УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
DEVICE FOR DETECTING ROTARY ELECTRODYNAMIC EFFECT

Изобретение относится к области физики вещества и физической оптики и может быть использовано при исследовании вращательного увлечения средой - повороту плоскости поляризации когерентного излучения одночастотного лазера непрерывного действия в среде, находящейся в поперечном направлению распространения лазерного излучения вращающемся электрическом поле.
Вращение плоскости поляризации (В.п.п.) света - объединенная общим феноменологическим проявлением группа эффектов, заключающихся в повороте плоскости поляризации поперечной волны в результате взаимодействия с анизотропной средой. Наибольшей известностью пользуются эффекты, связанные с В.п.п. света, хотя аналогичные явления наблюдаются и в других областях спектра электромагнитных волн (в частности, в СВЧ-диапазоне), а также в акустике, физике элементарных частиц и т.д.
В.п.п. обычно обусловлено различием коэффициентов преломления среды для двух циркулярно поляризованных (по правому и левому кругу) волн (так называемой циркулярной анизотропией) и описывается в общем случае аксиальным тензором второго ранга, связывающим аксиальный вектор угла поворота φ плоскости поляризации с полярным волновым вектором k. В среде, обладающей только циркулярной анизотропией, линейно поляризованная волна может быть разложена на две нормальные циркулярно поляризованные волны равной амплитуды, разность фаз между которыми определяет азимут плоскости поляризации суммарной волны. В однородных средах, обладающих циркулярной анизотропией, угол φ В.п.п. линейно зависит от длины пути в среде. Циркулярная анизотропия может быть как естественной (спонтанной, присущей среде в невозмущенном состоянии), так и искусственной, индуцированной внешним воздействием. Во втором случае циркулярная асимметрия может быть обусловлена асимметрией возмущающего воздействия или совокупными симметрийными свойствами среды и возмущения.
Естественная циркулярная анизотропия (в оптике - оптическая активность, в акустике - акустическая активность) наблюдается лишь в средах, обладающих определенной структурной асимметрией (в частности, в средах, лишенных центра симметрии). В жидкостях и газах соответствующей асимметрией должны обладать атомы или молекулы среды, в кристаллах циркулярная анизотропия может являться следствием структурной асимметрии кристаллической решетки. В радиодиапазоне эффект В.п.п. может наблюдаться при распространении радиоволн через слой металлических спиралей, хаотически расположенных в пространстве, но намотанных в одну сторону (например, все спирали правые).
Естественная циркулярная анизотропия является прямым следствием дисперсии пространственной, определяемой зависимостью отклика среды не только от значения волнового поля в заданной точке, но и от его пространственных производных. Параметром, определяющим степень проявления пространственной дисперсии в эффекте В.п.п., служит отношение характерного размера структурной единицы среды - атома, молекулы, элементарной ячейки кристалла и т.д. - к длине волны. Для сред с естественной циркулярной анизотропией знак В.п.п., определяемый обычно через направление распространения волны (например, по "правилу буравчика"), не зависит от знака волнового вектора. Поэтому, в частности, инверсия направления распространения света в оптически активной среде приводит к обратной эволюции азимута плоскости поляризации при распространении света в противоположном направлении, и суммарный угол В.п.п. после двойного прохода волны через циркулярно-анизотропную среду оказывается равным нулю.
Среди возмущений, приводящих к появлению индуцированной циркулярной анизотропии, наиболее важное место занимает магнитное поле. Обладая симметрией аксиального вектора (кругового контура с указанным направлением вращения), магнитное поле нарушает циркулярную изотропию среды, что проявляется во В.п.п. при распространении волны вдоль направления намагниченности (эффект Фарадея). Знак В.п.п., обусловленного магнитной циркулярной анизотропией, определяется направлением приложенного магнитного поля и меняется при инверсии направления распространения волны. Поэтому многократное прохождение волны через среду может использоваться для накопления угла магнитного В.п.п. Эта особенность применяется при создании так называемых невзаимных элементов (оптических и микроволновых вентилей), свойства которых оказываются существенно различными для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. В средах, обладающих спонтанным магнитным моментом (ферромагнетиках), магнитное В.п.п. может наблюдаться и при отсутствии внешнего поля.
С симметрийной точки зрения, эффекту Фарадея аналогичен эффект В.п.п. в среде, подвергнутой интенсивному облучению циркулярно или эллиптически поляризованным светом (так называемый обратный эффект Фарадея [1-5]), а также обнаруженный недавно эффект вращательного увлечения средой - В.п.п. света, распространяющегося во вращающейся среде [6].
Важной симметрийной особенностью эффектов В.п.п. в намагниченных и вращающихся средах является инверсия знака эффекта при операции обращения знака времени. Этот факт, на первый взгляд, накладывает запрет на возможность существования электрического аналога подобных эффектов, так как полярный вектор напряженности электрического поля нечувствителен к операции инверсии времени. Однако приложение внешнего электрического поля к циркулярно-асимметричной среде, обладающей электропроводностью, нарушает исходную симметрию системы к операции инверсии времени, и такой эффект оказывается возможным.
Следует обратить внимание, что индуцированная циркулярная анизотропия может иметь такую же симметрию, как и естественная оптическая активность. Например, "естественную" оптическую активность приобретают твердые изотропные среды, подвергнутые крутильной деформации (фотоупругость), а также изотропные среды в любых агрегатных состояниях под действием внешних электрических полей специальной "спиральной" конфигурации. В кристаллах определенных классов симметрии возможно возникновение или изменение оптической активности под действием приложенного однородного электрического поля (электрогирация) [7-12].
В.п.п. может наблюдаться и при отражении волны от циркулярно-анизотропной среды (например, магнитооптический эффект Керра).
Эффекты В.п.п. могут быть следствием не только циркулярной, но и линейной анизотропии среды. Так, В.п.п. наблюдается при распространении волны в линейно-дихроичной среде, лишенной двулучепреломления, а также при прохождении волны через линейную полуволновую фазовую пластинку. В этих случаях, однако, даже для однородных сред нельзя говорить о линейной зависимости угла В.п.п. от длины пути в среде.
-6
-7
12
Эффекты В.п.п. света находят применение как в технике, так и в физических исследованиях структуры и магнитных свойств атомных и конденсированных сред. Существующие приборы для измерения углов В.п.п. в оптической области спектра - поляриметры и спектрополяриметры - обладают чувствительностью ~10-10 град, что позволяет детектировать чрезвычайно малые различия показателей преломления среды для двух циркулярных поляризаций (~10) и исследовать тончайшие эффекты, приводящие к циркулярной анизотропии среды. Наиболее выразительный пример - исследования оптической активности атомных систем, обусловленной нарушением четности при слабых взаимодействиях.
В настоящей работе рассматривается теоретически обнаруженный эффект В.п.п. как во вращающихся оптически прозрачных изотропных средах, так и при приложении к ним поперечного распространению света вращающегося электрического поля, заменяющего, в известной степени, вращение среды.
Возможность В.п.п. света в изотропных оптически прозрачных неподвижных средах под действием поперечного распространению света вращающегося электрического поля, а также при вращении таких сред была теоретически предсказана автором [13], и в конце прошлого столетия доказана экспериментально как вращательное увлечение средой.
Вращательный электродинамический эффект заключается в возникновении искусственной оптической активности в изотропных веществах при действии на них поперечного направлению распространения света вращающегося электрического поля и объясняемый теоретически и экспериментально установленным намагничиванием вещества под действием вращательной поляризации атомных и молекулярных электрических диполей, синхронно вращающихся с частотой вращения электрического поля с образованием амперовых токов в параллельных плоскостях, ортогональных вектору намагничивания. Эффекты, рассмотренные в работах автора [2, 4 и 13], имеют одну и ту же физическую природу.
Автором установлен закон сохранения поляризации электромагнитных волн [14], согласно которому всякое нестационарное взаимодействие волн света с веществом приводит в таком процессе к «красному смещению» (потере части энергии светового поля) той группы фотонов, которая принимает участие в этом нестационарном процессе. Этот закон был автором предсказан и впервые сообщен в Институте проблем управления АН СССР в 1975 году [15], а впоследствии им предложен ряд приборов для обнаружения эффекта «красного смещения» [16-17].
Заявляемое техническое решение предназначено для регистрации вращательного электродинамического эффекта путем наблюдения трансформации интерферограммы, получающейся от сложения двух пучков когерентного света с изменяющимся характером их поляризаций при изменении возмущающего среду фактора, например, частоты вращающегося электрического поля, приложенного к пробной среде.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемому техническому решению является устройство, предложенное ранее автором в [18-19] и содержащее исследуемую среду с ее источником возмущения, установленную в кольцевую схему с оптическим квантовым усилителем, отражателями и полупрозрачным отражателем с малым пропусканием, компенсационным элементом с аномальной дисперсией и нелинейным оптическим элементом. Указанная кольцевая схема через полупрозрачный отражатель с малым пропусканием оптически связана с импульсным лазером с модулируемой добротностью, на выходе которого установлен поляризатор. Оптические импульсы, циркулирующие в кольцевой схеме, частично поступают к интерферометру Майкельсона с полупрозрачным отражателем и отражателями в соответствующих ветвях интерферометра. В одной из оптических ветвей интерферометра установлена компенсирующая пластинка, и в обеих ветвях установлены скрещенные николи. Указанный интерферометр оптически связан через диафрагму, выделяющую только центральную часть светового пучка (нулевой порядок интерферограммы), с первым фотоприемником, выход которого через пороговое устройство соединен с первым входом схемы совпадений. Часть оптических импульсов с выхода кольцевой схемы воздействует на вход второго фотоприемника через диафрагму-полупрозрачный отражатель, а его выход соединен с первым входом двухдорожечного видеомагнитофона или другого записывающего устройства на базе компьютера, а также со вторым входом схемы совпадений, выход которой соединен со вторым входом двухдорожечного видеомагнитофона.
Недостатком прототипа является использование импульсного лазера с модулируемой добротностью, что существенно расширяет спектр оптических колебаний, что практически исключает регистрацию «красного смещения» частоты лазерного излучения, которое маскируется этим спектром импульсного излучения, а также делает невозможным наблюдение стационарной интерферограммы и ее трансформации при изменении частоты вращающегося электрического поля в исследуемой среде.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются увеличение точности производимых измерений и расширение функциональных возможностей, в частности, регистрации сопутствующего «красного смещения» частоты лазерного излучения.
Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для регистрации вращательного электродинамического эффекта, содержащем первую кольцевую оптическую систему из первого полупрозрачного и глухих отражателей, внутри которой размещены первая исследуемая оптически прозрачная среда и первый оптический квантовый усилитель, при этом первая исследуемая среда связана с источником электрических колебаний, создающих в ней вращающееся электрическое поле, ортогональное направлению распространения в среде светового излучения, например, лазерного, отличающимся тем, что в нем установлены одночастотный газовый лазер непрерывного действия с плоско поляризованным излучением, вторая кольцевая оптическая система со второй исследуемой оптически прозрачной средой и вторым оптическим квантовым усилителем, вход которой оптически связан с излучением лазера и оптическими колебаниями с выхода первой кольцевой оптической системы, оптические колебания с выхода которой, а также с выхода второй кольцевой оптической системы через соответствующие первый и второй телескопы оптически совмещены на фотоприемной матрице, выходы которой подключены к блоку визуализации образующейся на фотоприемной матрице с последовательной выборкой интерферограммы и к спектроанализатору, причем источник электрических колебаний включает высокочастотный генератор с регулируемой частотой колебаний и синус-косинусный преобразователь, выходы которого подсоединены к пластинам квадрупольных конденсаторов, внутри которых размещены соответственно первая и вторая исследуемые оптически прозрачные среды, а схема соединений источника электрических колебаний с квадрупольными конденсаторами обеспечивает вращение вектора электрического поля в первой и второй исследуемых оптически прозрачных средах во взаимно противоположных направлениях по отношению к волновым векторам оптического излучения.
Указанное устройство также отличается тем, что фотоприемная матрица включает М строчных и N столбцовых фоточувствительных к лазерному излучению элементов и устройство последовательной выборки электрических сигналов, образующихся в этих элементах от действия на них амплитудного распределения интерферограммы, а также фоточувствительную подложку интегрально по всей площади фотоприемной матрицы для получения спектра сигналов гомодинного преобразования оптических пучков.
Устройство последовательной выборки электрических сигналов включает последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, делитель частоты на М и первый аналоговый коммутатор с N входами, а также связанный со вторым выходом генератора тактовых импульсов второй аналоговый коммутатор с М входами, выходы первого и второго аналоговых коммутаторов соединены с первым и вторым входами первого преобразователя «аналог-код», а третий его вход подключен дополнительно к первому выходу генератора тактовых импульсов, фоточувствительная подложка фотоприемной матрицы соединена с входом второго преобразователя «аналог-код» и с входом спектроанализатора, цифровые выходы первого и второго преобразователей «аналог-код» включены с входами цифрового сумматора, выход которого соединен с входом блока визуализации образующейся на фотоприемной матрице интерферограммы.
Состав и действие заявляемого устройства поясняется представленными чертежами. На фиг.1 представлена структура устройства, включающая следующие узлы и блоки:
1. Первую исследуемую оптически прозрачную среду.
2. Источник электрических колебаний с регулируемой частотой.
3. Первый оптический квантовый усилитель.
4. Глухие отражатели.
5. Первый полупрозрачный отражатель первой кольцевой оптической системы.
6. Одночастотный газовый лазер непрерывного действия.
7. Поляризатор.
8. Второй полупрозрачный отражатель.
9. Третий и четвертый полупрозрачные отражатели второй кольцевой оптической системы.
10. Вторую исследуемую оптически прозрачную среду.
11. Второй оптический квантовый усилитель.
12. Первый телескоп.
13. Второй телескоп.
14. Фотоприемную матрицу (прямоугольную с MN фоточувствительными элементами),
15. Устройство последовательной выборки электрических сигналов.
16. Блок визуализации образующейся на фотоприемной матрице интерферограммы.
17. Спектроанализатор.
На фиг.2 представлена структура источника электрических колебаний с регулируемой частотой 2 и схема его соединений с квадрупольными конденсаторами первой 1 и второй 10 исследуемых оптически прозрачных сред, содержащая:
ЭЛ
18. Генератор гармонических высокочастотных колебаний с регулируемой частотой Г.
ЭЛ
19. Первый выходной высокочастотный полосовой усилитель с нулевой начальной фазой колебаний по закону Sin 2πF t.
ЭЛ
20. Второй выходной высокочастотный полосовой усилитель с начальной фазой π/2 колебаний по закону Cos 2πF t.
На фиг.3 представлена структура узлов 14 и 15 (рис.1) - фотоприемной матрицы с устройством последовательной выборки электрических сигналов, содержащая:
21. Группу из MN фоточувствительных элементов.
22. Фоточувствительную подложку интегрально по площади фотоприемной матрицы.
O
23. Генератор тактовых импульсов с частотой повторения f.
24. Делитель частоты на М (на число фоточувствительных элементов в строке матрицы).
O
25. Первый аналоговый коммутатор с М входами, управляемый по коммутации входных каналов частотой f.
O
26. Второй аналоговый коммутатор с N входами, управляемый по коммутации входных каналов частотой f/М.
27 Первый преобразователь «аналог-код» с адресацией фоточувствительных элементов 21 фотоприемной матрицы 14, сопровождающей коды данных.
28. Второй преобразователь «аналог-код» электрического сигнала с подложки 22.
29. Цифровое суммирующее устройство (на цифровом выходе его образуется код адреса и данных по каждому из элементов 21 матрицы 14, а также код данных для интегральной амплитуды сигнала с подложки 22).
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
*
*
*
*
*
*
8
11
11
10
Пусть в качестве исследуемой оптически прозрачной среды 1 и 10 используется кристаллический кварц. Возникновение дополнительного поворота плоскости поляризации монохроматического света с длиной волны λ=c/ν (с = 310 м/сек - скорость света, ν - частота лазерного излучения) в образце кристаллического кварца длиной L вдоль направления распространения в нем плоско поляризованной световой волны при вращении этого образца относительно оси, коллинеарной волновому вектору светового поля, с угловой скоростью вращения со. Так, известно, что для излучений гелий-неонового лазера с длиной волны λ = 0,6328 мкм, удельное вращение составляет α(λ) = 18,86 °/мм при температуре t°=20°С. Следовательно, при длине образца L плоскость поляризации света повернется на угол φ=α(λ)L, а время прохождения волны света в образце Δt=πL/c, где n - показатель преломления вещества образца (для кварца n = 1,51 при t°=20°С и λ = 6328 ангстрем). При этом угловая скорость В.п.п. в образце Ω=πα(λ)L/180Δt = πα(λ) c/180n = 18,86310/57,31,51 = 0,65410рад/сек или, что то же, частота В.п.п. F=Ω/2π = 1,04110 Гц=10,41 ГГц. Распространение плоско поляризованного света можно интерпретировать в виде спирально-поступательного распространения плоскости поляризации света с шагом спирали h=c/Fn=360°/α(λ)=360/18,86=19,09 мм.
ЭКВ
Полагая, что скорость распространения света в кварцевом образце не зависит от скорости его вращения с угловой скоростью ω и соответствует скорости c/n для неподвижного образца, легко понять, что при различии знаков для векторов вращения Ω и ω шаг d эквивалентной спирали увеличивается, и полный угол поворота плоскости поляризации уменьшается на выходе образца по сравнению с тем, какой был при неподвижном образце. Если знаки векторов Ω и ω совпадают, это приводит к увеличению угла поворота плоскости поляризации на выходе образца. Из этого следует, что вращение среды с естественной оптической активностью (право- или левовращающей) приводит к эффекту «вращательного увлечения средой» плоскости поляризации света, который был экспериментально обнаружен, а само увлечение соответствует направлению вращения образца. Механическим аналогом такого эффекта является движение гайки на болте, при котором гайка проходит по резьбе за фиксированное время, но поворачивается при этом на разные углы в случае, если болт вращается в том или ином направлении относительно оси вращения гайки.
*
*
*
*
11
-7
-4
Поскольку частота F на много порядков превышает практически осуществимую частоту механического вращения образца кварца ω/2π, то возникающий дополнительный угол поворота плоскости поляризации за счет эффекта «вращательного увлечения средой» является чрезвычайно малым. Например, при частоте вращения образца в 100 об/сек приращение (того или иного знака) величины оптической активности Δα(λ) = ωα(λ)/Ω = 62818,86/0,65410 = 1,81110° /мм = 6,5210 угл.сек/мм. Такое изменение оптической активности практически сложно установить существующими оптическими поляриметрами, работающими по полутеневому методу. При этом для обнаружения эффекта «вращательного увлечения средой» следует увеличивать длину образца L до величины, не превышающей длину когерентности светового пучка. Поэтому целесообразно использовать лазерное излучение, обладающее высокой когерентностью, а также средства кольцевого накопления результатов В.п.п. [18-19], а стабильность частоты излучения лазеров следует подвергать контролю [20-21].
1
2
КОГ
ОС
КОГ
OC
1
2
ОС
1
КОГ
КОГ
КОГ
КОГ
КОГ
КОГ
КОГ
1
КОГ
*
*
-15
7
-4
3
Всегда можно подобрать такой температурный режим, при котором при заданной длине L образцов исследуемых оптически прозрачных сред 1 и 10 полный угол поворота плоскости поляризации на их выходах не будет отличаться от таковых на их входах, то есть внутри таких сред В.п.п. составит целое число оборотов. Это позволяет выделять лишь величины указанных малых дополнительных поворотов плоскости поляризации, например, против часовой стрелки в образце 1 и по часовой стрелке в образце 10, если эти образцы вращаются вдоль их оптических осей с угловой скоростью ω во взаимно противоположных направлениях (как это указано на фиг.2). Для увеличения дополнительных углов поворота плоскости поляризации Δθ = Δα(λ)L в образце 1 и Δθ = -Δα(λ) L в образце 10 можно использовать механизм их накопления в первой и второй кольцевых оптических системах использованием соответственно первого 2 и второго 11 оптических квантовых усилителей. При этом число эффективных накоплений К ограничивается длиной когерентности l излучения одночастотного газового лазера непрерывного действия 6 и длиной l кольцевой оптической системы, так что К=l/l, и тогда Δθ=|Δθ|=KΔα(λ)L. Так, при задании соотношения l=4L получим Δθ=l Δα(λ)/4, то есть дополнительное В.п.п. определяется физическими характеристиками исследуемой среды и длиной когерентности лазерного излучения. Для поля с шириной спектра Δν время когерентности τ=1/4πΔν. Для различных источников света τ меняется в широких пределах. Например, для солнечного света τ=10 с, чему соответствует длина когерентности l, равная l = сτ порядка доли микрона. Для узких спектральных линий газоразрядных источников света l доходит до десятков см. Для одночастотных лазеров τ может доходить до долей секунды, и соответственно l измеряется многими тысячами км [22-24]. Если при использовании одночастотного лазера длину когерентности l принять равной l = 10000 м, то для образцов из кристаллического кварца, вращающихся со скоростью 100 об/сек получим Δθ=l Δα(λ)/4=10 6,5210/4=1,63.10 угл.ceк=27,17 угл.мин, то есть около половины одного градуса. Учет длины когерентности в данном рассмотрении важен именно потому, что в дальнейшем будем рассматривать формирование интерферограммы и анализа спектра от гомодинного фотосмешения на фотоприемной матрице, так как взаимно некогерентные оптические колебания не интерферируют и не смешиваются с образованием разностных частот смешиваемых оптических колебаний. В протяженной вращающейся среде В.п.п. может достигать значительных величин, как это следует из доказательств, обосновывающих эффект «вращательного увлечения средой».
1,2
ЭКВ
AT
1,2
ЭЛ
ЭЛ
4
Приведенный расчет для величин Δθ показывает, что в лабораторных условиях использование вращательного движения образцов 1 и 10 малоэффективно, учитывая нецелесообразность применения образцов исследуемой оптически прозрачной среды значительной длины L. Поэтому было предложено заменить вращение таких образцов на вращение электрического поля высокой частоты, приложенного к исследуемой среде (образцам 1 и 10) с вектором поля, ортогональным волновому вектору лазерного излучения в образцах, что и составляет сущность вращательного электродинамического эффекта. Это поясняется схемой на фиг.2, где исследуемые среды помещены в квадрупольные конденсаторы, к противоположным электродам которых прикладывается синус-косинусные напряжения значительной амплитуды (с напряженностью до нескольких киловольт на сантиметр). При этом в образце 1 вращение вектора электрического поля происходит, например, по часовой стрелки, а в образце 10 - против нее. Действие электрического поля на атомно-молекулярную среду вызывает ее поляризацию (образование электрических диполей), а вращение поля - вращение этих диполей. При этом возникает механизм амперовых токов и намагничивание вещества с вектором магнитного поля коллинеарного волновому вектору лазерного излучения. При этом в исследуемой среде возникает спиральная структура, аналогичная спиральной структуре оптически активных веществ, но со значительно большим шагом d спирали, то есть со значительно меньшей величиной дополнительного удельного вращения плоскости поляризации. Повышение эффективности В.п.п. за счет вращающегося электрического поля связано, главным образом, с возможностью увеличения напряженности такого поля в веществе ограниченной электрической прочностью последнего. Соотношение напряженности внешнего вращающегося электрического поля с напряженностями внутриатомных электрических полей E (порядка 10 кВ/см) определяет так называемый коэффициент увлечения k<<1, который показывает различие между дополнительным поворотом плоскости поляризации Δθ при физическом вращении образцов 1 и 10 со скоростью ω/2π об/сек и при вращении вектора электрического поля с частотой F при заданном значении его напряженности Е.
ЭЛ
АТ
1,2
1,2
ЭЛ
КОГ
ЭЛ
1,2
ЭЛ
1,2
Если, в первом приближении, принять k = Е/Е, то за счет увеличения частоты вращающегося электрического поля можно значительно увеличить значения величин Δθ*, которые будут вычисляться по формуле Δθ*=2π k F l Δα(λ)/4 ω по сравнению с ранее указанной величиной при вращении образцов со скоростью 100 об/сек. Так, при k = 0,001 В.п.п. в сравниваемых случаях механического и «электрического» вращения эффект будет одинаковым, если частота 2π F/ω = 1/k, откуда получим дополнительный поворот Δθ* при F = 1 МГц, равный Δθ* = ±271,7 угл.мин = ±4,53° при напряженности внешнего электрического поля порядка 10 кВ/см. Оптические колебания, поляризация которых отличается на ±4,5°, гарантированно интерферируют без заметных потерь контрастности амплитудного распределения в интерференционной картине, а также участвуют в гомодинном фотосмешении для получения спектрограммы.
1
2
На фотоприемную матрицу 14 воздействуют два оптических взаимно когерентных излучения - прошедшего через первый телескоп 12 и через второй телескоп 13, которые интерферируют между собой, и интерферограмма с выхода фотоприемной матрицы передается для ее рассмотрения и запоминания в блок визуализации 16, а спектр сигнала гомодинного фотосмешения - в спектроанализатор 17. Через первый телескоп 12 проходят колебания непосредственно от одночастотного газового лазера непрерывного действия 6, отраженные от первого и второго полупрозрачных отражателей 5 и 6, а также колебания с выхода первой кольцевой оптической системы со сдвигом поляризации Δθ*. Через второй телескоп 13 проходят те же оптические колебания, какие проходят через первый телескоп 12, но с меньшими амплитудами, а также колебания с выхода второй кольцевой оптической системы со сдвигом поляризации - Δθ*.
1,2
O
К
O
Эти группы взаимно когерентных колебаний - плоско поляризованного от одночастотного газового лазера непрерывного действия и двух смещенных по поляризации на ±Δθ* относительно поляризации исходного лазерного излучения - воздействуют на плоскость фотоприемной матрицы 14 и интерферируют между собой. Интерференционная картина - распределение амплитуд светового поля на фоточувствительных элементах 21 (рис.3) - передается на устройство визуализации 16 и хранения (компьютер с монитором). Передача информации осуществляется последовательно по элементам каждой строки матрицы с частотой f, так что весь кадр передается за время Т=MN/f. Первый аналоговый коммутатор с М входами осуществляет последовательное подключение столбцовых шин фотоприемной матрицы, а второй аналоговый коммутатор с N входами осуществляет последовательное подключение строчных шин фотоприемной матрицы, так что происходит последовательная выборка всех MN фоточувствительных элементов 21 и их подключение к первому и второму входам первого преобразователя «аналог-код» 27, к третьему входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов 23 для формирования адреса опрашиваемого фоточувствительного элемента с помощью пересчетного устройства с емкостью MN бит. На выходе первого преобразователя «аналог-код» 27 образуется последовательность кодов данных, снимаемых с соответствующих фоточувствительных элементов матрицы и их адресов.
Электрические сигналы, образующиеся в процессе гомодинного фотосмешения оптических излучений, падающих на фотоприемную матрицу от первого и второго телескопов 12 и 13, поступают с подложки 22 этой матрицы к входу второго преобразователя «аналог-код» 28 и к входу спектроанализатора 17. Фоточувствительная подложка 22 интегрирует со всей ее поверхности результаты гомодинного преобразования на ней группы оптических колебаний с разными частотами - излучения одночастотного газового лазера непрерывного действия 6 и излучений со смещенными частотами за счет «красного смещения», так что гомодинно-преобразованный электрический сигнал представляет собой спектр «красного смещения» (разностных оптических частот). «Красное смещение» возникает в процессе нестационарного взаимодействия волн света с непрерывно меняющейся поляризацией за счет действия кольцевой оптической системы (первой и второй) с исследуемой оптически прозрачной средой. Выходные цифровые сигналы с первого 27 и второго 28 преобразователей «аналог-код» поступают в цифровое суммирующее устройство 29 и используются в работе блока визуализации 16.
В качестве исследуемых оптически прозрачных сред 1 и 10, кроме кристаллического кварца, могут быть использованы другие вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях (твердых, жидких и газообразных) и с различными атомно-молекулярными структурами (кристаллическими или аморфными), что позволяет проводить исследование свойств таких веществ, то есть использовать заявляемое устройство в диагностических целях, кроме заявленного целевого назначения.
1,2
Регулировкой частоты в генераторе гармонических высокочастотных колебаний 18 осуществляется вариация дополнительных сдвигов поляризации Δθ* световых колебаний на выходах первой и второй кольцевых оптических систем, а также спектральной функции «красного смещения», что приводит к трансформации амплитудного распределения в интерференционной картине на фотоприемной матрице. Эти трансформации интерферограммы и спектра «красного смещения» отражают действие вращательного электродинамического эффекта и разрешают поставленные цели изобретения.
Литература
1. Першан, Ван-дер-Циль, Мальмстрем, Обратный эффект Фарадея, доклад на IV Международной конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико, 28-30 июня 1965 г., опубл. УФН, 88, №1, 177, 1966 г.
2. О.Ф.Меньших, Свето-магнитный эффект, Заявка на открытие №32-ОТ-4540 от 30.06.1965 г., - Москва.
3. О.Ф.Меньших, Исследование оптических свойств веществ (кристаллов) на основе обратного эффекта Фарадея, доклад на Всесоюзном симпозиуме по спектроскопии, Новосибирский научный центр, 6.09.1966 г., - Новосибирск.
4. О.Ф.Меньших, Явление намагничивания материалов во вращающихся электрических полях. Заявка на открытие №32-ОТ-3703 от 15.04.1964, - Москва.
5. О.Ф.Меньших, Детектор амплитудно-модулированных колебаний, Патент РФ №2287891, опубл.20.11.2006, бюл. №32.
6. В.М.Агранович, В.Л.Гинзбург, Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов, 2 изд., - М., 1979.
7. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., - М., 1982.
8. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, 2 изд, т.4, - М., 1985.
9. Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская, Основы кристаллофизики, 2 изд., - М., 1979.
10. В.А.Кизель, Оптическая активность и дисимметрия живых систем, "УФН", 1980, т.131. с.209.
11. С.И.Вайнштейн, Я.Б.Зельдович, А.А.Рузмайкин, Турбулентное динамо в астрофизике, - М., 1980.
12. Ф.И.Федоров, Теория оптической активности кристаллов, "УФН", 1972, т. 108, вып.4, с.762.
13. О.Ф.Меньших, Вращательный электродинамический эффект. Заявка на открытие №32-ОТ-4488 от 29.05.1965, - Москва.
14. О.Ф.Меныпих, Закон сохранения поляризации электромагнитных волн, Заявка на открытие ВВ-155 от 17.11.2003, МААНО, - Москва.
15. О.Ф.Меньших, Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике. Институт проблем управления АН СССР, - Москва, 22.04.1975 г.
16. О.Ф.Меньших, Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения, Патент РФ №2276347, опубл в бюлл №13 от 10.05.2006.
17. О.Ф.Менылих, Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах. Патент РФ №2276394, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006.
18. О.Ф.Менылих, Устройство для диагностики оптически активных сред, Авт. свид. СССР №521455, 1969.
19. О.Ф.Меньших, Метод прецизионного измерения малых углов вращения плоскости поляризации когерентного излучения, изд.«Наука», Оптика и спектроскопия, №5, 1970.
20. О.Ф.Меньших, Способ измерения кратковременной стабильности частоты излучения газового лазера, Авт. свид. СССР №1554719, 1987.
21. О.Ф.Меньших, Устройство для измерения кратковременной стабильности частоты излучений газовых лазеров, Авт. свид. СССР №1556291, 1988.
22. Р.Глаубер, Оптическая когерентность и статистика фотонов, в кн.: Квантовая оптика и квантовая радиофизика, пер. с англ., франц., - М., 1966.
23. М.Франсов, С.Сланский, Когерентность в оптике, пер. с франц., - М., 1967.
24. М.Борн, Э.Вольф., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., - М., 1973.