Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости
ACOUSTO-OPTIC CELL FOR REALIZATION OF REVERSE COLLINEAR TERAHERTZ DIFFRACTION OF AN ULTRASONIC WAVE IN LIQUID

Изобретение относится к акустооптике (АО) и может найти применение в устройствах для управления такими параметрами электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона, как направление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза.
Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию АО-устройства используются в спектроскопии, оптической связи, системах обработки изображений, лазерной технике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световых пучков [1].
Различают два основных вида АО-взаимодействия: квазиортогональное и коллинеарное. В первом случае, пучок излучения пересекает звуковой пучок под углом, близким к нормали, во втором - пучки распространяются параллельно (коллинеарно) друг другу. Коллинеарное взаимодействие, в свою очередь, подразделяют на две разновидности: прямую коллинеарную АО-дифракцию (ПКД), при которой волновые вектора падающего и дифрагированного излучения сонаправлены, и обратную коллинеарную АО-дифракцию (ОКД), при которой эти векторы направлены навстречу друг другу.
Основное преимущество коллинеарной дифракции по сравнению с квазиортогональной - более высокое спектральное разрешение, вследствие взаимодействия света с большим числом периодов звуковой волны. Именно поэтому режим ПКД используют в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазонах для создания узкополосных фильтров при частотах ультразвука в десятки мегагерц [2].
С точки зрения эффективности АО-фильтров, режим ОКД предпочтителен по сравнению с режимом ПКД, поскольку при реализации последнего диаграмма направленности дифрагированного излучения имеет боковые лепестки, что приводит к снижению качества работы фильтра, в то время как таковые практически отсутствуют в режиме ОКД. Разрешение АО-фильтров, функционирующих в режиме ОКД, достигает 0.001 [3]. Наибольшая эффективность ОКД достигается при совпадении направления распространения ультразвука с направлением распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка, поскольку при этом интеграл перекрытия полей световой и акустической волн достигает своего максимального значения [4].
Однако режим ОКД в высокочастотных областях оптического диапазона не практикуют, поскольку для его реализации необходимо применять ультразвук очень высокой частоты (десятки гигагерц) сильно поглощаемый средой. Действительно, в случае ОКД волновой вектор звука должен быть примерно равен удвоенному волновому вектору падающего света. Из этого условия нетрудно получить формулу для оценки частоты F ультразвуковой волны, обеспечивающей наблюдение ОКД [5]:
,
где n - показатель преломления среды; V - скорость звука в среде взаимодействия; λ - длина волны центра контура линии излучения в вакууме.
Таким образом, применение режима ОКД возможно только в ТГц и микроволновом диапазонах в слабо поглощающей среде, независимо от ее агрегатного состояния. При этом необходимая частота ультразвука варьируется в пределах от 30 МГц (в случае жидкой среды) до 300 МГц (в случае кристаллической среды), когда степень его поглощения является еще приемлемой.
Для реализации режима ОКД необходимо добиться совмещения треков светового и звукового пучков в среде взаимодействия. Так как окружающей средой обычно является воздух, то излучатель ультразвука, во избежание потерь на отражение, необходимо разместить либо в самой жидкой среде АО-взаимодействия, либо на внешней стороне стенки контейнера. В любом из этих случаев излучатель ультразвука должен быть размещен таким образом, чтобы угол падения звуковой волны (из жидкости) на входное окно был равен углу преломления излучения, что и обеспечивает пространственное совмещение пучков света и звука. Причем, чтобы минимизировать затухание звука, излучатель ультразвука следует разметить максимально близко к входному окну, не перекрывая трека пучка излучения.
Технический результат изобретения направлен на разработку акустооптической ячейки для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости.
Технический результат достигается тем, что акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости, содержит герметичный контейнер с прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, а также - излучатель ультразвука, погруженный в жидкость; причем, контейнер снабжен двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления близким к показателю преломления жидкости, а выходное окно не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения; кроме того, излучатель ориентирован таким образом, чтобы испускаемый им звуковой пучок падал на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отраженного звукового пучка и пучка излучения, преломленного на этом окне.
Требование неортогональности выходного окна контейнера преломленному на входном окне пучку излучения, обусловлено необходимостью пространственного разнесения отраженного от этой грани пучка излучения и дифрагированного пучка; совмещение пучков приведет к невозможности их разделения.
Условие близости показателя преломления материала окон контейнера к показателю преломления жидкости объясняется стремлением минимизировать френелевские потери излучения на окнах.
Ограничение на ориентацию излучателя является необходимым условием наблюдения явления обратной коллинеарной АО-дифракции.
На Фиг. 1 изображена схема заявляемой ячейки, где цифрами обозначены: 1 - излучатель ультразвука; 2 - герметичный контейнер; 3 - прозрачная для излучения и ультразвука жидкость; 4 - входное окно контейнера 2; 5 - выходное окно контейнера 2.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучатель ультразвука 1, размещенный в содержащейся в контейнере 2 жидкости 3, испускает ультразвуковую волну с частотой F. Пучок ультразвука падает на входное окно 4, отражается от него под углом равным углу падения и, пройдя через контейнер, достигает выходного окна 5. Из окружающей среды на область падения звукового пучка на окно 4 падает пучок коллимированного ТГц излучения под углом, обеспечивающим совпадение треков преломленного светового пучка и отраженного окном 4 звукового пучка. В области совпадения треков пучков происходит АО-взаимодействие, в результате которого формируется пучок света, дифрагировавший в (-1) порядок и распространяющийся навстречу преломленному на окне 4 пучку света. Дифрагировавший пучок излучения покидает контейнер 2 через окно 4. Параметрами дифрагированного пучка можно управлять посредством интенсивности, частоты и фазы ультразвукового пучка.
2
В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность наблюдения обратной коллинеарной дифракции излучения с длиной волны λ = 130 мкм на ультразвуковой волне в жидком гексане. Значение акустооптического качества М изотропной среды можно рассчитать по следующей формуле [6]:
где ρ - плотность среды АО-взаимодействия.
3
15
3
2
Подставив в (2) значения n=1.372 [7], ρ=655 кг/м [8], V=1077 м/с [8] для гексана, получим M=770⋅10 с/кг.
--1
Рассчитаем эффективность I дифракции пучка (-1)-порядка при длине АО-взаимодействия L=10 см и выполнении условия фазового синхронизма между взаимодействующими волнами. Для этого воспользуемся формулой (4) из [3] для однократного прохода звука через среду АО-взаимодействия и сонаправленного распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка и акустической волны:
где q - коэффициент связи между акустической и световой волнами [9]:
a
P - мощность акустической волны, которую положим равной 1 Вт;
2
-1
2
-17
2
-1
s
s
s
S - площадь излучающей поверхности пьезопреобразователя, которую положим равной 0.6×0.6=0.36 см; α - коэффициент поглощения излучения с λ=130 мкм гексаном, равный 0.69 см [7]; α - коэффициент затухания звука с частотой F=22.7 МГц (рассчитанной по формуле (1)), определенный из соотношения α/(2F)=60⋅10c/см [10] и равный α=0.6 см.
s
-1
-1
-4
-4
Поскольку излучающая поверхность источника ультразвука 1 удалена (в рассматриваемом примере) от входного окна 4 на расстояние  см, то необходимо учесть затухание звука на этом расстоянии путем введения в формулу (3) множителя . Подставив в (3) значения q, α и α, получим, для рассматриваемого примера заявляемого устройства, эффективность дифракции: I≈5⋅10. Результирующая же эффективность I дифракции пучка (-1)-порядка, с учетом 16% френелевских потерь излучения из-за его двукратного взаимодействия с входным окном 4, составит 4.2×10.
Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует принципиальную возможность реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в заявляемой акустооптической ячейке, заполненной такой жидкостью, как гексан.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И. и др. Теория и практика современной акустооптики // М.: Изд. дом МИСиС, 2015. - 459 с.
2. Balakshy V.I., Mantsevich S.N. Polarization effects at collinear acousto-optic interaction // Optics and Laser Technology, 2012, v. 44, Is., p.893-898.
3. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Backward collinear acousto-optic interaction in germanium crystal in terahertz spectral range // Physics Procedia, 2015, v. 70, p. 712-715.
4. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Quasi-orthogonal and quasi-collinear acousto-optic interaction in absorbing medium // Memoirs of the Faculty of Physics, 2016, v. 6, Article 166601.
5. Балакший В.И., Парыгин B.H., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики // М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.
6. Uchida N. Elastooptic coefficient of liquids determined by ultrasonic light diffraction method // Japan. J. Appl. Physics, 1968, v. 7, No. 10, p. 1259-1266.
7. Laib J.P., Mittleman D.M. Temperature-dependent terahertz spectroscopy of liquid n-alkanes // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2010, v. 31, No. 9, p. 1015-1021.
8. Djerdjev A.M., Beattie J.K. Electroacoustic and ultrasonic attenuation measurements of droplet size and zeta-potential of alkane-in-water emulsions: effects of oil solubility and composition // Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, v. 10, No. 32, p. 4843-4852.
9. Балакший В.И., Парыгин B.H., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики // М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.
10. Таблицы физических величин / Под ред. И.К. Кикоин. - М.: Атомиздат, 1976. - С. 1008.