Дифракция света на ультразвуке

Следующая важная особенность  ультразвука, — возможность получения  большой интенсивности даже при  сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии  пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности  сопровождаются рядом эффектов, которые  могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению  ультразвуковых волн в газах и  в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением. Скорость акустического течения  зависит от вязкости среды, интенсивности  ультразвука и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости ультразвука.

 Генерация ультразвука

Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные  устройства, которые могут быть разбиты  на две основные группы — механические, в которых источником ультразвука  является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия  получается преобразованием электрической. Механические излучатели ультразвука — воздушные и жидкостные свистки и сирены — отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, КПД их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично — как средства сигнализации.

Основной метод излучения  ультразвука — преобразование тем  или иным способом электрических  колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в  этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвука, использующие магнитострикционный  эффект в никеле и в ряде специальных  сплавов, также в ферритах. Для  излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества. Основными пьезоэлектрическими  сигналами для излучателей ультразвука  служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические — пластинку или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.

 Приём и обнаружение  ультразвука

Вследствие обратимости  пьезоэффекта он широко применяется и для приёма ультразвука. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: ультразвук, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на ультразвук и её различным применениям.

Применение ультразвука

Применения ультразвука  чрезвычайно разнообразны. Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики —  акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. Ультразвук играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения a используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений: фанонов с электронами, магнонами и другими квазичастицами и элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.

Применение ультразвука  в технике. По данным измерений с и a, во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используя явление отражения ультразвука на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. Ультразвук сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 вт/см2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т. д.). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций, которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты ульразвука. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи ультразвука осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи ультразвука видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета. Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Явления интерференции света  служат убедительным доказательством  волновой природы световых процессов. Однако в этом случае с волновой точки зрения должен объясняться  и фундаментальный, хорошо подтвержденный закон прямолинейного распространения  света.

Волновые представления  были развиты Гюйгенсом в 1690 г. и  основывались на том, что свет по аналогии со звуком представляет собой волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем собой промежутки между частицами любого вещества. С этой точки зрения колебательное  движение частиц эфира передается не только той частице, которая лежит  на «пути» светового луча, т. е. на прямой, соединяющей источник света L (рис. 1) с рассматриваемой точкой А, но и всем частицам, примыкающим к А, т. е. световая волна распространяется из А во все стороны, как если бы точка А служила источником света.

                   L

                   о

Рис. 1. Принцип Гюйгенса: L - источник света; SS - вспомогательная поверхность; 00 - огибающая вторичных волн, исходящих из SS

Поверхность, огибающая эти  вторичные волны, представляет собой  поверхность волнового фронта. Огибающая 00 (жирная дуга) - часть шаровой поверхности  с центром в L, ограниченной конусом, ведущим к краям круглого отверстия в экране MN. Принцип Гюйгенса позволил разъяснить вопросы отражения и преломления света, но вопрос о прямолинейном распространении света решен не был, так как не был связан с явлениями отступления от прямолинейности, т. е. явлениями дифракции. Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции волн. Благодаря этому огибающая поверхность элементарных волн, введенная Гюйгенсом чисто формально, приобрела физическое содержание как поверхность, где благодаря взаимной интерференции элементарных волн результирующая волна имеет заметную интенсивность. Модифицированный принцип Гюйгенса - Френеля является основным принципом волновой оптики и поволяет решать задачи о дифракции света.

Под дифракцией света следует  понимать любое отклонение лучей  от прямолинейного распространения, если только причиной этого отклонения не являются обычные законы геометрической оптики - отражение или преломление. Дифракция, в частности, приводит к  огибанию световыми волнами препятствий и проникновение света в область геометрической тени. На изображение, получаемое в любом оптическом приборе, всегда влияют дифракционные явления, так как пучки лучей, проходящие оптические элементы прибора, ограничены конечными размерами этих элементов. Дифракционные явления определяют одну из важнейших характеристик оптического прибора - его разре¬шающую способность. При распространении световых пучков дифракция происходит всегда, однако волновые свойства света наиболее отчетливо проявляются при определенном соотношении между размером препятствий d, расстоянием до точки наблюдения и длиной волны X.

При распространении электромагнитной волны в однородной среде геометрическая форма фронта волны не испытывает изменения. Если же волна распространяется в неоднородной среде, в которой  могут находиться области с резким изменением показателя преломления  или непрозрачные препятствия, то её фронт искажается и происходит перераспределение  интенсивности света в пространстве. В таких условиях возникает явление, получившее название дифракции. Под  дифракцией понимается любое отклонение света от прямолинейного распространения, если только оно не может быть объяснено  как отражение или преломление.

Дифракция наблюдается всегда, когда изменение амплитуды или  фазы волны неодинаково по всей поверхности  волнового фронта.

Первая теория дифракции  света, правильно количественно  описывавшая явление, предложена французским  физиком Френелем. В основе теории лежит принцип Гюйгенса - Френеля.

Рис. 2. Изменения картины  распределения света за щелью  в зависимости от ширины щели

Следует отметить, что отдельные  пространственные гармоники (плоские  волны) не ограничены в пространстве и, строго говоря, не могут разделиться  на любом конечном расстоянии от щели. В реальном эксперименте, однако, всегда приходится иметь дело с волновыми  пучками, которые можно считать  плоскими волнами только более или  менее приближенно. В данном случае для измерения пространственного  распределения дифрагировавшего света необходимо иметь фотоприемник с размером а, много меньшим характерного масштаба дифракционной картины α=^Z*/_D . Для наблюдателя, установившего такой приемник в зоне

Фраунгофера, щель оказывается  неотличимой от бесконечно тонкой, а выходящее из нее излучение воспринимается как плоская волна. Ситуация здесь та же, что при спектральных измерениях во временной области: анализатор спектра выделяет всегда не отдельные составляющие непрерывного спектра, а некоторую его часть, содержащую бесконечное спектральных компонент.

Возвращаясь к общему описанию прошедшего через щель излучения, нужно  отметить, что в зоне геометрической оптики распределение освещенности в целом соответствует отпечатку  объекта (в нашем примере щели), однако вблизи краев щели наблюдаются  дифракционные явления. Эти искажения  также называются дифракцией Френеля  и занимают область шириной порядка   зоны   Френеля  ,   что   можно   понять   из

соображений размерности. Для  щели бесконечной ширины, т. е. в случае дифракции на полуплоскости, при  отсутствии конечного масштаба задачи, на всех расстояниях *< <∞ вблизи края

геометрической тени наблюдается  дифракция Френеля, а зона дифракции  Фраунгофера отсутствует. Изменения  картины распределения света  за щелью, в зависимости от ширины щели, приведены на рис. 2. На рисунке  можно видеть постепенно увеличивающееся  искажение изображения щели и  переход к дифракции Френеля, а затем к дифракции Фраунгофера. Продольный размер на рисунке для  удобства взят нереально малым.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ

Дифракция света на ультразвуковых волнах была впервые предсказана  в 1921 г. Мандельштамом и Бриллюеном независимо, а экспериментально обнаружена спустя несколько лет Дебаем и Сирсом, а также Люка и Бикаром. Качественно это явление можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости из-за механических напряжений возникают изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, изменения показателя преломления. Таким образом, в среде образуются периодические слои с отличающимся показателем преломления. При прохождении света через такую сложную структуру возникает дифракция. На явлении дифракции света в кристаллах основан целый класс акустооптических приборов: дефлекторов и модуляторов света, имеющих в настоящее время многочисленные применения.

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 эффекта Доплера  частота дифрагированного света оказывается сдвинутой по отношению к частоте падающего света: для m-го порядка дифракции

                                                                           (1)

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

        Наблюдать дифракцию света на ультразвуке можно, посылая лазерный луч 1 (рис. 1) на образец 2, в котором излучатель звука 3 возбуждает ультразвуковую волну.