Фотоэластический модулятор (П) представляет собой оптическое устройство , используемое для модуляции поляризации источника света. Фотоэластический эффект используются для изменения двулучепреломления оптического элемента в фотоупругом модуляторе.
PEM был впервые изобретен Дж. Бадозом в 1960-х годах и первоначально назывался «модулятор двойного лучепреломления». Первоначально он был разработан для физических измерений, включая оптическую вращательную дисперсию и фарадеевское вращение , поляриметрию астрономических объектов, индуцированное деформацией двулучепреломление и эллипсометрию . К более поздним разработчикам фотоупругого модулятора относятся Дж. К. Кемп, С. Н. Ясперсон и С. Э. Шнаттерли.
Описание
Базовая конструкция фотоупругого модулятора состоит из пьезоэлектрического преобразователя и полуволнового резонансного стержня; стержень представляет собой прозрачный материал (в настоящее время чаще всего это плавленый кварц). Преобразователь настроен на собственную частоту стержня. Эта резонансная модуляция приводит к высокочувствительным поляризационным измерениям. Основная вибрация оптики идет по самому длинному измерению.
Основные принципы
Принцип действия фотоупругих модуляторов основан на фотоупругом эффекте, при котором механически напряженный образец демонстрирует двулучепреломление, пропорциональное результирующей деформации. Фотоупругие модуляторы - это резонансные устройства, в которых точная частота колебаний определяется свойствами узла оптический элемент / преобразователь. Преобразователь настроен на резонансную частоту оптического элемента по его длине, которая определяется его длиной и скоростью звука в материале. Затем через преобразователь пропускается ток, вызывающий вибрацию оптического элемента за счет растяжения и сжатия, что изменяет двулучепреломление прозрачного материала. Из-за этого резонансного характера двулучепреломление оптического элемента может модулироваться до больших амплитуд, но также по той же причине работа ФЭУ ограничена одной частотой, и большинство коммерческих устройств, производимых сегодня, работают на частоте около 50 кГц.
Приложения
Модуляция поляризации 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 PEM, результирующая поляризация света модулируется на рабочей частоте PEM f , а для синусоидального модулирующего сигнала она может быть выражена в Джонсе матричный формализм как:
где A - амплитуда модуляции.
Линейно поляризованный монохроматический свет, падающий под углом 45 градусов к оптической оси, можно рассматривать как сумму двух компонентов, один параллельный и один перпендикулярный оптической оси ФЭУ. Двойное лучепреломление, введенное в пластину, будет задерживать один из этих компонентов больше, чем другой, то есть ФЭМ действует как настраиваемая волновая пластинка . Обычно он настраивается на четвертьволновую или полуволновую пластину на пике колебаний.
Для случая четвертьволновой пластины амплитуда колебаний регулируется так, чтобы на данной длине волны один компонент попеременно замедлялся и опережал на 90 градусов относительно другого, так что выходящий свет попеременно правый и левый циркулярно поляризовался на пики.
Опорный сигнал снимается с 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 схему скрещенного анализатора, оптического образца, вносящего изменение в поляризацию света, и ПЭМ, дополнительно модулирующего состояние поляризации. Конечные зарегистрированные интенсивности на основной и второй гармониках рабочей частоты ФЭУ зависят от эллиптичности и вращения, вносимых образцом.
Поляриметрия PEM имеет то преимущество, что сигнал модулируется на высокой частоте (и часто обнаруживается синхронным усилителем ), что исключает многие источники шума не на рабочей частоте PEM и ослабляет белый шум за счет ширины полосы синхронизации. усилитель звука.