نوروصوت‌شناسی

آکوستو اپتیک شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی برهم کنش امواج نوری و امواج صوتی و به خصوص پراش لیزر به وسیلهٔ امواج صوتی می‌پردازد.

مقدمه

اپتیک تاریخچه‌ای بسیار طولانی دارد: از زمان یونانیان باستان تا عصر حاضر درست مانند اپتیک، آکوستیک نیز تاریخچه‌ای طولانی دارد که به زمان یونانیان باستان باز می گردد. در مقابل آکوستو اپتیک علمی بسیار نوین با تاریخچه‌ای کوتاه است. این زمینه از علم با پیش‌بینیبریلوئندر مورد پراش نور بوسیلهٔ امواج صوتی منتشر شده در ماده در سال 1922 میالادی آغاز شد. این پیش‌بینی ده سال بعد توسط دبای و سیرز و همچنین لوکاس و بیکارد آزمایش و تأیید شد.

مورد خاص پراش مرتبهٔ اول تحت یک زاویهٔ فرود خاص (که بریلوئن هم پیش‌بینی آن را کرده بود) برای اولین بار توسط ریتوف دیده شد. رامان و نث در سال 1937 یک مدل عمومی تر را طراحی کردند که پراش‌های مرتبهٔ بالاتر را آشکار کند. این مدل بعدها در سال 1956 توسط فریزو توسعه پیدا کرد. مدل وی قابل تنظیم بر مرتبهٔ پراشی مشخص بود.

اساس آکوستو اپتیک، تغییر ضریب شکست به خاطر حضور موج صوتی در ماده است. موج صوتی یک شبکهٔ ضریب شکست در ماده به وجود می‌آورد و این شبکه توسط موج نوری "دیده" می‌شود. تغییر ضریب شکست که به خاطر نوسان فشار ایجاد شده، به وسیله آثار شکست نور، بازتاب نور، تداخل و پراش قابل شناسایی است.

تئوری اثر آکوستو اپتیکی در واقع حالت خاصی از فوتوالاستیسیته (تغییر در ضریب گذر دهی الکتریکی به خاطر کشش مکانیکی) است. فوتوالاستیسیته یعنی تغییر مؤلفه‌های ضریب شکست ${\displaystyle B_i}$

${\displaystyle (1)\mathrm{\Delta }{B}_i=p_{ij}{a}_j,}$

که ${\displaystyle p_{i}j}$

در مورد خاص آکوستواوپتبک کشش مکانیکی به خاطر موج صوتی منتشر شده در محیط شفاف ایجاد می‌شود که همین موضوع ضریب شکست را تغییر می‌دهد. اگر موج صوتی موج تخت و با راستای انتشار z باشد داریم:

${\displaystyle (2)n(z,t)=n+\mathrm{\Delta }n\cos (\omega t-kz),}$

و

${\displaystyle (3)\mathrm{\Delta }n=-\frac{1}{2}{n}^3{p}_{ij}{a}_j,}$

ضریب شکست رابطهٔ 2 یک توری پراش می‌سازد که با سرعت صوت حرکت می‌کند. نوری که از این توری عبور کند یک الگوی پراش می‌سازد. رابطهٔ این الگو به شکل زیر است:

${\displaystyle (4)\mathrm{\Lambda }\sin ({\theta }_m)=m\lambda ,}$

که در آن m مرتبهٔ پراش و ${\displaystyle Lambda}$

ابزارهای آکوستو اپتیکی شامل سه گروه زیر هستند:

1- مدولاتور آکوستو اپتیکی

با تغییر پارامترهای موج صوتی مانند دامنه، فاز، فرکانس، و قطبش می‌توان خواص موج نوری را مدوله کرد. برهمکنش نور و صوت همچنین امکان مدوله کردن زمانی و فضایی موج نوری را فراهم می‌آورد.

یک راه ساده برای مدوله کردن پرتوی اپتیکی عبور نور از محیطی است که در آن موج صوتی به‌طور متناوب روشن و خاموش شود. وقتی صوت خاموش باشد زاویهٔ پراش صفر و نور بی تغییر است. با روشن شدن صوت پراش رخ می‌دهد و شدت صوت در زوایای پراش افزایش ی یابد. با ثابت نگاه داشتن فرکانس صوتی و تغییر در توان مولد صوت می‌توان این ابزار را به یک مدولاتور آکوستواپتیکی تبدیل نمود. در طراحی مدولاتور باید به نحوی عمل کرد که ماکزیمم شدت نور در پرتوی پراشیده رخ بدهد. مدت زمانی که طول می کشد صوت از ماده عبور کند نیز محدودیتی بر سرعت سوییچ کردن تحمیل می‌کند. برای همین پرتوی نوری را تا حد ممکن باریک می‌کنند. باریک‌ترین پرتوی نوری ممکن را حد پهنای باند می نامند.

2- فیلتر‌های آکوستو اپتیکی

رابطهٔ 4 ارتباطی را میان طول موج صوتی و طول موج نوری نشان می‌دهد. در واقع پرتوی نوری تابیده شده، اگر دارای تعداد زیادی طول موج باشد فقط در طول موج‌های خاصی پراکنده می‌شود. مابقی طول موج‌ها فیلتر خواهند شد.

3- منحرف‌کننده‌های آکوستو اپتیکی

با ایجاد یک تغییر در فرکانس صوت می‌توان تغییر زاویه‌ای در پرتوی نوری ایجاد کرد. این تغییر از رابطهٔ زیر پیروی می‌کند.

${\displaystyle (5)\mathrm{\Delta }{\theta }_d=\frac{\lambda }{\nu }\mathrm{\Delta }f}$

از این خاصیت در ساخت منحرف‌کننده‌ها استفاده می‌کنند.