La acústico-óptica es una rama de la física que estudia las interacciones entre las ondas sonoras y las ondas luminosas, especialmente la difracción de la luz láser por ultrasonidos (o del 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 dicho 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 puede utilizarse la reflexión.
El efecto acústico-óptico se utiliza ampliamente en la medición y el estudio de las 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 los rayos 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.
Además de las aplicaciones actuales, la acustóptica presenta posibles aplicaciones interesantes. Puede utilizarse en pruebas no destructivas , control de la salud estructural y aplicaciones biomédicas , donde las mediciones ópticas y generadas ópticamente de ultrasonidos proporcionan un método de obtención de imágenes sin contacto.
La óptica tiene una historia muy larga y completa, desde la antigua Grecia , pasando por el renacimiento y los tiempos modernos. [3] Al igual que con la óptica, la acústica tiene una historia de duración similar, comenzando nuevamente con los antiguos griegos. [4] En contraste, el efecto acústico-óptico tiene una historia relativamente corta, comenzando con Brillouin prediciendo la difracción de la luz por una onda acústica, que se propaga en un medio de interacción, en 1922. [5] Esto luego fue 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 órdenes. Este modelo fue desarrollado por Phariseau (1956) para la difracción que incluye un solo orden de difracción.
El efecto acústico-óptico es un caso específico de fotoelasticidad , en el que se produce un cambio de la permitividad de un material , , debido a una deformación mecánica . La fotoelasticidad es la variación de los coeficientes indicatrices ópticos causados por la deformación dada por, [8]
donde es el tensor fotoelástico con componentes, , = 1,2,...,6.
En el caso concreto del efecto acústico-óptico, las deformaciones son el resultado de la excitación de la onda acústica en un medio transparente , lo que da lugar a la variación del índice de refracción. Para una onda acústica plana que se propaga a lo largo del eje z, el cambio del 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 da 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 de sonido en el medio. La luz que 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 corresponde a una rejilla de difracción convencional en ángulos desde la dirección original, y está 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 sola frecuencia produce dos tipos distintos de difracción: la difracción Raman-Nath y la difracción Bragg .
La difracción Raman-Nath se observa con frecuencias acústicas relativamente bajas, típicamente menores a 10 MHz, y con una longitud de interacción acústico-óptica pequeña, ℓ, que típicamente es menor 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, que suelen superar los 100 MHz. El patrón de difracción observado consta generalmente de dos máximos de difracción; estos son el orden cero y el primer orden. Sin embargo, incluso estos dos máximos solo 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 de los frentes de onda de las ondas ultrasónicas. 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 un punto en el que la difracción de Bragg sustituya a la difracción 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 dada por, [8]
que se conoce como parámetro de Klein-Cook. Dado que, en general, solo se utiliza el máximo de difracción de primer orden en dispositivos acústico-ópticos, la difracción de Bragg es preferible 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, como 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 tanto temporal como espacialmente.
Un método simple para modular el haz óptico que viaja a través del dispositivo acústico-óptico se realiza encendiendo y apagando el campo acústico. Cuando está apagado, el haz de luz no se desvía, la intensidad de la luz dirigida al ángulo de difracción de Bragg es cero. Cuando está encendido y se produce la difracción de Bragg, la intensidad en el ángulo de Bragg aumenta. Por lo tanto, el dispositivo acústico-óptico modula la salida a lo largo del ángulo de difracción de Bragg, encendiéndolo y apagándolo. 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 lo tanto, el ancho de banda de modulación. La velocidad finita de la onda acústica significa que la luz no se puede encender o apagar por completo hasta que la onda acústica haya viajado a través del haz de luz. Por lo tanto, para aumentar el ancho de banda, la luz debe enfocarse en un diámetro pequeño en la ubicación 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 acústico-ópticos sintonizables se basa en que la longitud de onda de la luz difractada depende de la frecuencia acústica. Al sintonizar la frecuencia de la onda acústica, se puede difractar de forma acústico-óptica la longitud de onda deseada de la onda óptica.
Existen 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, suponemos la 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 de 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 reflejada y la no reflejada 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].
La luz de entrada no necesita estar polarizada 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 ortogonales (que difieren en el parámetro de dispersión de Stokes y anti-Stokes). Debido a la dispersión, estos haces se mueven ligeramente con la frecuencia de radiofrecuencia de escaneo.
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 hace uso del ángulo de difracción dependiente de la frecuencia acústica, donde un cambio en el ángulo como función del cambio en la frecuencia se da 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 se otorgó el Premio Nobel de Física en 2001 a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman. [12] Otra aplicación de la deflexión acústico-óptica es el atrapamiento óptico de moléculas pequeñas.
Los AOD son básicamente lo mismo que los moduladores acústico-ópticos (AOM). En un AOM, solo se modula la amplitud de la onda sonora (para modular la intensidad del haz láser difractado), mientras que en un AOD, se ajustan tanto la amplitud como la frecuencia, 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 de comparación 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, Ge55As12S33, el cloruro de mercurio (I) y el bromuro de plomo (II) , con ondas acústicas lentas crean dispositivos de alta eficiencia a frecuencias más bajas y brindan una alta resolución.
![{\displaystyle (5)\ \sin \theta _{B}=-{\frac {\lambda f}{2n_{i}\nu }}[1+{\frac {\nu ^{2}}{\lambda ^{2}f^{2}}}(n_{i}^{2}-n_{d}^{2})],}](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)
