acustoottica

Disciplina che studia gli effetti e le applicazioni dell’interazione tra un campo di sforzi prodotto in un mezzo dal passaggio di un’onda elastica e la radiazione elettromagnetica. Gli effetti consistono principalmente nella diffrazione della radiazione elettromagnetica da parte del reticolo di fase, risultante dalla perturbazione elastica. Questa, infatti, attraverso le costanti fotoelastiche induce nel mezzo una modulazione spaziale dell’indice di rifrazione o, più genericamente, dell’ellissoide degli indici: in tal modo, per es., un fronte d’onda luminoso piano che attraversi un fascio collimato di onde acustiche propagantesi in direzione a esso ortogonale emerge con una modulazione di fase ( effetto acustoottico). A questa configurazione del fronte d’onda luminoso corrisponde uno spettro di direzioni dei momenti ottici, rilevabile in campo lontano di Fraunhofer come una serie discreta di ordini di diffrazione.

L’effetto, messo in evidenza per la prima volta nel 1932 da P.J. Debye e F.W. Sears e, indipendentemente, da R. Lucas e P. Biquard, fu studiato dettagliatamente da C.V. Raman e N.S.N. Nath nel 1936. L’angolo ϑ_n tra la normale al fascio acustico monocromatico e la direzione di diffrazione dell’n-esimo ordine è legato alla direzione ϑ₀ d’incidenza e alle lunghezze d’onda del suono Λ e della luce λ dalla relazione sen ϑ_n -sen ϑ₀=nλ/Λ. Più difficile è la determinazione dell’intensità della luce diffratta nei vari ordini, in quanto dipende, oltre che dai parametri già considerati e dalle potenze, acustica e ottica, impiegate, anche dalla larghezza L del fascio acustico e dalle caratteristiche fotoelastiche del materiale di propagazione. Si sogliono, tuttavia, distinguere due regimi, detti di Bragg e di Raman, discriminati dal valore che assume il parametro Q = λL/Λ². La diffrazione alla Bragg è interpretabile come un processo di diffusione di un quanto di radiazione elettromagnetica (fotone) da parte di uno acustico (fonone), con conseguente cambiamento di direzione e di frequenza del fotone incidente, che rispetti i principi di conservazione dell’energia e della quantità di moto. La diffrazione alla Raman, ottenibile quando la direttività del fascio acustico è minore e quindi lo spettro angolare dei momenti acustici è più ampio, si può pensare come una sequenza di successive diffusioni alla Bragg. Ne consegue che, mentre nella diffrazione alla Bragg si avrà un solo ordine di diffrazione, saranno molteplici gli ordini nel caso di diffrazione alla Raman. Nello spettro della luce diffratta da un’onda acustica progressiva la frequenza ottica ν_n della luce diffratta nell’n-esimo ordine è variata rispetto al valore ν₀ della frequenza della luce incidente di una quantità pari a n volte la frequenza acustica f: ν_n=ν₀ + nf. Se l’onda acustica è stazionaria, in un qualunque ordine sarà presente tutta una serie di frequenze ottiche ν^k_n=ν₀ + kf, con k pari o dispari a seconda che n sia pari o dispari.