Svet_i_zvuk_vzaimodeystvie_v_srede (1239103), страница 8
Текст из файла (страница 8)
С их по- мощью можно получать акустические поля, позволяющие значительно улучшить харяктеристиКИ планарных Йкустооптических устройств. 3 ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ ВОЗНИК ИНТЕРЕС К ИССЛЕДОВЯНИЮ акустооптического взаимодействия в волоконных световодах. Волоконный световод представляет собой во-' локно из прозрачнОГО материала, Оптические свОЙстВЯ датчиках ВолоконныЙ сВетовод подВерГяется деЙстви1О акустической волны, распространяющейся в жидкости.
Акустическая' волна, воздействуя на световод, модулирует фазу проходящего па нему излучения, регистри- . руемого затем в фотоприемнике. При акустическом воздействии на световод можно модулировать также амплитуду и поляризацию излучения в волокне. В частности, при изгибе волокна в нем возникают механические напряжения, приводящие к изменению профиля показателя преломления, Вследствие этого, происходит утечка излучения из световода. Изменение радиуса кривизны изгиба при акустическом ВоздейстВии на световод приводит к амплитудной модуляции излучения„проходящего по нему.
Амплитудная модуляция излучения в волоконном световоде возможна также за счет брэГГОвской дифракции излучения на акустической волне, распространяющейся перпендикулярно оси световода. Однако частота акустической волны должна быть весьма Высокой, порядка 1 — 10 ГГц, чтобы угол отклонения превысил угол полного внутреннего отражения и излучение могло ВЫЙТИ из световода, РАССЕЯНИЕ МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛПЮЭНА 4 Дифракция светя может происходить не тОлькО ня ВВОдимОЙ извне звукоВОЙ Волне, но и ня коллектиВных возбуждениях среды — акустических фононах. Рассеяние света в однородной среде, обусловленное его взаимодействием с акустическими фононами, Получило название рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Тепловое Движение атомов и молекул в конденсироВанной среДе носит кооперативный характер и может быть представлено как совокупность большого числа плоских- акустических волн со случайными фазами, распространяющихся по всем направлениям со всевозмож.
нйми частотами. К примеру, флюктуации плотности, Возникающие В жидкостях или твердых телах Вследст~ ВИЕ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ, НЕ ОСТЯЮТСЯ На МЕСТЕ, Я РЯС прастраняются в среде в виде продольных акустических Аналогичным Образом флюктуации взаимного РЯСПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕкуЛ ИЛИ ЯТОМОВ В ТВЕРДЫХ ТОЛЯХ ЯВ- ляются источником поперечных фононов. В равновесии распределение тепловых фононов по направлениям изотропно. Распределение их по энергиям представляет собой распреДеление Планка. ЧислО фононОВ с ДаннОй энергией Ю зависит от температуры образца Т. Основная часть энергии хаотического движения сосредоточивается в той части фононного спектра, где энергия фо- Ю в поряда тйлвой Ъ р А~. Для комнатных температур это условие выполняется в диапазоне акустических частот Й-10" — 10" с-'.
Свет, проходя сквозь среду, дифрагирует на тепловых акустических Волнах. Плоская монохроматическая световая волна будет эффективно взаимодействовать лишь с теми звуковыми волнами, для которых выполняется условие Брэгга. Для направления, составляюще- ГО произВОльный уГОл с лучом падающеГО сВета, ВсеГда Найдется фонон с такой частотой Й и таким волновым вектором ц, что в выбранном направлении будет идти свет, отклоненный в результате брэгговской дифракции падающего излучения на этом фононе. Одновременно в том же направлении будет распространяться свет, дифраГированный на акустическом фононе, имеющем ту же частоту, но распространяющемся В прОтивополОж ную сторону.
Частоты света, возникающего при дифракции на противоположно направленных звуковых волнах, будут различны. Поэтому в данном направлении рассеивается свет с частотами, сдвинутыми вверх и вниз по отношению к частоте падающего излучения на величину частоты фонона Й. Спектральная компонента рассеян- НОГО' излучения с уменьшенной частотой и — Й получи ла название стоксовой компоненты, а компонента с увеличенной частотой и+Й вЂ” антистоксовой. Обе сдвинутые по частоте компоненты рассеянноГО излучения называют компонентами (или дублетом) Мандельштама— Бриллюэна.
Поскольку тепловые фононы возбуждаются на любых частотах и во всевозможных направлениях, то в результате брэгговской дифракции будет возникать рассеянное излучение по Всем напраВлениям. Количество световой энергии, отклоненной по различным направлениям, будет неодинакоВым, так как эффективность ди" :фракции В данном направлении зависит От плотности энерГии акустических фононов В соответствующем интервале звуковых частот. Основная часть энергии теп'лового движения сосредоточивается в высокочастотной области спектра.
Ей отвечают большие углы рассеяния. Поэтому реально наблюдается рассеяние Мандельшта- ма — Бриллюэля назад иа акустических волнах гиперзвукового диапазона. Для наблюдения рассеяния Мандельштама — Брил. люэна лазерный луч пропускают через образец или кю. нету с жидкостью. Рассеянный свет с помощью оптической системы направляют на интерферометр и далее на фотоприемник, что позволяет исследовать спектральный состав рассеянного излучения, Рассеянный свет, помимо компонент Мандельштама — Бриллюэна, содержит, как правило, спектральную компоненту с несмещенной частотоЙ и.
Ее появление может быть обусловлено раюличными причинами. Она Возникает, В частности, в результате рассеяния падающего излучения на флюктуациях энтропии или температуры, которые в среде.не распространяются, а лишь затухают за счет ~р~цессов ~юл пр~юдн~ст~. В жидкм~ы свой вклад В центральную компоненту дает рассеяние света на флюктуациях анизотропии, связанных с преимущественной Ориентацией анизотропных молекул В малых Объемах за счет теплового движения.
В случае вязких жидкостей такие флюктуации на гиперзвуковых частотах, превышающих частоту сдвиговой релаксации, представляют собой сдвиговые волны. Центральная компонента рассеянного излучения В этОм случае расщепляется и по являются сдвинутые относительно нее по частоте дополнительные компоненты, обусловленные рассеянием Мандельштама — Бриллюэна на сдвиговых волнах в жид. ЕОСТИ, В твердых телах дополнительно Возникают компоненты Мандельштама — Бриллюэна, обусловленные рас-' сеянием на поперечных фононах. Угол рассеяния одно.
значно Определяет длину акустической волны, на которой рассеяние происходит вне зависимости от ее поляризации. Частотныи сдви. для различных л ни спе тра рассеяния Мандельштама — Бриллюэна Ли О азывается пропорциональным скорости соответствующей акустической волны. Поскольку скорость поперечного звука Обычно меньше ~скорости продольного, тО компонен. Ты, отвечающие рассеянию на поперечных фоионах, имеют меньший спектральный сдвиг. Одновременное измерение угла рассеяния и спектрального положения компонент Мандельштама — Брил- люэна позволяет Определить скорость 3В~ка В Области гиперзвуковых частот.
Полуширина би этих линий не- посредственно Выражается через коэффициент пОГлОщеНия звука а на соответствующей частоте. На основе этой зависимости можно определять поглощение звуковых волн. Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна широко используется для исследования дисперсии скорости звука и акустического поглощения в различных средах на Гиперзвуковых частотах. Особый интерес представляет рассеяние Мандельштама — Бриллюэна на неравновесных фононах в условиях фононной неустойчивости. Такая неустойчивость ВОЗникает В полупроводниках В результате усиления звуковых волн электронами, движущимися под действием электрического поля со скоростью, превосходящей звуковую. Интенсивность низкочастотных акустических фононов быстро нарастает; одновременно меняется угловое; пространственное и спектральное их распределе" НИЕ.
В СООТВЕТСТВИИ С ЭТИМ ИЗМЕНЯЮТСЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ и угловое распределение света, рассеянного на этих фононах. Изучение рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. на неравновесных фононах позволяет получать ценну~о информацию о Возникновении и динамике развития фононной неустойчивости, о характере Взаимодействия фо- БОБОВ. При значительных интенсивностях падающеГО сВетового излучения возникает вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна: В поле мощной световой волны происходит усиление акустических фононОВ и нарастание интенсивности рассеянного света. При прохождении света в среде возникает дифрагированное излучение.
Частота дифрагированного света отличается От частоты падающеГО на Величину ультразвукОВОЙ частоты Й. Взаимодействие стоксовой компоненты рассеянного излучения с проходящим светом за счет эффекта электрострикции приводит к Генерации дОпОлни тельной звуковой волны на той же частоте Й и усилению ультразвука в поле светового излучения. При незначительных интенсивностях падающего света этот эффект мал по сравнению с затуханием ультразвука в среде и приводит лишь к уменьшению затухания. Но начиная с некоторой пороговой мощности оптического излучения, эффект усиления ЭВука становится Определяющим. С увеличением интенсивности звука, естественно, возрастает и доля света, рассеянного в результате акустооптической дифракции, Это, в свою еще более увеличивает, амплитуду акустической волны И Т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
