Управление эллиптичностью излучения с помощью плоскопараллельных кристаллических пластинок произвольной толщины (стр. 3 )

В данном случае (рис. 5) не замкнутость траектории реализуется при разности фаз равной 0° и 180°.

В параграфе 2.3 приведены характеристики полярного света, образованного при сложении двух волн с частотами ω, 2ω или ω, 3ω. При прохождении полярного света через изотропную или анизотропную плоскопараллельную пластинку возникает разность фаз δ между волнами с частотами ω и 2ω или ω и 3ω, что приводит к изменению степени полярности излучения. Используя полярный свет (ω, 2ω) можно записать в изотропной среде волну нелинейной поляризации среды (для 2ω) и генерировать излучение второй гармоники в этой среде.

В параграфе 2.4 отмечены особенности образования света с продольной поляризацией.

Рассмотрены две плоские оптические волны, распространяющиеся друг относительно друга под углом φ. Векторы E1 и E2 находятся в плоскости рисунка. В результате образуется плоская продольная волна с вектором Eрез, направленным вдоль оси y. Фронт этой волны промодулирован с периодом .

Скоростью фронта волны можно в значительных пределах управлять. При φ/2 = 0 скорость u = c при φ/2 стремящемся к 90° скорость стремиться к бесконечности. Таким образом, в области пересечения лучей образуется волновое поле с плоским фронтом. Эта электромагнитная волна продольна. Напряженность электрического поля равна Ерез = 2 Е0 sin (j/2).

Далее приведены некоторые примеры (параграф 2.5) проявления нетрадиционных типов поляризации в физическом эксперименте.

При освещении оптически активного кристалла двумя пучками лучей с неортогональными поляризациями замечены значительные изменения в структуре коноскопической картины.

Ожидается, что свет с поляризацией типа фигур Лиссажу вызовет несколько необычный отклик при наблюдении пироэлектрического отклика, при регистрации эффекта оптического выпрямления и фотовольтаическом эффекте.

Полярный свет открывается дополнительные возможности в генерации второй оптической гармоники в центросимметричных средах.

Продольные световые волны могут оказаться полезными при создании протяженного оптического разряда в газах (создание плазмотрона с продольной накачкой), при генерации эктонов с поверности металла и других областях физики и техники.

В третьей главе показано, что для управления эллиптичностью излучения целесообразно использовать плоскопараллельную кристаллическую пластинку произвольной толщины с оптической осью перпендикулярной плоскости пластинки. Управление эллиптичностью осуществляется за счет поворота пластинки на определенный заданный угол вокруг оси, лежащей в плоскости пластинки. Для изготовления таких пластинок можно использовать кристаллы MgF2 (рис. 6). Приведены характеристики (степень поляризации, эллиптичность, пропускание) пластинок, изготовленных из кристаллов MgF2 и LiNbO3.

В этом случае первоначальная разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами отсутствует (no–ne = 0). При повороте пластинки на определенный угол θ разность фаз увеличивается от 0 до достаточно больших значений, что приводит к изменению эллиптичности от 0 (θ = 0) до максимальных значений (циркулярно-поляризованный свет), повторяющихся периодически (рис. 6) при дальнейшем повороте пластинки. Отметим, что апертурно-угловая характеристика, θа пластинки в полтора, два раза больше в последнем случае по сравнению со случаем, когда оптическая ось расположена в плоскости пластинки (θа – угол поворота пластинки, при котором выходящие из пластинки излучение циркулярно поляризовано).

б

а

в

Рис. 6. Рассчитанная зависимость отношения интенсивностей I/I0 (1), степени поляризации P (2) и эллиптичности γ (3) от угла θ. α = 45° для пластинки MgF2 (а, б) и LiNbO3 (в) Отсчет γ производится в радианах; P – в пределах от 0 до 1. Толщина пластинки 1 мм. Оптическая ось перпендикулярна входной грани пластинки

При учете френелевского отражения для γ и P использовали выражения:

. (4)

. (5)

. (6)

Особенностью системы является возможность корректировки влияния френелевского отражения за счет изменения угла α между направлением пропускания поляризатора и одним из главных направлений пластинки. Изменения угла ψ не влияет на поляризационные характеристики.

При падении лучей на пластинку под углом θ относительно нормали к поверхности оптический путь преломленных обыкновенного и необыкновенного лучей в пластинке зависят также и от угла βе (βе – угол преломления). Разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в кристаллической пластинке также зависят от азимутального угла ρ. В случае, когда
ρ = 0°, наблюдается более сильная зависимость от βе по сравнению со случаем, когда ρ = 90°.

В параграфе 3.4 описана экспериментальная установка и методика измерений.

Лазерное излучение (λ = 0,6328 мкм) прошедшее через поляризатор, направление пропускания которого расположено под углом α относительно вертикальной оси, попадает на кристаллическую пластинку, которая может быть повернута на угол θ (θ – угол падения луча на пластинку) вокруг вертикальной оси. Выходящий из пластинки луч приобретает эллиптичность. При расположении за пластинкой анализатора (поляризатор и анализатор скрещены), выходящее излучение из анализатора линейно-поляризовано.

При измерении угла γ и P анализатор убирается. Установка собрана на основе гониометра ГМ-5. Из полученных графиков (параграф 3.5) по заданной интенсивности выходящего излучения легко найти значения степени поляризации излучения и его эллиптичности (рис. 7).

Рис. 7. Экспериментальная зависимость отношения интенсивностей
и эллиптичности излучения от угла поворота пластинки вокруг вертикальной оси.
Пластинка вырезана из MgF2 перпендикулярно оптической оси, толщина 1,35 мм:
1 – эллиптичность излучения; 2 – интенсивность излучения

В параграфе 3.6 рассматривается учет ошибок и критичность измерений при формировании определенной эллиптичности излучения.

В поляризационных измерениях, при задании необходимой эллиптичности не всегда удается точно установить углы между оптическими элементами, что приводит к определенным ошибкам. Для выявления ошибок измерения проведены расчеты критичности значений интенсивности прошедшего излучения от угла поворота поляроидов.

Точность определения P и γ достаточно высокая для обычного физического эксперимента и может быть значительно увеличена при проведении прецизионных измерений.

В четвертой главе рассмотрены особенности пропускания и поляризационных характеристик двух кристаллических пластинок.

В параграфе 4.1 показано, что в случае расположения оптических осей пластинок взаимно перпендикулярно, их свойства аналогичны свойствам одной пластинки с оптической осью перпендикулярной плоскости пластинки.

Свойства двух кристаллических пластинок, находящихся между поляризатором и анализатором несколько необычны. Если оптические оси находятся в плоскости пластинок и параллельны, то система ведет себя при пропускании широкополосного излучения как пластинка суммарной толщины. Если оптические оси взаимно перпендикулярны, то, как пластинка, толщина которой равна разности толщин.

Такие свойства, казалось бы, должны наблюдаться и для углового спектра двух пластинок (коноскопических картин). Наблюдения показали, что такая аналогия существует, но только для небольшой угловой апертуры лучей. Это обусловлено тем, что угловая зависимость показателя преломления в плоскости оптических осей и перпендикулярной различна.

Несмотря на небольшую угловую область существования аналога, возможность существования пластинки с эффективной малой оптической толщиной или вообще равной нулю для двух реальных пластинок конечной и произвольной толщины является замечательной.

При наблюдении таких двух пластинок между скрещенными поляризаторами коноскопическая картина (по центру) выглядит в виде темного креста. Такие свойства позволяют использовать две пластинки одинаковой толщины для изменения свойств поляризации прошедшего света, для задания необходимой разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Причем разность фаз (разность хода) можно задавать от нуля до больших значений за счет поворота пластинки, вокруг оси, лежащей в плоскости пластинки (за счет наклона пластинки).

В параграфе 4.2 рассмотрено управления эллиптичностью широкополосного излучения.

Подчеркнем, что для одной пластинки изменения значений I/I0, P, и γ происходит в небольшой области спектра. Для пластинки MgF2 толщиной 1,33 мм это область порядка 100 А.

Совсем иная картинка наблюдается при одновременном использовании двух одинаковых пластинок, расположенных за поляризатором одна за другой. Вдоль нормали к пластинкам падает сколлимированный пучок широкополосного излучения. Эти пластинки можно поворачивать одновременно на угол θ. Особенностью данной системы является, то, что направления оптических осей в этих пластинках взаимно перпендикулярны. При этом, когда θ = 0°, разность хода обыкновенных и необыкновенных лучей равна нулю. Спектр прошедшего излучения совпадает со спектром падающего. Это связано с тем, что эквивалентная толщина двух пластинок в этом случае равна нулю.