מאפנן אקוסטו-אופטי

מאפנן אקוסטו-אופטי (AOM), הנקרא גם תא בראג או מסיט אלומה אקוסטו-אופטי, משתמש באפקט האקוסטו-אופטי כדי לעקוף ולהעביר את תדר האור באמצעות גלי קול (בדרך כלל בתדר רדיו). המאפננים משמשים בלייזרים עבור מיתוג Q, בתחום טלקומוניקציה עבור אפנון אותות, ובספקטרוסקופיה לבקרת תדר. מתמר פיזואלקטרי מחובר לחומר כמו זכוכית. אות חשמלי מתנודד דוחף את המתמר לרטוט, וליצור גלי קול בחומר. ניתן לחשוב על הגלים כמישורים מחזוריים נעים של התפשטות ודחיסה המשנים את מקדם השבירה. האור הנכנס מתפזר (ראה פיזור ברילואן) מהאפנון המחזורי של האינדקס המתקבל וההפרעה מתרחשת בדומה לפיזור בראג. ניתן להתייחס לאינטראקציה כתהליך ערבוב של שלושה גלים הגורם לייצור תדר סכום או יצירת תדר הבדל בין פונונים ופוטונים.

מאפנן אקוסטו-אופטי מורכב ממתמר פיזואלקטרי היוצר גלי קול בחומר, למשל זכוכית או קוורץ. אלומת אור מפוזרת למספר סדרים. על ידי רטט של החומר בתנודת סינוס טהורה והטיית המאפנן האור משתקף על ידי גלי הקול השטוחים אל סדר העקיפה הראשון, וניתן להשיג עד 90% יעילות סטייה.

עקרונות הפעולה

מאפנן טיפוסי מציית לתנאי בראג, שבו האור הנובע מגיע בזווית בראג $\theta _{B}\approx \sin \theta _{B}={\frac {\lambda }{2n\Lambda }}$ מהניצב של התפשטות גל הקול. Λ הוא אורך הגל של גל הקול, λ הוא אורך הגל של גל האור, ו-n הוא מקדם השבירה של הגביש.

השרטוט מסביר את תנאי בראג. לסדר 1+ יש שינוי תדר חיובי בהשוואה לאור הנכנס; לסדר ה-0 יש תדירות זהה לאור הנכנס. התזוזה הרוחבית המינורית בסדר 0 בהשוואה לאור הנכנס מייצגת את השבירה בתוך הגביש.

עקיפה

כאשר אלומת האור הנכנסת נמצאת בזווית בראג, נוצרת תבנית עקיפה שבה מתרחש סדר של אלומה מפורקת בכל זווית θ המספקת:

$2\Lambda \sin \theta =m{\frac {\lambda }{n}}$

כאשר m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... הוא סדר הדיפרקציה, $\lambda$ הוא אורך הגל של האור בוואקום, $n$ הוא מקדם השבירה של החומר הגבישי (למשל קוורץ), ו- $\Lambda$ הוא אורך הגל של גל הקול. ${\frac {\lambda }{n}}$ עצמו הוא אורך הגל של האור בחומר. שימו לב שסדר m = 0 נע באותו כיוון של האלומה הפוגעת, ויוצא בזווית בראג מהאנך של התפשטות גל הקול.

עקיפה מאפנון סינוסואידיאלי בגביש דק מביאה לרוב לסדרי עקיפהm = −1, 0, 1+ . עקיפה מדורגת בגבישים בעובי בינוני מובילה לסדרים גבוהים יותר של עקיפה. בגבישים עבים עם אפנון חלש, יש עקיפה רק לסדרים המקיימים התאמת פזות, בתור עקיפת בראג. הסטייה הזוויתית יכולה לנוע בין 1 ל-5000 רוחבי אלומה (מספר הנקודות הניתנות לפתרון). כתוצאה מכך, הסטייה מוגבלת בדרך כלל לעשרות מילירידיאנים .

ההפרדה הזוויתית בין סדרים סמוכים היא פי שניים מזווית בראג, כלומר $\Delta \theta \approx {\frac {\lambda }{n\Lambda }}$ .

עָצמָה

כמות האור המופצת על ידי גל הקול תלויה בעוצמת הקול. לפיכך, ניתן להשתמש בעוצמת הצליל כדי לווסת את עוצמת האור בקרן המפוזרת. בדרך כלל, ניתן לשנות את העוצמה המפוזרת לתוך m =0 בין 15% ל-99% מעוצמת האור הנכנס. כמו כן, עוצמת הפיזור לסדר m = 1 יכולה להשתנות בין 0% ל-80% מעוצמת האור הנכנס.

ביטוי ליעילות ב- m = סדר 1+ הוא:

$\eta =I_{1}/I={\text{sin}}{}^{2}(\Delta \phi /2)$

שבו סטית הפזה החיצונית היא $\Delta \phi ={\frac {\pi }{\lambda }}{\sqrt {2\left({\frac {L}{H}}\right)M_{2}P}}$ .

כלומר, כדי להשיג את אותה יעילות עבור אורך גל שונה, הספק המאפנן בתחום תדרי הרדיו צריך להיות מתכונתי לריבוע של אורך הגל של האלומה האופטית. לכן, כאשר מתחילים בהספק גבוה P, הוא עשוי להיות גבוה מהשיא הראשון בפונקציה בריבוע הסינוס, ובמקרה זה ככל שנגדיל את P, נשתקע בשיא השני עם הספק RF גבוה מאוד, המוביל להגברת יתר של האפנון ולנזק פוטנציאלי לגבי של או לרכיבים אחרים. כדי למנוע בעיה זו, יש להתחיל תמיד עם הספק נמוך מאוד, ולאט לאט להגביר אותו כדי להתייצב בשיא הראשון.

ישנן שתי תצורות העונות על תנאי בראג: אם מרכיב וקטור הגל של האלומה המתרחשת על כיוון ההתפשטות של גל הקול מתקדם נגד גל הקול, תהליך עקיפה/פיזור של בראג יביא ליעילות מרבית לסדר m = +1, בעל שינוי תדר חיובי. לעומת זאת, אם האלומה הפוגעת מתקדמת עם גל הקול, מושגת יעילות העקיפה המקסימלית בסדר m = -1, סדר עם היסט תדר שלילי.

תדירות

בניגוד לעקיפת בראג, האור מתפזר ממישורים נעים. כתוצאה מכך התדירות של האלומה המפוזרת f בסדר m יוסט הסטת דופלר בכמות השווה לתדר של גל הקול F .

$f\rightarrow f+mF$

ניתן להבין את שינוי התדר הזה גם על ידי העובדה שאנרגיה ומומנטום (של הפוטונים והפונונים ) נשמרים בתהליך הפיזור. שינוי תדר טיפוסי משתנה מ-27 מגהרץ, עבור מאפנן זול יחסית, ל-1 גיגה הרץ עבור מאפנן מסחרי חדיש. בחלק מהמאפננים, שני גלים אקוסטיים נעים בכיוונים מנוגדים בחומר, ויוצרים גל עומד. במקרה זה הספקטרום של האלומה המפוזרת מכיל הזזות תדר מרובות, כולן כפולות שלמים של תדר גל הקול.

פזה

הפזה של הקרן העוקפת משתנה על ידי הפזה של גל הקול. הפזה יכולה להשתנות באופן שרירותי.

קיטוב

גלים אקוסטיים רוחביים או גלים אקוסטיים אורכיים מאונכים יכולים לשנות את הקיטוב. הגלים האקוסטיים גורמים לשינוי פאזה בשבירה כפולה, בדומה לזו של תא פוקל . המסנן האקוסטו-אופטי המתכוונן, במיוחד המסנוור, אשר יכול ליצור צורות פולסים משתנות, מבוסס על עיקרון זה.

נעילת אופן תנודה

מאפננים אקוסטו-אופטיים מהירים הרבה יותר מהתקנים מכניים טיפוסיים כמו מראות הניתנות להטיה. הזמן שלוקח למאפנן אקוסטו-אופטי להעביר את האלומה היוצאת פנימה מוגבל בערך לזמן המעבר של גל הקול על פני האלומה (בדרך כלל 5 עד 100 ננו-שניות). זה מהיר מספיק כדי ליצור דגימה אקטיבית בלייזר מהיר במיוחד. כאשר יש צורך בשליטה מהירה יותר, נעשה שימוש במאפננים אלקטרו-אופטיים. עם זאת, אלה דורשים מתחים גבוהים מאוד בתחום 1–10 קילו-וולט, בעוד שמאפננים אקוסטו-אופטיים מציעים טווח סטייה זוויתית גדול יותר, עיצוב פשוט וצריכת חשמל נמוכה (פחות מ-3 וואט).

יישומים

• מיתוג Q
• מגברים רגנרטיביים
• מהוד אופטי
• נעילת אופן תנודה
• מד רטט דופלר לייזר
• אפנון אור RGB לייזר להדמיה דיגיטלית של סרט צילום
• מיקרוסקופיה
• זיהוי heterodyne של מערך סינתטי
• הדמיה היפרספקטרלית

ראו גם

• אקוסטו-אופטיקה
• מטה אקוסטו-אופטי
• אפנן אלקטרו-אופטי
• תא ג'פרי
• ספקטרומטר אקוסטו-אופטי
• מסנן מתכוונן של גביש נוזלי
• פוטואלסטיות
• אפקט פוקלס
• שינוי תדר

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מאפנן אקוסטו-אופטי בוויקישיתוף

• מרכז המשאבים למיקרוסקופיה אולימפוס