RU2681420C1 - Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости - Google Patents

Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости Download PDF

Info

Publication number
RU2681420C1
RU2681420C1 RU2018117542A RU2018117542A RU2681420C1 RU 2681420 C1 RU2681420 C1 RU 2681420C1 RU 2018117542 A RU2018117542 A RU 2018117542A RU 2018117542 A RU2018117542 A RU 2018117542A RU 2681420 C1 RU2681420 C1 RU 2681420C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid
radiation
window
acousto
ultrasound
Prior art date
Application number
RU2018117542A
Other languages
English (en)
Inventor
Павел Алексеевич Никитин
Виталий Борисович ВОЛОШИНОВ
Алексей Константинович Никитин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority to RU2018117542A priority Critical patent/RU2681420C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2681420C1 publication Critical patent/RU2681420C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Использование: для управления такими параметрами электромагнитного излучения терагерцевого диапазона, как направление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза. Сущность изобретения заключается в том, что акустооптическая ячейка (АО-ячейка) содержит герметичный контейнер с прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, а также излучатель ультразвука, погруженный в жидкость, причем контейнер снабжен двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления, близким к показателю преломления жидкости, а выходное окно не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения, кроме того, излучатель ориентирован таким образом, чтобы испускаемый им звуковой пучок падал на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отраженного звукового пучка и пучка излучения, преломленного на этом окне. Технический результат: обеспечение возможности разработки АО-ячейки для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости. 1 ил.

Description

Изобретение относится к акустооптике (АО) и может найти применение в устройствах для управления такими параметрами электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона, как направление распространения, интенсивность, поляризация, частота и фаза.
Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию АО-устройства используются в спектроскопии, оптической связи, системах обработки изображений, лазерной технике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световых пучков [1].
Различают два основных вида АО-взаимодействия: квазиортогональное и коллинеарное. В первом случае, пучок излучения пересекает звуковой пучок под углом, близким к нормали, во втором - пучки распространяются параллельно (коллинеарно) друг другу. Коллинеарное взаимодействие, в свою очередь, подразделяют на две разновидности: прямую коллинеарную АО-дифракцию (ПКД), при которой волновые вектора падающего и дифрагированного излучения сонаправлены, и обратную коллинеарную АО-дифракцию (ОКД), при которой эти векторы направлены навстречу друг другу.
Основное преимущество коллинеарной дифракции по сравнению с квазиортогональной - более высокое спектральное разрешение, вследствие взаимодействия света с большим числом периодов звуковой волны. Именно поэтому режим ПКД используют в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазонах для создания узкополосных фильтров при частотах ультразвука в десятки мегагерц [2].
С точки зрения эффективности АО-фильтров, режим ОКД предпочтителен по сравнению с режимом ПКД, поскольку при реализации последнего диаграмма направленности дифрагированного излучения имеет боковые лепестки, что приводит к снижению качества работы фильтра, в то время как таковые практически отсутствуют в режиме ОКД. Разрешение АО-фильтров, функционирующих в режиме ОКД, достигает 0.001 [3]. Наибольшая эффективность ОКД достигается при совпадении направления распространения ультразвука с направлением распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка, поскольку при этом интеграл перекрытия полей световой и акустической волн достигает своего максимального значения [4].
Однако режим ОКД в высокочастотных областях оптического диапазона не практикуют, поскольку для его реализации необходимо применять ультразвук очень высокой частоты (десятки гигагерц) сильно поглощаемый средой. Действительно, в случае ОКД волновой вектор звука должен быть примерно равен удвоенному волновому вектору падающего света. Из этого условия нетрудно получить формулу для оценки частоты F ультразвуковой волны, обеспечивающей наблюдение ОКД [5]:
Figure 00000001
,
где n - показатель преломления среды; V - скорость звука в среде взаимодействия; λ - длина волны центра контура линии излучения в вакууме.
Таким образом, применение режима ОКД возможно только в ТГц и микроволновом диапазонах в слабо поглощающей среде, независимо от ее агрегатного состояния. При этом необходимая частота ультразвука варьируется в пределах от 30 МГц (в случае жидкой среды) до 300 МГц (в случае кристаллической среды), когда степень его поглощения является еще приемлемой.
Для реализации режима ОКД необходимо добиться совмещения треков светового и звукового пучков в среде взаимодействия. Так как окружающей средой обычно является воздух, то излучатель ультразвука, во избежание потерь на отражение, необходимо разместить либо в самой жидкой среде АО-взаимодействия, либо на внешней стороне стенки контейнера. В любом из этих случаев излучатель ультразвука должен быть размещен таким образом, чтобы угол падения звуковой волны (из жидкости) на входное окно был равен углу преломления излучения, что и обеспечивает пространственное совмещение пучков света и звука. Причем, чтобы минимизировать затухание звука, излучатель ультразвука следует разметить максимально близко к входному окну, не перекрывая трека пучка излучения.
Технический результат изобретения направлен на разработку акустооптической ячейки для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости.
Технический результат достигается тем, что акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости, содержит герметичный контейнер с прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, а также - излучатель ультразвука, погруженный в жидкость; причем, контейнер снабжен двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления близким к показателю преломления жидкости, а выходное окно не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения; кроме того, излучатель ориентирован таким образом, чтобы испускаемый им звуковой пучок падал на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отраженного звукового пучка и пучка излучения, преломленного на этом окне.
Требование неортогональности выходного окна контейнера преломленному на входном окне пучку излучения, обусловлено необходимостью пространственного разнесения отраженного от этой грани пучка излучения и дифрагированного пучка; совмещение пучков приведет к невозможности их разделения.
Условие близости показателя преломления материала окон контейнера к показателю преломления жидкости объясняется стремлением минимизировать френелевские потери излучения на окнах.
Ограничение на ориентацию излучателя является необходимым условием наблюдения явления обратной коллинеарной АО-дифракции.
На Фиг. 1 изображена схема заявляемой ячейки, где цифрами обозначены: 1 - излучатель ультразвука; 2 - герметичный контейнер; 3 - прозрачная для излучения и ультразвука жидкость; 4 - входное окно контейнера 2; 5 - выходное окно контейнера 2.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучатель ультразвука 1, размещенный в содержащейся в контейнере 2 жидкости 3, испускает ультразвуковую волну с частотой F. Пучок ультразвука падает на входное окно 4, отражается от него под углом равным углу падения и, пройдя через контейнер, достигает выходного окна 5. Из окружающей среды на область падения звукового пучка на окно 4 падает пучок коллимированного ТГц излучения под углом, обеспечивающим совпадение треков преломленного светового пучка и отраженного окном 4 звукового пучка. В области совпадения треков пучков происходит АО-взаимодействие, в результате которого формируется пучок света, дифрагировавший в (-1) порядок и распространяющийся навстречу преломленному на окне 4 пучку света. Дифрагировавший пучок излучения покидает контейнер 2 через окно 4. Параметрами дифрагированного пучка можно управлять посредством интенсивности, частоты и фазы ультразвукового пучка.
В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность наблюдения обратной коллинеарной дифракции излучения с длиной волны λ = 130 мкм на ультразвуковой волне в жидком гексане. Значение акустооптического качества М2 изотропной среды можно рассчитать по следующей формуле [6]:
Figure 00000002
где ρ - плотность среды АО-взаимодействия.
Подставив в (2) значения n=1.372 [7], ρ=655 кг/м3 [8], V=1077 м/с [8] для гексана, получим M2=770⋅1015 с3/кг.
Рассчитаем эффективность I--1 дифракции пучка (-1)-порядка при длине АО-взаимодействия L=10 см и выполнении условия фазового синхронизма между взаимодействующими волнами. Для этого воспользуемся формулой (4) из [3] для однократного прохода звука через среду АО-взаимодействия и сонаправленного распространения электромагнитной волны нулевого дифракционного порядка и акустической волны:
Figure 00000003
где q - коэффициент связи между акустической и световой волнами [9]:
Figure 00000004
Pa - мощность акустической волны, которую положим равной 1 Вт;
S - площадь излучающей поверхности пьезопреобразователя, которую положим равной 0.6×0.6=0.36 см2; α - коэффициент поглощения излучения с λ=130 мкм гексаном, равный 0.69 см-1 [7]; αs - коэффициент затухания звука с частотой F=22.7 МГц (рассчитанной по формуле (1)), определенный из соотношения αs/(2F2)=60⋅10-17c2/см [10] и равный αs=0.6 см-1.
Поскольку излучающая поверхность источника ультразвука 1 удалена (в рассматриваемом примере) от входного окна 4 на расстояние
Figure 00000005
см, то необходимо учесть затухание звука на этом расстоянии путем введения в формулу (3) множителя
Figure 00000006
. Подставив в (3) значения q, α и αs, получим, для рассматриваемого примера заявляемого устройства, эффективность дифракции: I-1≈5⋅10-4. Результирующая же эффективность I-1 дифракции пучка (-1)-порядка, с учетом 16% френелевских потерь излучения из-за его двукратного взаимодействия с входным окном 4, составит 4.2×10-4.
Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует принципиальную возможность реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в заявляемой акустооптической ячейке, заполненной такой жидкостью, как гексан.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И. и др. Теория и практика современной акустооптики // М.: Изд. дом МИСиС, 2015. - 459 с.
2. Balakshy V.I., Mantsevich S.N. Polarization effects at collinear acousto-optic interaction // Optics and Laser Technology, 2012, v. 44, Is., p.893-898.
3. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Backward collinear acousto-optic interaction in germanium crystal in terahertz spectral range // Physics Procedia, 2015, v. 70, p. 712-715.
4. Nikitin P.A., Voloshinov V.B. Quasi-orthogonal and quasi-collinear acousto-optic interaction in absorbing medium // Memoirs of the Faculty of Physics, 2016, v. 6, Article 166601.
5. Балакший В.И., Парыгин B.H., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики // М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.
6. Uchida N. Elastooptic coefficient of liquids determined by ultrasonic light diffraction method // Japan. J. Appl. Physics, 1968, v. 7, No. 10, p. 1259-1266.
7. Laib J.P., Mittleman D.M. Temperature-dependent terahertz spectroscopy of liquid n-alkanes // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2010, v. 31, No. 9, p. 1015-1021.
8. Djerdjev A.M., Beattie J.K. Electroacoustic and ultrasonic attenuation measurements of droplet size and zeta-potential of alkane-in-water emulsions: effects of oil solubility and composition // Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, v. 10, No. 32, p. 4843-4852.
9. Балакший В.И., Парыгин B.H., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики // М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.
10. Таблицы физических величин / Под ред. И.К. Кикоин. - М.: Атомиздат, 1976. - С. 1008.

Claims (1)

  1. Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости, содержащая герметичный контейнер с прозрачной для излучения и ультразвука жидкостью, а также излучатель ультразвука, погруженный в жидкость; причем контейнер снабжен двумя прозрачными для излучения окнами из материала с показателем преломления, близким к показателю преломления жидкости, а выходное окно не перпендикулярно преломленному на входном окне пучку излучения; кроме того, излучатель ориентирован таким образом, чтобы испускаемый им звуковой пучок падал на входное окно под углом, обеспечивающим совмещение отраженного звукового пучка и пучка излучения, преломленного на этом окне.
RU2018117542A 2018-05-11 2018-05-11 Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости RU2681420C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018117542A RU2681420C1 (ru) 2018-05-11 2018-05-11 Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018117542A RU2681420C1 (ru) 2018-05-11 2018-05-11 Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2681420C1 true RU2681420C1 (ru) 2019-03-06

Family

ID=65632795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018117542A RU2681420C1 (ru) 2018-05-11 2018-05-11 Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2681420C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1334093A1 (ru) * 1985-02-05 1987-08-30 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Акустооптический фазометр-частотомер
SU1534331A1 (ru) * 1988-05-25 1990-01-07 Предприятие П/Я В-8584 Устройство дл измерени ширины характеристики направленности ультразвукового излучател
RU2284559C1 (ru) * 2005-03-17 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ) Акустооптический дефлектор
CN101924318A (zh) * 2010-08-18 2010-12-22 中国科学院半导体研究所 基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置
RU145757U1 (ru) * 2013-11-29 2014-09-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Акустооптический свч дефлектор
WO2017177213A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 The Penn State Research Foundation Ultrasonic/acoustic control of light waves for left-right optical reflection asymmetry

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1334093A1 (ru) * 1985-02-05 1987-08-30 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Акустооптический фазометр-частотомер
SU1534331A1 (ru) * 1988-05-25 1990-01-07 Предприятие П/Я В-8584 Устройство дл измерени ширины характеристики направленности ультразвукового излучател
RU2284559C1 (ru) * 2005-03-17 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ) Акустооптический дефлектор
CN101924318A (zh) * 2010-08-18 2010-12-22 中国科学院半导体研究所 基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置
RU145757U1 (ru) * 2013-11-29 2014-09-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Акустооптический свч дефлектор
WO2017177213A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 The Penn State Research Foundation Ultrasonic/acoustic control of light waves for left-right optical reflection asymmetry

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Harris et al. CaMoO4 electronically tunable optical filter
US20150212388A1 (en) Terahertz wave generation element, terahertz wave detection element, and terahertz time domain spectroscope device
US7626756B2 (en) Coating for optimising output coupling of em radiation
Balakshy et al. Propagation of acoustic beams in a paratellurite crystal
US3586872A (en) Apparatus including a thin film waveguide for nonlinear interaction of optical waves
US3617931A (en) Acousto-optic devices using lead molybdate and related compounds
Polikarpova et al. Development of acousto-optic devices based on transformation of acoustic waves
RU2681420C1 (ru) Акустооптическая ячейка для реализации обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в жидкости
US7684110B2 (en) High frequency acousto-optic frequency shifter having wide acceptance angle
Chang Acoustooptical deflections in thin films
Balakshy et al. Anisotropic light diffraction in a biaxial crystal of alpha-iodic acid
Milkov et al. An experimental study of ultra-wide-band and ultra-wide-aperture non-collinear acousto-optic diffraction in an optically biaxial potassium arsenate titanyl crystal
Maak et al. Improved design method for acousto-optic light deflectors
Kulakova et al. Ge-Te-Se and Ge-Te-Se-S alloys as new materials for acousto-optic devices of the near-, mid-, and far-infrared spectral regions
Ermakov et al. Ray spectra and structure of acoustic beams in crystals
US3529886A (en) Iodic acid acousto-optic devices
RU2683886C1 (ru) Устройство для наблюдения обратной коллинеарной дифракции терагерцевого излучения на ультразвуковой волне в кристаллической среде
US3736044A (en) Dispersive acoustical deflector for electromagnetic waves
Kupreychik et al. The spatial structure of acousto-optic phase matching in biaxial crystal of alpha-iodic acid
Tchernyatin Analysis and application of Bragg acousto-optic diffraction in biaxial media
US3639775A (en) Acoustically controlled optical devices
Mantsevich et al. Experimental observation of reflected acoustic beam tilting with temperature in quasi-collinear acousto-optic filters
RU192668U1 (ru) Ячейка для обратной коллинеарной дифракции терагерцового излучения на ультразвуковой волне в жидкости
Polikarpova et al. IR Acousto-Optic Devices using Acoustic Reflection
Dyakonov et al. The nonreciprocal effect under low-and high-frequency collinear acousto-optic interactions