Изучение предельных возможностей и развитие высокочувствительных лазерных поляризационных методов исследовании тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г Б од

~ 2 ОПТ Ш

САКп-пЕТЕРвт-ааи государственный укивнрсягет

На правах рукописи

ФОФАНОВ Яков Андреевич

ИЗУЧЕНИЕ ПРЕДеЛЫШ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И РАЗВИТИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ П0ЛЯРИЗАЦК0НШХ методов ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 01.04.06 - "Оптике".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ня соискание уудхоЯ Степана доктора фхзшсо-кэтеиалпеснхЕ наук

САгеСТ-ПЕГОБУРГ - 1996 г.

Работа выполнена в Институте

аналитического приборостроения Академии наук России

Официальные оппоненты:

доктор Зизико-мэтематических наук В.С.Зепесский. Доктор физико-математических наук, профессор

Е.Н.Котдиков. Доктор физико-математических наук, профессор А.К.Радин.

Ведущая организация:

Институт точной механики и оптики, Санкт-Петербург.

яа васедании диссертационного совета Д 063.57.28 по защитам диссертаций ва соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Савкт-Потврбург, Университетская набереаивя 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан О^.рАаоь г.

Ученый секретарь дассертацаокаого совета доктор физ.-мат. наук, профессор

Защита состоится

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации. Поляризованный свет изучается и используется в фиалка оченъ широко н-сп. Обладая высокой чувствительностью, поляризационные методы исследований позволяют регистрировать мзлые изменения оптически* свойств, возииквкцио в исследуемых объектах по рапным причинам С2-5). Класс изучаемых процессов и объектов весьма велик: различные срада, в которых под влиянием внешних полой возникают двулучепреломление и дихроизм, граница раздела, современные оптически® материалы, элемента и т. д. и-«].

Как правило, поляризационные метода исследований имеют более высокую чувствительность, если состояние поляризации пробного излучения промодулироввво во времени. Свет с модулированной поляризацией успешно используется для зондирования различных поверхностных структур сн-131.

Вместо с тем, известен целый ряд случаев, когдэ наличие поверхностных аффоктов делает существующие поляриззционно-модуляционные методы исследований либо мало аффективными, либо вообще непримэшсчыми. Это относится правде всего к изученив оптических характеристик, определяемых внутренними свойствами исследуомах объектов, а не границами раздала. Одной из таких характеристик является малое внутреннее двулучепреломяение. Его регистрация открывает перспективы изучения трудно нвблвдаемых альтернативными методами физических процессов, определяющих, в частности, качество оптических кристаллов и стекол се.» элементов поляризационной оптики, брвстеровских окон и т. д.

115-1'/].

Другим хорошим примером применения высокочувствительных поляризационных методов исследований и контроля является создание и соввраенствование призм полного внутреннего отрицания для кольцевых резонаторов лвзершх гироскопов и?). Призш ПВО опрвделявт анизотропию резонатора и, следовательно, чувствительность гироскопа к внешним магнитным полям, поатому для разработки современных высокоточных лазерных гироскопов детальные исследования поляризационых характеристик призм очень важно 118-201.

Во всех указанных вше случвях сильные поверхностные

поляризационные эффекты значительно умоньшают возможности традиционных методов поляризационных исследований 111,123. Ишслгачвние или заметное уменьшение вклада поверхностных аффектов, позволит заметно расширить область применения рассматриваемых методов и подойти к проблеме получения предельных величин их чувствительности и разрешающей способности.

Одним из фундаментальных факторов, определявших предельную чувствительность и разрешающую способность оптических методов исследований, является, как известно, квантовые флуктуации свата (дробовой шум). Перспективы дальнейшего повышения чувствительности оптических измерений открылись сравнительно нодавно в связи с созданием источников "сжатого" света «1-255.

К настоящему времени экспериментально подробно исследованы вопросы, связанные с достижением пороговых, яа уровне дробовых шумов, значений чувствительности в измерениях малых поворотов плоскости поляризации света, прошедшего через исследуемый объект 0,4]. Поляризационные и интерферомегрические измерения в "сжатом" свете при слабой модуляции также обсуждались теоретически и были продемонстрированы экспериментально сгб-а«. Предельные та возможности модуляционных методов измерений малой постоянной (или медленно меняющейся) линейной анизотропии исследованы далеко не полностью. Ряд важных для фундаментальных исследований и приложений случаев нэ рассмотрен »4-171. Недостаточно изучена даже принципиальная осуществимость измерений о глубокой модуляцией фазы без фотонного шума и о учетом разрешения в пространстве.

Возможность применения высокочувствительных методов с глубокой модуляцией "сжатого" свете открывает также перспективы новых подходов к изучению магнитного в двойного радио-оптического резопаксов (зо-зи.

Таким образом, в началу настоящей работы имело место явное отставание развития поляризвцаонно-модуляциошшх методов исследований от соврэменных потребностей фундаментальных и прикладных наук. Это явилось главным фактором, определившим необходимость и актуальность исследований по теме диссертации.

Цель работа заключается в сладуодем:

ТТРвзвйтга" высокочувствительных лаверяих методов исследований малой внутренней вшгаитроггаи прозрачных объектов, основанных нв модуляции состояния поляризации пробного излучения и позволяющих в то же время исключить вклад поверхностных поляризационных эффектов.

2.Исследование предельных чувствительности и разрешаяцэй способности методов, определяемых шумами источнике излучения (лазера).

3.Изучение перспектив дальнейшего развития методов в направлении повышения их чувствительности и пространственного разрешения.

В процессе работа становилось ясным, что поставленная цель требует решения целого ряда взаимосвязанных проблем. Во-первых, было необходимо исследование особенностей формировбвия и методов снижения шумов излучения применяемых источников излучения (лазеров). Далее, необходим« были разработка методов глубокой прецизионной и стабильной модуляция состояния поляризации (фазы) пробного излучения, разработка к теоретическое обоснование методики измерения малого внутреннего даулучепрвлоылония исследуемых объектов оря их зондирования линейно паляризовянпчм излучением.

Изучение перспектив дальнейшего развития рассматриваемых методов вшшчало в себя необходимость проведэная исследований возможностей управления па квантовом уровне статистикой излучения лазеров, исследований шумовых характеристик различных практически используемых схем поляризационных измерений о глубокой модуляцией фазы, и, наконец, анализ возможностей применения в этих схемах сжатых состояний овета.

В диссертации, которая носит преимущественно экспериментальный характер, отражены найденные решения указанных проблем я полученные при атом результаты.

Научная новизна работы состоит в том, что 8 ней впервые а независимо от аналогичных исследований за рубежом экспериментально показана возможность управления на квантовом уровне статистикой излучения газовых лазеров и генерации в петле обратной связи фотоприемник-накачка излучения с субпуассоновской

статистикой фотонов.

Подробно исследованы шумовые характеристики различных конфигураций модафдцировЕннх схем лазерных поляризационных измарений с глубокой модуляцией фазы и достигнута их пороговая чувствительно сть, определяемая фотонными (дробовыми) шумами фотоприема. Исследована целесообразность применения в рассматриваемых схемах сжатых состояний света и указаны конкретные измерительные конфигурации, допускающие снижение фотонного шума ниже дробового уровня с учетом разрешения в пространстве.

Сформулированная и научно обоснованная в работе концепция панорамной шляризационно-модуляциоивой микроскопии

нестационарных прозрачных объектов в маогомодовом "сжатом" свете указывает перспективное направление дальнейшего развития высокочувствительных поляризационных методов исследований.

Научная и практическая ценность работа заключается в развитии высокочувствительных лазерных поляризационных методов исследований, допускащих измерение малого внутреннего двулучепреломления очень широкого класса объектов: атомных и молекулярных систем, находящихся во внешних полях, оптических материалов и алиментов, различных проб в биологии, медицине, фотохимии и т. д. Это позволяет, в принципе, регистрировать о предельной чувствительность» и изучать все те процессы и явления, которые сопровождаются двулучепреломлвнием участвующих или как-либо соприкасающихся о исследуемыми явлениями объектов.

В частности, появляются реальные основы для усовершенствования существующих и развития новых современных технологий изготовления оптических материалов высокого качества и прецизионных оптических влвмвнтов, создания конкурентвосшсобшх изделий квантовой електроники и т. д.

С помовуло развитых в работе методов подробно акспариментальго исследованы и теоретически объяснены ваишо для практического применения лазерных призм ПВО особенности их поляризационных характеристик. Продемонстрированы возможности вкспэримэнтального наблзодения мелкомасштабных структурных особенностей в образцах оптических материалов высокого качества.

£

На звщиту выносятся х

1.Исследования естественных флуктуация интенсивности излучения Не-Ле и Не^е/127Д2-лвзора, проведенные с целью сравнения с ексшримеиток полуклвссического и квантового подходов к описанию естественных флуктуация.

2.Модель фотоупругого модулятора состояния поляризации о пьезоприводом. Результаты теоретических, выполненных на основе модели, и экспериментальных исследований амплитудно-частотных и энергетических характеристик фотоупрупп модуляторов.

3.Методика высокочувствительной регистрации малого внутреннего дпулучепраломления прозрачных объектов, использующая прецизионную сильную модуляции состояния поляризации пробного излучения и позволяющая исключить вклад поверхностных поляризационных эффектов. Проведенные по разработанной методике експериментальныв исследования и теоретический анализ поляризационных характеристик образцов современных прецизионных оптических шюмантоп и высококачественных оптических материалов.

4.Достижение пороговой, на уровне фотонных (Дробовых) шумов чувствительности схем поляризационных нзкэреяий о модуляцией фазы. Изучение шумовых характеристик и анализ перспектив дальнейшего повышения чувствительности и разрешающей способности модифицированных схем поляризационных измерений в связи о применением "сжатого" света.

5.Получение субпуассоновской генерация газового лазера в петле обратной связи фотолриемтт - накачка. Теоретические исследования статистики излучения лазера о обратной связью.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались пз IIм Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константа (Ленинград, 1985), на IIй Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в технологии и системах пора дачи и обработки информации", (Ленинград, 1984), на IXй Вавилонской конференций по яэдинвйной оптика (Новосибирск, 1987), на Xм Всесоюзном симпозиума я семинара по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Омск, 1991), .на Iй и IIй Международных рабочих встречах по сжатым состояниям и соотношению неопределенностей (Москве, 1990 и 1992), па Международных семинарах по квантовой оптике ('¿шск, 1990, 1992 и 1994), нз

Мэздународных семинарах "Проблемы квантовой оптики" (Дубна, 1991,

1993), на Международной иколе-свкинаре-виставко "Лазеры и современное приборостроение" . (С.-Петербург, 1992), на Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1982,1993), на семинаре "Прихладаая оптика-94" (С.-Петербург,

1994), в также обсуадались на семинарах во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И, Менделеева, в Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (С.-Петербург), в Научно-исследовательском институте физики СПбГУ (С.-Петербург), в Научно-исследовательском технологическом институте оптического материаловедения (С.-Петербург), Физическом институте им. П.Н. Лебедева Академии паук России (Москва).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, из которых 14 Сев соавторов. В числа опубликованных работ есть монография, 20 работ опубликовано в академических изданиях, 1 - в ведомственном издании, 3 - в маадународных изданиях, 5 - в сборниках тезисов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 284 стр. машинописного текста, вклшая 61 рисунок и 3 таблицы. Список литературы содержат 189 наименований.

Содержание работы.

Введение посвящено общей характеристике работы и состоянии вопроса в данной области исследований. Обоснйввни актуальность теш работы и ее структура. Сформулированы защшцаемые положения.

Первый: раздел диосвртвцда является обзорным. В нем рассмотрены принципы измерений с модуляцией состояния поляризации дробного излучения, кратко изложены основные методы модуляции фазы (состояния поляризации), приведен пример современного практического применения модуляциош-полярязационннх методов.

Если шжду ооосно расположенными поляризатором и анализатором помещены модулятор и исследуемый объект (образец),

главные оси которых совпадают и развернуты на 45° по отнояонии к осям поляризатора и анализатора, то интенсивность Ш) излучения, выходящего из анализатора, может быть записана в виде т:

кг) - I с» + соз Э(г)1/2,

(1)

где I - интенсивность излучения после поляризатора, а разность набегов Фвз 0(1) - эх(ъ) - Ру<г) двух линейно поляризованных по осям модулятора (образца) компонент влвктричаского поля состоит из двух слагаемых:

Здесь ф - постоянная разность фаз, вносимая образцом; Ад -амплитуда модуляции разности фаз, создаваемой модулятором; О -частота модуляции. Предполагается, что оптические элементы схемы не вносят потерь.

Из (1) и (2) нетрудно получить, штришр, соотношение для переменной составляющей Кг) на нечетных гвршавийх частоты модуляции:

откуда следует, что измерокиз относительной амплитуда одной из нечетных гармоник позволяет определять величину <р. В более общем случае с учатся сигналов па четных гармониках могут быть яаморовн круговая анизотропия, а также линейный в круговой дахрошм

£11-123,

В раздала I показано, что основной недостаток рассматриваемых методов сдодуаг из их принципа; образец зондируется излучением с модулированной поляризацией. Это сильно затрудняет, а в ряда случаев делает практически на возможными измерения малой внутренней анизотропии исследуемых объектов, т. в. получаемые значения <р определяются, главным образом, сильными поверхностными поляризационными вффектами. Измерение малых <р в значительной степони затруднено также отсутствием возможности плавной установки нулевых показаний, т. е. плавной стабильной

Э(г> - <р + Ад зш (ог).

(2)

З^т - -1и, (Ад) а 1л £К + •Т3(Ад) з1п ЗСП + ...] в1п <р,

(3)

компенсации остаточного даулучелрэлошшния измерительного тракте.

Использование дуговых ламп в качестве источников света позволяет проводить поляризационные исследования в широком интервале длин волн, однако их малая спектральная яркость требует применения ФЭУ сза. Квантовый выход фотокатодов большинства ФЭУ заметно меньше единицы, а собственный шум дошодных систем обычно в несколько раз выше дробового. Более того, флуктуации интенсивности излучения применяемых источников света, попадающие в рабочую полосу частот, воспринимается системами регистрации также, как полезные сигналы. Всо это сильно ухудаает соотношение сигяел/шум и ограничивает тем самым чувствительность и рвзрешакцув способность рассмотренных методов измерений.

Обоснованные надзада повышения точности и чувствительности оптических измерений, появившиеся в последние года в связи с вкспврименташ со "слитым" сватом 122-293, также на относятся к рассвтриввемым схемам измерений. Вследотвие наличия поляризатора и анализатора, в измерительном тракте принципиально присутствуют потери фотонов, что делает невозможной реализацию тех преимуществ, которые может дать применение источников "сжатого" света Ш1.

Далее в раздолз I обсуадавтся факторы, определяющие шумы излучения лазеров, поскольку, как показано в работе, лазеры являются перспективными для развития методов источниками излучения.

11а основании анализа литературных данных в разделе I сделан вывод, что дальнейший прогресс в лазерной физике, ряда прикладных наук и технологий требует сегодня разработки и усовершенствования высокочувствительных лазерных методов исследований малого внутреннего двулучепреломления, а также изучения их предельных возможностей и пераспектив развития.

В конце раздела I сформулирована цель работы.

Во второй раздела диссертации представлены результаты иоледований естественных флуктуация интенсивности излучения (ЕФИ) Не-Ке-лазеров, проведенных а целью сравнения полуклассического и квантового подходов к их описанию «*». Постановка этих исследований обусловлена тем, что в большинстве случаев зшишчение о естественной природе наблмдиэмых в акспэрименте

флуктуация интенсивности излучения делалось лишь на основа сравнения экпериментальных данных с полуклассической теорией

С 33] .

Известно, однако, что палуклассичоский подход в ряда случаев но может Сыть вполне обоснован и двваемке ид результаты могут расходиться как с выводами последовательной квантовой теории, так и с экспериментом в связи с втлм весьма желательной

является проверка правильности результатов полуклассической теории с помощью более последовательной и точной квантовой теории естественных флуктуаций излучения. Такая проверка становится особенно важной в связи о необходимостью анализа и правильного понимания результатов экспериментов по снижению флуктуаций излучения в лазерах с обратной связью {см. разд. 5).

Исследования ВЭД проводились с одаочастотшм Не-Ке-лазэром, входящим в прецизионную лазерную систему в качестве немодулировашкзго по частоте лазера, стабилизированного по опорному Не-Ке-127Лр-лазеру с частотной расстройкой, определяемой внеашм рздаогвнерзтороа £2*). При разработка к изготовления исследуемого лазера были проведены исследования я принят ряд мер по снижении технических флуктуаций, что позволило выйти на уровень ЬШ 1з*-8*1,

Зксперамэтально установлено, что для линейного Вв-Ке-лазера с малой интенсивностью эввисишсти уровня ЕФИ от интенсивности генерации хорошо совпадают с расчетными, полученными на основе как полукласичвской, так и квантовой теорий. В данном случав расхождение уровней флуктуаций, предсказанных обеими теортами, невелико, что в исследуемых условиях ш дает оснований отдать предпочтение той шаг иной теории.

Экспериментально обнаружена минимумы а зависимостях уровня ЕФИ от юкз разряда активного еде манта, снятых при постоянных значениях интенсивности сЛ. Минимума на&вдглись при токах разряда, соответствующих максимуму энергетической характеристики и*}, Полуклассическая и квантовая теории дзот качественное объяснение минимумов. Согласно обеим теориям, они возникают вследствие наличия максимума в зависимости инверсии засоленностей работах уровней активной срзди от тока разряда и*,б*].

Исследования ЕФИ Яе-Кэ-лазрров были дополнены изучением технических и естественных флуктуаций интенсивности

He-Ne/<7127-лазэрсш, т.к. для них минимальный уровень шумов излучения особенно вакен í7*-io*j. результаты в па исследований послужили основой для разработки лазере, который был затем использован в опытах ш генерации субпуасооновского излучения, описанных в разделе 5.

Установлено, в чаотности, что наличие в резонаторе поглощзпдей ячбйкг с 2J12t вносят дополнительные линейные потери, обусловленные сплошным фоном поглощения в 2J127 в данной спектральной области. Их влияние на уровень ЕФИ определяется соотватстнущим снижением мощности генорсции. Влияние пиков насшценного поглощения пренебрежимо мало ю*,»*!.

Исследования особенностей некоторых нвиболае характерных видов колебания в активных алемонтах Яе-Ке-лазвров (локальных, реактивных колебаний и страт), описанные в разделе 2, показали, что их воздействие на интенсивность излучения обусловлено, главным образом, процессами, синфазными по длина разряда аЛ.

Рассмотрена феноменологическая модель процесса автоколебаний страт в капиллярах активных еле ментов He-Ne-лазоров, вкспаримйятвлыт исследованы амплитудно-частотные характеристики страт ci2*-u*l. Обоснованы я скспвримантальш проверены способы подавления страт с помощь» регулировки параметров внешней цепи

Третий раздел диссертации посвящен исследованиям фотоупругого модулятора (ítí) состояния поляризации tie'i. ш обладает рядом преимуществ ш сравнению о модуляторами других типов: судастаенно большей угловой впертурой - около 50° Об], малым остаточным двудучепреломлешгам, широким спектральным диапазоном. Использование в ®М пьезоприводов не требует большх питащих напряжений.

В настоящее время упругооптический и пьезоэлектрический аффекты изучены достаточно подробно (в,зл-зв1. разработаны метода расчета различных пьезопреобразователей tsoi. Тем не менее в литературе отсутствует сколько-нибудь детальный анализ работы Ш с пьезоприводада, что затрудняет создание модуляторов о требуемыми параметрами.

В начала третьего раздала построена теория ФМ с пьезоприводом. для анализа взят сравнительно простой и хорошо

и

себя зарокомвндовавжй Ш, предложенный в работе uoi: в старше, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда длиной L, с гомацьв двух пьезоприводов возбуздеется продольная стоячая акустическая волна. Частота колебаний стержня совпадает с одаой из ого собственных частот и сильно стличэотся от частот собственных колебаний пьезоприводов. Механические напряжения, вознякащае в стержне, создают периодическое во времени двулучепреломлвнно (оно входит в формулу (2)).

В качестве модоли рассматриваемого ФМ взят прямолннэйный стержень со свободными концами, в котором с помощью внешней силы возбуждены продольные колебания Погоречшо рамеры стергнн не учитываются. Внешняя саля моделирует воздействие пьезопривода на модулятор.

Задача решается методом самомогласованных колебаний. При рассмотренная колебаний старая внешняя сила считается заданной, что позволяет найти амплитуду и фазу его колебаний (деформации). При решении задачи о пьззоприводв предполагаются известными амплитуда и фпза колебаний модулятора в области крепления пьезопривода. Это дает возможность вычислять силу, с которой пьезопривод действует на модулятор при заданном напряжении за влектродах пьезопривода. Объедштание сбоих решеяий гозволяэт найти зависимости мезду приложенным к пьавопряводу напряжением и амплитудой и фазой колебаний (деформации) модулятора.

Рассмотрены дзз модели пьезопривода: одномерная и трехмерная. С помощи развитей теории расчиташ амплитудно-частотные и ан&ргвтяческио характеристики 245, а тага® импеданс пьезояривода, нагруженного на модулятор.

Экспериментальные исследования были проведены с опытными образцами модуляторов tie*]. Двудупвярэломлэниз в них измерялось на высокочувствительной установке, которая подробно описана в разделе 4 диссертации tie*]. Исследования ашиитудно-фазовых з энергетических характеристик, а также аквивзлогшаа параметров изготовленных ФМ, подтвердили правильность модели. Обнаружены предсказанные теорией розонаяс и антирезонано в система пьезопривод - массивный механический осциллятор (модулятор). Исследования зависимостей амлитуды колебаний модуляторов от длины пьезопривода показали, что о:га лучше гашсывавтся соотношениями, следующими из трехмерной модели пьезопривода.

В целом проведанные исследования позволили оптимизировать параметры и создять образцы прецизионных ФМ, которые затем были использованы в высокочувстаятельшх схемах для поляризационных исследований т*1.

Четвертый раздел диссертации содержит описание оригинальной высокочувствительной методики исследований малого внутреннего даулучепреломления, называемой "наклонным зондированием". Основные особенности методики заключаются в том, что линейно поляризованное аондарузодеэ излучение направлено под углом Брюствра к поверхности »следуемого объекта, а модуляция состояния поляризации зондирующего излучения осуществляется после его прохождения через исследуемый объект. Проведенный внвлжз показывает, что двудучепреломленив в атом случае может быть определено по сигналам м нечетных гармониках частоты модуляции, а вследствие того, что излучение поляризовано в плоскости падания, вклад поверхностных поляризационных практически исключен 120*-22*].

Для опробования и изучения возможностей предложенной методики были проведены исследования поляризационных хврактеристк призм ПВО, применяемых в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов. Выбор п качество исследуемых объектов лазерных призм ПВО обусловлен тем, что в атом случав состояние поляризации зондирующего излучения является особенно существенным: призмы определял? анзээтрошш резонатора и, следовательно, чувствительность гироскопа к внешним магнитным полям cir.iw.

Для уменьшения потерь в кольцевых резонаторах через призмы проходит линейно поляризованное излучение, направленное под углом Брюстэра к входной я выходной поверхностям tin. Исследования малого внутреннего двудучапрелокле ния лазерных призм ПВО должны проводиться в тех хв условиях и, таким образом, модуляция состояния поляризации падающего ва призму пробного излучения крайне нвжэлатольна. Дяя получения более полной информации о характере двулучэпрэломлешш исследуемых призм были проведены твкхг вх исследования но традащкшой методах», в которув был внесен ряд усовершенствований C2i'j.

Экспериментальные исследования, таким образом, состояли из двух атапов. На первом из них призмы ПВО были исследованы "на

а

проход", когда промодулированное по состоянию поляризации излучение проходило через них, не испытывая полного внутреннего отражения. Не втором этепо поляризационные характеристики призм были иослодованн методом наклонного зондирования. В втом случае линейно поляризованное излучение, падающее на призмы, испытывало полное внутреннее отражение но одной из граней, что приводило к повороту ого волнового вектора.

Исследуемые призмы были изготовлены из плавленного кварца к обладали малым двулучепреломлением, что потребовало увеличения чувствительности установки. Увеличение чувствительности поляризациошго-модуляционннх измерений встречает, как известно, существенные трудности, связанш с собственной анизотропией оптического тракта и дрейфом нулевых показаний м». Для уменьшения влияния анизотропии тракта на измерения была разработана простая и аффективная методика подавления переменной составляющей фототока, обусловленной анизотропией. Оно достигалось внесением в тракт малого и точно регулируемого двулучепрзлочления.

В экспериментах были применены <Ш, описанные в раздела 3. Необходимая темпвратура Ш я элемента, вносящего дополнительное даулучепреломленив, поддерживалась специальной схемой регулирования, что в целом обеспечивало стабильность пуля на уровне десятых - сотах долей угловой минуты.

При реализации высокочувствительного метода наклонного зондирования возникает и другая проблема, связанная с "разрывом" оптического тракта при отсутствии в нем исследуемого объекта. Была разработана и отлажена методика юстировки, в которой "замыкание" тракта осуществлялось о помощью определенным образом установленного зеркала, на мешающего работе о призмами. Это позволяло при их отсутствии выставлять нулевые показания и калибровать установку так, как вто делается при исследованиях "на проход".

В качества источника излучения использовался отобрази« по минимуму шумов излучения и доработанный экземпляр лазера ЛГН-303 (423. Оптимизация режима работы активного элемента в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 2, позволила снизить флуктуации интенсишости излучения на рабочих частотах более, чем на два порядка.

Электронная часть установки содержала специально разработанные синтезатор частоты и драйвер СМ, в также усилители, синхроные детекторы и другие схемы.

¡{следования призм ПВО методом наклонного зондирования показали, что их установка на оптический контакт на основание из ситалла приводит к возникновении двулучепреломления, зависимость хоорого от высоты зондирующего луча над основанием имеет существенно немонотонный характер. Вблизи основания величина двулучепреломления составляет около -2°, далоэ оно быстро уменьшается, меняет знак, затем нвблвдаются даа пологих максимума величиной не более 0,3°. В призме, закрепленной с помощью пайки индием, двулуча&реломленяе имеет аналогичный вид, однако его величина Еблизи основания составляет около -0,5°. Для призм, снятых с контакта или вообще не подвергавшихся каким-либо воздействиям, ход кривых плавный, „двулучепреломление в средней части призм составляет не болев 10 мин.

Исследования "на проход" дали похожие в главных чертах результаты. Чувствительность метода и воспроизводимость показаний позволили обнаружить уменьшение с течением времени двулучепреломления в призме на пайке, связанное, по-видимому, с процессами релаксации в материале паянного шва.

далее в четвертом разделе приведены результаты теоретического анализа наблвдавшегося в призмах двулучепреломления. Анализ проведен в предположении, что установка реальных призм на основание приводит к появления кьсетелышх напряжений в плоскости контакта. Эти напряжения описаны внешними нормальными силами, равномерно распределенными в узких полосках на противоположных гранях модельной призмы в форме прямоугольного параллелепипеда. Такая модель названа "плоской юдолью", поскольку с хорошим приближением деформация в ней является плоской.

Для плоской модели найден тензор напряжений, по которому определены коэффициенты уравнения оптической индикатрисы. Это позволило решить задачу о переносе излучения в призме и расчитать сигнал, шлучаедай в вкспериментальной установке. Результаты расчета дают надежное качественное и вполне удовлетворительное, учитывая простоту модели, количественное соответствие с вкспериментально наблвдявшамися зависимостями, как для наклонного

зондирования, тан и при зондировании "на проход". Указанное соответствие сохраняется при изменении параметров модели в широких пределах, что говорят о еэ прочности 121*1.

Хорошев совпадение расчетных и вксдаришнталышх результатов не дает основания ограничиться только плоской моделью, т. к. случай наклонного зондирования, когда луч перасекает призму под углом, описывается такой моделью не вполне корректно. О целью исследования возможного влияния объемных аффектов, а также для доказательства, что проявляющиеся о теоретических :фишх особенности да являются следствием выбора именно плоской модели, в четвертом разделе диссертации рассмотрена также модель в вида цшшвдрз, к основанию которого приложены аксиально симметричные касательные напряжения (цилиндрическая модель) 122*1,

В связи о тем, что задача теории упругости, соответствующая цилиндрической модели, аналитически точно не решается, тензор напряжений находился Вариационным методом С4за. Была использована процедура, содержащая 12 вариационных параметров. Результата расчетов для цилиндрической модели хорошо совместимы, как о расчетами дал плоской модели, тек и о экспериментом, что является виде одним обоснованием аффективности рйзработвняой методики Г20*-22*1.

Результаты, полученные о подацьа развитой методики для призм ПВО, побудили нао опробовать ее возможности на примере исследований образца оптического материала высокого качества. Исследуемый образец представлял собой кристалл флюорита с даумя плоско-параллельными гранями, отполированными "на сукне".

Наклонное зондирование образца, вслэдсгянэ особенностей его формы, было затруднено, однако выполненное просвзчиванив образца "на проход" также представляет несомненный интерес, поскольку оно было проведено с недостижимой раяео чувствительностью а разрешающей способностью. Полученный зависимости обнаруживают хорошо выраженные краевые вффекты. В средней части образца видны резкие выбросы <р, окруженные слабыми оателатами. Хорошо заметны также более мелкие компоненты. Основные отмеченные здесь детали поляризационных характеристик кристалла увврошю воспроизводились при многократных повторных прописях.

Полученные при просвечивании образца результаты, не дают, к сожалению, возможности сделать какие-либо заключения относительно

Уб

природа обнаруженных деталей поляризационных характеристик образца. Для этого необходимы более подробные исследования. Однако можно с уверенностью сказать, что зарегистрированные о помощью разработанной методики компоненты указывают на наличие мелкомасштабных структурных особаностей, появившихся в образце в процессе его выращивания и обработки.

В начале пятого раздела диссертации приведен краткий обзор основных представлений и результатов по сжатым состояниям света. Отмечено, что главное преимущество, которое дают сжатые состояния, заключается в снижении шумов фоторегистреции. В связи о агам значительный интерес к сжатым состояниям определяется прежде всего перспективами их использования в оптических методах измерений в передачи информация.

Уже оейчаа сжатые состояния света успешно применяются в интерферометрии 12?¿¡а:, и в спектроскопии высокого разрешения (441. Предсказано существование пространстванно-многодадовго света в сжатом состоянии, предложено его применение для малошумящвй записи и обработки изображений 121,451. Одна из существенных особенностей многомодового "сжатого" света состоит в том, что при рогиотрирации его матрицей, состоящей из малых (в меру "пространственного" сжатия) фотоприемных алемонтов, шумы фототоков каждого из них будут меньше дробовых.

Физически . очень интересные результаты ожидаются при реализации поляризеционно-сжатого 146] и Р-скалярного света игз, в исследованиях нелинейных границ раздела С4вз. для генерации сжатых состояний предложены и расчитаны эффективный рвзонаторние системы с нелинейными элементами (4м.

Далее в пятом разделе описаны . проваленные автором диссертации оригинальные акешрименты по генерации оубпуассоновского излучения газовым лазером в петле обратной связи (00) фотопраемыик-накачка £2з*-24*). Эти эксперименты были логическим продолжением исследований ЕФИ, результаты которых изложены во втором разделе.

Излучение лазера (Не-Ме, X - 0,63 мкм) падало на делительное зеркало и регистрировалось двумя фотодиодами (ФД). Сигнал с. одного из ФД посла усиления селективным усилителем поступал в блок питания лазера для управления накачкой через модуляцию

разрядного тока активного элемента. Таким образом, была реализована селективная ОС фотоприемник-накачка, работающая в сравнительно узкой полоса частот. Применение селективной ОС не является принципиальным и связано о необходимостью отстройки по частоте от технических флуктуация.

Уровень фдуктуаций фототока определялся по формула

- / (4)

где и 1 - соответственно спектральная плотность флуктуаций фототока и фототок.

Исследования, подобные описанным в разделе 2, показали, что при выключенной ОС значение п^ для обоих ФД опрэделялось уровнем ЕФИ. При включении и соответствуицем подборе коэффициента усиления я фазы ОС величина п^ для фотока ФД, входящего в систему ОС, становилась в полосе работы ОС в 1,8 - 2,1 раза меньше уровня дробового шумз (ДШ) С23*-24*].

Флуктуации тока второго ФД, не входящего в петлю ОС, были при включенной ОС выше уровня ДШ. Вмастэ ь тем а^ для этого ФД было заметно мзньшэ ЕФИ.

Уровень ДШ был определен при оснащении фЦ лампой накаливания. Интенсивность излучения лампн была отрегул>фовЕяа так, что ток ФД при освещении лампой был равен току ФД при освещении лазером. Как известно, при фотодетектироввши излучения теплового источника с данной - температурой избыточные (наддробовые) флуктуации фототока пренебрежимо малы по сравнению

О ДрОбОВЫМ ШУМОМ 1801.

Согласно квантовой теории фотоэффекта 121,бо,во, уровень флуктуаций фототока определяется статистикой падающего нэ фотодиод излучения. Прохождению фотоэлектрона в цепи фотоприемника соответствует регистрация фотоне. Следовательно, снижение флукгувцяй фототока ниже дробового уровня говорит о том, что и флуктуации потока детектируемых фотонов становятся ниже пуассоновских и, таким образом, ФД в цепи ОС регистрирует поле о субпуассоновской статистикой фотонов.

Существенной в данном случав является дополнительная модуляция интвнстпзности излучения лазера, обусловленная ОС, причем благодаря выбору фазк ОС дополнительная модуляция

антикоррелирована £2з*,25*-27*з с Зшуктуацияьм фототока, что приводит к их уменьшай».

В описанных опытах с ОС не использовались какие-либо специфические свойствч He-Ne-лазвров, важна только возможность управления накачкой. На основе этого в работе сгз'з сделано предположение о том, что такое снижение должно наблюдаться и в лазерах других типов. Соответствующие эксперименты, выполненные с полупроводниковыми £52,833 и аргоновым £541 лазерами, подтворадапт ато предположение.

Анализ флуктуации излучения лазера с 00 проведен в разделе 5 о помощь» балансных уравнений для фотонов и фотоэлектронов с двнжевеновскими; источниками £25*-2?*i. Наличие ОС учтено при переходе к Фурье-представлению введением в накачку слагаемого, пропорционального флуктуациям фототока. Частотная зависимость коэффициента пропорциональности определяется параметрами цэпи ОС. развитый подход позволил расчитать не только статистику фототока для ФД в цепи ОС, но и статистику полного. потока фотонов, падающих на а тот ФД. Численный расчет показал, что в опытах £2э*,24*з флуктуации этого потока были субпуассоновскими m*-27*j.

Примененные для анализа лазера с ОС балансные уравнения являются по существу болев полным вариантом аналогичных уравнений, рассмотренных в работах 121,533. правильность балансного подхода подтверждена в указанных работах последовательным квантовым расчетом. Идейно близкий, но отличающийся в деталях подход развит также в работах ts<s,s?i.

Здесь представляется возможным отметить, что оубпуассоновская генерация в петле ОС фотоприемник-накачка набладалесь автором диссертации практически одновременно и независимо от аналогичных зарубежных опытов. Первая публикация автора ш*з поступила в редакции журнала "Редкотехника и электроника" 20,09.1935 г., т. е. раньше, чем была опубликоввнв соответствующая работа за рубежом гвзз (received 30 July 1985),

Как било отмечено выше, традиционные схемы измерений с модуляцией поляризации, обладает рядом недостатков, сильно

затрудняиидх или делающих невозможным достижение предельных чувствительности и разрешающей способности. То же самоа справедливо я по отношению к схемам измерений, описанным в разделе 4.

В разделе 5 предложены и исследованы модифицированные схемы, которые являются сочетанием традиционных схем измерений с модуляцией поляризации и дифференциальной схемы регистрации £i»*J. Свет от лазера, пропгедаий через поляризатор, <М и исследуемый образец, разделяется эатом поляризациошшм делателем на дао пучка с взаимно ортогональными лилейными поляризациями. Сигналы с двух регистрирующих излучение ФД поступают в дифференциальный усилитель (ДУ>.

В силу отсутствия в модифицированных схемах потерь фотонов, возникающее в процессе модуляции поляризации уменьшение интенсивности света, падающего на один ФД, долзно сопровождаться соответствующим ее увеличением на другом ФД. Поэтому полезные сигналы имеют в разных каналах противоположные знаки и на выходе ДУ они складываются. Флуктуации же интенсивности источнике излучения проходят в оба какала с одинаковым знаком и, казалось бы, должны вычитаться. Однако на дела, как показано в разделе 5, спектральные компоненты избыточных флуктуация источнике смадиваются с гармониквми частоты модуляции поляризации. Получащиеся в результате комбинационные сигналы балансируются в общем случае не всегда.

На основании проведенного в разделе 5 анализа найдена такая взаимная ориентация осей оптических элементов, при которой подавление избыточных шумов является наибольшим. Няйд&пнэя измерительная конфигурация является обобщением традиционной, которая в литературе обычно называется кон&агурацией III 1121. Важной особенностью этой конфигурации является наличие в фототеке только нечетных гармоник частота модуляции: поляризации, стремящихся к нулю при малых (р (см. формулу (3)), что приводит к отсутствию наиболее неприятных комбинационных сигналов.

Экспериментальные исследования подтвердили правильность этих выводов. В модифицированной конфигурации III была достигнута пороговая, определяемая . дробовым сумом, чувствительность измерений с модуляцией поляризации. При мощности лазера около 1 мВт и полосе система регистрации 1 Гц она составляла около 1(Г7

рад. 119* ,28*1.

В раздела 5 описан также эксперимент, демонстрирующий возможность достижения пороговых значений чувствительности в измерениях нестационарной анизотропия с помощью предварительной глубокой модуляции фазы (поляризации). Исследовался жидкокристаллический транспарант, анизотропия которого модулировалась на малых (1 кГц и менее) частотах, что приводило к появлению соответствующего сигнала в системе регистрации. Прямое детектирование затруднено в атом случае низкочастотными шумами приемного тракта. Использование предварительной высокочастотной модуляции с по мощью Ш позволило достичь и в этих измерениях порогового значения чувствительности 128*1.

Регистрация модифицированными схемами с глубокой модуляцией всех поступающих в них фотонов является ж существенным преимуществом и с точки зрения целесообразности применения в них сжатых состояний света. Отсутствие заметных потерь является, как известно, одним из основных условий, при котором на выходе схемы сохраняется хорошая, в смысле малых квантовых шумов, статистика освещающих схему источников 1211. Анализ, проведенный в диссертации, позволил выявить дополнительные требования, которым должны удовлетворять модифицированные схемы, чтобы не ухудшать статистику. Они заключаются в сохранении во времени и в пространстве правильной входной фззировкз полей.

Детальный расчет показывает, что этим требованиям удовлетворяет, в частности, модифицированная конфигурация III при условии, что прозрачный исследуемый объект обладает малой анизотропией и что вместо поляризатора на входе схемы установлен элемент, позволяющий смешивать излучения двух входных источников с ортогональными направлениями линейной поляризации. При освещении такой схемы по одному входу когерентным, а по второму многоходовым "сжатым" светом возможны малошумящие (с шумами ниже дробовых) поляризационные измерения при наличия сильной модуляции и с разрешением в пространстве сга*,29*).

Далее в разделе 5 проведен анализ и введен критерий -для оценки чувствительности и разрешающей способности поляризацшных измерений. Критерий использует объем ДФ^ » Лф1 Дфг,ДфдАфд предельно малого • обнвружимого элемента конфигурационного просрвзотва (Ф-простршствз) с координатами: ср1 = ф2; = х; Ф3

Si

= у; ф4 = t, гдо i, у - координаты в поперечном сечении исследуемого объекта, t - - время измерений, tt -

полоса пропускания системы регистрации.

Проводеш сравнительные оценки режимов сканирования и панорамного наблюдения. В режиме сканирования пробное излучение должно быть сфокусировано в пятно размером AS = А<р? Лф^, которое перемещается относительно образца (при атом изменяются координаты х и у). Определяемый фотонным шумом предельно малый обнаружимый объем в Ф-пространстве при его зондировании когерентным светом в режиме сканирования (coherent scannlng-CS) моаэт быть представлен в виде:

(CS)

ДФт1п - CAS/P, (5)

где С - 2xljv/T); h - постоянная Планка; v - оптическая частота; rj - квантовый выход фотоприомнкка; Р - мощность источника.

При панорамном набладепии пробное излучение необходимо распределить по всей площади S поперечного сечения исследуемого объекта, а фотоны собирать о малых участков площадью AS - Aqv, ¿фд в поперечном сечении. При атом пары фототоков Ai1lt и Al2Jc доланы соответствовать одной и той л® К-той площадке образца и поступать на входы k-го ДУ. Если сигналы с ДУ обрабатывать параллельно, то одновременно может быть получено распределение <р по всему поперечному сечению объекта (панорама). Тогда объемы предельно малых обнаружишь элементов в пространства, которые могут наблгщаться одновременно при когерентном освещении (coherent panorama - CP), определяются соотношением

(CP)

ЛФш1п " CS/P" (б)

Разумеется, существуют и другие ограничения на варьирование величин Афд. Например, вследствие дифракции, значения Дф*, и Афд не могут быть взяты произвольно малыми. Соотнопения (5) и (б) дают фундаментальные ограничения чувствительности и разрешающей способности, определяемые фотонными (дробовыми) шумами фотоприема при освещении когерентным светом.

В режиме сканирования одномодовым "сайтам" светом (single mode scanning- SMS) чувствительность вследствие снижения фотонных шумов может быть лучше £2в,,а, чем при когерентном освещении:

(SKS) (CS) ЛФШ1Л < AW <7>

При панорамном наблюдении (single mode panorama - SUP) прзимущества одаомодового "сжатого" света, однако, теряится т.к. в каздый алементарный фототек преобразуется только малая часть полного регулярного потока фотонов. При этом шумы восстанавливаются до дробового уровня, в результате чего

(5МР) (CP) . АФп>т = лфа1п'

Для света в простренствонно-многомодовом сжатом состоянии положшшо радшсально меняется.. Лри правильно организованном панорамном наблюдении с помощью кногомодового "сжатого" света (multy itode рапсгата - МНР) в Ф-пространстве могут быть одновременно обнаружены алемэяты меньяего (в меру "сжатия") объема, чем при панорамном наблюдении в когерентном свете:

(Ш?) (CP) йФЛ11Л < ДФШШ- <S>

Здесь следует иметь в виду дополнительные ограни «иия, связанные о фиг;икой явления: минимально возможные значения интервалов t,qb и ¿Ф^ в соотношении (9) определяются размером площадки когерентности, а минимально возможное ¡значение интервала Дср4 -временам когерентности широполосного проотранственно-многомодового сжатого света 121,453.

Тагам обрезом, метода поляризационных измерений, проддозенкые а проанализированные в разделе 5, можно расмзтривать в цэлом как основы панорамной поляризацашшо-модуляциошюй микроскопии нестационарных прозрачных объектов. Термин микроскопия здесь .используется в смысле обнаружения малых элементов Ф-пространстоа. Прияципиольроо отличие рассматриваемой

Si

здесь I/JiP от анализируемого в работе tsai метода заключается в использовании предварительной сильной фазовой модуляции зондирующего излучения.

В разделе 5 сформулированы тока» основные положения (концепция) развиваемого подхода.

1.Для достижения пороговых значений чувствительности и разрешащей способности необходим перенос спектров сигналов с нулевых в удобную полосу частот с помощью модуляции состояния поляризации.

2.В случае необходимости исключения вклада поверхностных поляризационшос аффектов следует применять наклонное зондирование с модуляцией состояния поляризации пробного излучения после исследуемого объекта.

3.Выбор измерительных конфигураций должен осуществляться на основе исследований их шумовых характеристик. Яря наличии в излучении освещающего схему источника больших избыточных флуктувций мс:,:от быть рекомендована модифицированная конфигурация III.

4.Применение одномодового "сжатого" света позволит достигнуть в режиме сканирования больших, чем при когерентном освещении, чувствительности и разрешающей способности.

5.Существенные преимущества может дать использование пространственно-многомодового света в сжатом состоянии. Панорамное наблюдение позволит в атом случае одновременно получить лучшие, чем в когерентном свете, пространственное и временное разрешение.

В заключении диссертации суммируются в целом полученные результаты и далаются основные вывода.

Заключение.

В соответствии со сформулироввнвой целью работы в диссертации рассмотрен и исследован круг проблем, связанных с изучением предельных возможностей и развитием высокочувствительных лазерных поляризационных методов исследований. Развиты метода, позволяющие исключить вклад поляризационных эффектов не границах раздела и исследовать малое

внутреннее двулучепрвломление. Предложенные метода опробованы при проведении экспериментальных исследований поляризационых характеристик лазерных призм ПВО и образца оптического материала высокого качества.

В процессе развития методов изучены особенности процессов формирования спектров флуктуаций интенсивности излучения Не-Ие-лазвров, в том числе естественных флуктуаций интенсивности. 3 лазере с петлей обратной связи фотоприемник-иакачка достигнуто снижение шумов фототока ниже дробового уровня.

Построена теория, выполнены расчеты и проведены экспериментальные исследования образцов прецизионных стабильных фотоупругих модуляторов состояния поляризации лазарного излучения. Исследована предельная чувствительность и разрешающая способность модуляционных методов иследований малой линейной анизотропии прозрачных объектов. Изучены шумовые характеристики различных практически применяемых конфигураций измерительных схем и показаны перспективы использования многомодового "сжатого" света для дальнейшего развития поляризационных исследований с глубокой модуляцией и с разрешением в пространстве и во времени.

По результатам работы можно сделать следующие основные вывода.

1.Исследования естественных флуктуаций интенсивности излучения линейного Не-Ме-лозера о малой интенсивностью и сравнение экспериментальных зависимостей с расчетными, полученными на основ» как полукласической, так и квантовой теорий, показывают хорошее совпадение обеих теорий с экспериментом и не дают оснований отдать предпочтение в Исследуемых условиях той или иной теории. Обе теории дают качественное объяснение обнаруженных экспериментально минимумов в зависимостях уровня естественных флуктуаций интенсивности от тока разряда, снятых при постоянных значениях интенсивности.

2.Феноменологическая модель автоколебаний страт позволяет объяснить ряд явлений, характерных для страт в активных элементах Не-Ке-лазеров; амплитудно-частотные уравнения, следующие из модели, в целом хорошо описывают соответствующие

£В

экспериментальные зависимости. Воздействие страт, реактивных и локальных колебаний на интенсивность излучения Ме-Хе-лаооров обусловлено, главным образом, процессами, синфазными по длине разряда.

3.Модель и теория фотоупругого модулятора состояния поляризации, позволяют расчитать его эквивалентные параметры, амплитуду колебаний и потребляемую мощность. Подтверждением правильности модели являются экспериментальные исследования амилитудао-фазовых характеристик и эквивалентных параметров изготовленных образцов фотоупругих модуляторов и обнаружение предсказанных теорией явлений резонанса и антирезонанса в системе пьезопривод - массивный механический осциллятор.

4. Использование линейно поляризованного эондарущего (пробного) излучения, направленного под углом Брштара к границе раздела, в сочетании с модуляцией состояния его поляризации после зондирования позволяет исключить вклад поверхностных поляризационных вф^ктов и измерять малое внутреннее двулучепреломление исследуемых объектов.

5.Исследования поляризационных характеристик лазерных призм ПВО и образцов оптических материалов, выполненные по разработанной методика, обнаружили ряд особенностей, наблюдение которых традиционными методами либо очень затруднено, лиоо невозможно.

6. Эффективность развитых методов поляризационных исследований подтверждается теоретическим анализом, проведенным на основе простых и надежных моделей.

7.Обратная связь фотоприемяик-накачка двот возможность управления статистикой излучения газовых лазеров на квантовом уровне и обеспечивает генерацию в петле обратной связи излучения с субпуассоновской статистикой фотонов. Существенной в данном случае является дополнительная модуляция мощности излучения лазера, обусловленная обратной связью, причем благодаря выбору фазы обратной связи дополнительная модуляция антикоррелирована о

гб

флуктуациямя фототока, что приводит к их уменьшению.

8.В схеме поляризационных измерений с модуляцией разности фаз ортогональных лшейнополяризовашшх компонент достигнута пороговая чувствительность, опроделяемая фотонным (дробовым) шумом. Проведенный анализ указывает конкретные способы проведения молошумящих (с шумами шоке дробовых) поляризационных изморений в "сжатом" свете при наличии сильной модуляции и с разрешением в пространстве.

9.Развитые в настоящей работе метода и полученные результаты могут быть использованы в фундаментальных исследованиях, связанных с изучением поляризационных свойств света, в том числа "сжатого", а также в прикладных исследованиях и разработках, направленных на создание современных приборов, оптических материалов, элементов и т. д.

Личный вклад автора в результаты, изложенные в диссертация и в опубликованных по теме исследований работах, заключается в следующем.

РабОТК £?*-10*.10*,15",1й*,1В*,19*,23*-27*] полностью

выполнены автором и но его инициативе, включая постановку, проведение и теоретический анализ опытов по наблюдению сУСпуассоновского излучения в петле обратной связи фотоприедаик-нвкачка, там® построение модели к экспериментальные исследования фотоупругого модулятора состояния пляризации.

Автором провэдоны все экспериментальные исследования, ОШ5С£!ШИО В работах 11*,6*,11в,12*,14*,20*-22*,2Й*-30*5.

Эксперимента. описанные в работах С2в-ы*^, провздзвы ври нэпосрэдотвеняом участии автора.

В теоретическом анализе двулучепреломления призм ПВО, проведанном в работах С2й*-22*,30*1, автору принадлежит постановка задачи, руководство и участие в обсуждении результатов. Автор участвовал в обсуждении и сравнении- с аксязриюнтом представленных в работе результатов расчетов эстествонных флуктуаций интенсивности по квантовой и полуклвссичоской теориям.

Автор предложил изучить теоретически возможность н

целесообразность применения сжатых состояний света в модифицированных схемах поляризэциошшх измерений с глубокой модуляцией, а также предлагал и обсуждал решения возникающих по ходу работ [2а*-зо*1 проблем с экспериментальной точки зрения.

В монографии и7*з автором написана глава 1, за ишишчвнаам 5 1.3. Автор принимал участие в работе над главой 2, им полностью написан $ 2.5.

Изучение пороговой чувствительности, шумовых характеристик и перспектив развития поляризационно-модуляционных методов исследований, были проведены в рамках Государственной научно-технической программы РФ "Фундаментальная метрология".

Построение модели и исследования прецизионных фотоупругих модуляторов состояния поляризации оптического излучения, проведенные на высокочувствительной установке для измерений малого внутреннего двулучепроломлвния, была выполнены при финансовой поддержка Российского фонда фундаментальных исследований (ход проекта 93-02-14310).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих реоотах.

и*).Грязневич В.П., Фофанов Я.А./ Естественные флуктуации интенсивности генерации Нв-Ne лазера. Сравнение квантовой и полуклассической теорий о экспериментом.// Оптика и спектр. 1937 г. Т. 62. Вып. 2. С. 412-418.

i2*i.Пак П.Е., Привалов В.Е., Фофанов Я.д./ Гелий-неоновый лазер (0,63 мкм), стабилизированный без девиации частоты.// Оптика я спектр. 1981 г. Т. St. Bun. 1. С. 10 -02.

t3*j. Мельников H.A., Привалов B.F. > Фофанов Я.А./ Экспериментальное исследование He-Ne-лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению в иода.// Оптика а спектр. 1977 г. Т. 42. Вып. 4. 0. 747-751.

iVi.Jüylov p.s., Pak P.B,, PriraloT V.JB. Fofanov Ja.A./ Stabilised He-Ne 1взег for metrologlcal studies.// ШЕС0 9th Hold Ccmgreaa. Berlin (We3t). 1982. 7d. 5. P, 317-321.

ts*i.nsK П.Е., Привалов В.Е., Фофанов Я.А./ Стабилизация частоты излучения He-Ne лазеров без девиации частоты.// Тез. докл. Всес. ковф. "Оптика лазеров".- ГОИ им. С.И. Вавилова. Ленинград. 1982 г. С. 100.

м*з.Крылов П.С., Малышков H.A., Фофанов Я. А./ Двухлучевой лазерный фотометр для измерения усиления в активных элементах He-Ne-лазвров (Л-0.63 мкм).// Оптика и спектр., 1976 г. Т. 40. Вып. 1. С. 175-180.

f7*1.Фофанов Я.А./ Исследование Не-Ме-лазеров, стабилизированных по насыщенному поглощению в иоде.// Метрология.1987 г. Л 2. С. 49-52.

1в*з.фофанов Я.А./ Поглощение в 127J2 в области 0,63 мкм и контур мощности Не-Не-лазера.// Оптика и спэктр. 1937 г. Т. 62. Вып. 2. С. 419-422.

Фофанов Я.А./ Естественные флуктуации мощности гелий-неонового лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению в иоде.// Тез. докл. Вторго Всесоюзн. совещ. "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". ШО "БШШ им. Д. И. Менделеева". Ленинград. 1985 г. С. 112.

исЛ.Фофанов Я.А./ Исследование естественных флуктуаций мощности He-Ne-127^-лазора (А. = 0,63 мкм).// Оптика и спэктр. 198? Г. Т, 62. Bun. 1. С. 205-207.

tii'i.Захвранко Ю.Г., Привалов В.Е^, Фофанов Я. А./ Особенности влияния колебаний в разряде на интенсивность излучения газового лазера.// Радиотехника и электроника. 1976 г. Т. 21. »9. С. 1901-1909.

112*1.Еурнаш8В М.Н., Привалов В.Е., Фофанов Я.А./ Параметра страт и модуляция излучения разряда.// Оптика и спектр. 1977 г. Т. 42. Л 3. 0. 456-462.

с 13*з.Фофанов Я.А./ Условия самовозбуадэния бегущих страт в газовом лазере.// Оптика и спектроскопия. 1979 г, Т. 47. Вып. 4. С. 800-803. '

U4*i.Привалов В.Е., Фофанов Я.А./ Феноменологическая модель процесса генерации бегущих отрат в тлеющем разряде.// Письма в ЖТФ. 1978 г. Т. 4. Вып. 6. С. 282-285.

us*3.Фсзфанав Я.А./ Иа^шдовашю сдвигов частоты страт в активных элементах гелий-неоновых лазеров.// Оптика и спектр. Т. 55. Вып. 4. С. 723-729.

г9

tiö'i.Фофанов Я.А./ Амплитудные характеристики страт в активных влементвх гелий-неоновых лазеров.// Радиотехника а электроника. 1982 г. Т. 27. Jí 10. 0. 1987-1993.

«7*1.Куршвв Г.А., Привалов В.Е., Фофанов Я.А./ Страты в гелий-неонових лазерах.// Киев. Наукова думка. 1986 г. 88 о.

£18*з .Фофанов Я.А./ Фотоупругий модулятор состояния поляризации. Оптика и спектр. 1994 г. Т. 76. Вып.6. С. 1013-1018.

ii9*j. Foíanov Ya. A./ Threshold Sensitivity in Optical Measurements with Phase Modulation.// The Report of tenth Union Slnphoalum and Seminar on High-Resolution Molecular Spectroscopy. Leonid N. Slnl2a Editor. Proc. SPIE. 1991. Vol. 1811. P. 413-414.

í2o*3.Индасов B.O., Курятов В.H., Семенов S.H., Соколов И.II. и Фофанов Я.А./ Двулучепреломлеяие в лазерных призмах полного внутреннего отражения.// Тез. докл. на Моздународаой конференции "Оптика лазвров'93". Часть I. ВНЦ "ГОИ им. С. И. Вавилова". Санкт-Петербург. 1993 г. С. 240.

(21*1.Индасов В.О., Курятов В.Н., Семенов Б.Н.,-Соколов И.М. и Фофанов Я.А./ Исследование поляризационных характеристик лазерных призм полного внутреннего отражения. //Оптика в спектр. 1993 Г. Т. 75. В. 1. С. 204-215.

Г22*з.Индасов В.О., Курятов В.Н., Семенов Б.Н., Соколов И.М. и Фофанов Я.А./ Исследование поляризационных характеристик лазерных призм полного внутреннего страдания. IX.// Оптика к спектр. 1993 г. Т. 75. В. 2. С. 451-460.

123*1.Фофанов Я.А./ Депрессия естественных флуктуаций мощности и дробового шума в лазере, стабилизированном по мощности.// Радиотехника и влектроникв. 1986 г. Т. 33. * 1. С. 177-179.

£24*з.фофаяов Я.А./ Набладениэ электромагнитного поля о субпуассоновской статистикой фотонов.// Квантовая электроника. 1989 г. Т. 16. » 12. 2593-2595.

£23*3.Фофанов Я.А./ Анализ результатов экспериментов по нвблвдашш электромагнитного поля с субпуассоновской статисткой фотонов.// Квантовая электроника. 1991 г. Т. 18. Л 8. С. 963-966.

С2й*з.Фофаиов Я.А./ Применение балансных уравнений.дия описания генерации субпуаосоновского поля лазером с обратной связью.// Оптика и спектр. 1991 г. Т. 70. Вып. 3. С. 666-669.

£2?*i.Poíanov Ja.A./ Observation oí Sub-Polaaon Field In a

Feedback Саз laser.// Journal of Soviet Ьаэег Research. 199). V. 12 Ко. 6.

(20* J. Соколов И.В., Фофанов Я. А./ О возможности поляризационных измерений без фотонного (дробового) шума во времени и в пространстве с использованием сжатых состояний света.// Оптика и спектр. 1993 г. Т. 74. Вып. 4. С. 764-773.

12ö*i. Сшо лов й.В., Фофанов Я. А./ О поляризационных измерениях в сжатом свете.// Тез. докл. междунар. ков$. "Оптика aBBepoB'SS*1. Часть II. ВНЦ "ГШ mi. С. И. Вавилова". . С.-Петербург. 1993 г. С. 576.

(зо*1.Соколов И.В., Соколов И.М. и Фофанов Я.А./ Высокочувствительный метод исследований малого двулучепрелошюния прозрачных объектов.// Тез. докл. симл. "Прикладная оптика-94". О.-Петербург. 1994 г. С.

Литература.

ш.Шерклпфф у./ Поляризованный свет.// Ы. Мир. 1965 г. 264

с.

ся.Аззам З.Ы., Баяара Т.И./ Здлшметрия и поляризованный свет.// М. Нир. 1981 т. БВЗ с.

юо.Александров Б.Б., Зшесскнй B.C./ - Лазерная магнитная спектроскопия.// Ы. Наука. 1986 г. 280 с.

«КЗапасокий B.C./ Метода высокочувствительных поляриметрических измерений.// ЗШС. 1982 г. Т. 37. Вып. 2. С. 181-196.

гз1.Хршщ>вич Й.5./ Не сохранение четности в атомных явлениях.// М. Наука. 1981 г. 223 с.

ш. My сто ль Е.Р., Паршин H.H./ Метода модуляции и сканирования света.// Ы. Наука. 1970 г. 320 с.

сп.Абен Х.К./ Интегральная фотоущзугость.// Таллинн. "Валгус". 1976 г. 281 с.

tel.Афанасьев И.И., Ионина Н.В./ О метода фотоупругости при наклонном просвечивании плоских моделей из кубических кристаллов.// Оптика и спектроскопия. 1989 г. 7. 67. Вып. 2. С. 319-323.

ifJ.Афанасьев И.И./ 0 фотоупругих свойствах оптического отекав.// Физика и химия стекла. 1987 г. Т. 13. Л 2. С. 231-235.

3d

аоз.Двмчвнко В. А., Коротаев В.В., Панков Э.Д./ Поляризационные свойства отражательных призм и зеркал.// Оптический журнал. 1993 г. * 6. С. 23-28.

tin.Лазperson S.N.. and Schnetterly S.E./ An Improved Method for High Reflectivity Elllpaometry Based on a New Polarization Modulation Technique.// Rev. Scl. Inatr. 1969. V. 40. No. 6. P. 761-767.

ti2i.Acher 0., Blgan E., Brevlllon В./ Improvements of phase-modulated elllpaometry.// Rev. Scl. Instrum. 1989. V. 6C. No. 1. P. 65 - 77.

С131.Выстранов В.В. и Шутов A. U./ Стокс-пллипсометр.// В сб.: Эллипсомвтрия в неуке и технике. Выл. Z. Ред. Свиташав К.К. и Мардажев А. С. Новосибирск. 1990 г. С. 50-56.

ст.Optical Materials and baser Technology for Telecommunications. Proceedings of 4th European Baat-Weat Conference & Exhibition on Materials and Process. E.P.Zarubln, od. Research & Development Institute "Prometel". St.Petersburg. 1993. P. 133-172.

tis).Tea. докл. мвждупар. конф. "Оптика лазеров'93". Части I и II. ВНЦ 'ТОЙ им. 0. И. Вавилова". 0.-Петербург. 1993 г. 693 о.

ий1.Ухвнов А.А., Тычинский В.П./ Исследование разрешавшей способности компьютерного поляризационного макроскопа.// Тез. докл. сига. "Прикладная оптика-94". С.-Петербург. 1994 v. С.

ti7J. Электронная техника. Серия 11. Лазерная техника и оптоалектронико, Казаков А.Д. (ред.). Изд. НИИ "Полюа". Москва. 1991 г. Вып. 4-5. С. 35-36.

ив).Аронович Ф./ Лязершв гироскопы. //В кн.: Применение лазеров. Тычинский В.П. (ред.) М. Мир. 1974 г. 0. 189-2SS.

им.Радии A.M., Старков А.С., Глущенко Ю.В., Шшчеиов А.В./ Отражение плоской волны от плавнонерегулярного слоя.// Оптика и опектр. 1986 г. Т. №. Вып. 3. С. 642-645.

t2oj.Радом A.M., Курятов В.Н., Глуценко Ю.В., Плаченов А.Б./ Собственные колебания кольцевого резонатора о отражателем в виде плавноперегулярного слоя.// Оптика и спектр. 1986 г. Т. 60. Вып. 1. С. 168-171.

tin.соколов И.В./ Генерация нвклвссичвских световых полей и их использование в точных и чувствительных оптических измерениях.// Дисс. на сокск. уч. ст. д. ф.-м. н. в форма научн.

гг

ДОКЛ. СПбГУ. С-Петорбург. 1993 Г. 52 С.

1223.J. Мой. Opt. 1987. V. 34. No. 6/7 (special issue). t233.Appl. Phya. В. 1992. V. 55. No. 3 (special issue). С241.Тайш И.К., Сала В.Э.А./ Сжатые состояния светв.// УФН. 1991 Г. Т. 161. JS 4. С. 101-136.

1253.Быков В.П./ Основные особенности сжатого света.// УФН. 1991 Г. Т.161. Л 10. С. 145-173.

12аз.Спувё С.И./ Quantum mechanical noise in an Interferometer.// Phya. Rev. D. 1981. V. 23. P. 1693-1708.

1273.Mm Xiao, Ling - An Wu, Kimble L.J./ Precision measurement beyond the shot-noise limit.// Phya. Rev. Lett. 1987. V. 59. P. 278-281.

iMtf.Grangier P., Slusher R.E., YurKe В., La Porta A./ Squeezed-Light-Enhanced Polarisation Interferometer.// Phya. Rev. Lett. 1987. V. 59. No. 19. P. 2153-3166.

t2<o.(¡rangier P., Slusher R.E., YurKe В., La Porta A./ Interferometrlo Meaaurensents beyond the Sbot-noiae Liinit.// In: Squeezed and Nonclaaoical Ll$it. Ed. by Tombesl p. and Pike B.B. К.У. and London: Plenum Press. 1989. P. 253-262.

isoi.Kupriyanov B.7., SoKolov I.It./ Optical Detection of Magnetic Resonance by Classical and Squeezed Light.// Quant. Opt. 1992. V 4. Ho. 1. P. 55 - 70.

t3i3.Batugln V.V. Kupriyanov B.V., Sokolov 1.И./ Halting Senitivity of Frequency Discriminator Based on llicrowave-Optical duble Resonance Detection by Squeezed Light.// Quant. Opt. 1992. V. 4. No. 6. P. 355-378.

{323.Лебедева В.В./ Техника оптическое спектроскопии.// Ы. Иэд-во МГУ. 1986 г. 352 с.

сэзз.Вврштейн И.Л., Ацдровова Й.А., Зайцев В.И./ Флуктуации интенсивности и частоты излучения оптического генератора.// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967 г. Т. to. С. S&-67.

(343.Голубев D.M., Грязневич В.П./ Естественный шум лазерной генерации и влияние на него пленения разовансного спонтанного излучения.// Оптика я спектр. 1985 г. т. 59, Вып. 1, о. 151-154.

(353.Смирнов Д.Ф., Соколов И.В./ Спектр флуктуация интенсивности спонтанного излучения.// ХЭТФ. 15ГГ6. Т. 70. Вып. 6. С. 2098-2114.

ибЗ.Чэкмарев Е.П., Кулик Н.П., Галанов Е.К./ Фотоупругие

модуляторы состояния поляризации.// Оптико-мехаиическая промышленность• 1979 г. Я 12. С. 45-50.

сз?1.Справочник по лазерам. Т 2. Под род. вквд. А. М. Прохорова. М. Сов. радио. 1979 г. 400 о.

сэа1.Гранопольский В.В., Квсаткин Б.А., Легуша Ф.Ф., Прудько Н.И., Пугачев 0. И. (ред.)/ Пьезокерамичэскиэ преобразователи.// Л. Судостроение. 1984 г. 256 о.

1391.шульга Н.А., Балкисев А.Ы./ Колебания пьезоэлектрических тел.// Киев. Наукова думка. 1990 г. 228 с.

uoj.Canlt J.С. and Badoa J./ New design for a photoelastlc modulator.// Appl. Opt. 1983. V. 22. Ко. 4. P. 692-594.

MD.Shlndo ¥., Mizuno K., Sudani H., Hayakawa H., Ohrnl Y., Satayanagi N.. and Takeuchl N./ New Polarization-modulation Spectrometer lor simultaneous Circular Dlchrolsm and Optical Rotatory Dispersion Measurement. II. Design, Anallsia, andEvaluatlon oi Prototype Model.// Egv. Sol. Instr. 1989. V. 60. No. 12. P. 32-38.

C42J.Власов A.H., Перебякш B.A., Привалов В.Е./ Стабилизированные гелий-неоновые лазеры о внутренними зеркалами.// Обзоры по олектронной технике. Серия 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. Вып. 7. М. ЦНИИ "Электроника". 1986 г. 60 с.

из].Лурье А.И./ Теория упругости.// М. Наука. 1970 г. 939

с.

mi.Polslk B.S., Carri 0., and Klnsble H.J./ Spectroscopy with Squeezed Light.// Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. No. 20. P. 3020-3023.

t4Si. Соколов И. В./ Интерферениция пространствено-шого-модовых сжатых состояний излучения и управление волновыми фронтами света баз квантовых шумов.// ЖЭТФ. 1991 г. Т.100. С. 780-790.

мб).Чиркин А.С., Орлов А.А., Парацук Д.Ю./ Квантовая теория двухмодового взаимодействия в оптически анииотрошшх средах с кубической нелинейность!). Генерация квадратурно-сжатого и поляризациоюю-сжатого свата.// Квантовая электроника. <993 г. Т. 20. И 10. С. 999-1004.

мп.Карасев В.П., Масалов А.В./ Состояния нэшляршованного света в квантовой оптике.// Оптика и спектр. 1993 г. Т. 74. Вил.

3if

5. С. 928-936.

(481.Белинский А.В./ Преобразование квантовых флуктуаций интенсивности в нелинейных системах с насыщением.// Квантовая электроника. 1991 г. N. 18. * 1. С. 84-88.

м«. Горбачев В.Н./ Генерация схатых состояний при внутрирезонаторном удвоении частоты.// Изв. АН СССР. Серия физич. 1991. Т. 66. * 2. С. 219- 223.

сзоз.Ахмашш С.А., Дьяков D.E., Чиркни А.С./ Введение в статистичесту» физику и оптику.// М. Наука. 1981 г. 640 с.

юи.Клышко Д.Н./ Физические основы квантовой алектроники.// Ы. Наука. 1986 г. 296 с.

tea).Андронова И.А., Берштвйн И.Л./ Подавление флуктуаций интенсивности полупроводниковых лазеров.// Квантовая электроника. 1991 Г. N. 18. Я 6. О. 678-680.

tssi.Hacijida S., Yama.noto У./ Observation of Sub-Pol3Sonlan Pbotoelectron Statistics In a Negative Feedback Semiconductor baser.// Optica Comm. 198G. V. 57. No. 4. P. 290-296.

t S4i.Masaiov A.V., Putllln A.A., Vaallyev M.V./ Antlcorrelatton State of Light and Photocurrent Shot-Noise Suppression in Closed Opto-Blectronlo loop.// Journal of Modern Optics (CB). to be published.

tsm. Голубев E.M., Соколов И.В./ Антигрушшровка фотонов в источнике когерентного светв и подавление шумов фоторэгистрации.// ЖЭТФ. 1984 г. Т. 87. Вып. 2. С. 408-417.

(Вб).Трошин А.С./ Статистика фотонов в оптической системе о отрпательной обратной связь».// Оптика и спектр. 1991 г. Т. 70. Вып. 3. О. 662-665.

tsn.Sbaplro J.H., SaplakoKlu С., Но S.-T., Kumar P., Salech В.Е.А., Telch U.O./ Theory оf bight Detection in the Presence of Feedback.// JQ3A B. 1987. V. 4. No. 10. P. 1604-1662.

tsei.Kolobov 11.1«, Kimar P./ Sub-Shot-Noise Microscopy:

Imaging of Paint Phase Objects with Squeezed bight.// Opt. Lett.

1993. V. 18. P. 849-851.