ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ

       

(акустооптическая дифракция). При распространении света в среде, в к-рой присутствует УЗ волна, происходит дифракция света. Впервые Д. с. на у. была обнаружена П. Дебаем и Ф. Сирсом (США) и одновременно Р. Люка и П. Бикаром (Франция) в 1932.

Упругие деформации в звук. волне приводят к периодич. изменению показателя преломления и среды, в результате чего в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решётке, с периодом, равным длине звук. волны L. Если в такой структуре распространяется луч света, то в среде, помимо основного (0-го порядка), возникают дифракц. пучки света, характеристики к-рых — направление в пр-ве, поляризация и интенсивность — зависят от параметров звук. поля (частоты и интенсивности УЗ, толщины звук. пучка D), а также от угла 6, под к-рым падает свет на звук. пучок. В результате Доплера эффекта при рассеянии на движущейся решётке частота дифрагиров. света отличается от частоты падающего на величину частоты звука.

Интенсивность света в дифракц. максимуме определяется фазовыми сдвигами между волнами, приходящими в точку наблюдения из всех точек объёма вз-ствия. При произвольном 6 эффективность Д. с. на у. h=Im/I0 мала (I0 и Im — интенсивности света в падающем пучке и в дифракц. пучке m-го порядка). Лишь при определённом q световые волны, идущие из разл. точек области вз-ствия, оказываются синфазными и эффективность дифракции возрастает во много раз, т. е. возникает резонансная дифракция. Для неё характерна зависимость эффективности от длины L пути, пройденного светом в области акустооптич. вз-ствия (длины вз-ствия). При достаточно большой L интенсивность дифрагиров. света становится сравнимой с интенсивностью падающего.

Рис. 1. Схема дифракции Рамана — Ната.

Условия возникновения и характер резонансной Д. с. на у. зависят от соотношения между l и L, где l — длина волны света. Для НЧ звука (от неск. десятков МГц и ниже), для к-рого справедливо условие lL/L2<-1, резонансная дифракция имеет место при норм. падении света на звук. пучок (т. н. дифракция Р а м а н а — Н а т а, рис. 1). При этом световая волна проходит сквозь звук. пучок, не отражаясь, а периодич. изменение n под действием УЗ приводит к периодич. изменению фазы прошедшей световой волны. В результате на выходе из акустич. пучка плоская световая волна оказывается модулированной по фазе: её волновой фронт становится гофрированным. Такая волна эквивалентна большому числу плоских волн, распространяющихся под малыми углами друг к другу. В соответствии с этим падающий световой луч разбивается на серию лучей, направленных под малыми углами q'm=ml/L (m=0, ±1, . . .— порядок дифракции) к направлению падающего света. Энергия падающего излучения распределяется среди мн. порядков дифракции симметрично относительно проходящего света.

Рис. 2. Схема дифракции Брэгга.

Резонансная дифракция на ВЧ звуке (на частотах гиперзвука), длина волны к-рого удовлетворяет условию lL/L2>1, наз. брэгговской дифракцией. Она возникает в изотропной среде, если свет падает на звук. пучок под т. н. углом Брэгга (рис. 2) qБ=arcsin((1/2)(l/L)). В этом случае отклонение света происходит только в 1-й порядок дифракции: в + 1-й для света, падающего в сторону, противоположную распространению звука, или в -1-й, если свет падает в сторону распространения звука. Объяснить дифракцию Брэгга можно тем, что падающая под углом к звук. решётке световая волна частично отражается от неё и интерференция отражённых лучей определяет интенсивность дифрагиров. света — она максимальна, если разность опвыходит из звук. пучка под углом q'=qБ. Для фиксированной К существует предельная звук. частота fмакс= 2с/l (с — скорость звука), выше к-рой брэгговская дифракция невозможна. Эта частота отвечает отражению световой волны назад от звук. решётки.

В анизотропной среде брэгговская дифракция может происходить как с изменением поляризации у дифрагированного света, так и без него. В последнем случае картина дифракции аналогична картине брэгговской дифракции в изотропной среде. При дифракции с изменением поляризации брэгговский угол определяется не только соотношением длин волн света и звука, но и оптич. св-вами среды. Продифрагировавший свет выходит из звук. пучка под углом не равным брэгговскому. Дифракция света с данной длиной волны возможна на звук. волнах, частоты .к-рых ограничены не только сверху, но и снизу: fмин

С помощью Д. с. на у. определяются хар-ки звук. полей (звук. давление, интенсивность звука и т. п.), измеряются поглощение и скорость УЗ, модули упругости 2-го и 3-го порядков, упругооптич. и магнитооптич. св-ва материалов. Д. с. на у. применяется в разл. устройствах акустооптики для модуляции и отклонения света, при акустооптич. обработке СВЧ сигналов, для приёма сигналов в УЗ-вых линиях задержки и др.

Дифракция света может происходить не только на вводимой извне звук. волне, но и на собственных упругих колебаниях конденсированных сред (тв. тел, жидкостей) — это т. н. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.