ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ АНАЛИЗАТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
OPTOELECTRONIC ANALYSER OF OPTICAL RADIATION POLARISATION

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения поляризации света. Устройство по данному изобретению может быть использовано для определения состояния поляризации оптического излучения.
В различных процессах с применением оптических и лазерных источников часто приходится контролировать поляризацию излучения. Обычно для этих целей используются хорошо известные анализаторы поляризации, состоящие из поляризатора со средством индикации его углового положения. Поляризация излучения определяется поворотом поляризатора до положения, в котором достигается минимум интенсивности проходящего через поляризатор излучения, наблюдаемого визуально напрямую или на экране [Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998]. Найденное положение соответствует плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации излучения. Недостатками данного метода являются ограниченный спектральный диапазон применения, обусловленный ограниченным спектром восприятия глаза человека, и неточность измерения, обусловленная субъективностью визуального определения минимума интенсивности проходящего через поляризатор излучения и возможностью посторонней засветки.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения поляризации лазерного излучения [Жевандров Н.Д. Применение поляризованного света. М.: Наука, 1978], содержащее поляризатор со средством индикации его углового положения, фотоприемник и устройство обработки электрических сигналов.
Пучок линейно поляризованного излучения от источника света проходит через поляризатор и затем попадает на фотоприемник, сигнал с которого регистрируется устройством обработки электрических сигналов. Поворотом поляризатора добиваются положения, в котором достигается минимум сигнала, регистрируемого с фотоприемника устройством обработки.
При этом используемые поляризаторы могут быть разной конструкции. Широкое применение нашли поляризаторы, состоящие из двулучепреломляющих призм на основе оптически прозрачных двулучепреломляющих кристаллов. Принцип работы таких поляризаторов основан на пространственном разделении обыкновенного и необыкновенного лучей за счет эффекта двулучепреломления.
Однако такие поляризаторы имеют ряд недостатков. Одним из таких недостатков является ограниченность спектрального диапазона работы двулучепреломляющих призм. Обычно область оптического пропускания применяемых в них двулучепреломляющих кристаллов ограничена диапазоном от ультрафиолета до ближней инфракрасной области. Так, у кальцита область оптического пропускания находится в пределах от 220 до 2300 нм. Такие поляризаторы, следовательно, и анализаторы в принципе не могут работать в средней инфракрасной области. В реальности указанный спектральный диапазон дополнительно сужается из-за невозможности обеспечения условия пространственного разделения обыкновенного и необыкновенного лучей на всей его протяженности.
Более того, фотоприемники, работающие на внутреннем и внешнем фотоэффекте, входящие в состав распространенных устройств определения поляризации, также имеют ограниченный спектральный диапазон применения. Например, обычный фотоприемник, работающий на внешнем фотоэффекте, не может работать в области длин волн более 1200 нанометров.
Ограниченность спектральных диапазонов пропускания поляризатора и чувствительности фотоприемника требует применения нескольких различных поляризаторов и фотоприемников для охвата широкой части спектра.
2
Кроме этого, анализаторы поляризации на основе двулучепреломляющих призм не могут применяться для световых пучков с широкой апертурой ввиду ограничений, накладываемых принципом действия таких поляризаторов (обычно поляризаторы на основе двулучепреломляющих призм изготавливаются апертурой от 5×5 до 10×10 мм).
Задача изобретения - упрощение конструкции измерителя поляризации оптического излучения, расширение спектрального диапазона его работы, увеличение допустимой апертуры анализируемого излучения.
Поставленная задача решается тем, что поляризатор и фотоприемник выполнены в виде оптоэлектрического преобразователя, состоящего из нанесенной на диэлектрическую подложку проводящей пленки, обладающей свойством генерации поверхностных токов под действием света по закону j=k(α)Psin2Ф,
где j - плотность поверхностных токов,
k(α) - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала пленки и угла падения α излучения на пленку,
P - мощность падающего оптического излучения,
Ф - угол между плоскостью падения и плоскостью поляризации падающего излучения, размещенной наклонно на цилиндрической втулке, обладающей возможностью вращения вокруг своей оси относительно несущего стержня и двух параллельных измерительных электродов, размещенных на поверхности проводящей пленки на ее противоположных краях параллельно осевому сечению цилиндрической втулки, ориентированному перпендикулярно плоскости наклона пленки.
Техническим результатом является упрощение конструкции измерителя поляризации оптического излучения, расширение спектрального диапазона его работы, увеличение допустимой апертуры анализируемого излучения.
Фиг.1 показывает продольную геометрию наблюдения (плоскость падения параллельна измерительным электродам) оптоэлектрического отклика в проводящих пленках в зависимости от поляризации оптического излучения: 1 - нанесенная на диэлектрическую подложку проводящая пленка; 3 - измерительные электроды; 7 - устройство обработки электрических сигналов; «+» и «-» - положительный и отрицательный входы устройства обработки электрических сигналов соответственно; σ - плоскость падения; k, E - соответственно волновой и электрический векторы падающего излучения (k⊥E, k⊥ξ, ось ξ лежит в плоскости σ); n - нормаль к поверхности пленки; α - угол падения; Ф - угол между σ и плоскостью поляризации, определяемой k и E.
norm
norm
Фиг.2 показывает нормированную на максимальное значение зависимость оптоэлектрического сигнала U в нанографитной пленке от угла между плоскостью падения и плоскостью поляризации падающего излучения Ф для продольной геометрии наблюдения, полученную на длине волны 532 нм при α=50° и указанной на Фиг.1 схеме подключения измерительных электродов ко входам устройства обработки электрических сигналов (точки - эксперимент, сплошная кривая - аппроксимирующая функция U=sin2Ф).
0
1
2
1
2
1
Фиг.3 показывает оптоэлектронный анализатор поляризации оптического излучения согласно данному изобретению: 1 - нанесенная на диэлектрическую подложку проводящая пленка; 2 - цилиндрическая втулка; 3 - измерительные электроды; 4 - несущий стержень; 5 - угловые отметки средства индикации углового положения, пронумерованные по часовой стрелке, если смотреть со стороны проводящей пленки; 6 - риска начала отсчета средства индикации углового положения; 7 - устройство обработки электрических сигналов; «+» и «-» - положительный и отрицательный входы устройства обработки электрических сигналов соответственно; σ - осевое сечение несущего стержня (здесь оно совпадает с вертикальной плоскостью); σ - осевое сечение цилиндрической втулки; σ - плоскость наклона нанесенной на диэлектрическую подложку проводящей пленки (σ⊥σ, измерительные электроды 3 расположены параллельно плоскости σ).
Оптоэлектронный анализатор поляризации оптического излучения работает следующим образом. Представим, что нанесенная на диэлектрическую подложку проводящая пленка 1 (Фиг.1) с двумя параллельными измерительными электродами 3 расположена наклонно под ненулевым углом α по отношению к падающему пучку линейно поляризованного оптического излучения с вектором электрического поля E и волновым вектором k. Пусть плоскость падения излучения σ параллельна измерительным электродам, а угол между плоскостью поляризации (вектором E) и плоскостью падения составляет Ф (угол поляризации). В этом случае в проводящей пленке за счет поверхностного фотогальванического эффекта (ПФГЭ) и эффекта передачи квазиимпульса света электронам (ЭПКИ) при межзонных квантовых переходах возможна генерация поверхностных токов по закону:
где j - плотность поверхностных токов,
k(α) - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала пленки и угла падения α излучения на пленку,
P - мощность падающего оптического излучения,
Ф - угол между плоскостью падения и плоскостью поляризации падающего излучения.
При этом k(α) - нечетная функция от α. То есть генерация поверхностного тока отсутствует при нулевом угле падения α. В результате между измерительными электродами возникает электрическое напряжение, амплитуда которого зависит от поляризации падающего оптического излучения по закону:
где f(α) - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность В/Вт, зависящий от материала пленки, являющийся нечетной функцией от угла падения α, принимающий нулевые значения при α=0, а максимальные по модулю значения при углах α=±(45÷70)°.
norm
На Фиг.2 показаны типичная экспериментальная (точки) и теоретическая (линия) зависимости нормированной на максимальное значение амплитуды электрического напряжения U от поляризации падающего оптического излучения, полученные при продольной геометрии наблюдения (Фиг.1) для нанографитной пленки, в которой наблюдаются ПФГЭ и ЭПКИ, при α=50° и указанной на Фиг.1 схеме подключения измерительных электродов к входам устройства обработки электрических сигналов.
1
2
0
1
1
0
Зависимость вида U∝sin2Ф позволяет сконструировать оптоэлектронный анализатор поляризации оптического излучения. Для этого разместим нанесенную на диэлектрическую подложку проводящую пленку 1 (см. Фиг.3) наклонно на цилиндрической втулке 2, например, под углом 50° между нормалью к проводящей пленке n и осью OO' втулки таким образом, чтобы измерительные электроды 3, размещенные на поверхности проводящей пленки на ее противоположных краях, были расположены параллельно осевому сечению σ втулки, ориентированному перпендикулярно плоскости наклона σ проводящей пленки. Допустим, что цилиндрическая втулка имеет возможность вращаться вокруг своей оси ОО' относительно жестко закрепленного несущего стержня 4, имеющего отметку в виде риски 6 на пересечении внешней поверхности с его осевым сечением σ, совпадающим с вертикальной плоскостью. Пусть на втулке нанесены пронумерованные по часовой стрелке, если смотреть со стороны проводящей пленки, угловые отметки 5, выполняющие совместно с риской на стержне роль средства индикации углового положения. Представим, что осевое сечение σ втулки проходит через отметку «0». В этом случае угловое положение втулки относительно несущего стержня можно определять углом φ между плоскостями σ и σ, пользуясь имеющимися на втулке угловыми отметками.
1
1
0
0
0
Направим луч света на проводящую пленку вдоль оси ОО' цилиндрической втулки, тогда плоскость его падения σ будет всегда совпадать с осевым сечением σ втулки, а угол его падения α будет равен углу наклона пленки относительно втулки. Если представить, что вектор E лежит в вертикальной плоскости, а плоскости σ и σ совпадают, т.е. φ=0, то плоскость падения σ совпадет также с плоскостью σ, а угол поляризации Ф будет равен нулю. Теперь, если повернуть втулку против часовой стрелки по ходу луча относительно стержня на угол Δφ, то плоскость падения изменит свое положение и повернется против часовой стрелки на угол Δφ относительно вертикальной плоскости σ. В результате угол поляризации, т.е. угол между плоскостью падения и плоскостью поляризации изменится на величину ΔФ, при этом справедливо следующее соотношение:
Таким образом, вращая втулку, на которой проводящая пленка расположена наклонно, можно менять угол поляризации Ф. При этом сигнал на измерительных электродах, регистрируемый устройством обработки электрических сигналов 7, нормированный на максимальное значение, согласно (2) и (3) будет меняться в соответствии со следующей зависимостью:
где C=±1 - полярность регистрируемого сигнала, зависящая от типа проводимости материала проводящей пленки. При α>0 и указанной на Фиг.3 схеме подключения измерительных электродов к входам устройства обработки электрических сигналов полярность сигнала принимает положительное значение в случае электронного типа проводимости материала проводящей пленки и отрицательное - при дырочной проводимости.
s
s
Из формулы (4) следует, что сигнал исчезает при углах φ=0 и 180°, а также при φ=90° и 270°. Углы φ=0 и 180° показывают направление плоскости σ, в которой лежит вектор E, а углы φ=90° и 270° показывают направление другой плоскости σ, которая перпендикулярна первой. В соответствии с зависимостью (4), которая для материалов с электронной проводимостью имеет вид, аналогичный кривой на Фиг.3, в окрестности точек φ=0, 180° увеличение угла φ сопровождается изменением полярности сигнала с отрицательной на положительную, а в окрестности точек φ=90°, 270° увеличение φ приводит к смене полярности с положительной на отрицательную. Соответственно, для материалов с дырочной проводимостью будет иметь место обратная взаимосвязь.
Условимся, что C всегда равно единице. Для проводящих пленок с дырочным типом проводимости добиться этого можно изменением схемы подключения измерительных электродов к входам устройства обработки электрических сигналов на противоположную, указанную на Фиг.3.
1
1
p
1
2
1
Таким образом, если изначально поляризация оптического излучения неизвестна, то ее можно определить следующим путем. Луч анализируемого излучения направляется на проводящую пленку вдоль оси цилиндрической втулки ОО'. Вращением цилиндрической втулки с проводящей пленкой определяется угол φ=φ, при котором сигнал, регистрируемый устройством обработки электрических сигналов, обращается в нуль. Если в окрестности точки φ=φ увеличение угла φ сопровождается изменением полярности электрического сигнала с отрицательной на положительную, то этот угол показывает положение плоскости поляризации σ оптического излучения. Если же в окрестности точки φ=φ увеличение угла φ сопровождается изменением полярности электрического сигнала с положительной на отрицательную, то плоскость поляризации определяется углами φ=φ±90°.
В случае эллиптически поляризованного излучения при продольной геометрии наблюдения формула (2) приобретает следующий вид:
ma
где a и b - большая и малая оси эллипса поляризации, а Ф - азимутальный угол большой оси эллипса поляризации. Следовательно, вышеизложенную методику определения плоскости поляризации линейно поляризованного излучения можно непосредственно использовать для определения направления большой оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения.
Очевидно, что данное устройство может быть использовано для полного анализа поляризованного света с применением четвертьволновой пластинки, размещенной перед оптоэлектронным анализатором поляризации по данному изобретению, по методике, описанной в [Жевандров Н.Д. Применение поляризованного света. М.: Наука, 1978, С.67-69].
Пример осуществления изобретения
3+
Данный оптоэлектронный анализатор поляризации оптического излучения использовался для измерения поляризации излучения импульсного YAG:Nd-лазера с длительностью импульсов 20 наносекунд. В качестве нанесенной на диэлектрическую подложку проводящей пленки использовалась нанографитная пленка (пленка из углеродного материала, осажденная на полированную подложку из высокоомного кремния). Основными структурными элементами такой пленки являются кристаллиты графита, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев углерода. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нанометров при размерах в других измерениях около 1÷3 микрометров. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки с максимальным отклонением не более ±20 градусов. Расстояние между отдельными кристаллитами составляет около 0.5÷1 микрометров. Средняя толщина такой нанографитной пленки колеблется от 3 до 4 микрометров. Эксперименты показали, что такие пленки при облучении лазерным излучением генерируют поверхностные токи по закону (1) за счет эффектов ПФГЭ и ЭПКИ.
В качестве электродов использовались медные пластины, механически прижатые к поверхности пленки. Сопротивление постоянному току между электродами, замкнутыми через такую пленку, составляло около 50 Ом, а емкость между электродами составляла менее 1 пФ.
2
2
Нанографитная пленка размером 25×25 мм размещалась на цилиндрической втулке под углом 50°, определяемым нормалью n и осью ОО' (Фиг.3). Указанные размеры пленки позволяли определять поляризацию пучков лазерного излучения апертурой до 16×20 мм, что превосходит аналогичный параметр анализаторов поляризации на основе двулучепреломляющих призм. Апертура анализатора поляризации по данному изобретению может быть дополнительно увеличена за счет применения проводящей пленки больших размеров.
В качестве устройства обработки электрических сигналов использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS-7704B с входным сопротивлением 50 Ом и полосой пропускания 7 ГГц, подключенный к измерительным электродам с помощью коаксиального кабеля.
Исследования показали, что оптоэлектронный анализатор поляризации оптического излучения с нанографитной пленкой может работать в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нанометров.