Оптические невзаимные элементы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оптические невзаимные элементы - устройства, для к-рых условия прохождения света в прямом и обратном направлениях неодинаковы. Оптические невзаимные элементы используются в системах управления оптич. излучением для создания однонаправленных оптич. схем, для возбуждения в кольцевых лазерах заданного направления бегущей волны, в лазерных гироскопах для устранения захвата частот встречных волн (см. Затягивание частоты ),а также в волоконно-оптических гироскопах для задания нач. сдвига фаз между встречными волнами.

Обязат. условием для создания оптических невзаимных элементов является использование такого физ. эффекта, в к-ром имеется выбранное направление, совпадающее с одним из направлений распространения света. Напр., для Фарадея эффекта и Зеемана эффекта выбранным является направление внеш. магн. поля, в движущихся и вращающихся средах - направление движения или вращения, в акустич. устройствах - направление распространения звука. Невзаимность эффектов может быть по фазе, амплитуде, поляризации.

Фазовые оптические невзаимные элементы

Для фазовых IL элементов используются среды, в к-рых различна скорость распространения света для прямой и обратной волн. Это приводит к различию оптических длин фазовых оптических невзаимных элементов для световых волн с противоположными направлениями распространения. Примером фазового оптического невзаимного элемента является движущаяся среда (см. Физо опыт, Скорость света). Для среды с показателем преломления п, движущейся со скоростью u, фазовые скорости волн, распространяющихся вдоль и против движения среды, равны u= с/n b + u(1 - 1/n²). Недостатком оптич. H. э., использующих эффекты "увлечения" света движущейся средой, является требование высокой стабильности скорости движения. Поэтому практически чаще используется невзаимность фарадеевской ячейки, в к-рой скорость световой волны с заданной круговой поляризацией зависит от угла между направлением распространения света и внеш. магн. полем. Разности фаз волн, поляризованных по левому и правому кругу, при прохождении фарадеевской ячейки длиной l в прямом и обратном направлениях равны

где l - длина волны света, п₀ - показатель преломления среды в отсутствие внеш. магн. поля, g - псевдотензор гирации, q - угол между направлением световой волны и направлением магн. поля. В диамагн. и парамагн. веществах величина вращения пропорциональна магн. полю, а в ферромагнетиках - намагниченности среды.

Фазовые невзаимные элементы в волоконно-оптич. гироскопах задают нач. разность фаз между встречными волнами света; в лазерных гироскопах они создают разность оптич. длин для волн, бегущих в противоположных направлениях. Если волну, поляризованную по левому кругу, подавить с помощью линейного поляризатора, расположенного между двумя пластинками l/4 (главные оси к-рых повёрнуты на +45° и -45° относительно направления макс. пропускания поляризатора), то для встречных волн, поляризованных по правому кругу, частоты генерации кольцевого лазера окажутся различными, т. к. частота генерации определяется тем, что на длине лазера должно укладываться целое число длин волн излучения.

Амплитудные оптич. H. э. обычно используются либо для коммутации направления излучения, либо для подавления рассеянного назад излучения с целью получения высокостабильного одночастотного лазерного источника. Применяются они и для подавления одной из двух встречных волн в кольцевом лазере.

Рис. 1. Невзаимный фарадеевский элемент: 1,2 - поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 45°; 3 - фарадеевская ячейка.

Амплитудный H. э. для подавления одной из волн представляет собой (рис. 1) фарадеевский элемент 3 длиной l, расположенный между двумя поляризаторами 1 и 2, повёрнутыми друг относительно друга на 45°. При прохождении линейно поляризованного света через фарадеевский элемент происходит поворот плоскости поляризации на угол y = pgl/ln₀ = VH_|| l за счёт разности скоростей волн, поляризованных по правому и левому кругу. Здесь V - постоянная Верде, зависящая от частоты света и температуры, H_|| - напряжённость продольного магн. поля. Угол поворота не зависит от направления распространения света. Если плоскость поляризации света, идущего вдоль H_||, поворачивается на 45°, то свет полностью пройдёт через поляризатор 2 (нижние стрелки, рис. 1); свет с противоположным направлением (верхние стрелки) после поворота плоскости его поляризации на 45° полностью поглотится поляризатором 1.

Другой вид амплитудного оптич. H. э. (рис. 2) представляет собой систему из двух электрооптич. CВЧ-модуляторов света 1 и 2, помещённых между скрещенными поляризаторами 3 и 4. Если с помощью фазовра-щателя 6 сдвинуть фазу напряжения в модуляторе 2 на p/2 относительно 1, а расстояние между модуляторами L взять равным L/4 (L - длина волны модулирующего сигнала), то свет, идущий слева, через эту систему не пройдёт, т. к. к моменту прихода света во второй модулятор напряжение на нём сдвинется на p относительно напряжения, модулировавшего свет в 1. Поэтому свет, выходящий из модулятора 2, не будет иметь компоненты, поляризованной ортогонально исходному свету. Для идущего справа света, разность фаз между модулирующими сигналами на первом и втором модуляторах равна нулю и модулиров. свет проходит через скрещенные поляризаторы. Если необходимо подавить свет, идущий справа, то надо фазо-вращателем 6 установить фазу - p/2.

Рис. 2. Невзаимный электрооптический элемент: 1,2 - СВЧ-модуляторы света; 3,4 - скрещенные поляризаторы; 5 - генератор СВЧ; 6 - фазовращатель.

Амплитудная невзаимность существует также при распространении света в поле акустич. волны. Это явление связано с тем, что при дифракции Брэгга для встречных световых пучков на бегущей акустич. волне условия Брэгга выполняются при разл. углах падения света. Световой пучок, идущий справа (рис. 3), дифрагирует в +1 максимум, а свет, идущий слева,- в -1 максимум. Если условие синхронизма точно выполнено для +1 максимума, то для -1 оно нарушено.

Рис. 3. Невзаимный акустооптический элемент: 1 - возбудитель звука; 2 - звукопровод; а - поглотитель звука.

Степень нарушения определяется величиной hl, к-рая в данном случае равна ul/cL, где с - скорость света, l - длина области взаимодействия света и звука. Если интенсивность звука такова, что в +1 максимум дифрагирует весь свет, то при hl = p

свет в -1 максимум не пройдёт. T. о., свет, падающий на ячейку слева, проходит через неё без потерь, а свет, идущий справа, весь отклоняется в +1 максимум.

Разность частот, интенсивностей и поляризаций встречных волн в кольцевом лазере создаётся также с помощью магнитооптических Керра эффектов ,возникающих при отражении от ферро-магн. зеркал резонатора. Эти эффекты проявляются в зависимости характеристик отражённого света от вектора намагниченности ферромагнетика J и от направления распространения и поляризации падающего света. В случае меридионального и полярного эффектов Керра (J в плоскости падения) происходит изменение поляризации падающего линейно поляризованного излучения. При экваториальном эффекте Керра (J перпендикулярен плоскости падения) интенсивность отражённого излучения зависит от |J|. Разность частот линейно поляризованных встречных волн (с поляризацией в плоскости падения) создаётся за счёт экваториального эффекта, встречных волн с круговой поляризацией - за счёт полярного эффекта.

Литература по оптическим невзаимным элементам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.