Материаловедение

Пьезооптические материалы

Пьезооптический эффект (фотоупругость) состоит в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах (в том числе полимерах) под действием механических напряжений. Данное явление открыто немецким физиком Т.И. Зеебеком в 1813 г. и впервые описано шотландский физиком Д. Брюстером в 1816 г.

Фотоупругость является следствием зависимости диэлектрической проницаемости материалов от деформации и проявляется в виде возникающего под действием механических нагрузок двойного преломления, а также дихроизма (обнаружения у материалов двух различных окрасок в проходящем через них свете при рассматривании по различным направлениям). При одноосном растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия. При более сложных деформациях, например при двустороннем растяжении, тело становится оптически двухосным.

Мерой оптической анизотропии, возникающей под действием механических напряжений, служит разность показателей преломления no и ne, которая пропорциональна напряжению в данной точке тела Р:

∆n = ne – no = KР,

где K – коэффициент, зависящий от свойств материала (постоянная Брюстера).

Явление фотоупругости широко используется при исследовании напряжений в механических конструкциях, расчёт которых слишком сложен. В частности, оно лежит в основе поляризационно-оптического метода (метода фотоупругости), с помощью которого изучают напряжённо-деформированные состояния деталей машин и сооружений на прозрачных моделях из оптически чувствительных материалов (стекла, целлулоида, пластмасс и др.), в которых под действием напряжений наблюдается двойное лучепреломление. Для этого фотоупругие модели помещают между поляризатором и анализатором и подвергают их различным механическим нагрузкам.

Особым проявлением пьезооптического эффекта является акустооптический эффект, под которым понимается совокупность явлений дифракции, преломления, отражения или рассеяния оптического излучения на неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении в ней акустической волны.

Первые попытки практического использования явления дифракции света на акустических волнах относятся к 1930-м годам. Но лишь в 1960-е годы с появлением лазеров, началась активная разработка акустооптических методов обработки сигналов, чему способствовали также разработка эффективных пьезопреобразователей ультразвука и создание материалов с высокими акустическими и оптическими свойствами.

К наиболее распространенным акустооптическим материалам относятся плавленый кварц SiО2, молибдат свинца PbMoO4, двуокись теллура TeO2, германий Ge, стекло (типа тяжелых флинтов).

Они применяются для создания различных типов акустооптических приборов: модуляторов (для управления интенсивностью оптического излучения); дефлекторов и сканеров (для управления направлением оптических пучков в пространстве); фильтров (для пропускания оптического излучения в определенном частотном диапазоне); процессоров (для обработки информации путем преобразований оптических и акустических сигналов). Применяемые материалы должны быть прозрачными в соответствующей области оптического спектра излучения.

Практически в любом акустооптическом устройстве акустические волны возбуждаются с помощью определенных электроакустических преобразователей, чаще всего пьезоэлектрических (на основе ниобата лития).

Схема акустооптического преобразователя

Рис. 1. Схема акустооптического преобразователя

На рис. 1 показана схема акустооптического модулятора. Принцип его действия основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в пластине из оптически прозрачного материала (стекла). Бегущую ультразвуковую волну формирует пьезопреобразователь, присоединённый к пластине. Благодаря возникновению в стекле участков сжатия и растяжения, различающихся показателем преломления, в оптической среде образуется дифракционная решётка. Световой пучок, подвергаясь дифракции на решётке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесенных в пространстве под равными углами относительно друг друга. Поглотитель поглощает прошедшую ультразвуковую волну, создавая необходимые условия для установления дифракционной решётки.

Акустооптические модуляторы являются основной частью акустооптических процессоров (рис. 2). Важная область применения этих устройств – радиолокация. В частности, они используются для спектрального анализа радиосигналов, обработки сигналов фазированных антенных решеток, вычисления функций корреляции и свертки, голографической записи сигналов и т.д. Значительный интерес к акустооптическим процессорам определяется простотой их конструкции, компактностью и возможностью с их помощью осуществлять параллельную обработку больших массивов информации в реальном масштабе времени.

Рис. 2. Анализатор спектра радиосигналов: 1 – акустооптический модулятор; 2 – линза; 3 – падающий световой пучок; 4 – дифрагированный пучок; 5 – экран; 6 – фотоприемник; 7 – зеркала; 8 – опорный пучок

Принцип действия акустооптического процессора состоит в следующем. Подлежащий обработке радиосигнал преобразуется в акустооптическом модуляторе в упругую волну, которая представляет собой пространственно-временной аналог электрического сигнала. При дифракции проходящего через модулятор света в дифрагированный пучок переносится информация, содержащаяся в акустической волне. Далее эта информация обрабатывается оптическими методами. Таким образом, главная роль, которую играет модулятор в акустооптическом процессоре, это ввод информации в световой пучок путем его пространственной модуляции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *