Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таблица 1

Некоторые из этих принципов неразрывно связаны с генерацией оптического излучения лазером (внутренняя модуляция), другие реализуются отдельными модулирующими блоками, помещенными вне генерирующего лазера (внешняя модуляция). Внутренние модуляторы по сравнению с внешними выгодно отличаются более низкой подводимой мощностью, однако широкополосная модуляция в них ограничена полосою пропускания резонатора лазера. Кроме того, внутренние модуляторы уменьшают усиление резонатора лазера.

Одной из главных задач, стоящих при проведении настоящей лабораторной работы, является изучение свойств и основных характеристик оптического модулятора. Наиболее перспективными модуляторами, в настоящее время, являются электрооптические модуляторы, характеризующиеся следующими положительными свойствами:

а) на основе электрооптического эффекта можно реализовать все рассмотренные виды модуляции (см. табл. 1);

б) возможна широкополосная модуляция;

в) спектральный диапазон по несущей включает весь оптический диапазон.

Кроме того, использование модуляторов этого типа, связано с наличием целого ряда веществ, обладающих значительным электрооптическим эффектом, производство которых освоено промышленностью. Такие модуляторы могут работать как в видимом диапазоне спектра, так и в инфракрасном. Важное свойство электрооптических модуляторов - их малая инерционность, позволяющая модулировать свет до частот 10¹³ Гц.

Для пояснения работы электрооптических модуляторов предварительно рассмотрим некоторые элементы теории оптически анизотропных сред.

4. Основные свойства оптически анизотропных сред

Все оптически прозрачные среды можно подразделить на две большие группы: изотропные и анизотропные.

Оптически изотропная среда - это среда, у которой оптические свойства не зависят от направления распространения излучения, а также от его состояния поляризации.

Оптически анизотропная среда (АС) - среда, оптические свойства которой зависят от направления распространения в ней оптического излучения и его поляризации. Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме (зависимости поглощения от направления поляризации излучения; и в изменении состояния поляризации света. Кроме того, известно, что оптически АС обладает анизотропией и по другим физическим характеристикам: электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости, величинам констант пьезоэффекта и т.д. В естественных условиях оптическая анизотропия (ОА) проявляется только у некоторых кристаллов. Она обусловлена неодинаковостью по различным направлениям поля сил, связывающих атомы решетки, т.е. связана с асимметрией строения отдельных молекул в кристалле и обусловленным ею различием во взаимодействии этих молекул с излучением различных поляризаций (примером могут служить - исландский шпат и кристаллический кварц).

Искусственная или наведенная ОА возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внешних полей, выделяющих в таких средах определенное направление и приводящих к асимметрии строения вещества. Это может быть электрическое поле - эффект Поккельса и эффект Керра, магнитное поле - эффект Фарадея, поле упругих сил - эффект фотоупругости (акусто-оптический) и др.

Объяснение причин возникновения ОА и описание взаимозависимости физических характеристик таких систем можно сделать только в рамках современной квантовой теории строения вещества. При решении инженерных и прикладных задач, как правило, достаточно воспользоваться феноменологической (феномен - явление) теорией ОА. Она не объясняет фундаментальные свойства АС, но достаточно точно описывает их количественную сторону.

В
основе феноменологической теории ОА лежит представление об оптической индикатрисе анизотропной среды. Рассмотрим поверхность (рис. 4), построенную так, что расстояние от произвольней начальной точки О до любой точки поверхности численно равно показателю преломления волны n_i, распространяющейся в среде в данном направлении k_i. Полученная таким образом поверхность называется n-индикатрисой или поверхностью показателя преломления.

Рис. 4.

Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют, а фундаментальная квантовая теория подтверждает, что поверхность показателей преломления анизотропной среды представляет собой пространственный трехосный эллипсоид или его вырожденную форму - эллипсоид вращения. В случае изотропной среды n-индикатриса является сферой, т.к. для нее показатель преломления не зависит от направления распространения излучения. Существенно, что эллипсоидальность оптических индикатрис АС рассматриваемая теория не объясняет.

Р

ис.5

Рис. 6

Уравнение оптической индикатрисы (в канонической форме) любого кристалла в системе координат, совпадающей с главными осями эллипсоида X, Y, Z (рис.4) имеет вид

(4)

где n_x, n_y, n_z - показатели преломления вдоль главных осей эллипсоида, которые определяются соответствующими диэлектрическими проницаемостями среды:

ε_x = n_x², ε_у = n_y², ε_z = n_z²; (ε_x < ε_у < ε_z) (5)

В общем случае вследствие анизотропии диэлектрической проницаемости кристалла (ε_x ≠ ε_у ≠ ε_z) направление распространения энергии волны S (вектор Умова-Пойтинга) не совпадает с направлением распространения ее фазы или фронта волны N (рис. 5, 6, 7) т.к.

S = c/(4π) [ExH]; N ≈ [DxB]

D =εE; D_x = ε_xE_x , Dy = ε_yE_y , D_Z=ε_zE_z (6)

(
результирующий вектор D не совпадает о вектором Е (рис. 7)), а волновая поверхность отлична от сферической.

Рис.7.

Для любого направления в изотропной среде вектор D совпадает с вектором Е, т.е. нормаль N совпадает с направлением вектора переноса энергии S, а волновая поверхность имеет форму сферы.

В любом анизотропном кристалле можно выделить три взаимно перпендикулярных главных направления, соответствующих осям эллипсоида X, Y, Z и характеризующихся тем, что для них направления векторов электрической индукции D и электрической напряженности Е совпадают друг с другом, как и в случае изотропной среды. Например, если вектор электрической напряженности поля Е совпадает с одной из главных осей эллипсоида, например с X, то будем иметь Е=Е_Х, Е_У=Е_z=0 или D=D_x=ε_xE_x, D_y=D_z=0.

Эти три особых главных направления в анизотропной среде, для которых D =ε_iЕ, имеют место как исключительные случаи, в отличие от изотропных веществ, для которых условие (6) выполняется для любого направления распространения излучения.

Используя связь (7) между D и Е, характеризующую анизотропную среду, из решений уравнений Максвелла, описывающих распространение электромагнитных колебаний, можно получить следующие отличительные свойства оптически анизотропных сред:

1) В анизотропной среде проходящее излучение по любому направлению N может существовать и распространяться только в виде двух взаимно ортогональных плоскополяризованных волн с двумя различными фазовыми скоростями

V₁ = c/n₁ и V₂ = c/n₂, (7)

где с - скорость распространения излучения в вакууме, что обуславливает явление двойного лучепреломления.

2) Эти два особенных направления колебаний компонент поля (Е, Н) определяются свойствами среды и не зависят от длины волны проходящего света. Плоскополяризованная волна с колебаниями, параллельными какому-либо из этих двух направлений, распространяется в анизотропной среде, оставаясь поляризованной в том же направлении. Если направление поляризации падающего излучения составляет некоторый угол с указанными особенными направлениями, то его можно разложить на две плоскополяризованные волны, которые следуют по этим направлениям.

3) Для любого направления распространения излучения в анизотропной среде в плоскости, перпендикулярной этому направлению существуют лишь два взаимно ортогональных направления колебаний вектора D. Других волн, которые бы распространялись бы в том же направлении, но имели другое направление колебаний вектора D, не существует.

4) В общем случае, каждая из двух взаимно ортогональных компонент, распространяющихся в АС, отличается не только скоростью распространения из-за различия в показателях преломления n₁ и n₂, но и величиной их поглощения, которое обусловлено различием в показателях удельного поглощения æ₁ и æ₂. Если один из показателей æ_i значительно превосходит другой (например, æ₁>> æ₂), то в результате сильного поглощения одного из лучей (D₁) на выходе АС получим линейно поляризованное колебание (D₂). Такая среда называется поляроидом. Хорошими поляроидами являются кристаллы турмалина и герапатита. Уже при толщине кристалла герапатита около 0,1 мм в нем практически полностью поглощается дин из лучей (для турмалина – 1 мм). Если поляроид используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором, если же он используется для анализа поляризации света, то его называют анализатором.

Среда, у которой n₁ ≠ n₂, называется двулучепреломляющей, а при æ₁ ≠ æ₂ - дихроичной. Разности величин ∆n = n₁ – n₂ и ∆æ = æ₁ – æ₂ называются величинами двулучепреломления и дихроизма в направлении распространения излучения.

Из аналитической геометрии известно, что эллипсоид с тремя различными по значению главными осями n_z > n_y > n_x имеет два круговых сечения с радиусом n_y (рис. 8,а). Тогда в плоскости можно выделить два симметричных относительно Z направления распространения света k_I и k_II, которым соответствуют эти круговые сечения. Переход эллиптического сечения в круговое означает, что по направлению k_I и k_II анизотропия среды не проявляется, и среда ведет себя как изотропная, а векторы D могут колебаться в любом направлении плоскости кругового сечения. Направления k_I и k_II, перпендикулярные круговым сечениям, называются оптическими осями анизотропии, а среда – двухосной. Угол между осями зависит от формы эллипсоида, т.е. от свойств АС.

Р
ис. 8.

Когда два показателя преломления из трех равны, например,

n_x = n_y = n_o, n_z = n_е ≠ n_o, (8)

n-индикатриса среды имеет вид эллипсоида вращения. В нем существует единственное круговое сечение (рис.8,б),

перпендикулярное оси вращения Z и проходящее через точку О с радиусом no. Следовательно, ось Z – единственная в данном случае оптическая ось анизотропии, а такая АС называется одноосной. Общепринятые обозначения двух главных показателей преломления n_o и n_е называются показателями преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей в одноосной среде. Два возможных случая

Характеристики

Список файлов лабораторной работы