Дифракция света на ультразвуке

Содержание

Глава 1. Акустооптические явления. Акустооптические устройства

1.1 Понятие акустооптики

1.2 Основные акустооптические явления

1.3 Акустооптические устройства

1.4 Применение акустооптических явлений

Глава 2. Ультразвук. Дифракция  света на ультразвуке

2.1 Ультразвук и его  рождение

2.2 Физические свойства  и особенности распространения  ультразвука

2.3 Генерация ультразвука

2.4 Прием и обнаружение  ультразвука, его применение.

2.5 Понятие дифракции.  Дифракция света на ультразвуке

Глава 3. Расчет диодного ограничителя амплитуды в ультразвуковом дефектоскопе

3.1 Ультразвуковые дефектоскопы и их устройство

3.2 Амплитудные ограничители

3.3 Диодные ограничители  амплитуды

3.4 Исходные данные и  задачи расчета. Методика расчета  диодного ограничителя амплитуды

3.5 Пример расчета диодного  ограничителя амплитуды

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Акустооптика и Акустооптические явления

1.1 Понятие акустооптики

Акустоо́птика — раздел физики, изучающий взаимодействие оптических и акустических волн (акустооптическое взаимодействие), а также раздел техники, в рамках которого разрабатываются и исследуются приборы, использующие акустооптическое взаимодействие (акустооптические приборы).

Для обозначения широкого круга явлений, связанных с акустооптическим взаимодействием, иногда используют общий  термин «акустооптический эффект». Практически в любом акустооптическом устройстве акустическая волна возбуждается с помощью того или иного электроакустического преобразователя, чаще всего пьезоэлектрического. Таким образом, акустооптические приборы  управляются с помощью электрических  сигналов, которые вырабатываются в  соответствующих электронных блоках управления. Акустооптику в связи с этим считают ветвью функциональной электроники.

Взаимодействие света  со звуком используется в современной  оптике, оптоэлектронике, лазерной технике  для управления когерентным световым излучением.

        Акустооптическое  взаимодействие сводится к эффектам  оптической рефракции и дифракции  лишь при низких интенсивностях  оптического излучения. С повышением  интенсивности света все возрастающую  роль начинают играть нелинейные  эффекты воздействия света на  среду. Из-за электрострикции и эффектов нагревания среды оптическим излучением в ней возникают переменные упругие напряжения и генерируются звуковые волны с частотами от слышимых до гиперзвуковых – так называемые оптоакустические или фотоакустические явления.

    В поле мощного  оптического излучения в результате  одновременного протекания процессов дифракции света на ультразвуке и генерации ультразвуковых волн вследствие электрострикции происходит усиление светом ультразвуковой волны. В частности, при распространении в среде интенсивного лазерного излучения наблюдается так называемое вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, при котором происходит усиление лазерным излучением тепловых акустических шумов, сопровождающееся нарастанием интенсивности рассеянного света. К оптоакустическим эффектам относится также генерация акустических колебаний периодически повторяющимися световыми импульсами, которая обусловлена переменными механическими напряжениями, возникающими в результате теплового расширения при периодическом локальном нагревании среды светом.

    Эффекты акустооптического  взаимодействия используются как  при физических исследованиях,  так и в технике. Дифракция  света на ультразвуке дает возможность измерять локальные характеристики ультразвуковых полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения. Анализ эффективности дифракции в различных точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптических эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удается получить информацию о спектральном, угловом и пространственном распределении акустических фононов в ДВ-области фононного спектра. Этот метод представляет ценность для изучения неравновесных акустических фононов, например, в условиях фононной (акустоэлектрической) неустойчивости в полупроводниках, обусловленной усилением ультразвука сверхзвуковым дрейфом носителей заряда.

    Акустооптическая  дифракция позволяет также измерять  многие параметры вещества: скорость  и коэффициент поглощения звука,  модули упругости 2-го, 3-го и  более высоких порядков, упругооптические постоянные и др. величины. Так, из условия Брэгга по известным значениям частоты ультразвука f и длины волны света   , и по измеренному углу 20 Б между падающим и дифрагированными световыми лучами определяют скорость звука:   (где 20 Б - угол Брэгга). На основе полученных таким образом значений Сзв, для различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости Cij. Коэффициент поглощения звука   можно найти, сравнивая интенсивности I1 и I2 дифрагированного света, измеренные при двух положениях падающего светового луча, смещенных друг относительно друга на расстояние, а вдоль направления распространения звуковой волны:

                                              

При распространении в  среде звуковых волн большой интенсивности  данные о модулях упругости высших порядков получают измеряя с помощью брэгговской дифракции амплитуды возникающих в волне гармоник, которые пропорциональны нелинейным модулям упругости соответствующих порядков.

    Для исследования  дисперсии скорости звука и  коэффициента его поглощения  на гиперзвуковых частотах используется  рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Пропуская через среду луч когерентного оптического излучения и фиксируя угол рассеяния 0, можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f  компонент Мандельштама-Бриллюэна определить скорость звука Сзв на данной частоте f. На основе измерений полуширины   компонент Мандельштама-Бриллюэна определяется коэффициент поглощения  на этой частоте:  

    На основе оптоакустической генерации звука создан метод фотоакустической спектроскопии для получения спектров оптического поглощения веществ в различных физических состояниях. В этом методе коэффициент поглощения света измеряется по интенсивности звуковых колебаний, возбуждаемых периодически прерываемым светом. Например, при периодическом нагреве газа в нем возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорциональной поглощенной световой энергии. Меняя длину волны падающего света, можно получить фотоакустический спектр вещества - полный аналог спектра поглощения, измеряемого обычными методами. Достоинство фотоакустической спектроскопии в высокой чувствительности метода, позволяющего получать спектры оптического поглощения в широком диапазоне световых длин волн, включающем в себя как области сильного поглощения, так и области прозрачности; кроме того, этим методом измеряется только та часть энергии падающего излучения, которая действительно поглощается веществом, а рассеянное излучение никакого вклада не дает. Это позволяет исследовать спектры поглощения образцов с плохим качеством поверхности: порошков, рыхлых, пористых материалов, биологических объектов.

1.2 Основные акустооптические явления

Дифракция света на ультразвуке (акустооптическая дифракция) — совокупность явлений, связанных с отклонением  от законов прямолинейного распространения  света в среде в присутствии  ультразвуковой волны. В результате периодического изменения показателя преломления света под действием звуковой волны в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решётке. Если в такой структуре распространяется пучок монохроматического света, то в ней, помимо основного, возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света. Поскольку дифракция происходит на движущейся решётке, то в результате Доплера эффекта частота дифрагированного света оказывается сдвинутой по отношению к частоте   падающего света: для m-го порядка дифракции

                                                =⍵±Ω                                         (1)

где   - частота дифрагированного света, Ω - частота звука. Частота света, отклонённого в сторону распространения ультразвуковой  волны, увеличивается, а отклонённого в противоположную сторону - уменьшается.

Рефракция света на ультразвуке (акустооптическая рефракция).

Рефракция— преломление лучей света в земной атмосфере.  Если бы атмосфера была однородна, то лучи света, преломившись на ее пределе, распространялись бы далее прямолинейно. На самом деле плотность воздуха от границы атмосферы до поверхности Земли постепенно увеличивается, лучи света преломляются непрерывно, и их пути представляют кривые, вогнутостью обращенные к Земле. Наблюдатель видит звезду по направлению касательной к траектории луча, поэтому рефракция изменяет видимое положение всех светил на небесном своде, и все астрономические наблюдения должны быть исправлены из-за рефракции.

Усиление слабых акустических волн, а также их генерация под  действием мощной оптической волны (фотоакустические или оптоакустические явления).

Соответственно, раздел физики (акустики), изучающий возбуждение  акустических волн под влиянием оптической волны, называют фотоакустикой или оптоакустикой.

Под воздействием мощной волны  ультразвука в жидкости может  наблюдаться, в свою очередь, генерация  оптической волны — так называемая сонолюминесценция.

Сонолюминесце́нция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий точечный источник голубоватого света — звук превращается в свет.

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление  впервые наблюдалось ещё в 1930-е  годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

 

 

Слева направо: появление  пузырька, медленное расширение, быстрое  и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились  установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла: стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.

В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся отрицательным), пузырёк растёт, причём если стоячая  звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр  пузырька достигал долей миллиметра.

В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.

В заключительные доли периода  из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.

Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно  усиливает эффект.

Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.

Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин

Именно спектр стал главным  камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

1.3 Акустооптические устройства

Акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и  направлением распространения светового  луча. Важной областью практического  применения акустооптических эффектов являются системы обработки информации, где акустооптические устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени

    Акустооптические  дефлекторы и сканеры — устройства  для управления направлением  светового луча в пространстве. Сканеры предназначаются для  непрерывной развертки луча; в  дефлекторе имеется набор фиксированных  направлений, по которым должен  отклоняться световой луч. В  дифракционном дефлекторе  луч  света падает на акустооптическую  ячейку, в которой возбуждается  звуковая волна частоты f и в результате брэгговской дифракции частично отклоняется. При изменении f меняется и угол отклонения дифрагированного луча, и луч перемещается по экрану фотоприемного устройства. Использование частотно-модулированных звуковых сигналов позволяет управлять направлением светового луча. Чтобы изменить направление дифрагированного луча при неизменном угле падения света на акустооптическую ячейку, необходимо одновременно с частотой менять и направление распространения звуковой волны, так чтобы условие Брэгга выполнялось повсюду внутри интервала   звуковых частот - так называемой полосы пропускания дефлектора.   определяет и др. параметры прибора: максимальное угловое перемещение луча дифрагированного света