Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

Podobne dokumenty
Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Ośrodki dielektryczne optycznie nieliniowe

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Zjawisko interferencji fal

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Równania Maxwella. Wstęp E B H J D

Równania Maxwella. roth t

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Wykład 16: Optyka falowa

Wykład 16: Optyka falowa

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Mikroskop teoria Abbego

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

Zjawisko interferencji fal

Zjawisko interferencji fal

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

WŁASNOŚCI FAL (c.d.)

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Rys. 1 Geometria układu.

Fizyka elektryczność i magnetyzm

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Wykład 27 Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera

Własności światła laserowego

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Ruch falowy. Fala zaburzenie wywoane w jednym punkcie ośrodka, które rozchodzi się w każdym dopuszczalnym kierunku.

f = 2 śr MODULACJE

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Prawa optyki geometrycznej

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 20, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Interferencja. Dyfrakcja.

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Różne reżimy dyfrakcji

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Interferencja promieniowania

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

G:\AA_Wyklad 2000\FIN\DOC\FRAUN1.doc. "Drgania i fale" ii rok FizykaBC. Dyfrakcja: Skalarna teoria dyfrakcji: ia λ

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ćwiczenie 9 Y HOLOGRAM. Punkt P(x,y) emituje falę sferyczną o długości, której amplituda zespolona w płaszczyźnie hologramu ma postać U R exp( ikr)

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Podstawy fizyki wykład 8

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Fotonika. Plan: Wykład 9: Interferencja w układach warstwowych

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Elektrodynamika Część 8 Fale elektromagnetyczne Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

(1.1) gdzie: - f = f 2 f 1 - bezwzględna szerokość pasma, f śr = (f 2 + f 1 )/2 częstotliwość środkowa.

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

Funkcja falowa i związek między gęstością mocy i funkcją falową to postulaty skalarnego modelu falowego światła.

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

DYFRAKCJA ŚWIATŁA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Wydział EAIiE Kierunek: Elektrotechnika. Wykład 12: Fale. Przedmiot: Fizyka. RUCH FALOWY -cd. Wykład /2009, zima 1

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Dualizm korpuskularno falowy

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Wstęp teoretyczny. Więcej na: dział laboratoria

ĆWICZENIE 6. Hologram gruby

13. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Zjawiska dyfrakcji. Propagacja dowolnych fal w przestrzeni

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Solitony i zjawiska nieliniowe we włóknach optycznych

WYBRANE ZAGADNIENIA DYFRAKCJI FRESNELA

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 6, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Promieniowanie dipolowe

Def. MO Optyczne elementy o strukturze submm lub subμm, produkowane głównie metodami litograficznymi

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Transkrypt:

Akusto-optyka Fala akustyczna jest falą mechaniczną Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem ( x, t) S cos( Ωt qx) s Częstotliwość kołowa Ω πf Długość fali akustycznej v T s S amplituda odkształcenia f [Hz] - częstotliwość v f Kołowa liczba falowa s π v s prędkość fazowa fali q

Akusto-optyka cd Propagujące się odkształcenia wywołują propagującą się zmianę współczynnika załamania ( x, t) n n cos( Ωt qx) n gdzie 3 n.5pn S p stała fotoelastyczna ośrodka Rozkład n(x) tworzy siatkę dyfrakcyjną Dyfrakcja Ramana-Natha Dyfrakcja Bragga cienka warstwa ośrodka fala optyczna prostopadła do fali akustycznej - siatki objętościowa siatka dyfrakcyjna modulatory akustooptyczne

Dyfrakcja Ramana-Natha n( x, t) n n cos( Ωt qx) Fala płaska Σ D s generator fali akustycznej x n rozprężanie zmiana współczynnika załamania sprężanie ( x, t) n n n( x, t) n + n Rozkład pola za ośrodkiem w chwili t ( x) V exp[ ibcos( qx) ] V V amplituda fali Σ b k n głębokość modulacji D s fazowej D s szerokość fali akustycznej n - długość fali stała siatki dyfrakcyjnej

Dyfrakcja Ramana-Natha t Zgodnie z teorią siatki dyfrakcyjnej rozkład intensywności w nieskończoności d ( p) C v p m g ( p) m, ± 1,,... V Σ ± multiplikacja rozkładu generowanego przez falę padającą i obciętą przez brzegi siatki rozkład od jednego elementu siatki Dla rzędy dyfrakcyjne m p sin ' m m m, ± 1,,.. pod kątami m

Dyfrakcja Ramana-Natha t Dla wąskiej wiązki lasera mała średnica w wiązka lasera w D s m m 1 m m -1 m - multiplikacja wiązki lasera p sin ' m m m, ± 1,,.. ugięte wiązki lasera d ( p) C v p m g ( p) m, ± 1,,... V Σ ± wiązki lasera amplituda w rzędach

Wyznaczenie pola dla jednego elementu g Rozkład intensywności od jednego elementu I g g* a rozkład pola ( kp) FT [ G ( x) ] g G (x) rozkład pola w jednym elemencie siatki ( x) V exp[ ib cos( qx) ] G ( kp) VFT { exp[ ib cos( qx) ] } V exp[ ib cos( qx) ] exp( ikpx) dx Dla prostoty zostawia się p a nie sin m w obszarze długości fali V amplituda fali padającej q π - kołowa liczba falowa b k n D s - głębokość modulacji fazowej

Wyznaczenie pola dla jednego elementu g ( kp) V exp[ ib cos( qx) ] exp( ikpx) dx Po podstawieniu t x qx π kpx π p π t p t π V g( p) exp( ib cos t) exp ip t dt π McLachlan: Funkcje Bessela dla inżynierów, str. 69 J m m i π π ( b) exp( ib cos t) exp( imt)dt m p więc ostatecznie ( ) m g p i V J ( b) m gdzie m p m sin ' m sin m

Dyfrakcja Ramana Natha cd t Rozkład intensywności w obrazie dyfrakcyjnym danym przez falę akustyczną oświetloną wiązką gaussowską o średnicy przewężenia w I ( p) I J ( b) exp p m kw m, ± 1,,.. m ± Rozkład gaussowski dla każdego rzędu m 1 J Modulacja rzędów przez zmianę głębokości modulacji b Sterowanie intensywnością poszczególnych rzędów zmianą mocy fali akustycznej J 1.45 J J 3 b

Dyfrakcja Ramana-Natha cd obrazy dla dwóch wartości b I b1.3 m - m -1 m m1 m p I b.1 m - m -1 m m1 m p

Dyfrakcja Ramana-Natha fala biegnąca wiązka lasera x biegnąca fala D s Dotychczasowe rozważania dotyczyły rozkład pola za ośrodkiem w chwili t Jeżeli V(x,) rozkład pola za siatką w chwili t V ( x, t) V( x v t,) v a prędkość fali akustycznej Pole V(x,) generuje pole V (p) V ( p) FT [ V( x,) ] Ponieważ gdy F( ω) FT [ f ( x) ] FT [ ( x x )] exp( iωx ) F( ω) f V ( p, t) V ( p,) exp( ikpv t) a a

Dyfrakcja Ramana-Natha fala biegnąca cd V ( p, t) V ( p,) exp( ikpv t) a Biegnąca fala zmienia rozkład fazy w polu dyfrakcyjnym siatki nie zmienia rozkładu intensywności Prędkość fali akustycznej v a f a f a częstotliwość fali Przesunięcie fazy w rzędach m ϕ m kp m v a t π mf a t πmf a t jest proporcjonalne do częstotliwości fali akustycznej f a i numeru rzędu m

s s Akustyczna fala stojąca Dwie fale akustyczne o tych samych częstotliwościach kołowych Ω amplitudach S propagujące się przeciwbieżnie ( x, t) S cos( Ωt qx) ( x, t) S cos( Ωt qx) s s + Wynik interferencji ( x, t) S cos( qx) cos( Ωt) ss rozkład strzałek i węzłów x 4S oscylacje w czasie węzeł strzałka

Dyfrakcja Ramana-Natha fala stojąca x D s zwierciadło akustyczne ( x, t) S cos( qx) cos( Ωt) ss wiązka lasera generator fali akustycznej ( x, t) n n cos( qx) cos( t) n Ω W strzałkach cos ( qx) 1 oscylacje n między n - n a n + n a więc i lokalne oscylacje fazy dla fali optycznej między b max i -b max n pn b max 3 S k n D s p stała fotoelastyczna D s. szerokość wiązki akustycznej

Dyfrakcja Ramana-Natha fala stojąca ( x, t) S cos( qx) cos( Ωt) ss W chwilach t t, kiedy cos( Ω t ) n( x, t ) n nie ma struktury siatki dyfrakcyjnej ( x, t) n n cos( qx) cos( t) n Ω pozostaje tylko rząd m o maksymalnej intensywności Ogólnie oscylacje intensywności w poszczególnych rzędach z częstotliwością f a dla dużych wartości b max z uwagi na zmienność J m (b) o dość skomplikowanym charakterze Skoki fazy w rzędach o πm dla cos( Ωt) > ϕ kp m πm dla cos( Ωt) <

Dyfrakcja Bragga D s x Objętościowa fala akustyczna Wynik interferencji fal odbitych? Fala padająca x Podział obszaru fali na nieskończenie cienkie warstwy x generator fali akustycznej Niewielka zmiana współczynnika załamania w warstwie Upraszczające założenia pomijalne straty fali propagującej się wewnątrz ośrodka na każdą warstwę pada fala o tej samej intensywności

x Dyfrakcja Bragga cd Różnica faz między promieniami odbitymi ϕ kx sin L x x Oznaczając przez dr przyrost amplitudowego współczynnika odbicia na grubości dx cały amplitudowy współczynnik L dr dx ( ikx sin ) dx r exp Poprawka fazowa między warstwami x a x

Dyfrakcja Bragga cd L dr dx ( ikx sin ) dx r exp Po scałkowaniu Wielkość dr/dx wyznacza się ze wzorów Fresnela amplitudowy współczynnik odbicia od całej siatki q n 1 sin.5i Lsinc L exp Ω sin n π r L - długość fali światła n.5pn 3 S ( i t) - długość fali akustycznej fali L szerokość wiązki propagującej się przez ośrodek S amplituda fali akustycznej p stała fotoelastyczna

Dyfrakcja Bragga cd q n 1 sin.5i Lsinc L exp Ω sin n π r Kąt Bragga B max(sinc) ( i t) sin B Dla szkła flintowego (n 1.95) prędkość fali akustycznej v s 3 km/s Dla częstotliwości fali akustycznej f a 4 MHz Dla.633 µm /n.35 µm B 7.45 Bardzo mały kąt vs 75 µ m f Wiązka światła pada niemal prostopadle do kierunku propagacji fali akustycznej a

Dyfrakcja Bragga cd Współczynnik odbicia fali dla kąta Bragga B B B B B L n n k L n n sin q.5 r r R π π k q sin B gdyż ( ) [ ] L k sinc R R B B gdyż kąty i B są małe Wartości kątów B dla znaczących wartości współczynnika odbicia R niewiele się różnią od B i można wtedy napisać π L sin 1 sinc R R B ( ) [ ] L sin sin k sinc R B B

Szerokość kąta Bragga R R sinc [ k( ) L] B B sinc x Pierwsze zero funkcji sinc spełnia zależność k ( ) L π B δ B L -π π x Ponieważ L >> więc szerokość kąta Bragga jest skrajnie mała Dla L 3mm i jak poprzednio.35 µm (czerwona linia He-Ne w szkle) wówczas δ Podobny warunek do selektywności hologramów

Konsekwencje małej szerokość kąta Bragga Stosując różną częstotliwość f a fali akustycznej można uzyskać różne położenia wiązki ugiętej - skanowanie Fala świetlna Generator fali akustycznej ugięta Fala akustyczna Prawo odbicia ' wymaga jednak jednoczesnej zmiany kąta padania gdyż szerokość kąta Bragga δ jest mała

Konsekwencje małej szerokość kąta Bragga δ Ze zbieżnej wiązki światła o kącie zbieżności komórka akustooptyczna wybiera tylko część o kącie rozbieżności δ wiązki padającej Straty mocy wiązki świetlnej δ <<

Konsekwencje małej szerokość kąta Bragga a u Generator akustycznej fali sferycznej Sferyczna fala akustyczna tworzy zbiór fal płaskich o kącie rozbieżności a Dla a > u Cała padająca wiązka światła zostanie ugięta Zakres kątowego skanowania s a -

x Dopplerowskie przesunięcie częstotliwości Σ z Rozkład amplitud na czole Σ fali ugiętej Rozkład amplitud na czole Σ fali padającej ( i t) V V exp ω Σ Amplitudowy współczynnik odbicia fali ugiętej q n 1 sin.5i Lsinc π L exp t sin n r ω u ω+ Ω ν u ν + f Σ ( iω ) VΣ ' rvσ V a r r i exp iexp i ( iωt) [ ( ω + Ω) t] zmiana częstotliwości Częstotliwość fali ugiętej ν u jest przesunięta o częstotliwość f a fali akustycznej

Wpływ szerokości fali akustycznej D s Wiązka ugięta Wiązka przechodząca Moc fali ugiętej d Zmiana szerokości D s komórki akustycznej Moc fali przechodzącej Istnieje optymalna szerokość komórki akustycznej

Współczynnik odbicia modulatora Bragga amplitudowy Dla kąta Bragga B (sinc 1) i uwzględnieniu zależności n 3 3.5pn S.5pn Ia q n.5i Lsinc Ω sin n r współczynnik odbicia ugiętej fali świetlnej Liniowa zależność jest poprawna dla małych mocy I a fali akustycznej I a moc fali akustycznej R [.5( q k sin ) L] exp( i t) r r* R ( L) 4 I a Uwzględnienie faktu, że moc wiązki przechodzącej się zmniejsza prowadzi do stanu nasycenia Obszar nasycenia I a