نوروصوت‌شناسی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
تصویری از یک پراش که در آن اثر نوروصوت‌شناختی دیده می‌شود.

نوروصوت‌شناسی یا آکوستو-اپتیک (Acousto-optics) شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی برهم کنش امواج نوری و امواج صوتی و به خصوص پراش لیزر به وسیلهٔ امواج صوتی می‌پردازد.

اپتیک تاریخچه‌ای بسیار طولانی دارد: از زمان یونانیان باستان تا عصر حاضر[۱] درست مانند اپتیک، آکوستیک نیز تاریخچه‌ای طولانی دارد که به زمان یونانیان باستان باز می‌گردد.[۲] در مقابل آکوستو اپتیک علمی بسیار نوین با تاریخچه‌ای کوتاه‌است. این زمینه از علم با پیش بینی بریلوئن در مورد پراش نور بوسیلهٔ امواج صوتی منتشر شده در ماده در سال ۱۹۲۲ میالادی آغاز شد.[۳] این پیش بینی ده سال بعد توسط دبای و سیرز[۴] و همچنین لوکاس و بیکارد[۵] آزمایش و تایید شد.

مورد خاص پراش مرتبهٔ اول تحت یک زاویهٔ فرود خاص (که بریلوئن هم پیش بینی آن را کرده بود) برای اولین بار توسط ریتوف دیده شد. رامان و نث در سال ۱۹۳۷ یک مدل عمومی تر را طراحی کردند که پراش‌های مرتبهٔ بالاتر را آشکار کند. این مدل بعدها در سال ۱۹۵۶ توسط فریزو توسعه پیدا کرد. مدل وی قابل تنظیم بر مرتبهٔ پراشی مشخص بود.

اساس نوروصوت‌شناسی، تغییر ضریب شکست به خاطر حضور موج صوتی در ماده‌است. موج صوتی یک شبکهٔ ضریب شکست در ماده به وجود می‌آورد و این شبکه توسط موج نوری "دیده" می‌شود.[۶] تغییر ضریب شکست که به خاطر نوسان فشار ایجاد شده، به وسیله آثار شکست نور، بازتاب نور، تداخل و پراش قابل شناسایی است.[۷]

آکوستو اپتیک[ویرایش]

آکوستو اپتیک شاخه ای از فیزیک است که به بررسی برهم کنش امواج نوری و امواج صوتی و به خصوص پراش لیزر به وسیله ی امواج صوتی می پردازد.

مقدمه

اپتیک تاریخچه ای بسیار طولانی دارد: از زمان یونانیان باستان تا عصر حاضر[۸] درست مانند اپتیک، آکوستیک نیز تاریخچه ای طولانی دارد که به زمان یونانیان باستان باز می گردد. [۹] در مقابل آکوستو اپتیک علمی بسیار نوین با تاریخچه ای کوتاه است. این زمینه از علم با پیش بینی]]بریلوئن[[در مورد پراش نور بوسیله ی امواج صوتی منتشر شده در ماده در سال 1922 میالادی آغاز شد.[۱۰] این پیش بینی ده سال بعد توسط دبای و سیرز[۱۱] و همچنین لوکاس و بیکارد[۱۲] آزمایش و تایید شد.

مورد خاص پراش مرتبه ی اول تحت یک زاویه ی فرود خاص (که بریلوئن هم پیش بینی 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 پراش های مرتبه ی بالاتر را آشکار کند. این مدل بعد ها در سال 1956 توسط فریزو توسعه پیدا کرد. مدل وی قابل تنظیم بر مرتبه ی پراشی مشخص بود.

اساس آکوستو اپتیک، تغییر ضریب شکست به خاطر حضور موج صوتی در ماده است. موج صوتی یک شبکه ی ضریب شکست در ماده به وجود می آورد و این شبکه توسط موج نوری "دیده" می شود. [۱۳] تغییر ضریب شکست که به خاطر نوسان فشار ایجاد شده، به وسیله آثار شکست نور، بازتاب نور، تداخل و پراش قابل شناسایی است. [۱۴]

تئوری اثر آکوستو اپتیکی در واقع حالت خاصی از فوتوالاستیسیته (تغییر در ضریب گذر دهی الکتریکی به خاطر کشش مکانیکی) است. فوتوالاستیسیته یعنی تغییر مولفه های ضریب شکست B_i به خاطر کشش مکانیکیa_j [۱۵]

(1) \ \Delta B_i = p_{ij} a_j, \,

که p_ij تانسور فوتو الاستیک است i,j=1,2,...,6

در مورد خاص آکوستواوپتبک کشش مکانیکی به خاطر موج صوتی منتشر شده در محیط شفاف ایجاد می شود که همین موضوع ضریب شکست را تغییر می دهد. اگر موج صوتی موج تخت و با راستای انتشار z باشد داریم: [۱۶]

(2) \ n(z,t)=n+\Delta n \cos (\omega t - kz), \,

و

(3) \ \Delta n = - \frac{1}{2}n^3p_{ij} a_j,

ضریب شکست رابطه ی 2 یک توری پراش می سازد که با سرعت صوت حرکت می کند. نوری که از این توری عبور کند یک الگوی پراش می سازد. رابطه ی این الگو به شکل زیر است: [۱۷]

(4) \ \Lambda \sin (\theta_m) = m\lambda,\,

که در آن m مرتبه ی پراش و Lambda طول موج صوت است.

ابزارهای الکترو اپتیکی[ویرایش]

ابزار های آکوستو اپتیکی شامل سه گروه زیر هستند:

1- مدولاتور الکترو اپتیکی

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

یک راه ساده برای مدوله کردن پرتوی اپتیکی عبور نور از محیطی است که در آن موج صوتی به طور متناوب روشن و خاموش شود. وقتی صوت خاموش باشد زاویه ی پراش صفر و نور بی تغییر است. با روشن شدن صوت پراش رخ می دهد و شدت صوت در زوایای پراش افزایش ی یابد. با ثابت نگاه داشتن فرکانس صوتی و تغییر در توان مولد صوت می توان 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 می کند. برای همین پرتوی نوری را تا حد ممکن باریک می کنند. باریک ترین پرتوی نوری ممکن را حد پهنای باند می نامند. [۱۸]

2- فیلتر های الکترو اپتیکی

رابطه ی 4 ارتباطی را میان طول موج صوتی و طول موج نوری نشان می دهد. در واقع پرتوی نوری تابیده شده، اگر دارای تعداد زیادی طول موج باشد فقط در طول موج های خاصی پراکنده می شود. مابقی طول موج ها فیلتر خواهند شد. [۱۹]

3- منحرف کننده های الکترو اپتیکی

با ایجاد یک تغییر در فرکانس صوت می توان تغییر زاویه ای در پرتوی نوری ایجاد کرد. این تغییر از رابطه ی زیر پیروی می کند. [۲۰]

 (5) \ \Delta \theta_d = \frac{\lambda}{\nu}\Delta f

از این خاصیت در ساخت منحرف کننده ها استفاده می کنند.

منابع[ویرایش]

  1. Taylor, L.S.. "Optics Highlights: 1. Ancient History"
  2. "The History of Acoustics". Archived from the original on 3 July 2007. Retrieved 2007-08-07.
  3. Brillouin, L. (1922). "Diffusion of Light and X-rays by a Transparent Homogeneous Body". Ann. Phys. (Paris) 17: 88–122
  4. Debye, P. ; Sears, F.W. (1932). "On the scattering of light by supersonic waves". Proc. Nat. Acad. Sci. USA 18 (6): 409–414. Bibcode 1932PNAS...18..409D
  5. Lucas, R. ; Biquard, P. (1932). "Optical properties of solid and liquid medias subjected to high-frequency elastic vibrations". Journal Phys
  6. Gal, M. (2005). Modulation and switching of light. Lecture Notes on Optoelectronics. The University of New South Wales.
  7. Scruby, C.B. ; Drain, L.E. (January 1, 1990). Laser Ultrasonics: Techniques and Applications. Taylor & Francis
  8. Taylor, L.S.. "Optics Highlights: 1. Ancient History"
  9. "The History of Acoustics". Archived from the original on 3 July 2007. Retrieved 2007-08-07.
  10. Brillouin, L. (1922). "Diffusion of Light and X-rays by a Transparent Homogeneous Body". Ann. Phys. (Paris) 17: 88–122
  11. Debye, P.; Sears, F.W. (1932). "On the scattering of light by supersonic waves". Proc. Nat. Acad. Sci. USA 18 (6): 409–414. Bibcode 1932PNAS...18..409D
  12. Lucas, R.; Biquard, P. (1932). "Optical properties of solid and liquid medias subjected to high-frequency elastic vibrations". Journal Phys
  13. Gal, M. (2005). Modulation and switching of light. Lecture Notes on Optoelectronics. The University of New South Wales.
  14. Scruby, C.B.; Drain, L.E. (January 1, 1990). Laser Ultrasonics: Techniques and Applications. Taylor & Francis
  15. a b c d e "Acousto-optic effect". Retrieved 2007-08-07.
  16. a b c d e "Acousto-optic effect". Retrieved 2007-08-07.
  17. Scruby, C.B.; Drain, L.E. (January 1, 1990). Laser Ultrasonics: Techniques and Applications. Taylor & Francis. ISBN 978-0-7503-0050-6
  18. Simcik, J.. "ELECTRO-OPTIC AND ACOUSTO-OPTIC DEVICES". Archived from the original on 2004-10-18. Retrieved 2004-10-28.
  19. a b c d e "Acousto-optic effect: Filters". Retrieved 2007-08-07.
  20. "Acousto-optic effect: Deflector". Retrieved 2007-08-07.