acústico-ópticos se basa en que la longitud de onda de la luz difractada depende de la frecuencia acústica. Sintonizando la frecuencia de la onda acústica, se puede difractar acústicamente la longitud de onda deseada de la onda óptica.
Hay dos tipos de filtros acústico-ópticos, los filtros colineales y los no colineales. El tipo de filtro depende de la geometría de la interacción acústico-óptica.
La polarización de la luz incidente puede ser ordinaria o extraordinaria. Para la definición, asumimos polarización ordinaria. Aquí se utiliza la siguiente lista de símbolos, [10]
: el ángulo entre el vector de onda acústica y el eje cristalográfico z del cristal;
: el ángulo de cuña entre las caras de entrada y salida de la celda del filtro (el ángulo de cuña es necesario para eliminar el desplazamiento angular del haz difractado causado por el cambio de frecuencia);
: el ángulo entre el vector de onda de luz incidente y el eje [110] del cristal;
: el ángulo entre la cara de entrada de la celda y el vector de onda acústica;
: el ángulo entre la luz desviada y no desviada en la frecuencia central;
: la longitud del transductor.
El ángulo de incidencia y la frecuencia central del filtro se definen mediante el siguiente conjunto de ecuaciones, [10]
Los índices de refracción de los haces polarizados ordinarios ( ) y extraordinarios ( ) se determinan teniendo en cuenta su dependencia dispersiva.
La velocidad del sonido, depende del ángulo α, de modo que, [10]
y son las velocidades del sonido a lo largo de los ejes [110] y [001], consecutivamente. El valor de está determinado por los ángulos y , [10]
El ángulo entre los haces difractados y no difractados define el campo de visión del filtro; se puede calcular a partir de la fórmula, [10]
No es necesario polarizar la luz de entrada para un diseño no colineal. La luz de entrada no polarizada se dispersa en haces polarizados ortogonalmente separados por el ángulo de dispersión para el diseño y la longitud de onda particulares. Si el diseño óptico proporciona un bloque de haz apropiado para la luz no dispersada, entonces se forman dos haces (imágenes) en una banda de paso óptica que es casi equivalente en ambos haces de salida polarizados linealmente ortogonalmente (que se diferencian por el parámetro de dispersión Stokes y Anti-Stokes). Debido a la dispersión, estos haces se mueven ligeramente con la frecuencia de radiofrecuencia de barrido.
Un deflector acústico-óptico controla espacialmente el haz óptico. En el funcionamiento de un deflector acústico-óptico, la potencia que impulsa el transductor acústico se mantiene a un nivel constante, mientras que la frecuencia acústica varía para desviar el haz a diferentes posiciones angulares. El deflector acústico-óptico utiliza el ángulo de difracción dependiente de la frecuencia acústica, donde un cambio en el ángulo en función del cambio en la frecuencia viene dado como, [11]
donde es la longitud de onda óptica del haz y es la velocidad de la onda acústica.
La tecnología AOD ha hecho práctica la condensación de Bose-Einstein por la que en 2001 se concedió el Premio Nobel de Física a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman. [12] Otra aplicación de la deflexión acústico-óptica es la captura óptica de moléculas pequeñas.
Los AOD son esencialmente los mismos que los moduladores acústico-ópticos (AOM). En un AOM, solo se modula la amplitud de la onda de sonido (para modular la intensidad del rayo láser difractado), mientras que en un AOD, tanto la amplitud como la frecuencia se ajustan, lo que hace que los requisitos de ingeniería sean más estrictos para un AOD que para un AOM.
Todos los materiales muestran el efecto acústico-óptico. La sílice fundida se utiliza como estándar para comparar al medir los coeficientes fotoelásticos. El niobato de litio se utiliza a menudo en dispositivos de alta frecuencia. Los materiales más blandos, como el trisulfuro de arsénico , el dióxido de telurio y los vidrios de telurito , el silicato de plomo, el Ge55As12S33, el cloruro de mercurio (I) y el bromuro de plomo (II) , con ondas acústicas lentas, constituyen dispositivos de alta eficiencia a frecuencias más bajas y proporcionan una alta resolución.
![{\displaystyle (5)\ \sin \theta _ {B}=-{\frac {\lambda f}{2n_{i}\nu }}\left[1+{\frac {\nu ^{2}} {\lambda ^{2}f^{2}}}\left(n_{i}^{2}-n_{d}^{2}\right)\right],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/44af5d5cf2738147bfd4e3553993ffcfcfea5d13)
![{\displaystyle (8)\ f_{i}(\varphi )={\frac {\nu }{\lambda }}\left[n_{\varphi }\cos(\varphi +\alpha )\pm {\sqrt {n_{0}^{2}-n_{\varphi }^{2}(\varphi )\sin ^{2}(\varphi +\alpha )}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/65e16406c0735ea7cf076f57e1eb9fac120c16b3)
