Силовая оптика невзаимного пропускания

В оптике и квантовой электронике необходимо создание оптических элементов, действие которых аналогично электрическому диоду в обычной электронике, т.е. имеющих различные значения пропускания при смене направления распространения на противоположное (невзаимное пропускание). Большое значение имеет возможность осуществления развязки источника концентрированных потоков энергии от объекта воздействия, но существует и множество других применений оптических элементов с диодной характеристикой, например, для создания многоканальных усилительных систем, для организации определенных режимов работы самих источников излучения и др.

Оптические элементы невзаимного пропускания называют невзаимными элементами, оптическими вентилями, или оптическими диодами. Они характеризуются величиной контраста

К = T _o/ Т _з, (3.6)

где Т _о – пропускание элемента в открытом направлении, Т _з – его пропускание в закрытом (обратном) направлении, или величиной развязки k = 1/ K. В отличие от электрического диода оптический вентиль представляет собой сложную оптическую систему и имеет различное исполнение в зависимости от рода применения и усложняется при повышении к нему требований.

На рис.3.2 представлены четыре возможные принципиальные оптические схемы невзаимного элемента. Наиболее простая схема рис.3.2, а применяется для развязки источника излучения от влияния объекта воздействия, когда возможно воздействие циркулярно поляризованным излучением и объект воздействия не изменяет состояние поляризации отраженного (рассеянного) от него излучения. Например, в технологии лазерной обработки отверстий во многих случаях даже необходимо выходное циркулярно поляризованное излучение для устранения эллиптичности получаемых отверстий из-за повышенного поглощения света в направлении колебания вектора поляризации света.

Вторая оптическая схема (рис.3.2, б) также применяется, когда объект воздействия не изменяет состояние поляризации отраженного от него излучения, но при необходимости воздействия линейно поляризованным излучением. Например, эффективность многих физических процессов при воздействии (взаимодействии) излучения с веществом увеличивается, если использовать именно линейно поляризованное излучение.

Третья схема (рис.3.2, в) используется, когда объект воздействия изменяет состояние поляризации света. Второй по ходу луча поляризатор должен быть повернут вокруг луча на угол 45° относительно положения первого поляризатора. При необходимости использования циркулярной поляризации в данной схеме перед объектом воздействия можно установить четвертьволновую пластинку.

Последняя схема (рис.3.2, г) – универсальная, но чаще используется, когда недопустим поворот направления поляризации выходного пучка относительно направления поляризации пучка, входящего в невзаимный элемент. По сравнению с третьей схемой данная схема также имеет преимущество в настройке, т.к. второй поляризатор не повернут относительно первого, а поворачивается (вокруг луча) полуволновая пластинка на угол 22˚30', что технически проще выполнить. Хотя последние две схемы по сравнению с первыми схемами имеют большее число элементов, но контраст невзаимных элементов, собранных по схемам рис.3.2, в и г, выше благодаря двукратной селекции s -поляризационной составляющей (на двух поляризаторах).

Представленные схемы невзаимных элементов работают в p -поляризации (s -поляризация отсеивается), но если использовать поляризаторы не на пропускание, а на отражение, то данные схемы будут работать и в s -поляризации.

Согласно формуле (3.6) контраст невзаимного элемента линейно (слабо) уменьшается при понижении на некоторую величину пропускания в открытом Т _о (прямом) направлении и сильно падает при повышении на такую же величину пропускания в закрытом Т _з (обратном) направлении, поэтому главной задачей при конструировании невзаимного элемента является понижение Т _з, которое определяется погрешностями работы составляющих элементов – погрешностями поляризатора, фазосдвигающих элементов и фазовращателя Фарадея.

Погрешности поляризатора можно разделить на три вида: 1) потери p -поляризационной компоненты излучения при отражении, рассеянии и поглощении в поляризаторе; 2) деполяризация и фазовый сдвиг на неоднородностях материала поляризатора; 3) пропускание поляризатором s -поляризованной компоненты излучения. Так как средний сдвиг фаз в деполяризованном излучении равен δ_деп = π/2, то излучение на выходе поляризатора является не точно линейно поляризованным, а с некоторой долей эллиптичности, увеличивающейся при уменьшении степени поляризации. При этом большая ось эллипса совпадает с направлением p -поляризационной компоненты выходного излучения, а малая ось соответственно – с направлением s -поляризационной компоненты. При погрешностях первого вида эллипс поляризации выходного излучения сужается в направлении p -поляризационной составляющей, а второй вид погрешностей приводит к расширению его в направлении s -составляющей поляризации. Погрешность третьего вида приводит к повороту осей эллипса поляризации выходного излучения относительно направления p -поляризации.

Погрешности фазосдвигающих элементов определяются по формулам (2.3) и (2.4) при учете погрешностей пространственной ориентации элемента (углы α и φ в формулах (2.15) и (2.3)) и его деполяризации на неоднородностях материала элемента (деполяризованная составляющая имеет средний сдвиг фаз δ_деп = π/2).

Рис.3.2. Оптические схемы невзаимных элементов различного исполнения: 1 – поляризатор; 2 – четвертьволновая пластинка, или ее эквивалент; 3 – 45˚-ный фазовращатель Фарадея; 4 – полуволновая пластинка, или ее эквивалент

Погрешности фазовращателя Фарадея можно также разделить на два вида – погрешность фазовращения и погрешность на внесение эллиптичности и деполяризации. Погрешность фазовращения состоит в неоднородности магнитного поля в поперечном направлении, а в импульсных электромагнитах также и во времени, поэтому выходное излучение может иметь переменное направление вектора поляризации в поперечном сечении и во времени. Деполяризованная составляющая не испытывает поворота в элементе Фарадея. В фазовращателях Фарадея она велика из-за необходимости применения стекла с примесями тяжелых элементов, на скоплениях которых происходит рассеяние, и из-за теплового воздействия на магнитооптическое стекло при использовании электромагнита.

В некоторых случаях развязки внешнее влияние на источник линейно поляризованного излучения оказывает лишь излучение изначальной поляризации, поэтому контраст невзаимного элемента оказывается в лучшем случае в два раза выше, рассчитанного по формуле (3.6), когда интенсивность s -поляризованной компоненты вернувшегося излучения достигает интенсивности его p -поляризованной компоненты (в идеале s -поляризованное излучение не пропускается поляризатором).

Список рекомендуемой литературы

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Пер. с англ. под редакцией Г.П. Мотулевича. – М.: Наука, 1970. – 856 с.

2. Прикладная физическая оптика: Учебное пособие / В.А. Москалев, И.М. Нагибина, Н.А. Полушкина, В.Л. Рудин. – СПб.: Политехника, 1995. – 528 с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Высш. шк., 1976. – 669 с.

4. Матвеев А.Н. Оптика: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1985. – 351 с.

5. Физика: Большой энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. – 944 с.

6. Мак. А.А., Сомс Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Лазеры на неодимовом стекле. – М.: Наука, 1990. – 288 с.

7. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – 352 с.

8. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. В.А. Панова, М.Я. Кругера, В.В. Кулагина и др. – Л.: Машиностроение. – 1980. – 742 c.

9. Турыгин И.А. Прикладная оптика. – М.: Машиностроение, 1966. – 431 с.

10. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика. – М.: Наука, 1982. – 352 с.

11. Мальцев М.Д., Каракулина Г.А. Прикладная оптика и оптические измерения. – М.: Машиностроение, 1968. – 471 с.

12. Монгомери Д.Б. Методы получения сверхсильных магнитных полей с помощью импульсных соленоидов. – М.: Мир, 1975. – 328 с.