Phân bố chiết suất môi trường biến điệu bởi hai sóng âm truyền vuông góc với nhau

NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
_______________________________________

NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ

HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU

PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI

PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MƠI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU
BỞI HAI SĨNG ÂM
TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

KHỐ 21

Nghệ An, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
_______________________________________

NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ

PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU
BỞI HAI SĨNG ÂM

TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU

Chun ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HỒ QUANG QUÝ

Nghệ An, 2015


LỜI CẢM ƠN

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Hồ Quang Quý,
đã định hướng và tận tình hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau
đại học, khoa vật lý và các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ, giảng dạy trong quá
trình học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đối với những quan tâm, chăm sóc
và động viên của gia đình, đồng nghiệp và các bạn học viên cao học khố 21
đã đồng hành, tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt việc học và thực hiện luận
văn.
TP.HCM, tháng 06 năm 2015
Tác giả


MỤC LỤC
Danh mục thuật ngữ viết tắt .............................................................................. 1
Danh mục hình vẽ ............................................................................................. 1

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG ÂM ............... 6
Hiệu ứng quang âm............................................................................... 6
1.1.1

Lịch sử hình thành và phát triển của hiệu ứng quang âm .............. 6

1.1.2

Hiệu ứng quang âm ........................................................................ 7

Linh kiện biến điệu quang âm ............................................................ 13
Linh kiện quét tia quang âm ............................................................... 15
Khóa quang âm ................................................................................... 17
Kết luận chương 1 .............................................................................. 20
CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI
HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU ............................... 21
Sự thay đổi chiết suất dưới tác động của hai sóng. ............................ 21
Khảo sát sự phân bố chiết suất (RID) trong mặt phẳng (x,y). ........... 22
Kết luận chương 2 .............................................................................. 32
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 34


1

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
Kí hiệu viết tắt
AO
AOM

AOML
RID
GRIN

Nghĩa của từ viết tắt
Quang âm (Acousto-optics)
Linh kiện biến điệu quang âm (Acousto-optics modulator)
Khoá mode quang âm (Acousto-optics mode locker)
Phân bố chiết suất (Refractive index distribution)
Chiết suất phân bậc (Graded index)

DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình vẽ

Hình
1.1
1.2
1.3

a. Léon Nicolas Brillouin (1889-1969); b. Venkata Raman (18881970), c. Satyendra Nath Bose (1925-1974).
Tương tác giữa sóng âm và sóng ánh sáng trong mơi trường.
Sự nén và giãn của các phân tử môi trường dưới tác động của
sóng âm.

Trang
7
9
9

1.4

Nhiễu xạ Raman-Nath.

10

1.5

Nhiễu xạ Bragg.

11

1.6

Cách tử Bragg.

11

1.7

Khúc xạ Bragg.

12

1.8

Biến điệu quang âm.

14

1.9

Khóa quang âm.

15

1.10

Hai tia lệch so với tia tới là pháp tuyến của cách tử.

15

1.11

Quét tia sáng bằng cách thay đổi tần số và hướng của sóng âm.

16

1.12

Góc qt phụ thuộc vào tần số.

16

1.13

Phân tích phổ âm.

17

2

1.14

Một số kiểu khóa.

18

1.15

Một số kiểu khóa.

18

1.16

Khóa quang – âm 4 x 4 cổng.

20

2.1

Môi trường quang âm dưới tác động của hai sóng âm truyền
vng góc nhau.

21

2.2

Sự phân bố chiết suất (RID) của Gallium Arsenide.

23

2.3

Ma trận thấu kính quang –âm trong mơi trường.

24

2.4

Một đường trịn trong vùng có kích thước  / 2   / 2 .

24

2.5

RID trong vùng có kích thước  / 2   / 2 .

25

2.6

Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Thạch Anh khi I = 5MW/m2

26

2.7

Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Gallium Phosphide khi I =

5MW/m2.

27

2.8

Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Germanium khi I = 5MW/m2.

28

2.9

Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Thạch Anh khi I = 2,5 MW/m2.

29

2.10

2.11

2.12

Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Gallium Phosphide khi I = 2,5
MW/m2.
Đồ thị biểu diễn RID của tinh thể Germanium khi I = 2,5
MW/m2.
Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của biên độ biến thiên chiết suất
trong các mơi trường theo cường độ sóng âm sử dụng.

30

31

32


3

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Quang học, cũng như âm học đã có một lịch sử hình thành và phát triển rất dài
từ thời Hy Lạp cổ đại, trải qua các thời kỳ phục hưng và thời hiện đại. Ngược lại, hiệu
ứng quang âm (acousto-optics) lại có tuổi đời khá non trẻ so với quang học và âm học.
Khởi đầu với Brillouin, ơng đã dự đốn được hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng bởi
một làn sóng âm thanh lan truyền trong môi trường tương tác, vào năm 1922. Sau đó,
điều này đã được kiểm chứng bởi thí nghiệm của Debye-Sears và Lucas-Biquard vào
năm 1932. Nói chung, hiệu ứng quang âm là sự thay đổi của chiết suất môi trường
truyền sáng do sự hiện diện của sóng âm trong mơi trường đó. Sự thay đổi này, có thể
được phát hiện qua hiện tượng khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và giao thoa.
Biến điệu quang âm (acousto optics modulation) là một hiện tượng vật lý, trong
đó, chiết suất mơi trường được biến điệu bởi sóng âm để trở thành cách tử Bragg tán
xạ ánh sáng. Linh kiện biến điệu quang âm (AOM) được sử dụng như một lăng kính
có chiết suất thay đổi. Khi đó, ánh sáng đơn sắc khúc xạ qua nó với một góc thay đổi
theo chiết suất. Trong cách tử Bragg biến điệu âm, góc khúc xạ của tia sáng phụ thuộc
vào cường độ và bước sóng của sóng âm.
Trong các linh kiện biến điệu quang âm cổ điển, sóng âm được đưa vào mơi
trường theo một chiều nhất định (cách từ Bragg 1 chiều), thực chất là biến điệu chiết
suất môi trường theo một chiều. Các linh kiện biến điệu quang âm được sử dụng trong
việc biến điệu độ phẩm chất (Q-switching), khóa mode (mode locking), hay biến điệu
năng lượng của chùm tia laser trong các máy in,...

Bài toán đặt ra, trong thiết bị quang tử, việc điều khiển tín hiệu quang trong mặt
phẳng hai chiều, tức là khóa đóng mở tín hiệu N x N cổng là rất cần thiết.


4

Khóa quang – âm 4 x 4 cổng .
Khi thay đổi tần số của sóng âm theo trục x (hoặc trục y), cột đầu ra (hoặc dòng
đầu ra) sẽ thay đổi.
Vì lý do đó, chúng tơi quyết định chọn đề tài “Khảo sát phân bố chiết suất môi
trường biến điệu bởi hai sóng âm truyền vng góc với nhau”.
2. Tổng quan về đề tài
Khảo sát phân bố chiết suất môi trường biến điệu bởi hai sóng âm truyền vng
góc với nhau nhằm giúp ích cho việc điều khiển tín hiệu quang trong mặt phẳng hai
chiều của các thiết bị quang tử.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Khảo sát được phân bố chiết suất mơi trường biến điệu bởi hai sóng âm truyền
vng góc với nhau, ảnh hưởng của một vài tham số như tần số âm (f), bước sóng âm
(Λ), cường độ âm (I0) hay hệ số đặc trưng của môi trường (M) lên phân bố chiết suất.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: chiết suất môi trường truyền sáng bị biến điệu bởi sóng âm.
Phạm vi: Đề tài này chỉ nghiên cứu trong vấn đề chiết suất môi trường biến điệu
bởi hai sóng âm truyền vng góc với nhau.
5. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng quang âm


5

1.1. Hiệu ứng quang âm

1.2. Linh kiện biến điệu quang âm
1.3. Linh kiện quét tia quang âm
1.4. Khóa quang âm
Chương 2: Phân bố chiết suất môi trường biến điệu bởi hai sóng âm truyền vng
góc với nhau
2.1. Sự thay đổi chiết suất dưới tác động của hai sóng
2.2. Khảo sát phân bố chiết suất trong mặt phẳng (x,y)
6. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp tổng hợp tài liệu và và sử dụng phương pháp đồ thị để khảo sát.


6

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG ÂM
Hiệu ứng quang âm
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hiệu ứng quang âm
Sự ra đời của các phương pháp kích thích sóng âm đơn sắc tần số cao kết hợp
với nguồn ánh sáng đơn sắc đã mở ra một lĩnh vực sáng tạo mới cho các nghiên cứu
cơ bản và ứng dụng sự tương tác giữa hai sóng đơn sắc đó. Những hiệu ứng với sự
tham gia của ánh sáng đơn sắc và sóng âm đơn sắc được gọi là hiện tượng quang âm.
Còn ngành nghiên cứu hiện tượng này là quang âm học.
Quang học, cũng như âm học đã có một lịch sử hình thành và phát triển rất dài
từ thời Hy Lạp cổ đại, trải qua các thời kỳ phục hưng và thời hiện đại. Ngược lại, hiệu
ứng quang âm lại có tuổi đời khá non trẻ so với quang học và âm học. Khởi đầu với
Brillouin, ơng đã dự đốn được hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng bởi sóng âm thanh
lan truyền trong mơi trường tương tác, vào năm 1922. Sau đó, lần đầu tiên điều này đã
được kiểm chứng bởi thí nghiệm của hai cặp đôi nhà khoa học Debye-Sears và LucasBiquard vào năm 1932. Các trường hợp đặc biệt của nhiễu xạ bậc đầu tiên, dưới một
góc tới nhất định (cũng được dự đoán bởi Brillouin) đã được quan sát bởi Row trong
năm 1935. Năm 1937, Raman và Nath đã thiết kế một mơ hình lý tưởng của tương tác
đối với nhiều bậc nhiễu xạ. Sau đó, mơ hình này được phát triển bởi Pariseau với chỉ

một bậc nhiễu xạ vào năm 1956.


7

Hình 1.1. a. Léon Nicolas Brillouin (1889-1969); b. Venkata Raman (1888-1970),
c. Satyendra Nath Bose (1925-1974).
Lúc bấy giờ, sự tương tác quang âm chỉ đơn thuần được tính tốn trên lý thuyết
và thực hiện trong mơi trường phịng thí nghiệm. Khi đó, ứng dụng của nó chỉ là đo
lường các hằng số và hệ số của âm thanh. Cho đến nay, nhờ sự ra đời của laser đã dẫn
sự phát triển vượt bậc của ngành quang âm học. Với ánh sáng laser có cường độ và
hiệu suất cao, người ta có thể thực hiện hiệu ứng quang âm dễ dàng hơn trong việc
quan sát và đo lường. Bên cạnh đó các ứng dụng của hiện tượng quang âm trong việc
định hướng, biến điệu và xử lý tín hiệu được áp dụng rộng rãi hơn trong khoa học-kỹ
thuật và đời sống.
1.1.2

Hiệu ứng quang âm
Hiệu ứng quang âm là một trường hợp riêng của hiện tượng quang đàn hồi, khi

đó, chiết của vật liệu thay bị thay đổi dưới tác dụng của sóng âm thanh. Sóng âm thanh
được kích thích trong một mơi trường trong suốt gây ra lực căng cơ học, làm các phân
tử mơi trường bị dao động. Lúc này, sóng âm có thể gây ra hiện tượng nén hoặc giãn
nồng độ trong mơi trường khí. Trong vùng mơi trường bị nén, mật độ của nó tăng lên,
do đó, chiết suất tăng lên. Ngược lại, trong vùng môi trường bị giãn, mật độ giảm đi và
kéo theo chiết suất giảm. Như vậy, chiết suất mơi trường sẽ thay đổi tuần hồn theo
bước sóng của sóng âm.


8

Hiện ứng quang âm là một trong các quá trình tán xạ ánh sáng trong tinh thể.
Nếu tần số ánh sáng trong q trình tán xạ khơng thay đổi thì gọi là tán xạ Rayleigh
hay va chạm đàn hồi giữa photon với tinh thể. Con trường hợp tần số ánh sáng truyền
qua q trình bị thay đổi thì đó là q trình tán xạ khơng đàn hồi của photon với sự
sinh ra hay hấp thụ một hay vài kích thích cơ bản của tinh thể: phonon quang, phonon
âm, polariton, magnon,…và có tên gọi chung là tán xạ tổ hợp hay tán xạ Raman. Tán
xạ photon kèm theo sự sinh ra hay hấp thụ phonon âm còn gọi là tán xạ Brillouin. Cơ
sở vật lý của hiện tượng quang âm chính là tán xạ Brillouin cưỡng bức. Trong quá trình
tán xạ Raman sự kết hợp giữa ánh sáng kích thích và ánh sáng phản xạ mất đi nhưng
chúng vẫn liên hệ chặt chẽ với nhau qua định luật bảo toàn năng xung lượng cùng các
tính chất vật lý của tinh thể và các chuẩn hạt tham gia tương tác như độ rộng vùng cấm,
hệ số quang âm, trạng thái phân cực,…Do năng lượng phonon âm là rất nhỏ so với
năng lượng photon nên q trình tán xạ ánh sáng lên sóng âm còn thường được gọi là
nhiễu xạ ánh sáng bởi sóng âm.
Biểu hiện của nhiễu xạ ánh sáng lên sóng âm bao gồm các hiện tượng đa dạng
như nhiễu xạ Raman –Nath, nhiễu xạ quang học Bragg, nhiễu xạ ánh sáng lên sóng âm
bề mặt, nhiễu xạ lên sóng âm từ. Trên cơ sở định luật bảo toàn năng xung lượng, tán
xạ Brillouin chỉ xảy ra khi nó thoả mãn điều kiện Bragg quy định sự tương quan của
góc tán xạ với xung lượng của photon và phonon âm. Từ điều kiện Bragg người ta phân
biệt hai chế độ nhiễu xạ ánh sáng lên sóng âm trong tinh thể: nhiễu xạ Bragg và nhiễu
xạ Raman-Nath. Nhiễu xạ Bragg là hiện tượng mà khi một photon sau khi nhiễu xạ bởi
một phonon âm sẽ khơng cịn nằm trong điều kiện Bragg với các phonon âm khác trong
chùm sóng âm nữa. Ngược lại nhiễu xạ Ranman-Nath là khi photon bị nhiễu xạ bởi
một phonon âm lại có thể tương tác với các phonon khác (do vẫn thoã mãn điều kiện
Bragg) mà xung lượng khơng có cùng hướng với phonon kia trong cùng một chùm
sóng âm, do đó xảy ra q trình nhiễu xạ liên tiếp. Chế độ nhiễu xạ Bragg là hiện tượng
chỉ có thể đạt được khi ta có một chùm sóng siêu âm đơn sắc với độ định hướng cao,
tương tác với ánh sáng laser. Nhiễu xạ Bragg đã và đang ngày càng có nhiều ứng dụng

9

quan trong trong kỹ thuật và thực tiễn.
Chúng ta không khẳng định ở trên rằng, trong chế độ nhiễu xạ Bragg, photon
không thể bị nhiễu xạ bởi hai hoặc nhiều phonon âm một lúc. Trong cơ học lượng tử
các quá trình nhiễu xạ ánh sáng bởi hai hay nhiều phonon âm một lúc các thể coi là các
quá trình tương tác bậc cao của tương tác ánh sáng với sóng âm trong đó các trạng thái
trung gian là các trạng thái ảo và định luật bảo toàn năng lượng cho các trạng thái trung
gian là không đúng nữa. Các quá trình bậc cao này là các quá trình quang âm phi tuyến.
Người ta đã chỉ ra rằng, trong một số trường hợp sóng siêu âm với cường độ khơng lớn
lắm có thể gây nên sự biến điệu phi tuyến của chiết suất môi trường. Trong chế độ
nhiễu xạ Bragg hiệu ứng quang âm phi tuyến dẫn đến việc nhiễu xạ ánh sáng có thể
xảy ra với các góc tới khác nhau của các ánh sáng tới, hơn nữa mặc dù hiệu suất nhiễu
xạ khơng lớn nhưng nó vẫn phụ thuộc phi tuyến vào cường độ sóng âm [9].

Hình 1.2. Tương tác giữa sóng âm và sóng ánh sáng (tương tác quang âm).

Hình 1.3. Sự nén và giãn của các phân tử mơi trường dưới tác động của sóng âm.
Giả sử, một sóng âm có vận tốc vS, tần số fS và bước sóng Λ =

𝑉𝑆
𝑓𝑆

truyền theo


10

phương Ox của mơi trường. Khi đó, chiết suất của mơi trường tại vị trí x sẽ là [1]:

n(x, t) = n − Δn0 cos(Ωt − qx)

(1.1)

Trong đó,
1

n0 = Κn2 S0

(1.2)

2

Với K là hằng số quang giảo, S0 là biên độ sóng âm, Ω =
2π
Λ

2π
f

là tần số góc, q =

là số sóng.
Đối với ánh sáng, mơi trường với chiết suất đại diện cho một cách tử pha (phase

gating) chuyển động với vận tốc âm thanh. Khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi
trường, do sự không đồng nhất của chiết suất, ánh sáng bị nhiễu xạ. Đối với sóng âm
với một tần số xác định, ánh sáng nhiễu xạ được tạo ra gồm hai loại nhiễu xạ RamanNath và nhiễu xạ Bragg.
Nhiễu xạ Raman-Nath xuất hiện khi tần số âm thanh tương đối thấp và chiều dài
tương tác quang âm 𝑙 nhỏ (f<10 MHz và 𝑙<1 cm). Đây là loại nhiễu xạ xảy ra khi ánh

sáng có góc tới tùy ý. Phổ nhiễu xạ có thể chứa nhiều bậc nhiễu xạ phân bố đối xứng
tương ứng với cường độ ánh sáng.
Ngược lại, nhiễu xạ Bragg xuất hiện khi có tần số âm thanh lớn, trên 100MHz.
Phổ nhiễu xạ chỉ bao gồm hai bậc nhiễu xạ, bậc 0 và bậc 1 [11].

Hình 1.4. Nhiễu xạ Raman-Nath.


11

Hình 1.5. Nhiễu xạ Bragg.
Vì chỉ có tối đa một nhiễu xạ được sử dụng trong các thiết bị quang âm (quy ước
là nhiễu xạ bậc đầu tiên), cho nên nhiễu xạ Bragg là thích hợp hơn cả vì sự mất mát
ánh sáng thấp hơn nhiễu xạ Raman-Nath.
Môi trường trở thành cách tử Bragg và sẽ phản xạ ánh sáng khi góc tới thỏa mãn
điều kiện Bragg sau [1]:
sin θ =

λ
Λ

(1.3)

Trong đó, λ là bước sóng của ánh sáng và Λ là bước sóng âm trong mơi trường.
Giả sử khoảng cách giữa nguồn và môi trường lớn hơn nhiều so với chiều rộng
mơi trường, khi đó, mơi trường trở thành giao thoa động có chu kỳ bằng bước sóng của
sóng âm và chuyển động cùng vận tốc sóng âm (hình 1.6).

Hình 1.6. Cách tử Bragg [1].

12

Hình 1.7. Khúc xạ Bragg.
Tóm lại, sự tương tác Bragg có bốn tính chất cơ bản [9]:
Thứ nhất là độ lệch của ánh sáng bị tán xạ. Góc lệch của chùm tia tán xạ tỉ lệ
với tần số âm thanh. Các linh kiện quét tia quang âm được dựa trên nguyên tắc
này.
Thứ hai là sự thay đổi của cường độ ánh sáng. Cường độ chùm tia tán xạ là
hàm biến đổi theo năng lượng âm thanh. Các bộ điều biến (Q-switch) sử dụng
nguyên tắc này.
Thứ ba là sự thay đổi tần số sóng ánh sáng. Bằng cách tăng giảm tần số sóng
âm thanh thì tần số sóng ánh sáng bị thay đổi. Vì vậy, bất kỳ thiết bị quang âm
nào cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thay đổi tần số sóng ánh sáng.
Thứ tư là sự lọc bước sóng. Đối với các nguồn có dải phổ rộng, việc lựa chọn
bước sóng có thể được thực hiện với các vì chỉ có một bước sóng sẽ phù hợp
với điều kiện Bragg. Cơ sở này được sử dụng trong các bộ lọc quang âm.
Như vậy, bằng cách điều khiển cường độ, tần số của sóng, chúng ta có thể điều
khiển được cường độ, hướng của tia sáng hay chùm ánh sáng.


13

Linh kiện biến điệu quang âm
Linh kiện kiện biến điệu quang âm (AOM), còn gọi là tế bào Bragg, là thiết bị
sử dụng sóng âm (thường ở tần số sóng vô tuyến) để gây ra nhiễu xạ và thay đổi tần số
của sóng ánh sáng.
Nguyên lý hoạt động
Một phương pháp đơn giản biến điệu chùm tia quang học đi qua các thiết bị
quang âm là việc tắt và mở tín hiệu âm thanh. Khi tắt, khơng có tác động của sóng âm,

chùm sáng khơng bị lệch, cường độ của ánh sáng hướng vào vị trí góc Bragg bằng
khơng. Khi bật, tán xạ Bragg xảy ra do có sự xuất hiện của sóng âm, cường độ ánh
sáng ở vị trí góc Bragg tăng. Vì thế, tín hiệu của các linh kiện biến điệu quang âm hoạt
động dựa trên việc điều chỉnh cường độ ánh sáng tại vị trí góc Bragg.
Hệ số phản xạ của cách tử Bragg tỉ lệ thuận với cường độ sóng âm theo biểu
thức sau [1]:
ℛ = 2π2 n2

L2 Λ2
λ0 4

ℳIS

(1.4)

Trong đó, L là chiều dài lớp cách tử mà ánh sáng chiếu vào, IS là cường độ sóng
âm tác động vào mơi trường.
M=

K2 n6
ρv2

(1.5)

M là hệ số đặc trưng cho hiệu quả tác động của sóng âm lên môi trường, ρ là
khối lượng riêng của môi trường.
Bằng cách điều khiển cường độ sóng âm, cường độ ánh sáng khúc xạ sẽ thay đổi
tỉ lệ theo.
Cấu trúc
Cấu trúc của một linh kiện biến điệu quang âm bao gồm một bộ một mơi trường

truyền sáng trong suốt ví dụ như thủy tinh, một bộ phát sóng âm từ dao động điện, một
bộ điều biến các thơng số của sóng âm thanh (cường độ âm, bước sóng, tấn số,..). Thiết


14

bị này gọi là bộ biến điệu ánh sáng tương tự tuyến tính.

Hình 1.8. Biến điệu quang âm [1].
Ứng dụng
Linh kiện biến điệu quang âm được sử dụng trong các thiết bị sử dụng ánh sáng
laser như: Q-switching, mode-locking, biến điệu tín hiệu viễn thơng-thơng tin quang
sợi và điều khiển tần số trong máy quang phổ.
Bộ biến điệu quang âm được sử dụng để điều chế tín hiệu quang trong thơng tin
quang sợi. Tín hiệu laser liên tục được điều biến bằng tín hiệu âm (tiếng nói) trước khi
đưa vào sợi quang ở đầu phát.
Linh kiện biến điệu quang âm có tốc độ nhanh hơn nhiều so với các thiết bị cơ
học khác trong việc biến điệu sóng ánh sáng. Thời gian cần để một AOM biến điệu
một tia sáng là khoảng giới hạn thời gian truyền của sóng âm (thường 5-100 nano giây).
Tốc độ này này là đủ nhanh để giúp một thiết bị tạo xung laser cực ngắn (modelocking). Khi điều khiển nhanh hơn là cần thiết điều biến quang điện được sử dụng.
Mặt khác, mode-locking sử dụng linh kiện quang âm lại cịn có thiết kế đơn giản và
tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với mode-locking sử dụng linh kiện quang-điện [7].
Khóa quang âm được sử dụng để biến điệu biên độ trong laser phát xung ngắn.


15

Hình 1.9. Khóa quang âm [1].
Linh kiện qt tia quang âm
Nguyên lý hoạt động

Tế bào quang âm có thể được sử dụng như bộ quét tia sáng. Cơ sở của ý tưởng dựa trên
hệ thức giữa góc lệch 2θ (hình 1.10) và tần số sóng âm f [1].
2θ ≈

λ
vs

f

(1.6)

Với θ rất nhỏ nên sinθ ≈ θ.
Bằng việc thay đổi tần số âm thanh f, ta có thể thay đổi góc lệch 2θ.

Hình 1.10. Hai tia lệch so với tia tới là pháp tuyến của cách tử.
Cấu trúc
Một khó khăn ở chỗ, góc 2θ đặc trưng cho cả hai góc tới và phản xạ. Khi muốn
thay đổi góc phản xạ, thì cả góc tới và tần số sóng âm phải thay đổi đồng bộ. Yêu cầu


16

này có thể thực hiện được bằng cách làm lệch chùm tia sóng âm. Tần số sóng âm có
thể thay đổi bằng bộ biến điệu tần số (FM). Độ lệch của chùm sóng âm có thể điều
khiển bằng dãy các biến áp điều khiển tín hiệu lệch pha nhau một lượng xác định (hình
1.11).

Hình 1.11. Quét tia sáng bằng cách thay đổi tần số và hướng của sóng âm [1].
Góc quét có thể đạt được phụ thuộc vào hiệu tần số sóng âm như sau [1]:
∆θ =

λ
vs

B

(1.7)

Trong đó, B là băng tần quét của sóng âm, tức là tần số sóng âm thay đổi trong
vùng tần số thỏa mãn fo ≤ f ≤ fo + B (hình 1.12).

Hình 1.12. Góc quét phụ thuộc vào tần số [9].


17

Hình 1.13. Phân tích phổ âm [1].
Ứng dụng
Dựa theo ngun lý quét tia và biến điệu cường độ, thiết bị quét có thể sử dụng
để chế tạo thiết bị phân tích phổ âm. Giả sử một chùm sóng âm với nhiều thành phần
tần số khác nhau. Chùm sóng âm này được đưa vào bộ quét tia để tách các thành phần
sóng quang có tần số tương ứng (hình 1.13).
Khóa quang âm
Khố quang tử
Khóa quang tử là linh kiện để đóng và mở quang (rơ-le quang) chuyển tiếp trên
đường truyền trong thơng tin cũng như trong hệ xử lý tín hiệu. Thiết bị điều khiển sẽ
ra lệnh chuyển tiếp và gửi tín hiệu điều khiển hoạt động của khóa theo u cầu mong
muốn. Một số loại khóa như: khố quang-cơ, khố quang-điện, khố quang âm, khố
quang-từ. Khóa 1x1 như linh kiện cơ bản, có thể có kích thước lớn (hình 1.14 a). Khóa
này có tác dụng chuyển tiếp hoặc cắt giữa hai tuyến. Sử dụng khóa này để thiết kế khóa

ma trận N x N điểm nối (kiểu thanh giằng ngang- hình 1.14 d). Đầu vào thứ m sẽ nối
được với tất cả các khóa cơ bản trên hàng thứ m, trong khi đó, đầu ra thứ l được nối
với đầu ra của tất cả khóa cơ bản nằm trên trục l. Ngồi ra, một số khóa 1 x 2 chuyển
tiếp một tuyến với một trong hai tuyến (hình 1.14 b), khóa 2 x 2 chuyển tiếp hai tuyến


18

này với hai tuyến kia (hình 1.14 c) [1].

Hình 1.14. Một số kiểu khóa [1].
Bằng 5 khóa 2 x 2 có thể tạo thành một khóa 4 x 4 , như trên hình. Đầu vào của
tuyến 1 có thể được mối với đầu ra của tuyến 3, ví dụ khi A và C mở chéo, cịn E mở
ngang.

Hình 1.15. Khóa 4 x 4 ghép từ 5 khóa 2 x 2 [1].
Một khóa đặc trưng bởi các thơng số sau:
Kích cỡ - số lượng tuyến ra vào và hướng.
Thời gian khóa: Thời gian cần thiết để khóa chuyển từ trạng thái tiếp xúc sang
ngắt
Thời gian trễ: Thời gian tín hiệu đi qua khóa.
Tốc độ dữ liệu: Tốc độ dữ liệu cực đại có thể đi qua khóa khi tiếp xúc.
Năng lượng khi tiếp xúc: Năng lượng cần để khóa làm việc (thực hiện tiếp xúc
và ngắt).


19

Công suất tiêu hao: Năng lượng tiêu hao trong một giây khi khóa làm việc.
Suy giảm tín hiệu: Lượng cơng suất của tín hiệu bị giảm đi khi khóa trong

trạng thái tiếp xúc.
Rị rỉ tín hiệu: Lượng cơng suất tín hiệu rị rỉ sang kênh khác.
Kích thước: Đặc trưng này rất quan trọng khi chế tạo các thanh khóa lớn.
Khóa quang âm
Khoá quang âm đã được sử dụng để chuyển đổi laser liên tục trở thành laser
xung. Các tín hiệu được khuếch đại bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại năng lượng.
Một máy phát xung được sử dụng để điều chỉnh tần số của tín hiệu. Tần suất và sức
mạnh của các bộ khuếch đại rất đa dạng để đặc trưng cho các tia được điều chế.
Khóa quang âm hoạt động dựa trên bản chất phản xạ Bragg của ánh sáng điều
khiển bởi sóng âm. Cơng suất của tia sáng phản xạ được điều khiển bởi cường độ sóng
âm. Góc lệch của tia sáng được điều khiển bởi tần số sóng âm. Một bộ biến điệu quang
âm là một khóa 1 x 1. Một bộ quét tia quang âm là một khóa 1 x N (trong đó N là số
vết quét có thể phân biệt được). Một tế bào quang âm có N=2000 là khả quan trong
thực tế. Trong trường hợp các phần khác nhau của tế bào tải sóng âm với các tần số
khác nhau thì có thể nhận được một khóa N x M hay một linh kiện chuyển tiếp
(interconnection). Giới hạn của giá trị NM phụ thuộc vào thời gian sóng âm truyền qua
tế bào T và B là độ rộng băng sóng âm, tức là, MN < TB. Một thanh gồm nhiểu tế bào
quang âm là khả quan trong thực tế [1].


20

Hình 1.16. Khóa quang – âm 4 x 4 cổng [1] .
Kết luận chương 1
Hiệu ứng quang âm là hiện tượng thay đổi chiết suất của môi trường dưới tác
động của sóng âm, hệ quả là sự thay đổi hướng của chùm laser truyền qua nó. Hiệu
ứng này được ứng dụng nhiều trong công nghệ laser cũng như trong công nghệ thơng
tin và máy tính lượng tử.
Trong các nghiên cứu trước đây, các kết quả chủ yếu tập trung vào biến điệu
chiết suất theo một chiều. Riêng biến điệu chiết suất hai chiều chỉ là đề xuất cho khóa

NxN cổng mà chưa có nghiên cứu nào cụ thể. Trong thời gian gần đây, các tác giả Hồ
Quang Quý và Nguyễn Văn Thịnh đã đề cập đến biến điệu chiết suất hai chiều trong
môi trường quang âm và ứng dụng cho mảng kìm quang học động hai chiều. Để hiểu
rõ những vấn đề này, trong chương 2 chúng tơi sẽ trình bày về phân bố hai chiều của
chiết suất và ảnh hưởng của một số tham số lên phân bố đó.


21

CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI
SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU
Sự thay đổi chiết suất dưới tác động của hai sóng.
Xét một mơi trường quang âm (AOM) có độ dày d như trong hình. Hai sóng siêu
âm cùng pha truyền theo các hướng x và y trong môi trường với cùng vận tốc, tần số
và bước sóng. Sóng âm tạo ra một lực căng cơ học liên quan đến dao động của các
phân tử dưới dạng các sóng truyền đi ở vận tốc đặc trưng của môi trường (vận tốc của
âm thanh). Sự căng tại vị trí x và thời gian t có biểu thức:
𝑆(𝑥, 𝑡) = 𝑆0 cos(Ω𝑡 − 2𝜋𝑥/Λ + 𝜑𝑥 )

(2.1)

Với S là biên độ, là tần số góc, là pha ban đầu. Cường độ âm thanh (W/m2) là:
IS 

1 3 2
gVs S0
2

(2.2)

Với g là khối lượng riêng [9].

Hình 2.1. Mơi trường quang âm dưới tác động của hai sóng âm truyền vng góc nhau
Tương tự như sóng siêu âm truyền theo phương x, sóng theo phương y gây ra sự
căng ở vị trí y và thời gian t:
S ( y, t )  S0cos(t  2 y /    y )

(2.3)

Do hai sóng giao thoa với nhau, vì vậy từ phương trình (2.1) và (2.3) sự căng tại
toạ độ (x, y) và thời gian t:
S ( x, y, t )  S0 cos(t  2 x /   x )  cos(t  2 y /    y ) 

(2.4)