Metody Optyczne w Technice Wykład 8 Polarymetria
Fala elektromagnetyczna div D div B 0 D E rot rot E H B t D t J B J H E
Fala elektromagnetyczna 2 2 E H 2 t 2 E 2 t H 2 v n 1 0 0 c n 0
Fala elektromagnetyczna
Fala elektromagnetyczna kierunki drgań wektorów E i H są prostopadłe do kierunku propagacji fali (fala poprzeczna) Kierunki drgań wektorów E i H są prostopadłe do siebie w ten sposób, że ExH jest równoległe do kierunku propagacji Wektory E i H są w fazie ponieważ k/ωμ jest rzeczywiste
Fala elektromagnetyczna Fale elektryczna i magnetyczna są współzależne jedna nie może istnieć bez drugiej Dwie nakładające się fale tworzą zaburzenie będące ich wektorową sumą (jeśli ε i μ nie zależą od E i H)
Polaryzacja
Polaryzacja liniowa
Polaryzacja kołowa
Polaryzacja eliptyczna
Określanie stanu polaryzacji
Określanie stanu polaryzacji
Określanie stanu polaryzacji δ=±nπ polaryzacja liniowa (χ=0) n=0,2,4 => θ=α N=1,3,5 => θ=-α δ=(±n+½)π polaryzacja eliptyczna z osiami głównymi wzdłuż X i Y (θ=0 lub θ=½ π) a x = a y - polaryzacja kołowa
Określanie stanu polaryzacji
Określanie stanu polaryzacji
Płytki falowe Płytki falowe to elementy optyczne posiadające tzw. ośrodek dwójłomny Charakteryzują się one tym, że prostopadłe polaryzacje liniowe doznają różnych współczynników załamania (oś szybka i oś wolna) W wyniku tego płytka opóźnia jedną falę względem drugiej zmieniając stan polaryzacji Płytka półfalowa opóźnienie o π (polaryzacja liniowa +45 stopni -> polaryzacja liniowa -45 stopni) Płytka ćwierćfalowa opóźnienie o ½ π (polaryzacja liniowa +45 stopni-> polaryzacja kołowa)
Płytki falowe
Polaryzatory Polaryzator to element optyczny, który dzieli fale na dwa prostopadłe kierunki polaryzacji i przepuszcza tylko jeden z nich Za polaryzatorem biegnie więc fala spolaryzowana liniowo wzdłuż osi polaryzatora Dwa polaryzatory obrócone o kąt 90 stopni nie przepuszczają światła
Polaryzatory Polaroid błona specjalnego plastiku z cząsteczkami ułożonymi w długie równoległe łańcuchy, pole elektryczne wzdłuż łańcuchów jest silnie absorbowane, zaś prostopadle do niech przechodzi przez błonę Odbicie światło odbite przy kącie padania równym tan -1 (n 2 /n 1 ) jest spolaryzowane w ten sposób, że pole elektryczne drga wzdłuż płaszczyzny granicy ośrodków (przy takim kącie padania promień przechodzący i odbity są prostopadłe) Podwójne załamanie (dwójłomność) wiązka padająca na taki kryształ ugina się dla dwóch prostopadłych polaryzacji liniowych pod różnymi kątami
Prawo Malusa Gdy światło przechodzi przez 2 skrzyżowane polaryzatory, których osie tworzą kąt θ natężenie światła za nimi będzie proporcjonalne do kwadratu kosinusa kątów ich wzajemnego skręcenia
Światło niespolaryzowane Jeśli różnica faz między dwoma kierunkami prostopadłymi drgań pola elektrycznego nie jest stała w czasie mamy do czynienia ze światłem niespolaryzoawnym Światło niespolaryzowane po przepuszczeniu przez polaryzator (lub odbiciu, dwójłomności) staje się spolaryzowane
Określanie polaryzacji Przepuszczamy światło przez polaryzator (analizator) który może się obracać Jeśli obracając polaryzatorem znajdujemy periodycznie powtarzające się miejsca całkowitego wygaszenia wiązki polaryzacja liniowa Jeśli światło periodycznie zmienia swoje natężenie ale się nie wygasza polaryzacja eliptyczna Jeśli natężenie światła nie zmienia się mimo obrotu polaryzacja kołowa albo światło niespolaryzowane (sprawdzamy ćwierćfalówką)
Ośrodki anizotropowe
Ośrodki anizotropowe Ośrodek izotropowy Ośrodek jednoosiowy Ośrodek dwuosiowy
Ośrodki anizotropowe W ośrodkach dwójłomnych światło doznaje różnych współczynników załamania dla różnych kierunków polaryzacji. W przypadku kryształów jednoosiowych współczynnik jednego z kierunków nie zależy od polaryzacji wiązki (współczynnik normalny o ordinary) zaś drugi (dla kierunku prostopadłego) zmienia się (nadzwyczajny e extraordinary) Istnieje jeden kierunek wzdłuż którego są one równe oś optyczna kryształu
Ośrodki anizotropowe
Ośrodki anizotropowe
Ośrodki anizotropowe
Ośrodki aktywne optycznie Niektóre ośrodki (np. woda z cukrem) wykazują różne współczynniki załamania dla polaryzacji liniowej prawo i lewoskrętnej, kąt skręcenia zależy wówczas najczęściej od stężenia roztworu i drogi propagacji światła Podobny efekt można uzyskać propagując fale elektromagnetyczną w polu magnetycznym (efekt Faradaya), kąt skręcenia
Izolator optyczny
Formalizm Jonesa
Polaryzacja liniowa Formalizm Jonesa Polaryzacja kołowa Polaryzacja eliptyczna
Macierze Jonesa Polaryzator Płytka półfalowa Płytka ćwierćfalowa
Formalizm Jonesa Polaryzację można też rozdzielić na kombinację polaryzacji kołowych prawo- i lewoskrętnej (w miejsce prostopadłych polaryzacji liniowych) W tym przypadku formalizm Jonesa stosuje się także (po odpowiednich modyfikacjach)
Wektor Stokesa Innym opisem polaryzacji światła są 4 parametry tworzące tzw. wektor Stokesa
Wektor Stokesa
Wektor Stokesa Polaryzacja eliptyczna
Wektor Stokesa Polaryzacja liniowa pod kątem θ Światło niespolaryzowane
Macierze Müllera Podobnie jak w formalizmie Stokesa definiuje się macierze dla elementów optycznych
Macierze Müllera Polaryzator liniowy pod kątem θ LHP LHV LP-45 LP+45 RCP
Macierze Müllera Płytki falowe QWP(0) QWP(½π) HWP(0)
Sfera Poincaré
Sfera Poincaré
Światłowody dwójłomne
Światłowody dwójłomne Nawet w jednomodowym światłowodzie de facto propagują się dwa mody w dwóch prostopadłych kierunkach polaryzacji liniowej Dwójłomność rdzenia powoduje zmiany polaryzacji i deformację sygnału -> problem Lecz może kodować także informację o ośrodku lub o zniekształceniach światłowodu światłowody zachowujące polaryzację
Światłowody dwójłomne Światłowody zachowujące polaryzację Światłowody wysokodwójłomne (Hi-Bi) Rdzeń eliptyczny Naprężeniowe Z tunelem lub barierą po boku Ciekłokrystaliczne
Światłowody dwójłomne Światłowody zachowujące polaryzację Światłowody jednopolaryzacyjne, jednomodowe (SPSM) Różne parametry odcięcia dla prostopadłych kierunków Propagujące jeden mod spolaryzowany (współczynnik załamania w jednym z kierunków znoszony przez kombinację domieszkowania i naprężeń) Duże różnice w tłumieniu anizotropowym
Światłowody dwójłomne Zastosowanie Urządzenia wymagające stabilnej polaryzacji Sprzęganie do obwodów optyki zintegrowanej Czujniki interferometryczne Systemy komunikacji koherentnej (gdy sygnał ze światłowodu służy jedynie do modulowania źródła wbudowanego w odbiornik) Urządzenia i komponenty światłowodowe Czujniki dwumodowe Wzmacniacze dwumodowe Sprzęgacze polaryzacyjne
Światłowody dwójłomne Urządzenia światłowodowe oparte na indukowanej dwójłomności Uchwyt do światłowodów o zerowej dwójłomności Światłowodowe płytki falowe (pętle) Polaryzator światłowodowy (kombinacja płytek falowych) Światłowodowy czujnik natężenia prądu (efekt Faradaya)