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Lexikon der Optik: Debye-Sears-Effekt

Debye-Sears-Effekt, akustooptischer Effekt, die von L. Brillouin 1922 vorausgesagte und von P. Debye und F. W. Sears 1932 und etwa gleichzeitig von R. Lucas und B. Biquard experimentell gefundene Beugung von Licht an Ultraschallwellen. Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Festkörpern führen zu periodischen Deformationen des Materials. Diese rufen über den elastooptischen Effekt eine Änderung der Indikatrix des Materials, also eine periodische Änderung des Brechungsindexes hervor. Das entstehende Brechungsindexgitter breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus. (Allerdings sind auch Anordnungen mit stehenden Ultraschallwellen möglich.) An diesem Phasengitter wird das Licht gebeugt (Abb.). Der Wellenparameter zur Charakterisierung der Beugung ist QL/(Λ2cosΘ). Dabei bezeichnen Λ die Ultraschallwellenlänge, L die Breite des Ultraschallbündels, λ die Lichtwellenlänge im Medium und Θ den Winkel zwischen Lichteinfallsrichtung und Ultraschallwellenfront. Q

1 bedeutet das Auftreten vieler Beugungsordnungen (Raman-Nath-Beugung, Abb. a) und Q

1 entspricht der Beugung an einem Volumengitter (Bragg-Beugung, Abb. b), wo nur die nullte und die erste Beugungsordnung auftreten und bei günstiger Breite L und entsprechender Schallamplitude nahezu 100% des einfallenden Lichtes in der 1. Beugungsordnung zu finden sind. In der Abb. c ist die Ewaldsche Konstruktion zur Bragg-Beugung im reziproken Raume (Raum der Wellenzahl- und Gittervektoren) dargestellt. Der Ultraschallwelle kann ebenso wie einer Lichtwelle ein Wellenzahlvektor K zugeordnet werden, dessen Richtung die Ausbreitungsrichtung der Welle und dessen Betrag die Wellenzahl 2π/Λ angibt. Der Wellenzahlvektor kg der gebeugten Welle ergibt sich, indem man K zu dem Wellenzahlvektor ke des einfallenden Lichtes addiert. Die gebeugte Welle erhält die meiste Intensität, wenn der Vektor kg=ke+K auf die Ewald-Kugel trifft, d.h., wenn die Braggsche Reflexionsbedingung 2sinΘ=λ/Λ, Θ1=Θ erfüllt ist. Gestrichelt sind die Variationen bei Ultraschall-Lichtablenkung (akustooptische Lichtablenkung) eingezeichnet. Durch Veränderung der vom Geber G erzeugten Ultraschallfrequenz wird über Λ die Länge von K gesteuert. Dadurch ändert kg seine Richtung, wobei die nicht mehr mögliche exakte Erfüllung der Braggschen Reflexionsbedingung zu einem Intensitätsabfall in der ersten Beugungsordnung führt. Dieser kann dadurch vermindert werden, daß man 1. vom Bragg-Falle Q

1 zu dem Wertebereich Q≈3 bis 4 übergeht, 2. die Winkelvariation von kg dadurch vergrößert, daß man über Vielfach-Ultraschallgeber die Richtung der Schallausbreitung mit der Frequenz ändert oder 3. die optische Doppelbrechung in Kristallen ausnutzt. Verbunden mit der Schallgeschwindigkeit ist die Zugriffszeit τ der Lichtablenkung, also die Zeit, die der Schall zur Durchquerung des Lichtbündels benötigt. Es gilt für das Geschwindigkeits-Kapazitäts-Produkt N/τ=Δf mit N als Zahl der Positionen, die durch das Lichtablenksystem angesteuert werden, und Δf als Variation der Ultraschallfrequenz. Bei laufenden Ultraschallwellen tritt infolge der Energieerhaltung eine geringfügige Frequenzverschiebung des gebeugten Lichtes in der Größenordnung


auf. Bevorzugt werden als Medien PbMoO4, TeO2 und LiNbO3 für die Wechselwirkung von Ultraschall mit Licht verwendet. Charakteristische Parameter sind eine Zugriffszeit von 3 bis 10 μs und eine Zahl der angesteuerten Positionen in einer Dimension von 300 bis 1500. Die Wellenlängenselektivität eines mit Ultraschall erzeugten Gitters wird in akustooptischen Filtern für die Spektroskopie genutzt. Die Ultraschallfrequenzen betragen hierbei zumeist einige 100 MHz mit Δf zwischen 100 und 200 MHz. Damit werden Wellenlängen in Bereichen um 200 bis 300 nm mit einer Auflösung zwischen 0,2 bis 4 nm durchgestimmt. In der Akustooptik beinhaltet die Abhängigkeit der Beugungseffektivität von Schallamplitude und -frequenz die Möglichkeit der Intensitätsmodulation von Licht sowie der Frequenzanalyse eines Radiofrequenzsignals, wenn dieses zum Betreiben des Schallgebers verwendet wird (akustooptischer Spektrumanalysator). Durch Einbau von Bragg-Zellen in optische Filteranordnungen können verschiedene Korrelationsoperationen mit zeitabhängigen Signalen ausgeführt werden. In der integrierten Optik wird durch Anregung von akustischen Oberflächenwellen insbesondere in LiNbO3-Planar-Wellenleitern ebenfalls Lichtablenkung, Modulation oder Filterung bewirkt.



Debye-Sears-Effekt: a) Raman-Nath-Beugung, b) Bragg-Beugung, c) Ewaldsche Konstruktion für die Bragg-Beugung. G Ultraschallgeber, ke, kg und K Wellenzahlvektoren für die einfallende bzw. gebeugte Lichtwelle und die Ultraschallwelle, λ Lichtwellenlänge.

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