Введение к работе
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 (, 2 или , 3) 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 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 = 0 и 180 при любых значениях ( – угол между векторами E для смешиваемых пучков).
-
Впервые показано, что в случае пучков излучения с неортогональными поляризациями циркулярно поляризованное излучение образуется при условии = 180–. Тогда как в кристаллооптике циркулярно поляризованное излучение образуется при = 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 (15).
-
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 ОАО «РЖД» «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
По результатам работы лично автором и в соавторстве опубликовано 30 работ, список которых приведен в конце автореферата. Автор принимал непосредственное участие в подготовке образцов и экспериментальной установки, постановке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении результатов. Большая часть экспериментов проведена автором самостоятельно.
Структура и объем работы
Текст диссертации изложен на 130 страницах, состоит из введения, четырех глав
основного текста, заключения и списка литературы, содержащего 132 наименований.
Содержит 51 рисунка.
-
При сложении излучений с неортогональными поляризациями так же образуется свет с линейной, эллиптической или циркулярной поляризациями. Циркулярно поляризованное излучение возникает при условии = 180– ( – угол между векторами E смешиваемых волн; – разность фаз между компонентами).
-
При повороте плоскопараллельной кристаллической пластинки вокруг вертикальной оси, лежащей в плоскости пластинки можно управлять эллиптичностью, степенью поляризации излучения и степенью полярности полярного света.
-
Система, состоящая из двух плоскопараллельных пластинок с взаимно перпендикулярными оптическими осями делает возможными задание необходимой эллиптичности, степени поляризации в значительной области широкополосного излучения.
-
Поляризационные спектры кристаллической пластинки позволяют уточнить измеренную толщину пластинки.
Похожие диссертации на Управление эллиптичностью излучения с помощью плоскопараллельных кристаллических пластинок произвольной толщины
