Акустооптические датчики
Действие акустооптических датчиков основано на использовании акустооптического эффекта (АОЭ).
АОЭ – это явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разными показателями преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Периодическое чередование неоднородности среды ''работает'' как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.
АОЭ бывают двух типов. При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) L ультразвуковой волны (УЗ-волны) возникает дифракция Рамана-Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга.
Условие возникновения дифракции Рамана - Ната имеет следующий вид: λL/Λ²«1.
Условие возникновения дифракции Брэгга имеет следующий вид: λL/Λ²>1. Здесь λ - длина волны света;Λ- длина УЗ-волны; L- длина взаимодействия.
1. Акустооптический эффект Рамана-Ната:
1 – акустооптическая ячейка;
2 – периодические неоднородности среды, возникающие в акустооптическом материале при прохождении УЗ-волны;
3 – луч света;
Λ, ω – длина волны и частота оптического излучения;
4 – УЗ-волна длиной Λ и частотой Ω;
5 – пьезоизлучатель УЗ-волны;
6 – радиочастотный генератор;
ФД – фотодиод;
ПТН – преобразователь тока и напряжения!!!;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;
7 – демпфер-поглотитель УЗ-волны.
При дифракции Рамана-Ната световая волна, попадая на периодическую неоднородность, распадается на спектр мод света порядка 0, +1, +2, -1, -2. Из них используются +1, -1, так как сигнал наибольший.
Если нарисовать в схеме наблюдения ФД, АЦП и ЖКИ, то получим акустооптический преобразователь перемещения, у которого подвижным элементом акустооптическая ячейка, перемещающаяся вместе с генератором вверх или вниз относительно лазера, ФД и т.д.
2. Акустооптический эффект Керра:
1 – акустооптическая ячейка;
2 – периодические неоднородности среды, возникающие в акустооптическом материале при прохождении УЗ-волны;
3 – световая волна;
Λ, ω – длина волны и частота оптического излучения;
4 – УЗ-волна длиной Λ и частотой Ω;
5 – пьезоэлемент;
6 – генератор радиочастоты;
ФД – фотодиод;
i – ток на выходе ФД;
ЛД – лазерный диод;
ПТН – преобразователь ток-напряжения;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;
7 – демпфер;
УК – управляющая клавиатура;
УС – управляющий сигнал;
МК – микроконтроллер;
Запись – запись информации на носитель;
Int – передача информации на расстоянии.
Суть эффекта Керра заключается в следующем: луч лазера, излучаемый лазерным диодом, отражается от периодической неоднородности только лишь при определенном угле, характерным для акустооптических материалах. Этот угол называется углом Брэгга θВ. При всех остальных углах падения светового луча не отражается.
Обязательным условием возникновения рассматриваемого эффекта Керра, так же как вышерассмотренного эффекта Рамана-Ната, является наличие УЗ-волны, излучаемая пьезоэлементом.
При дифракции Брэгга: θВ=θ=sin(λ/2Λ).
Эффективность дифракции Брэгга выше, чем эффективность дифракции Рамана-Ната. При дифракции Рамана-Ната отношение интенсивностей отраженного угла одной из мод к интенсивности падающего луча характеризует эффективность и составляет 33.9%. При дифракции Брэгга отношение интенсивности отраженного луча к интенсивности падающего луча близко к 100%, что очень важно для практического использования. Частота генератора 100МГц.
Материалы, в которых имеет место АОЭ, носят название акустооптических материалах.
К ним предъявляются следующие требования:
1) рассеяние, поглощение света должны быть незначительны;
2) постоянные фотоупругости и коэффициент преломления велики;
3) поглощение и скорость звука малы.
Среди жидкостей наиболее удовлетворяет перечисленным требованиям вода, которая используется в большинстве экспериментов. Среди твердых тел наиболее удобны для использования различные стекла и кристаллы.
АОЭ применяется для построения преобразователя перемещения, газоанализаторов, концентратомеров жидких сред, измерителей расстояния, расщепителя светового луча и т.д.
Достоинством АО датчиков является высокая чувствительность, так как они являются, по сути, спектрометрами.