Управление эллиптичностью излучения с помощью плоскопараллельных кристаллических пластинок произвольной толщины (стр. 1 )

На правах рукописи

АНДРЕЕВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЛИПТИЧНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИНОК
ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЛЩИНЫ

01.04.05 – Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Хабаровск – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный
университет путей сообщения»

Научный руководитель:         заслуженный деятель науки РФ

       доктор физико-математических наук,

       профессор

Официальные оппоненты:        доктор физико-математических наук,

       доцент

       

       кандидат физико-математических наук,

       доцент

Ведущая организация:         Дальневосточный филиал ФГУП ВНИИФТРИ
(ДАЛЬСТАНДАРТ)

Защита состоится 8 декабря 2009 г. в 1715 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 218.003.01 при ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Хабаровск,
конференц-зал 2-ого учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан 8 ноября 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук        

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Оптика анизотропных сред занимает все большее место в области линейной и нелинейной оптики. Из оптических кристаллов изготавливают различные элементы – плоскопараллельные пластинки, призмы и т. д.  В нелинейной оптике одним из элементов является кристалл-преобразователь частоты излучения; в линейной оптике могут использоваться пластинки и призмы, например, в резонаторе лазера для вывода части излучения (лазер с управляемой добротностью) или для электрооптической модуляции излучения.

Необычность оптических процессов в данных элементах связана со значительным своеобразием распространения в кристаллах необыкновенного луча. Угол отражения необыкновенного луча может быть не равен углу падения; угол падения и отражения может быть больше 90 градусов.

Однако, не смотря на эти особенности, в печати нет литературы по «анизотропной оптике», доступной рядовому инженеру-оптику и студенту-оптику. Хотя солидные монографии по данным вопросам имеются [1–4].

Например, углы преломления и отражения прошедшего в пластинку луча различны.
В направлении отраженных лучей распространяется не два, как казалось бы должно быть (обыкновенный и необыкновенный лучи), а четыре. Два из них лежат в плоскости отражения, а два в плоскости, смещенной на значительное расстояние от плоскости отражения [3].

Плоскопараллельные пластинки, изготовленные из одноосных кристаллов, используются в оптике в качестве фазовых элементов для задания излучению определенной эллиптичности. Это обычно полуволновые и четверть волновые пластинки. Изготовление таких пластинок является достаточно трудоемкой задачей, стоимость их велика. И к тому же недостатком является невозможность непрерывного изменения эллиптичности излучения. Изучение особенностей получения эллиптически поляризованного света с заданной эллиптичностью с помощью плоскопараллельной кристаллической пластинки, используемой нетрадиционным способом, является одной из актуальных задач «анизотропной оптики».

К тому же в нелинейной оптике, квантовой электронике возникают задачи по сложению двух и более лучей в плоскопараллельной кристаллической пластинке.

При сложении ортогонально поляризованных волн, получают излучение с линейной, циркулярной или эллиптической поляризацией. Этот метод хорошо разработан и содержат многочисленные результаты. В последнее время появились работы по изучению свойства света с новыми типами поляризации – полярным светом, когда луч содержит совокупность гармоник и каждая из них поляризована в одном и том же направлении.

Представляют значительный интерес свойств света с продольной поляризацией, а так же свойства света, полученного при сложении двух пучков, когда направления векторов напряженности электрических векторов не ортогональны и не равны нулю.

Последний случай может быть реализован для лазера, содержащего две продольные моды, в которых направление вектора напряженности в каждой моде меняется и меняется со временем разность фаз между лучами. Не отмечены в литературе свойства света с поляризацией типа фигур Лиссажу.

Таким образом, исследования в направлении создания источников света с новыми типа поляризации, использование для этой цели элементов «анизотропной оптики» и выявление характерных особенностей физических процессов с таким излучением является актуальной задачей.

Цели и задачи работы

Целью настоящей работы является выявление новых закономерностей при создании источников излучения с нетрадиционными типами поляризации света и при управлении эллиптичностью, степенью поляризации, степенью полярности света с помощью элементов «анизотропной оптики».

Необходимо решить следующие задачи:

Провести анализ литературных данных по реализации новых нетрадиционных типов поляризации света. Провести анализ литературных данных по поляризационным устройствам для задания определенных характеристик света, созданным на основе элементов «анизотропной оптики». Изучить свойства света, полученного за счет сложения пучков излучения с неортогональными поляризациями. Проанализировать характеристики света, в котором вектор напряженности электрического поля описывает фигуры типа Лиссажу. Изучить характеристики полярного света состоящего из двух компонент (щ, 2щ или щ, 3щ) и возможность управления степенью полярности за счет использования анизотропной плоскопараллельной пластинки. Выявить характерные особенности света с продольной поляризацией. Рассмотреть некоторые особенности проявления физического отклика в кристаллах при воздействии света с нетрадиционным типом поляризации. Рассмотреть возможность управления эллиптичностью лазерного пучка за счет использования «анизотропных элементов». Рассмотреть влияние немонохроматичности на характеристики эллиптичности лазерного пучка. Выявить возможность внесения необходимой эллиптичности в широкополосное излучение оптического пучка.

Методы исследования

При проведении физических исследований и расчетов использованы современные оптические методы, приборы и вычислительная техника. При определении эллиптичности пучков излучения использована современная поляризационная техники, статистические методы обработки результатов измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Научная новизна работы состоит в том, что в ходе экспериментальных и теоретических исследований получены следующие результаты.

Показано, что при сложении излучений с неортогональными поляризациями также образуется свет с линейной, эллиптической и циркулярной поляризацией. Линейный поляризованный свет образуется при разности фаз д = 0 и 180° при любых значениях и  (и – угол между векторами E для смешиваемых пучков). Впервые показано, что в случае пучков излучения с неортогональными поляризациями циркулярно поляризованное излучение образуется при условии д = 180°–и. Тогда как в кристаллооптике циркулярно поляризованное излучение образуется при д = 90°. Впервые рассчитаны для светового излучения, при использовании параметрических уравнений поляризационные фигуры типа фигур Лиссажу. Степенью полярности полярного света можно управлять за счет поворота изотропной или анизотропной плоскопараллельной пластинки вокруг оси, лежащей в плоскости пластинки. Показано, что наиболее целесообразно использовать для управления эллиптичностью и степенью поляризации плоскопараллельную пластинку, изготовленную из кристалла MgF2 с оптической осью кристалла, направленной вдоль луча и осью вращения пластинки, лежащей в плоскости пластинки. Могут использоваться плоскопараллельные пластинки любой толщины из любых оптических кристаллов. Обнаружено, что в системе поляризатор – кристалл – анализатор мешающее влияние Френелевского отражения может быть скомпенсировано поворотом кристалла на некоторый небольшой угол (1ч5°). Выяснено, что система, состоящая из двух плоскопараллельных пластинок, в которых оптические оси ориентированы взаимно перпендикулярно, позволяет задавать в широкой области необходимую эллиптичность широкополосного излучения.

Практическая ценность работы

Все полученные в диссертации результаты и используемые методы могут служить основной для создания новых оптических приборов и установок, а также могут быть использованы в неразрушающих исследованиях и контроле.

Связь с государственными программами и НИР

Диссертационная работа автора связана с фундаментальной научно-исследо­ва­тельс­кой госбюджетной темой «Анизотропное отражение и электрооптические свойства кристаллов», выполнявшейся на кафедре физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

на международном симпозиуме (Третьи Самсоновские чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов». – Хабаровск, 12–15 апреля 2006 г.; VI региональной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования», Благовещенск, 2006 г.; 6 школе по когерентной оптике и голографии. – Иркутск. – 4–9 сентября 2007 г.; научной сессии МИФИ. – Москва. – 22–26 января 2007 г.; международной конференции по опто - и микроэлектронике. – г. Владивосток – 2007 г.; международной конференции «Оптика – 2007», Санкт-Петербург, 2007 г.; международной научной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур».
– Хабаровск, 2008 г.; международном оптическом конгрессе «Оптика – 2008». – Санкт-Петербург, 2008 г.; VI международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». – Томск, 2009 г.; На VI международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2009». – Санкт–Петербург, 2009 г.; На VIII региональной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования». – Благовещенск, 2009 г.

Публикации и вклад автора