Акустоо́птика — раздел физики , изучающий взаимодействие оптических и звуковых 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 , чаще всего пьезоэлектрического . Таким образом, акустооптические приборы управляются с помощью электрических сигналов (высокой частоты ), которые вырабатываются в соответствующих электронных блоках управления. Акустооптику в связи с этим считают ветвью функциональной электроники .

Основные акустооптические явления

• Дифракция света на ультразвуке (акустооптическая дифракция).
• Рефракция света на ультразвуке (акустооптическая рефракция).
• Усиление слабых акустических волн, а также их генерация под действием мощной оптической волны ( или оптоакустические явления).

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

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

В узком смысле под акустооптическими явлениями понимают только дифракцию и рефракцию света на ультразвуке . Основным явлением, которое используется в современных акустооптических приборах, является акустооптическая дифракция .

Применения акустооптических явлений

Акустооптический эффект широко применяется как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать и контролировать качество прозрачных материалов. позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов . Важнейшей областью применений являются , включая элементы систем и оптические компьютеры .

Разнообразные применения акустооптических приборов становятся возможными благодаря многогранности акустооптического эффекта, с помощью которого можно эффективно манипулировать всеми параметрами оптической волны. Так акустооптические устройства позволяют управлять лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков.

История

В 1922 году французский ученый Л. Бриллюэн теоретически предсказал экзотический на первый взгляд эффект рассеяния света на бегущих навстречу друг другу упругих волнах в среде. В 1932 году П. Дебай и Ф. В. Сирс ( ), а также Р. Люкас и П. Бикар экспериментально наблюдали явление дифракции света на ультразвуковых волнах.

История акустооптики тесно связана с именами советских и российских учёных, начиная с Л. И. Мандельштама , который начал свои исследования в этой области еще в годы Гражданской войны , и продолжая учеными советского периода (С. М. Рытова, С. В. Кулакова, В. Н. Парыгина, Ю. В. Гуляева, В. И. Пустовойта, В. В. Проклова, В. Б. Волошинова и др.); многие из них были за свои достижения в области акустооптики отмечены государственными наградами, а их работы имеют мировой приоритет. До сих пор российская школа акустооптики занимает лидирующие позиции в мировой науке.

В настоящее время акустооптическое взаимодействие — это гибкий инструмент для разработки разнообразных устройств оптоэлектроники и фотоники в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и даже терагерцевом диапазоне спектра электромагнитного излучения. Кристаллические акустооптические устройства серийно выпускаются и широко применяются в лазерной технике , радиотехнике и , оптической спектроскопии и видео спектрометрии , дистанционном зондировании .

Основные классы акустооптических приборов

• Модуляторы — позволяют управлять интенсивностью оптического излучения.
• — отклоняют оптический луч на определенный угол, а также осуществляют сканирование луча в пространстве.
• Перестраиваемые фильтры :
  • фильтры длин волн оптического излучения, или спектральные фильтры, — пропускают оптическое излучение только в определенном интервале длин волн, при этом «окно» пропускания может перестраиваться;
  • фильтры пространственных частот — управляют пространственной структурой оптического пучка (пропускают определенные пространственные частоты (см. спектр ) оптического излучения).
• Развёртывающие устройства — позволяют считывать оптическое изображение построчно и преобразовывать его с помощью одноэлементного фотодетектора в последовательность электрических сигналов.
• Анализаторы электрических сигналов (радиосигналов):
  • анализаторы спектра радиосигналов ;
  • измерители фазы радиосигналов.
• Устройства регулируемой задержки — задерживают сигнал на определенное время, длительность которого, в отличие от твердотельных акустоэлектронных линий задержки , легко регулируется (положением оптического луча).
• Компрессоры радиоимпульсов — осуществляют сжатие электрических импульсов.
• Акустооптические процессоры — осуществляют те или иные математические операции над оптическими и акустическими сигналами. В частности:
  • корреляторы — вычисляют корреляцию двух сигналов;
  • конвольверы — выполняют математическую операцию свёртки двух сигналов;
  • матрично-векторные процессоры — выполняют операции линейной алгебры ;
• Акустооптические системы с обратными связями :
  • системы стабилизации оптических и электрических параметров (например, системы стабилизации интенсивности оптического пучка);
  • электронно-акустооптические генераторы — автоколебательные системы, содержащие в качестве основного нелинейного элемента акустооптическое устройство; позволяют получать согласованные автоколебания электрических, акустических и оптических величин, включая регулярные и стохастические колебательные режимы;
  • бистабильные и мультистабильные системы — акустооптические системы, характеризующиеся двумя ( бистабильность ) или несколькими ( ) стабильными состояниями, между которыми возможно переключение при определенном внешнем воздействии; такие системы можно рассматривать как оптические аналоги электронных триггеров .

Смежные с акустооптикой разделы

Не следует путать акустооптику и оптоакустику. Это отдельные дисциплины.

Современная акустооптика тесно связана не только со своими «материнскими» разделами физики — с акустикой и оптикой , но и с кристаллофизикой (активно исследуется акустооптическое взаимодействие в кристаллах ), а также с прикладными дисциплинами, такими как оптоэлектроника и радиофизика .

В то время как в акустооптических приборах происходит преобразование акустических сигналов в оптические (а в фотоакустических системах оптические сигналы преобразуются в акустические), в акустоэлектронике изучаются системы со взаимным преобразованием акустических и электрических сигналов.

Родственной по отношению к акустооптике областью является лазерная виброметрия , рассматривающая методы оптического зондирования колеблющихся ( вибрирующих ) тел.
Эффект фотоупругости , обеспечивающий акустооптическую дифракцию и рефракцию, лежит также и в основе поляризационно-оптического метода исследования статических деформаций материалов.

Литература

1. Мустель Е. Р. , Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света. — М. : Наука, 1970.
2. Дамон Р. , Мэлони В. , Мак-Магон Д. Взаимодействие света с ультразвуком: явление и его применение // Физическая акустика / под ред. Мэзона У. и Терсона Р. Пер. с англ.. — М. : Мир, 1974. — Т. 7.
3. Такер Дж. , Рэмптон В. Гиперзвук в физике твёрдого тела / пер. с англ.. — М. , 1975.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. — М. : Наука, 1977.
5. Ребрин Ю. К. Управление оптическим лучом в пространстве. — М. , 1977.
6. Магдич Л. Н. , Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применения. — М. : Сов. радио, 1978.
7. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. — Л. : Наука, 1978.
8. Акустооптические методы обработки информации, сб. статей / под ред. Карбукова Г. Е. и Кулакова С. В.. — Л. : Наука, 1978.
9. Гуляев Ю. В. , Проклов В. В., Шкердин Г. Н. Дифракция света на звуке в твердых телах // Успехи физических наук. — 1978. — Т. 124 , вып. 1 . — С. 61—111 .
10. Яковкин И. Б. , Петров Д. В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах. — Новосибирск: Наука, 1979.
11. Левин В. М. , Маев Р. Г. , Проклов В. В. Свет и звук: взаимодействие в среде. — М. , 1981.
12. Левин В. М. , Маев Р. Г. , Проклов В. В. Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустооптическими устройствами. — М. , 1983.
13. Балакший В. И. , Парыгин В. Н. , Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. — М. : Радио и связь, 1985.
14. Ярив А. , Юх П. Оптические волны в кристаллах / пер. с англ.. — М. , 1987.
15. Задорин А. С. , Шандаров С. М. , Шарангович С. Н. Акустические и акустооптические свойства монокристаллов. — Томск: Томский гос. университет, 1987.
16. Бондаренко В. С. , Зоренко В. П. , Чкалова В. В. Акустооптические модуляторы света. — М. , 1988.
17. Гусев О. Б. , Кулаков С. В. , Разживин Б. П. , Тигин Д. В. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени. — М. : Радио и связь, 1989.
18. Xu J. and Stroud R. . — New York: Wiley, 1992. — ISBN 0-471-61638-9 .
19. . Акустооптика = Acousto-optics / пер с англ. . — М. : Мир, 1993. — 240 с. — 800 экз. — ISBN 5-03-002598-7 .
20. Goutzoulis A. P. and Pape D. R. Design and fabrication of acousto-optic devices. — New York: Marcel Dekker, 1994.
21. J. Sapriel. Acousto-optics. — Wiley-Blackwell, 1979. — 126 p. — ISBN 0-47199700-5 .
22. / Norman J. Berg, John M. Pellegrino. — 2th Ed. — NY: Marcel Dekker, 1995. — 600 p. — (Optical Engineering). — ISBN 0-8247-8925-3 .
23. Хименко В. И., Тигин Д. В. Статистическая акустооптика и обработка сигналов. — СПб. : Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1996. — ISBN 5-288-00929-5 .
24. Парыгин В. Н., Балакший В. И. , Волошинов В. Б. Электрооптика, акустооптика и оптическая обработка информации на кафедре физики колебаний МГУ , — Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, № 7, С. 775—792.
25. Задорин А. С. Динамика акустооптического взаимодействия. — Томск: Томский гос. университет, 2004. — ISBN 5-94621-096-3 .
26. В. Я. Молчанов, Ю. И. Китаев, А. И. Колесников (и др.). Теория и практика современной акустооптики. — М. : МИСиС, 2015. — 458 с. — 500 экз. — ISBN 978-5-87623-483-4 .

• Большая российская энциклопедия . — М. : БРЭ, 2005. — Т. 1. — ISBN 5-85270-329-X .
• «Акустооптика» // Физическая энциклопедия / под ред. Прохорова А. М.. — М. : « Советская энциклопедия »/ «Большая Российская энциклопедия» , 1988. — Т. 1. — ISBN 5-85270-034-7 .
• «Акустооптика» // Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. Колесников В. Г.. — М. : « Советская энциклопедия », 1991. — ISBN 5-85270-062-2 .
• Грачёв С. В., Наумов К. П., Ушаков В. Н., Бышевский-Конопко О. А., Жогун В. Н., Мазур М. М., Пожар В. Э., Проклов В. В., Пустовойт В. И. , Тябликов А. В. Акустооптические процессоры спектрального типа. — М. : Радиотехника, 2012. — 192 с. — ISBN 978-5-88070-313-5 .

Ссылки

• физического факультета МГУ // Московский государственный университет , 27.09.2014
• (неопр.) МИСиС . Архивировано из 21 марта 2019 года.
• (неопр.) fireras.su. (недоступная ссылка)
• (неопр.) . Фрязинский филиал ИРЭ РАН . (недоступная ссылка)
• (неопр.) . ГУАП .
• (неопр.) . ВНИИФТРИ . Архивировано из 3 октября 2019 года.
• // Коммерсантъ – Наука, 19.01.2023