3.6. Методы оптической дифракции
Можно ожидать, что быстрые изменения давления, связанные с распространением акустических возмущений, будут вызывать соответствующие изменения оптического коэффициента преломления вследствие эффекта Рамана — Ната. Хороший обзор теоретических исследований в этой области и описание общепринятых параметров даны в работе [18]. Такие изменения коэффициента преломления были зарегистрированы [30], и были выдвинуты предложения по их использованию в количественных измерениях параметров акустических пучков [4, 8]. Описание типичной аппаратуры для проведения таких измерений приведено в подписи к рис. 3.7.
Параллельный световой пучок проходит через озвученную среду в направлении, нормальном к оси измеряемого акустического пучка, и затем фокусируется линзами или зеркалом. В этой ситуации звуковой пучок действует подобно фазовой решетке, и часть энергии нулевого порядка, т. е. исходного пучка, дифрагирует в высшие порядки спектра. Интенсивность света в каждом дифракционном порядке является функцией амплитуды вызванного ультразвуком изменения оптического коэффициента преломления и оптической
Рис. 3.7. Устройство для измерения оптической дифракции, вызванной изменениями плотности в ультразвуковом пучке: 1 — ультразвуковой излучатель; 2 — источник света с параллельным пучком; 3 — ультразвуковой пучок в воде; 4 — акустический поглотитель; 5 — собирающая линза; 6 — щель; 7 — фотодиод. Первый порядок оптической дифракции показан штриховыми линиями.
длины пути через звуковой пучок. Эта функция может быть оценена для типичных условий большинства медицинских пучков. Более подробное описание этой возможности и библиография даны в работе [26].
Реализация этого принципа в количественных измерениях наталкивается на значительные сложности особенно из-за неоднородности распределения амплитуды давления по сечению звукового пучка. Однако в работе [28] приведены данные сравнительных измерений акустической мощности в диапазоне частот 1-8,7 МГц, проведенных оптическим методом и радиометром. Было найдено хорошее согласие между данными, полученными двумя методами, за исключением случаев, в которых различия между результатами этих методов были обусловлены априорными предположениями о форме звукового поля.
В дополнение к использованию в количественных измерениях оптическая дифракция создает основу для очень полезных качественных методов визуализации акустических полей бегущих и стоячих волн, а также формы волновых пакетов и их эволюции во времени.
Вернемся к рис. 3.7. Если оптическую щель разместить так, чтобы отделить свет, попадающий только в один дифракционный порядок, например первый, и использовать дополнительные оптические средства для формирования изображения плоскости, которую
Рис. 3.8. Шлирен-изображения. а — Поле непрерывных волн от плоского преобразователя, подобного тем, которые используются в терапии; б - импульс от линейной решетки преобразователей, используемой для медицинской визуализации в реальном масштабе времени. Импульс сфотографирован в четырех точках при его распространении на разных расстояниях от преобразователя, который и на частях а и на б совмещен с нижним краем фотографии. Заметно разделение импульсного волнового пакета на плоскую и краевую компоненты, как описано в разд. 2.3. (С разрешения д-ра Р. С. Престона и Королевской национальной физической лаборатории.)
пересекает акустический пучок, то такое изображение будет выглядеть как темное поле, промодулированное в соответствии с интегралом по оптическому пути от локальных величин отклонений амплитуды давления. Пример такого, так называемого шлирен (т. е. полосатого)-изображения показан на рис. 3.8.
Добавление аппаратуры для стробоскопического наблюдения, например импульсного источника света, позволяет визуализировать волновой пакет в пучке импульсного источника и продемонстрировать детально особенности его взаимодействия с отдельными мишенями и границами раздела.
