Chương 1. LINH KI ỆN QUANG TỬ
1.3. Linh kiện quang âm
Nguyên lý hoạt động: Như chúng ta đã biết, chiết suất môi trường sẽ thay đổi tuần hoàn theo bước sóng của sóng âm (hình 1.16).
Giả sử có một sóng âm vận tốc υam, tần số famvà bước sóng am am
fam
Λ =υ
truyền theo phương x của môi trường. Khi đó, chiết suất của môi trường tại vị trí x sẽ là:
( ), 0cos( )
n x t = − Δn n Ω −t qx (1.9)
trong đó: 0 1 3 0
n = 2κn S , κ là hằng số quang giảo, S0 là biên độ sóng âm,
2 /π f
Ω = là tần số góc của sóng âm, q=2 /π Λ là số sóng.
Môi trường Sóng âm
Hình 1.16 Sóng âm ảnh hưởng đến tia sáng qua môi trường.
Môi trường trở thành cách tử Bragg và sẽ phản xạ ánh sáng khi góc tới thỏa mãn điều kiện Bragg sau: sin
2 θ = λ
Λ (1.10)
trong đó, λ là bước sóng ánh sáng trong môi trường.
Cấu trúc: Giả sử nguồn sóng âm đặt cách môi trường một khoảng lớn hơn nhiều so với chiều rộng môi trường, khi đó, mặt sóng âm được xem là phẳng, do đó, môi trường trở thành giao thoa động có chu kỳ bằng bước sóng của sóng âm và chuyển động cùng vận tốc sóng âm (hình 1.17) [1].
Hình 1.17 Cách tử Bragg và khúc xạ Bragg.
Ứng dụng: Cách tử Bragg được sử dụng như một linh kiện quang để thay góc phản xạ, hay khúc xạ ánh sáng điều khiển bằng sóng quang âm.
1.3.2. Linh kiện biến điệu quang âm
Nguyên lý hoạt động: Hệ số phản xạ của cách tử Bragg tỉ lệ thuận với cường độ sóng âm theo biểu thức sau:
2 2 2 2
4 0
2 L s
n I
π λ
ℜ = Λ Μ (1.11)
trong đó, L là chiều dài lớp cách tử mà ánh sáng chiếu vào, Is là cường độ sóng âm.
2 6 2 s
κ n
Μ = ρυ (1.12)
θ
Tia tới Tán xạ
Truyền qua θ
x
Λ
Vùng giãn z Vùng nén
là hiệu quả tác động của sóng âm, ρ là khối lượng riêng của môi trường.
Bằng cách điều khiển cường độ sóng âm, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi tỉ lệ.
Cấu trúc: Thiết bị này gọi là bộ biến điệu ánh sáng tương tự tuyến tính (hình 1.18) [1], [3].
Hình 1.18 Biến điệu quang âm.
Ứng dụng: Bộ biến điệu quang âm được sử dụng để điều chế tín hiệu quang trong thông 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.
* Khóa quang học: Khi công suất của sóng âm tăng, hiện tượng bão hòa sẽ xảy ra và tán xạ toàn phần sẽ xảy ra ứng với góc tới Bragg sin 1
B 2
θ = − ⎛⎜⎝ λΛ⎞⎟⎠. Trong điều kiện này, bộ biến điệu được sử dụng như khóa quang học. Bằng cách đóng và mở sóng âm, phản xạ của ánh sáng cũng đóng và mở, dẫn đến ánh sáng truyền qua hoặc không (hình 1.19) [1], [3].
Hình 1.19 Khóa quang âm.
Bộ khóa quang học này được sử dụng để biến điệu biên độ trong laser phát xung ngắn.
Ánh sáng truyền qua Ánh sáng tới Ánh sáng phản xạ
Sóng âm
Ánh sáng tới Ánh sáng phản xạ
Sóng âm
1.3.3. Linh kiện quét 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 1.20) và tần số sóng âm f :
2
s
λ f
θ ≈υ (1.13)
Hình 1.20 Hai tia lệch so với tia tới là pháp tuyến của cách tử.
Cấu trúc: Một khó khăn ở chỗ, góc θ 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 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, còn độ lệch của chùm sóng âm có thể điều khiển bằng dãy các biến áp điều khiển tín hiệu lệch pha nhau một lượng ϕ xác định (hình 1.21) [1], [3].
Hình 1.24 Quét tia sáng bằng cách thay đổi tần số và hướng của sóng âm.
Góc quét có thể đạt được phụ thuộc vào hiệu tần số sóng âm như sau:
θ θ
θ
ϕ ϕ
s
λ B θ υ
Δ = (1.14)
trong đó, B là băng tần quét của sóng âm, tức là tần số sóng âm thay đổi trong vùng tần số thỏa mãn f0≤ ≤f f0+B
Hình 1.22 Phân tích phổ âm.
Ứng dụng: Dựa theo nguyên 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 1.22) [1].
1.3.4. Linh kiện chuyển tiếp quang tử
Nguyên lý hoạt động: Dựa vào nguyên lý quét tia quang, khi tần số của sóng âm có một trong các giá trị f f f1, , ,...,2 3 fN, tế bào quang âm sẽ làm lệch chùm tia quang tới vào một trong N hướng tương ứng, θ θ θ1, , ,...,2 3 θN . Linh kiện này sẽ định tuyến một chùm tia theo N hướng.
Cấu trúc: Sơ đồ nguyên lý của linh kiện định tuyến trình bày trên hình 1.23. Tia sáng sau khi phản xạ qua tế bào quang – âm sẽ được thấu kính hội tụ lái vào đầu vào của một tuyến xác định. Tọa độ điểm đầu của tuyến phù hợp với tần số sóng âm.
θ2
θ1 θ3 f1
f2
f3
t
1 2 3
f + f + f
Hình 1.23 Định tuyến chùm tia.
Ứng dụng: Định tuyến đồng thời hai tín hiệu quang: Một tế bào quang – âm có chiều dài W, được chia thành hai ngăn. Hai sóng âm có tần số f1 và f2
được phát trong thời gian
2 s T W
= υ và trễ nhau cũng thời gian đó, khi đó, hai tia tới ứng với hai ngăn sẽ đồng thời được định tuyến vào hai vị trí xác định ở đầu ra (hình 1.24).
Biến điệu không gian ánh sáng: Chia tế bào ra N ngăn. Các sóng âm áp vào các ngăn của tế bào có cùng tần số, phát trong khoảng thời gian
s
T W Nυ
=
và trễ đều nhau cùng thời gian T đó, nhưng, với biên độ được điều biến theo mong muốn. Với tế bào này, một chùm tia có phân bố cường độ đều theo trục
x, sẽ được biến điệu như mong muốn ở đầu ra (hình 1.25) [1].
Hình 1.24 Định tuyến đồng thời hai tín hiệu quang.
t f1
θ1
1 2 3
3 1 2
θ2
θ1
W
T T
f1 f2 t
Hình 1.25 Biến điệu không gian.