Akustooptik

Akustooptik ist die praktische Anwendung der Tatsache, dass Ultraschallwellen den Brechungsindex eines transparenten Materials verzerren und dadurch Licht, das hindurchgeht, in neue Richtungen abgelenkt wird. Wenn Schall durch Glas, Wasser oder einen Kristall läuft, komprimiert und verdünnt er das Material periodisch. Das erzeugt ein dynamisches Beugungsgitter, das auf Licht genauso wirkt wie ein physikalisches Gitter, mit dem großen Vorteil, dass man es elektrisch schalten kann oder sein Verhalten durch Änderung der Schallfrequenz einstellen kann.

Das Kerngerät ist ein akustooptischer Modulator (AOM), bestehend aus einem piezoelektrischen Wandler, der auf ein transparentes Material wie Tellurdioxid (TeO2) oder Quarzglas geklebt ist. Hochfrequenzstrom treibt den Wandler an und erzeugt Ultraschallwellen von 20 MHz bis über 1 GHz. Ein Laserstrahl, der durch den Kristall geht, trifft auf die bewegte Schallwelle und koppelt Energie in sie ein; die Effizienz und der Ablenkwinkel werden durch die Schallfrequenz und Leistung bestimmt.

Varianten und Einsatz in der Industrie

Akustooptische Deflektoren lenken einen einzelnen Strahl ohne Bewegung von optischen Elementen über ein Ziel, was sie in Laserscanning-Systemen, Barcode-Lesern und dynamischen Lasermarkiergeräten unverzichtbar macht. Akustooptische durchstimmbare Filter (AOTFs) wirken als wellenlängenseparierende Geräte und extrahieren ein schmales Spektralband aus breitbandigem Licht; diese sind in Spektroskopie und Bildgebungssystemen mit mehreren Laserlinien verbreitet. Akustooptische Modulatoren selbst werden verwendet, um Laserintensität oder Frequenz mit Reaktionszeiten unter einer Mikrosekunde zu schalten und zu modulieren, weit schneller als mechanische Verschlüsse.

Die Haupteinschränkung ist, dass die Beugungseffizienz außerhalb des Entwurfswellenlängen- und Winkelbereichs deutlich abfällt. Längere Wellenlängen beugen weniger wirksam, und die akustooptische Wechselwirkung ist am stärksten nur, wenn die Schallwellenlänge und die Lichtwellenlänge die Bragg-Beugungsbedingung erfüllen. Thermische Drift des Materials und Änderungen der Wandlerimpedanz können die Leistung über Stunden oder Tage verschlechtern, daher enthalten viele AOMs Temperaturstabilisierungs- und Impedanzanpassungsschaltungen.

Der Name spiegelt die duale Natur des Phänomens wider: Schallwellen erzeugen eine Modulation, die optisch auf Licht wirkt. Weil keine mechanische Bewegung nötig ist, sind akustooptische Geräte zuverlässig, kompakt und leicht durch Elektronik steuerbar. Sie kommen in Lasermaterialbearbeitung, medizinischer Bildgebung, optischer Signalverarbeitung und wissenschaftlichen Instrumenten überall dort vor, wo schnelle, präzise Lichtkontrolle ohne bewegliche Teile im Strahlengang erforderlich ist.