Фотоупругий модулятор

Фотоупругий модулятор ( ФЭМ ) — это оптическое устройство, используемое для модуляции поляризации источника света. Фотоупругий эффект используется для изменения двулучепреломления оптического элемента фотоупругого модулятора.

PEM был впервые изобретен Дж. Бадосом в 1960-х годах и первоначально назывался «модулятором двойного лучепреломления». ^[1] Первоначально он был разработан для физических измерений, включая оптическую вращательную дисперсию и вращение Фарадея , поляриметрию астрономических объектов, двойное лучепреломление, вызванное деформацией, и эллипсометрию . Более поздние разработчики фотоупругого модулятора включают Дж. К. Кемпа, С. Н. Джасперсона и С. Е. Шнаттерли.

Описание

Базовая конструкция фотоупругого модулятора состоит из пьезоэлектрического преобразователя и полуволнового резонансного стержня; брусок представляет собой прозрачный материал (сейчас чаще всего это плавленый кварц). Преобразователь настроен на собственную частоту стержня. Эта резонансная модуляция приводит к высокочувствительным измерениям поляризации. Фундаментальная вибрация оптики происходит по ее самому длинному измерению.

Основные принципы

Принцип действия фотоупругих модуляторов основан на фотоупругом эффекте, при котором механически напряженный образец проявляет двойное лучепреломление, пропорциональное возникающей деформации. Фотоупругие модуляторы представляют собой резонансные устройства, в которых точная частота колебаний определяется свойствами узла оптический элемент/преобразователь. Преобразователь настраивается на резонансную частоту оптического элемента по его длинному измерению, определяемому его длиной и скоростью звука в материале. Затем через преобразователь подается ток, вызывающий вибрацию оптического элемента путем растяжения и сжатия, что изменяет двойное лучепреломление прозрачного материала. Из-за такого резонансного характера двойное лучепреломление оптического элемента можно модулировать до больших амплитуд, но по той же причине работа ФЭУ ограничена одной частотой, и большинство выпускаемых сегодня коммерческих устройств работают на частоте около 50 кГц.

Приложения

Поляризационная модуляция источника света

Это самое основное приложение и функция PEM. В типичной установке, где исходный источник света линейно поляризован под углом 45 градусов от оптической оси ФЭМ, результирующая поляризация света модулируется на рабочей частоте ФЭМ f , а для синусоидального модулирующего сигнала она может быть выражена в Джонсе матричный формализм как:

\psi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{matrix}1\\e^{iA\sin 2\pi ft}\end{matrix}}\right)

где А – амплитуда модуляции.

Линейно поляризованный монохроматический свет, падающий под углом 45 градусов к оптической оси, можно рассматривать как сумму двух компонентов: одного параллельного, а другого перпендикулярного оптической оси ПОМ. Двулучепреломление, введенное в пластину, будет задерживать один из этих компонентов больше, чем другой, то есть ФЭМ действует как перестраиваемая волновая пластина . Обычно на пике колебаний он представляет собой четвертьволновую или полуволновую пластинку.

В случае четвертьволновой пластинки амплитуда колебаний регулируется так, чтобы на заданной длине волны один компонент попеременно задерживался и опережался на 90 градусов относительно другого, так что выходящий свет поочередно имел правостороннюю и левостороннюю циркулярную поляризацию при вершины.

Опорный сигнал берется из генератора модулятора и используется для управления фазочувствительным детектором — демодулятором.

Амплитуда колебаний регулируется внешним приложенным напряжением, пропорциональным длине волны света, проходящего через модулятор.

Поляриметрия

Типичная поляриметрическая установка состоит из двух линейных поляризаторов, образующих скрещенную установку анализатора, оптического образца, вносящего изменение в поляризацию света, и ФЭМ, дополнительно модулирующего состояние поляризации. Конечные регистрируемые интенсивности на основной и второй гармонике рабочей частоты ФЭМ зависят от эллиптичности и вращения, вносимого образцом.

Преимущество поляриметрии PEM состоит в том, что сигнал модулируется на высокой частоте (и часто обнаруживается с помощью синхронного усилителя ), исключая многие источники шума, не находящиеся на рабочей частоте PEM, и ослабляя белый шум за счет полосы пропускания синхронного усилителя. усилитель.

См. также

Ссылки

^ Канит, Дж.К.; Бадоз, Дж. (15 февраля 1983 г.). «Новая конструкция фотоупругого модулятора» . Прикладная оптика . 22 (4): 592–594. дои : 10.1364/AO.22.000592 . ISSN 2155-3165 .

[1] Канит, Дж.К.; Бадоз, Дж. (15 февраля 1983 г.). «Новая конструкция фотоупругого модулятора» . Прикладная оптика . 22 (4): 592–594. дои : 10.1364/AO.22.000592 . ISSN 2155-3165 .

[1]