Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Различают два вида (режима) дифракции, отличающиеся разными дифракционными спектрами: Рамана - Ната и Брэгга. Дифракция Рамана -Ната наблюдается на низких звуковых частотах и при не слишком большой длине взаимодействия (глубине акустического поля). При нормальном падении света, т. е. параллельно волновому фронту звуковой волны, дифракционный спектр Рамана -Ната представляет расположенные симметрично по обе стороны от прошедшего пучка равноотстоящие друг от друга дифракционные максимумы. При наклонном падении света интенсивность максимумов, возникающих по обе стороны от прошедшего пучка, уменьшается, но их угловые направления на них остаются неизменными. Фотографии типичных спектров дифракции Рамана - Ната можно найти в книгах Бергмана [5] и Борна и Вольфа [6]. Угловое направление дифракционных максимумов (рис. 1.1) относительно нуле-
5
вого (соответствующего прямо прошедшему свету) определяется формулой sin0w=mA,/A, т=О, ±1, ±2, ..где 0??г - угловое направление на дифракционный максимум m-го порядка; Я - длина световой волны в веществе; Л - длина звуковой волны. Знак плюс соответствует максимумам, которые расположены с той стороны, куда отражается свет от фронтов звуковой волны. ....... ..
мальном падении света:
/ - падающий свет; 2 - звуковая волна; 3 - пьезопреобразователь; 4 - дифракционный максимум т-то порядка; 5 - экран
Рис. 1.2. Ход лучей при дифракции Брэгга:
1 - падающий свет; 2 - звуковая волна; 3 - дифрагированный свет; 4 - прошедший свет
Частота света в m-м максимуме сдвинута относительно частоты со падающего света на величину, пропорциональную акустической частоте Q, и равна со + + mQ.
О дифракции Брэгга говорят в том случае, когда дифракционный спектр состоит из двух максимумов, соответствующих значениям т=0 и т=1 (рис. 1.2). Дифракционные максимумы минус первого и высших порядков отсутствуют. Интенсивность первого максимума будет наибольшей, если свет падает под углом к волновому фронту акустической волны, удовлетворяющим условию Брэгга
sin 6Б = Х/2А. (1.1)
Угол 6Б, определяемый выражением (1.1), называется
углом Брэгга. Дифракция Брэгга имеет место на высоких частотах при большой длине взаимодействия света с акустической волной.
6
Физическая интерпретация этих двух различных типов дифракции состоит в следующем. При неизменной длине волны света на низких звуковых частотах при малой длине взаимодействия (длине акустического столба) направление распространения падающего света внутри области взаимодействия остается прямолинейным и оптическая неоднородность среды, связанная с изменением показателя преломления, влияет только на фазу света, прошедшего через акустический столб. Для света роль акустической волны в этом случае сводится к созданию движущейся со скоростью звука фазовой решетки с периодом, равным периоду звуковой волны. Такая ситуация соответствует дифракции Рамана - Ната. Дифракция света в режиме Рамана - Ната происходит по законам дифракции на обычной фазовой решетке, и именно этим объясняется наличие симметричных эквидистантно расположенных дифракционных максимумов. Частоты света в дифракционных максимумах сдвинуты согласно эффекту Допплера вследствие движения фазовой решетки.
При увеличении акустической частоты или длины взаимодействия направление распространения падающего света внутри акустического столба уже нельзя считать прямолинейным, а возникшую периодическую структуру - только фазовой решеткой. Свет испытывает как фазовые, так и амплитудные возмущения, и происходит постепенный переход от дифракции на фазовой решетке (дифракции Рамана - Ната) к рассеянию на объемной периодической структуре (дифракции Брэгга). В переходной области между режимами Рамана - Ната и Брэгга при падении света под углом Брэгга помимо первого максимума наблюдаются дифракционные максимумы высших порядков. Угловые направления этих максимумов относительно падающего света сохраняются такими же, как и при дифракции Рамана - Ната, но распределение интенсивностей становится асимметричным. Наибольшую интенсивность имеет брэгговский (первый) максимум. Фотографии дифракционных спектров в переходной области при наклонном падении света можно найти в [5]. Наконец, на высоких частотах и при значительной глубине звукового поля акустоопти-ческое взаимодействие целиком приобретает объемный характер, и происходит селективное отражение света под углом Брэгга от движущейся периодической струк-
7
туры, созданной ультразвуковой волной. Дифракция света в режиме Брэгга аналогична хорошо известному явлению дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке в твердом теле.
Условия, при которых наблюдается тот или иной вид дифракции, были предметом исследований многих работ. Однако, когда в современной акустооптике заходит речь о критерии, разграничивающем дифракцию Рамана- Ната и дифракцию Брэгга, то обычно ссылаются на сравнительно недавнюю работу Клейна и Кука [7], обобщивших результаты предшествующих исследований. Согласно этой работе вид дифракции зависит от величины безразмерного параметра Q-2nLK/A2,, где L - длина звукового столба.
