Svet_i_zvuk_vzaimodeystvie_v_srede (1239103), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Однако.и для частот, значительно больше плазменной, вклад свободных электронов В упруГООптические коэффициенты может быть существенным; ' Он:Обратно прОпорционален квадрату светОВОЙ частоты: Р '1/03~ и с ее уменьшением может доминировать над прямым упругооптическим эф. фектом, величина которого в этой области спектра не зависит от в. Экспериментально такая ситуация была реализоВана В кристаллах 1пЯЬ В далекоЙ инфракрас ной области спектра.
КарактернОЙ чертой упругооптическйго эффекта; обусловленного переменной плотностью электронов в звуковой волне, является зависимость эффекта от частоты акустической волн~. Мы уже видели, что величи. на модуляции показателя преломления В этОм случае Определяется амплитудоЙ ВынужденноЙ ВОлны электрон ной плотности. Последняя максимальна Вблизи часто.Ты релаксации неоднородного возмущения в электронной плазме и стремится к нулю для частот, много больших или много меньших частоты релаксации.
В первом случае это обусловлено эффективным рассасыванием мелкомасштабных возмущений плотности за счет теплОВОго движения носителей, ВО Втором — процессами экранирования, Поэтому упругооптические коэффициеи ты Зависят как От ЗвуковоЙ Частоты, так и от парамет. ров плазменной подсистемы кристалла: проводимости, пОдВижнОсти и концентрации носителеЙ.
Были предложены и другие непрямые механизмы, приводящие к упругооптическому эффекту. В пьезоэлектриках механическая деформация порождает электрическое поле, которое за счет электрооптического эффекта вызывает изменение показателя преломления. Этот механизм интересен тем, что может приводить к акустО оптическому Взаимодействию В таких напраВлениях" рас прОстранения, для которых Оно неВозможно при учете лишь непосредственного воздействия механических деформаций на показатель преломления среды. ИсследоВания последних лет дали Возможность полнее понять механизмы Воздействия звукоВОЙ ВОлны на оптические свойства системы. Значительно меньше изввстно нам О Втором эффекте, лежащем В Основе аку- стООптичеСкОГО БзЗЦМОдЕИСтвиЯ,— ВЫСОКОчЗСтотнОи Электрострикции.
В присутствии электрических полей в среде возникают упругие напряжения О, пропорциональные квадрату поля: б=аЕ2, Величина а называется коэффициентом электростпикции, При распространении двух электрОмаГнитиых ВОлн, чястоты 0)~ и ир которых лежат В ВидимОЙ или инфракрасной области, электрострикция обусловливает появление переменных упругих напряжений на разност- БОИ ЧЯСТОТ8 Ю1 Ю2 ОСЛИ ТОЛЬКО ЧЗСТОТЫ ®1 И О2 ДОСТЗ точно близки и их разность попадает в диапазон аку. стичесеих частОт. В ОсноВе электрострикции лежат эффекты ре1неточ ного анГармонизма: Осцилляции атомоВ и ионов В 'элек ' трических полях световых волн приводят вследствие не- линВЙНОГО характера их движения к Возникновению СмеЩений на разностнОЙ частоте.
ДО настояЩеГО Вре' мени остается неясным вопрос о частотной дисперсии коэффициентов электрострикции и О существовании дру гих непрямых ее механизмов. ди~йАиция светл нь Акюстичесиой ВОЛНЕ При распространении звуковой волны в среде бла. годаря упругооптическому эффекту возникает регуляр. ное изменение показателя преломления, обладающее периодичностью зВукоВОй ВОлны и движущееся Вместе с ней.
Это изменение, невелико, порядка 10 ' — 10 ~ при интенсивности звуковой волны 1 Вт/см', тем не менее из-за объемного характера взаимодействия света с подобной периодической структурой распространение светового пучка сопровождается эффектами, аналогичными дифракции света ня дифракционнОЙ решетке. Помимо проходящего светового пучка, в объеме аку. стооптического взаимодействия в определенных направ,- лениях будут возникать пучки отклоненного света, интенсивность которых зависит от+интенсивности ультразвука и толщины акустического пучка. При наблюдении якустооптической дифракции пучки ОтклоненнОГО света дают:на:экране систему ОсВещенных пятен, которые по аналоГии с дифракцией на решетке назыВаются дифрак ционными максимумами.
Дифракционные максимумы, соответствующие свету, отклоненному в сторону распространения звуковой волны, нумеруются положительными числами, а максиму" мы, соответствующие свету, Отклоненному В противо положйую сторону, — отрицательными целыми числами. Свет, отклоненный в различные порядки, имеет различные частоты. Сдвиг частоты Возникает Вследствие эффекта Доплера, поскольку акустооптическая дифрак", 20 ция происходит на движущейся решетке.
Для света, Отклоненного в сторону распространения акустической волны, частота света увеличивается, для света, отклоненного в противоположную сторону (отрицательные порядки дифракции), уменьшается. Для п-го порядка Величине сдВКГЙ раВна пй, Где Й вЂ” частота зВукОВОй волны, на которой происходит дифракция. Эффективная дифракция мОнохроматического сВета ВозмОжна лишь В Определенном интерВеле значений звукоВОЙ ча стоты и при ОпределенноЙ Взаимной Ориентации напреВ- лений распространения света и звука.
Это обстоятельство тесно связано с объемным характером акустоопти- ческоЙ дифрекции. Для того чтобы представить себе, как возникает дифрагированное излучение, вернемся к представлению об электромагнитной волне в среде как о суперпозиция пОля педйющеГО излучения и Вторичных ВОлн, вызываемых ВынужДенными колебаниЯми зарЯДОВ. В ОДнородной среде в результате интерференции этих полей возникает электромеГнитнея Волна, распространяющаяся В первоначальном направлении, но со скоростью, отличной от скорости света в вакууме. В оптически неоднородной среде колеблющиеся заряды, помимо такой волны, образуют рассеянное излучение.
Его источником является та часть 6Р переменного дипольного момента среды, которая обусловлена отклонениями локальных параметров среды От их средних значений. Оптическую неоднородность вызывает акустическая волна, в присутствии которой возникают локальные изменения показателя преломления среды за счет упру- ффекта. О ГООПТИЧОСКОГО 3 ни пропорциональны дефор мации 5 в звуковой волне бп-р5. При одновременном распространении сВета и зВуке В среде Возникает ДО полнительнея электрическая поляризация, пропорцио~ нальная как пОлю дефОрмеций 5 =5оз1п (пг — и1), ТЙК И ЭЛЕКТриЧЕСКому ПОЛЮ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ Е=Еоз1п(Кà — и1).
Здесь и, к и Й, и — частота и волновой вектор света и звука соотВетстВенно, Этй полЯризация и ЯВляется источником рассеянного (дифрагированного) излучении, Поскольку ОдновремфннОе ВоздейстВие дВух Гармониче ' лОГично мОжнО показать, что излучение О РаЗИОстиОЙ частотой и — Й выходит из объема взаимодейс~вия вдоль направления вектора разности Ы вЂ” ц волновЫХ векторов света ц зВука, Таким образом В результате непосредствениоГО ВзаимодейстВия Падающего сВета со зВуковоЙ ВОлнОЙ 3Озникают 'два пучка дифрагированного света, Отвечакнцие +1-му и — 1-му порядкам дифракции. Они ~аспростра- няются ВдОль напраВлении, определяемых су мои и разностью волновых векторов света и звука, ысшие по- рядки дифракции моГут пОяВляться лишь 3 результате последовательноЙ дифракции на Звуке Света, ОтклоненНОГО поочередно В первый, ВтороЙ и т.
д. порядки. Поскольку интенсиВность сВета в дифракционном максимуме определяется результатом интерференции волн, излучаемых системами параллельных -плоскостей (ММ' для + 1-го порядка дифракцни или ЖЖ' для — 1-го, рис. 2), на которые разбита область взаимодейстВия света со зВуком, то эта интенсиВность существенно зависит от фазовых сдвигов между такими волнами. Для дифраГированнОГО света, ОтклоненноГО В направлении суммарного волнового вектора К+Ч, разность фаз волн Дф, излучаемых двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстоянии 1, определяется разностью между фазами колебаний вектора электрической поляризации ОР в этих плоскостях и изменением фазы вследствие разной длины пути от этих плоскостей до точки наблюдения. Разность фаз максимальна, Когда 1 -равно А, длине ВзаимодейстВНЯ, т.
е. характерному размеру Области взаимодейстВия В напраВлении распространения дифра- ГированнОГО сВета. АналОГичную Величину для макси- мальнОГО сдВЫГЙ фаз можно получить и для света, Отклоненного в направлении Вектора К вЂ” н. В общем случае разность фаз равна по йорядку веОТНОШению Толщины акустического пучка 0 Длине световой Волны Х:Д1„,„,-П/Х>>1. Из-за боль- шОЙ разности фаз электромаГнитные ВОлны, излучаемые различными частями Объема акустооптического взаимодействия, взаимно гасят друг друга.
Поэтому при произВОльном уГле падения света на звукоВОЙ пучок эффективность акустооптической дифракции, представляющая сОбОЙ Отношение интенсиВнОсти 1 дифраГирОВан ного света к интенсивности падающего 1оо, крайне мала. волновым вектором звука о. Образуется векторный треугольник, выражающий закон сохранения импульса. На пОмним, что поверхность ВОлнОВых ВектороВ представ ЛЯЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МЕСТО КОНЦОВ ВОЛНОВЫХ ВЕКТОРОВ световых ВОлн, имеющих Одну и ту же частоту и распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти поверхности являются сферами либо эллипсоидами. В изотропной среде, где скорость света не зависит ни от направления распространения, ни от поляриза- ЦИИ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ, ПОВЕРХНОСТЬ ВОЛНОВЫХ ВЕКТороВ представляет собой сферу, а треугольник волновых век.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
