הצגת המקור של הדף "מאפנן אקוסטו-אופטי"

{{עריכה|כל הערך=כן|נושא=מדע וטכנולוגיה}}
[[קובץ:Acousto-optic_Modulator-en.svg|ממוזער| מאפנן אקוסטו-אופטי מורכב [[פיאזואלקטריות|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.]]

'''מאפנן אקוסטו-אופטי''' ('''AOM'''), הנקרא גם '''תא בראג''' או '''מסיט אלומה אקוסטו-אופטי''', משתמש באפקט האקוסטו-אופטי כדי [[עקיפה|לעקוף]] ולהעביר את תדר האור באמצעות [[קול|גלי קול]] (בדרך כלל בתדר רדיו). המאפננים משמשים ב[[לייזר]]ים עבור [[Q-Switch|מיתוג Q]], בתחום טלקומוניקציה עבור [[אפנון]] אותות, וב[[ספקטרוסקופיה]] לבקרת תדר. [[פיאזואלקטריות|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 שבירה|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 [[פונון|פונונים]] [[פוטון|ופוטונים]].

== עקרונות הפעולה ==
מאפנן טיפוסי מציית לתנאי בראג, שבו האור הנובע מגיע בזווית בראג <math>\theta_B\approx \sin \theta_B=\frac{\lambda}{2n\Lambda}</math> [[אנך|מהניצב]] של התפשטות גל הקול. <ref>{{Cite web|title=Acousto-optic Theory Application Notes|url=http://www.aaoptoelectronic.com/wp-content/uploads/documents/AAOPTO-Theory2013-4.pdf}}</ref> <ref>{{Cite web|last=Paschotta|first=Dr Rüdiger|title=Acousto-optic Modulators|url=https://www.rp-photonics.com/acousto_optic_modulators.html|access-date=2020-08-03|website=www.rp-photonics.com|language=en}}</ref> Λ הוא [[אורך גל|אורך הגל]] של גל הקול, λ הוא אורך הגל של גל האור, ו-n הוא [[מקדם שבירה|מקדם השבירה]] של הגביש.
[[קובץ:Bragg's_Condition.jpg|ממוזער|539x539 פיקסלים| 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 ה[[שבירה]] בתוך הגביש.]]

=== עקיפה ===
{{ערך מורחב|עקיפה}}
כאשר אלומת האור הנכנסת נמצאת בזווית בראג, נוצרת תבנית עקיפה שבה מתרחש סדר של אלומה מפורקת בכל זווית θ המספקת:

: <math>2\Lambda\sin\theta = m\frac{\lambda}{n}</math>

כאשר ''m'' = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... הוא סדר הדיפרקציה, <math>\lambda</math> הוא אורך הגל של האור בוואקום, <math>n</math> הוא [[מקדם שבירה|מקדם השבירה]] של החומר הגבישי (למשל קוורץ), ו- <math>\Lambda</math> הוא אורך הגל של גל הקול. <ref>[http://jila1.nickersonm.com/papers/A%20Guide%20to%20Acousto-Optic%20Modulators.pdf "A Guide to Acousto-Optic Modulators"]</ref> <math>\frac{\lambda}{n}</math> עצמו הוא אורך הגל של האור בחומר. שימו לב שסדר m = 0 נע באותו כיוון של האלומה הפוגעת, ויוצא [[אנך|בזווית]] בראג מהאנך של התפשטות גל הקול.

עקיפה מאפנון סינוסואידי בגביש דק מביאה לרוב לסדרי עקיפה''m'' = −1, 0, 1+. עקיפה מדורגת בגבישים בעובי בינוני מובילה לסדרים גבוהים יותר של עקיפה. בגבישים עבים עם אפנון חלש, יש עקיפה רק [[אופטיקה לא ליניארית|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 [[אלפית|מילירידיאנים]].

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

=== עוצמה ===
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: <ref>{{Cite journal|last=Lekavich|first=J.|date=Apr 1986|title=Basics of acousto-optic devices|journal=Lasers and Applications|pages=59–64}}</ref>

<math>\eta=I_1/I=\text{sin}{}^2(\Delta\phi/2)</math>

שבו סטית המופע החיצונית היא <math>\Delta\phi=\frac{\pi}{\lambda}\sqrt{2\left(\frac{L}{H}\right)M_2P}</math>.

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 [[וקטור גל|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 [[אפקט דופלר|דופלר]] בכמות השווה לתדר של גל הקול ''F''.

: <math>f \rightarrow f + mF</math>

ניתן להבין את שינוי התדר הזה גם על ידי העובדה [[אופטיקה לא ליניארית|שאנרגיה ומומנטום]] (של [[פוטון|הפוטונים]] [[פונון|והפונונים]]) נשמרים בתהליך הפיזור. שינוי תדר טיפוסי משתנה מ-27&#x2009;מגהרץ, עבור מאפנן זול יחסית, ל-1&#x2009;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.

=== מופע ===
המופע של הקרן העוקפת משתנה על ידי המופע של גל הקול. המופע יכול להשתנות באופן שרירותי.

=== קיטוב ===
גלים אקוסטיים [[גל רוחב|רוחביים]] או גלים [[גל אורך|אקוסטיים אורכיים]] מאונכים יכולים לשנות את ה[[קיטוב]]. 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. <ref>{{Cite journal|last=Eklund|first=H.|last2=Roos|first2=A.|last3=Eng|first3=S.T.|date=1975|title=Rotation of laser beam polarization in acousto-optic devices|journal=Optical and Quantum Electronics|volume=7|issue=2|pages=73–79|doi=10.1007/BF00631587}}</ref>

== 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 [[שנייה|ננו-שניות]]). זה מהיר מספיק כדי ליצור דגימה אקטיבית [[לייזר טיטניום-ספיר|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 [[ואט|וואט]]). <ref>{{Cite web|last=Keller|first=Ursula|last2=Gallmann|first2=Lukas|title=Ultrafast Laser Physics|url=https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/phys/quantum-electronics/ultrafast-laser-physics-dam/education/lectures/ultrafast_laser_physics/lecture_notes/7_Active_modelocking.pdf|access-date=21 March 2022|website=ETH Zurich}}</ref>

== יישומים ==
* [[Q-Switch]]
* [[לייזר טיטניום-ספיר|מגברים רגנרטיביים]]
* [[מהוד אופטי|מהודים אופטיים]]
* [[לייזר דופלר ויברומטר|מד רטט לייזר דופלר]]
* אפנון אור RGB לייזר להדמיה דיגיטלית של סרט צילום
* [[מיקרוסקופיה קונפוקלית]]
* זיהוי איבוכי של מערך סינתטי
* הדמיה היפרספקטרלית

== ראו גם==
* [[פוטואלסטיות]]

== קישורים חיצוניים ==
{{ויקישיתוף בשורה}}
* [http://olympus.magnet.fsu.edu/primer/techniques/confocal/aotfintro.html מרכז המשאבים למיקרוסקופיה אולימפוס]

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

[[קטגוריה:מכשירים אופטיים]]
[[קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו]]