acústica-óptica

La acustoóptica es una rama de la física que estudia las interacciones entre las ondas sonoras y las ondas luminosas, especialmente la difracción de la luz láser por ultrasonidos (o sonido en general) a través de una rejilla ultrasónica .

En general, los efectos acustoópticos se basan en el cambio del índice de refracción de un medio debido a la presencia de ondas sonoras en dicho medio. Las ondas sonoras producen una red de índice de refracción en el material, y es esta red la que es "vista" por la onda de luz. ^{[ 1 ]} Estas variaciones en el índice de refracción, debidas a las fluctuaciones de presión, pueden detectarse ópticamente mediante efectos de refracción, difracción e interferencia; ^{[ 2 ]} también puede utilizarse la reflexión.

El efecto acustoóptico se utiliza ampliamente en la medición y el estudio de ondas ultrasónicas. Sin embargo, el área de interés principal en constante crecimiento se centra en los dispositivos acustoópticos para la deflexión, modulación , procesamiento de señales y desplazamiento de frecuencia de haces de luz. Esto se debe a la creciente disponibilidad y el mejor rendimiento de los láseres , que han facilitado la observación y medición del efecto acustoóptico. Los avances técnicos tanto en el crecimiento de cristales como en los transductores piezoeléctricos de alta frecuencia han aportado valiosos beneficios a la mejora de los componentes acustoópticos.

Además de las aplicaciones actuales, la acustoóptica presenta interesantes posibilidades de aplicación. Puede utilizarse en ensayos no destructivos , monitorización del estado estructural y aplicaciones biomédicas , donde la generación óptica y la medición óptica de ultrasonidos proporcionan un método de obtención de imágenes sin contacto.

La óptica tiene una historia muy larga y completa, desde la antigua Grecia , pasando por el Renacimiento y la época moderna. ^{[ 3 ]} Al igual que la óptica, la acústica tiene una historia de duración similar, que también comienza con los antiguos griegos. ^{[ 4 ]} En contraste, el efecto acustoóptico tiene una historia relativamente corta, que comienza con la predicción de Brillouin sobre la difracción de la luz por una onda acústica que se propaga en un medio de interacción, en 1922. ^{[ 5 ]} Esto fue confirmado experimentalmente en 1932 por Debye y Sears , ^{[ 6 ]} y también por Lucas y Biquard. ^{[ 7 ]}

El caso particular de difracción de primer orden, bajo un cierto ángulo de incidencia (también predicho por Brillouin), fue observado por Rytow en 1935. Raman y Nath (1937) diseñaron un modelo ideal general de interacción que considera varios órdenes. Este modelo fue desarrollado por Phariseau (1956) para la difracción, incluyendo solo un orden de difracción.

El efecto acustoóptico es un caso específico de fotoelasticidad , donde hay un cambio en la permitividad de un material ,${\displaystyle \varepsilon }$, debido a una tensión mecánica${\displaystyle a}$La fotoelasticidad es la variación de los coeficientes de la indicatriz óptica.${\displaystyle B_{i}}$causado por la tensión${\displaystyle a_{j}}$dado por, ^{[ 8 ]}

${\displaystyle (1)\ \Delta B_{i}=p_{ij}a_{j},\,}$

dónde${\displaystyle p_{ij}}$es el tensor fotoelástico con componentes,${\displaystyle i}$,${\displaystyle j}$= 1,2,...,6.

Específicamente en el efecto acustoóptico, las tensiones${\displaystyle a_{j}}$son resultado de la onda acústica que se ha excitado dentro de un medio transparente . Esto da lugar a la variación del índice de refracción. Para una onda acústica plana que se propaga a lo largo del eje z, el cambio en el índice de refracción se puede expresar como ^{[ 8 ].}

${\displaystyle (2)\ n(z,t)=n_{0}+\Delta n\cos(\Omega t-Kz),\,}$

dónde${\displaystyle n_{0}}$es el índice de refracción no perturbado,${\displaystyle \Omega }$es la frecuencia angular ,${\displaystyle K}$es el número de onda de la onda acústica, y${\displaystyle \Delta n}$es la amplitud de variación en el índice de refracción generada por la onda acústica, y se da como, ^{[ 8 ]}

${\displaystyle (3)\ \Delta n=-{\frac {1}{2}}\sum _{j}n_{0}^{3}p_{zj}a_{j},}$

El índice de refracción generado, (2), produce una red de difracción que se mueve con la velocidad dada por la velocidad de la onda sonora en el medio. La luz que luego pasa a través del material transparente se difracta debido a este índice de refracción generado, formando un patrón de difracción prominente . Este patrón de difracción corresponde con una red de difracción convencional en ángulos${\displaystyle \theta _{n}}$desde la dirección original, y viene dada por, ^{[ 2 ]}

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

dónde${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda de la onda óptica,${\displaystyle \Lambda }$es la longitud de onda de la onda acústica y${\displaystyle m}$es el máximo de orden entero.

La luz difractada por una onda acústica de una sola frecuencia produce dos tipos de difracción distintos: la difracción de Raman-Nath y la difracción de Bragg .

La difracción de Raman-Nath se observa con frecuencias acústicas relativamente bajas, típicamente menores de 10  MHz, y con una pequeña longitud de interacción acustoóptica, ℓ, que suele ser menor de 1  cm. Este tipo de difracción ocurre en un ángulo de incidencia arbitrario,${\displaystyle \theta _{0}}$.

En contraste, la difracción de Bragg ocurre a frecuencias acústicas más altas, generalmente superiores a 100  MHz. El patrón de difracción observado generalmente consta de dos máximos de difracción; estos son el orden cero y el primer orden. Sin embargo, incluso estos dos máximos solo aparecen en ángulos de incidencia definidos cercanos al ángulo de Bragg.${\displaystyle \theta _{B}}$El máximo de primer orden o máximo de Bragg se forma debido a una reflexión selectiva de la luz de los frentes de onda de la onda ultrasónica. El ángulo de Bragg viene dado por la expresión, ^{[ 8 ]}

${\displaystyle (5)\ \sin \theta _{B}=-{\frac {\lambda f}{2n_{i}\nu }}\left[1+{\frac {\nu ^{2}}{\lambda ^{2}f^{2}}}\left(n_{i}^{2}-n_{d}^{2}\right)\right],}$

dónde${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda de la onda de luz incidente (en el vacío),${\displaystyle f}$es la frecuencia acústica,${\displaystyle v}$es la velocidad de la onda acústica,${\displaystyle n_{i}}$es el índice de refracción para la onda óptica incidente, y${\displaystyle n_{d}}$es el índice de refracción de las ondas ópticas difractadas.

En general, no existe un punto en el que la difracción de Bragg reemplace a la difracción de Raman-Nath. Simplemente es un hecho que, a medida que aumenta la frecuencia acústica, el número de máximos observados se reduce gradualmente debido a la selectividad angular de la interacción acustoóptica. Tradicionalmente, el tipo de difracción, Bragg o Raman-Nath, está determinado por las condiciones${\displaystyle Q\gg 1}$y${\displaystyle Q\ll 1}$respectivamente, donde Q viene dado por, ^{[ 8 ]}

${\displaystyle (6)\ Q={\frac {2\pi \lambda \ell f^{2}}{n\nu ^{2}}},}$

Este parámetro se conoce como parámetro de Klein-Cook. Dado que, en general, solo se utiliza el máximo de difracción de primer orden en los dispositivos acustoópticos, la difracción de Bragg es preferible debido a sus menores pérdidas ópticas. Sin embargo, los requisitos acustoópticos para la difracción de Bragg limitan el rango de frecuencias de la interacción acustoóptica. En consecuencia, la velocidad de operación de los dispositivos acustoópticos también se ve limitada.

Todos los materiales presentan el efecto acustoóptico. La sílice fundida se utiliza como estándar de comparación al medir los coeficientes fotoelásticos. El niobato de litio se usa frecuentemente en dispositivos de alta frecuencia. Los materiales más blandos, como _el trisulfuro de arsénico , el dióxido de telurio y los vidrios de telurita , _el silicato de plomo , _el Ge₅₅As₁₂S₃₃ , el cloruro de mercurio(I) y el bromuro de plomo(II) , con ondas acústicas lentas , permiten crear dispositivos de alta eficiencia a bajas frecuencias y ofrecen alta resolución.

• Modulador acustoóptico
• deflector acustoóptico
• óptica no lineal
• Sonoluminiscencia
• difracción de Schaefer-Bergmann