Влияние среды и внешних воздействий на распространение поляризованного света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ



На правах рукописи

Даршт Максим Яковл°вич

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ И ВНЕШНИХ ¡ОЗДЕЙСТВИЙ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Специальность 01.04.05 — Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Челябинск 1996

Работа выполнена в вузовско-академической лаборатории .нелинейной оптики Института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук ц Челябинского государственного технического университета

Научные руководители: член-корр. РАН Б.Я.Зельдович,

д.ф.-мз. Н.Д.Кушшкова.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. А.Г.Боровой,

д.ф.-м.н. С.М.Шандаров. Ведущая организация- Институт обшей физики РАН,

г.Москва.

* *

Защита состоится 19 сентября 1996г.',в /1ч мин. на заседании диссертационного совета К.063.53.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата, физико-математических наук при Томском государственном университете до адресу: 63401Томск-10. пр.Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан ^ 199^ г.

Ученый секретарь совета, к.ф.-м.н.

Г.Н.Дейкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начало исследований поляризованного светя можно отнести к 1670 году, когда Бартолпнус наблюдал двойное лучепреломление в кристалле исландского шпата. Возрождение интереса к поляризационной оптике в настоящее время связано с бурным развитием фундаментальных и прикладных исследований в оптике и квантовой электронике. Результатом этого стало создание оптического метода исследования тонкпх пленок п поверхности твердого тела тллипсометрни1. К фундаментальным результатам можно отнести обнаруженное в 1991 году влияние состояния поляризации спета на процесс его распространения — оптический эффект Магнуса^.

Вместе с тем ряд проблем, связанных с влиянием среды и внешних воздействий на распространение поляризованного света, в настоящее время слабо исследован: В частности, недостаточно изучено распространение поляризованного света в дискретно однородных анизотропных средах и в плавно неоднородных изотропных средах. Требует дополнительных исследований и проблема влияния магнитного поля на распространение поляризованного света. Все вышеизложенное и определяет актуальность проведенных исследований.

Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния дпс-'Р.А.Аззам, Н.Башара. Эллипсометри.г и поляризованный сает. Москва, Мир, 1981.

'Dooghin A.V., Kundikova N.D., Liberman V.S., Zeldovich B.Ya. Physical Review A. 45, 8204-8208 (1992).

кретно однородной анизотропной среды п плавно неоднородной анизотропной среды г оптической активностью па состояние поляризации света при его распространении. а также влияния магнитного поля на траекторию поляризованного света при его распространении в оптических волокнах.

Научная новизна. Теоретически рассмотрено распространение поляризованного света в дискретно однородной анизотропной среде. Экспериментально реализованы и исследованы поляризационные системы со свойствами пластинок А/4, А/2. Показано, что невозможно создать перестраиваемую пластинку А/2 из двух дпулучепрелом лающих пластинок, необходима третья пластинка.

Показано теоретически, что при распространении линейно поляризованного света в плавно неоднородной анизотропной среде с оптической активностью возможно его адиабатическое преобразование в цирку-лярно поляризованный.

Впервые экспериментально обнаружено влияние магнитного поля на траекторию поляризованного света, которое заключается в повороте спекл картины света, прошедшего через оптическое волокно, помешенное в магнитное поле.

Практическая ценность. Результаты, полученные при исследовании распространения поляризованного света в дискретно однородной анизотропной. среде, позволили создать составные поляризационные устройства со свойствами пластинки А/4, которые могут быть на-

строены на требуемую длину волны бет предварительного определения угла между кристаллографическими осями пластинок и без пеполыо-вания эталонной пластинки А/4. ЧГТУ Результаты, полученные при исследов;шпи распространения поляризованного света в плавно неоднородной анизотропной среде с оптической активностью, могут быть использованы для создания ахроматических устройств преобразования поляризации света.

"Магнитный" поворот спекл картины света, прошедшего через волокно, может быть использован для. создания волокопно-оптическл:: датчиков.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) При рассмотрении распространения света через дискретно одно-

I

родную кристаллическую среду, каждый из слоев которой вноепт определенную фазовую задержку Г, эта среда может быть заменена одшш кристаллом, характеризуемым эффективной фазовой задержкой Гсд-, н последующей ячейкой с оптической активностью.

2) Устройство, состоящее из двух двулучепреломляюпшх пластинок с практически произвольными толщинами, позволяет путем поворота этих пластинок относительно общей оси вносить практически любой фазовый сдвиг между двумя ортогональными поляризациями световой волны в широком диапазоне длин волн.

3) При распространении света в плавно неоднородной анизотропной среде с оптической активностью возможно следование состояния

поляризации света за собственными состояниями поляризации среды, • и как результат, возможно ахроматическое преобразование линейной поляризации в циркулярную.

4) При распространении света через маломодовое волокно, помещенное в магнитное поле, наблюдается поворот спекл картины. Угол поворота по порядку величины и по знаку соответствует углу фарадеев-ского вращения плоскости поляризации.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 16 конгрессе Международной комиссии по оптпке 1СО-16, Буддапешт-1983; на симпозиуме "Прикладная оптика" Санкт-Петербург-1994; на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике КпНО-95, г.Санкт-Петербург; на конференции молодых ученых ИЭФ УрО РАН г.Екатерпнбург-1995; а также обсуждались на семинарах ЧГТУ и ИЭФ УрО РАН. Перестраиваемая пластинка А/4 используется на кафедре "Электронные приборы" в ТА-СУРе и в Отделе Нелинейной Оптики.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в восьми публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 119 наименований цитируемой литературы! Полный объем диссертации — 121 страница, включая 27 рисунков.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В параграфе 1.1 приведены способы описания состояния поляризации света, дан обзор работ, связанных с распространением поляризованного света в различных средах На основе литературных данных проанализированы механизмы воздействия среды на распространение поляризованного света.

В параграфе 1.2 рассмотрена теория распространения поляризованного света через систему двулучепреломляюшпх кристаллов. Доказано, что поляризационная система, состоящая из нескольких двулу-чеЦреломляющпх пластин, оптически эквивалентна поляризационной системе, состоящей из фазовой пластинки с некоторым эффективным фазовым сдвигом ГРгг и вращателя (оптически активной ячейки).

Определены зависимости эффективной фазовой задержки Гс(г от угла между оптическими осями пластинок и параметров пластинок. Показано, что по фазовому сдвигу система может, быть перестроена в пределах от Г2 - Г1 до Гг + Гь где Г] и Г2 — фазовые сдвиги между ортогональными поляризациями составляющих систему пластинок.

Представлены результаты теоретического исследования свойств поляризационной системы с эффективным фазовым сдвигом А/4, состоящей из двух двулучепреломляюшпх пластин. Такая система, может

рассматриваться как оптически активный аналог четвертьволновой пластинки, т.е. кроме введения сдвига фаз между двумя ортогональными составляющими поляризациями света в некоторых аффективных осях, система осуществляет еще и общий попорот этих составляющих, зависящий от угла между кристаллографическими осями пластинок.

Проанализирована зависимость параметров перестраиваемых поляризационных систем от длины волны. На пример составной перестраиваемой пластинки А/4 показано, что для толщин реально существующих пластинок слюды область перестройки может перекрыть весь видимый диапазон светового излучения. Обнаружено, что точность настройки различна в середине и на краях интервала перестройки. В центре области перестройки система обладает низкой селективностью по длине волны. На краях диапазона устройство очень чувствительно к изменению длины волны.

Представлены результаты теоретического рассмотрения перестраиваемой по длпне волны полуволновой пластинки. Показано, что требуемое поляризационное преобразование принципиально не может быть осуществлено при помощи двух двулучепреломляющих пластин. Для системы, состоящей из трех пластин, показано, что можно реализовать

перестраиваемую по длине волны пластинку А/2. Получены соответ-

%

ствующпе выражения для углов между тремя пластинками.

В параграфе 1.3 представлены результаты .экспериментального пс-сладованпя свойств поляризационной системы с эффективным фазовым

сдвигом А/4, состоящей из двух двулучепреломляющих пластин. Качество циркулярной поляризации, получаемое с помощью этого устройства достигало величины 0.99 ±0.01.

Рассмотрена оптическая схема настройки пластинки А/4, которая позволяет настраивать составную пластинку на заранее неизвестную длину волны. Для того, чтобы настроить систему на фазовый сдвиг А/4, необходимо поместить после системы двух двулучопроломляющих пластин зеркало и вращать двулучепреломляклцпе пластины до полного гашения отраженного луча, прошедшего обратно через систему и входной поляризатор.

Приведены экспериментально полученные зависимости угла между кристаллографическими осями составной пластинки А/4 от длины волны. Исследования проводились на длинах волн А = 0.63 /ли, А = 0.53 цш и А = 0.337 цт. Получено хорошее соответствие экспериментальных результатов с теоретическими оценками.

Использование перестраиваемых пластинок А/4, обеспечивающих высокое качество циркулярной поляризации, позволило получить световую волну с единичной дислокацией волнового фронта3 и псследовать неоднородность оптического эффекта Магнуса4.

Экспериментально реализовала поляризационная система, состоя-3М.Я.Даршт, Б.Я.Зельдович, И.В.Катаевсхал, Н.Д.Кундикова. ЖЭТФ ЮГ, 14641472 (1995).

•Б.Я.Зельдович, И.В.Катаевскал, Н.Д.Кундикова. Квантовая Электроника 23, 8990 (1995).

щая из трех двулучеп]>еломляющпх пластин, со свойствами пластинки А/2. Показано, что при прохождении через такую систему линейно поляризованный свет переходит в линейно поляризованный. Плоскость поляризации при этом поворачивается на угол 2а. где а — ориентация плоскости поляризации входного излучения относительно некоторой эффективной оси системы.

В параграфе 1.4 сформулированы основные результаты первой главы.

В параграфе 2.1 дан обзор работ, связанных с адиабатическим следованием в физике. Отмечено, что возможно сохранение собственных состояний поляризации при распространении света в нематпческих жидких кристаллах. -'

В параграфе 2.2 представлены результаты теоретического рассмотрения адиабатического следования поляризации света за плавно меняющимися параметрами среды.

Проведено численное моделирование распространения поляризованного света в плавно неоднородной анизотропной среде с оптической активностью. На входе среды преобладает оптическая активность, и собственными поляризациями являются круговые. На выходе из среды преобладает двулучепреломление, и собственными поляризациями являются линейные. На основе численных расчетов выявлены допустимые величины нарастания двулучепреломленпя для адиабатического преобразования состояния поляризации. Исследована зависимость

процесса адиабатического следования от длины волны и зависимость качества поляризации от плавности нарастания двулучепреломления.

Показано, что возможно преобразование линейно поляризованного света в свет с круговой поляризацией одновременно во всем оптическом диапазоне длин волн. Предлагаемый ахроматический аналог четвертьволновой пластинки позволяет проводить преобразования состояния поляризации света независимо от угла падения света и от колебаний температуры окружающей среды.

В параграфе 2.3 сформулированы основные результаты второй главы.

В параграфе 3.1 представлены результаты литературных данных о влиянии внешнего магнитного поля на распространение поляризованного света. В соответствиц с результатами работы Н.Б.Барановой п Б.Я.Зельдовича5 магнитное поле может влиять не только на состояние поляризации света, но и на его траекторию. Это должно проявляться в повороте спекл-картины света, прошедшего через оптическое волокно, помещенное в продольное магнитное поле, при изменении величины магнитного поля Н:

(1)

здесь V — постоянная Верде.

В параграфе 3.2 приведены результаты экспериментального исследования этого эффекта. Линейно поляризованный свет пропускался 'Ы.В.Вагапоуа, В.Уа-МЧслпсЬ. Письма в ЖЭТФ, 58, 648 (1994).

через маломодовое кварцевое волокно. Волокно помещалось на осп катушки с магнитным полем. На выходе из волокна выделялась лпнейно поляризованное излучение с тем же азимутом, что и на входе в волокно. Спекл картина света, прошедшего через волокно, наблюдалась на экране и фотографировалась. Обнаружено, что при смене направления магнитного поля величиной и 500Сб спекл-картина света поворачивается на угол — « 15°. Длина волокна, помещенного в магнитное поле, составляла «1.4 м. Наблюдаемый угол поворота по знаку п порядку величины совпадал с полученным из теоретических оценок.

Обнаруженный эффект является линейным по световому полю. Угол поворота может быть увеличен при использования волокна, изготовленного из материала с высоким значением постоянной Верде, за счет перехода в коротковолновый световой диапазон, а также посредствам понижения температуры.

В параграфе 3.3 перечислены основные результаты третьей главы.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Теоретически и экспериментально исследовано распространение поляризованного света в дискретно однородной анизотропной среде. Показано, что среда, состоящая из слоев, каждый из которых вносит определенную фазовую задержку Г, может быть заменена одним кристаллом, характеризуемым эффективной фазовой задержкой Ге(г п последующей оптически активной ячейкой.

2. Показано, что оптическая система, состоящая из двух двулуче-

преломляющих пластинок с практически произвольными толщинами, позволяет путем поворота этих пластинок относительно общей осп вносить практически любой фазовый сдвиг между двумя ортогонгшьньши поляризациями световой волны в широком диапазоне длин волн.

3. На примере составной перестраиваемой пластинки А/4 проведен анализ зависимости параметров составных перестраиваемых поляризационных систем от длины волны. Показано, что диапазон перестройки может перекрывать всю видимую область', а точность настройки различна в середине и на концах интервала перестройки.

4. Предложен и экспериментально реализован метод настройки пластинки А/4 на любую длину волны, не требующий ни предварительных расчетов, ни эталонной пластинки А/4, и обеспечивающий качество циркулярной поляризации 0.99 ± 0.01.

5. Теоретически рассмотрено распространение поляризованного света в плавно неоднородной среде с оптической активностью. Показана возможность адиабатического следования состояния поляризации света за параметрами среды.

6. Предложена и детально исследована при помощи компыотерно-. го эксперимента ахроматическая четвертьволновая пластинка, в которой использовано адиабатическое следование состояния поляризации падающего света за плавными изменениями параметров среды вдоль направления распространения.

7. Обнаружено экспериментально, что при распространении света

через маломодовое волокно, помешенное в магнитное поле, наблюдается поворот спекл картины. Угол поворота по порядку величины п по знаку соответствует углу фарадеевского вращения плоскости поляризации.

Основные результаты диссертации изложены в работах: 1. И.В.Гольцер, М.ЯДаршт, Б.Я.Зельдовпч, Н.Д.Кундпкова. "Оптически активный аналог четвертьволновой пластинки." Квинтонал электроника, 20, 916-918 (1993).

2.1.V.Goltser, M.Ya.Darsht, N.D.Kundikova, B.Ya.Zel'dovich. " An adjustable quarter-wave plate", Optics Communications, 97, 291-294 (1993).

3. М.ЯДаршт, И.В.Жиргалова, Б.Я.Зельдовпч, Н.Д.Кундикова. "Наблюдение "магнитного" поворота спекл-картнны света, прошедшего через оптическое волокно". Письма в ЖЭТФ, 59, 734-736 (1994).

4. И.В.Гольцер, М.Я.Даршт, Б.Я.Зельдовпч, Н.Д.Кундикова, Л.Ф. Ро-гачева./'Четвертьволновая пластинка, перестраиваемая в широком диапазоне длин волн'.'. Квантовал электроника, 22, 201-204 (1995).

5.1.V.Goltser, M.Ya.Darsht, N.D.Kundikova, B.Ya.Zel'dovich "Large area polarization device" in Optics аз a Key to High Technology. 16th Congress of the International Commission for Optics, Gy.Akos, I.Lippenyi, G.Lupkovics, A.Podmaiczky, Editors, Proc.SPIE 1983,1993, 768.

6. M.Ya.Darsht, I.V.Goltser, N.D.Kundikova, B.YaJZel'dovich. "An adjustable half-wave plate". Applied Optics, 34, 3658-3661 (1995).

7. M.Ya.Darsht, I.V.Kataevskaya, N.D.Kundikova, B.Ya.Zel'dovich "Magnetic"

rotation of the speckle pattern of light transmitted through an optical fiber"1 Technical Digest of 15th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, S-Petersburg, June 1995 vol 1. 435-436. 8. M.Ya.Darsht, N.D.Kundikova, B.Ya.Zel'dovich "An adjustable polarization system" in High-Precision Measurements 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, S.N.Bagayev, A.S.Chirkin Editors, Proc. SPIE 2799,1995, 400.

Издательство Челябинского государственного, технического университета

ЛР 5 020364 от 20.01.92. Подписано в печать 05.07.96. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Jen. пвч. л. 0,70. Уч.-из^.л.0,48. Тира* 100 экз. Заказ I62/4IÜ

УШ издательства. 454080, г.Челябинск, пр. им.В.ЙЛенина, 76.