Механічні модулятори модулюють інтенсивність світла, але їми важко досягнути потрібної у віддалемірах частоти модуляції

Фізико - оптичні теж модулюють інтенсивність світла. В них використовуються явища інтерференції або дифракції. В дифракційних модуляторах збуджують зміну дифракційну гратку в рідині або в кристалі. Недоліком цих модуляторів є те, що вони модулюють світло на одній частоті. В історії розвитку світловіддалемірної техніки відомі факти, використання фізико-оптичних модуляторів, але широкого розповсюдження вони не отримали тепер у світловіддалемірах застосовують тільки електрооптичні модулятори, робота яких основана на явищі штучного подвійного променезаломлення, що виникають під дією електричного поля.

Природний промінь після проходження поляризатора стає плоскополяризованим. В природних умовах подвійне променезаломлення спостерігають при проходженні світла через деякі кристали. Із теорії Максвелла відомо, що світло – це поперечні електромагнітні хвилі, бо в них електричний і магнітний вектори коливання в площинах, перпендикулярних до напрямку розповсюдження хвиль. В природі промені коливання векторів однаково можливі у всіх перпендикулярних до променя напрямків. Якщо вектори коливань якимось чином впорядковані, то промінь називається поляризованим. В плоскополяризованому промені коливання електронного вектора відбувається в одній площині, а магнітні вектора в перпендикулярній до неї площині. Площина, в якій відбуваються коливання електроного вектора променя, називається площиною поляризації променя визначається орієнтацією площини поляризації поляризатора. Природний промінь потрапивши в кристал розкладається на два плоскополяризовані промені, площини коливань яких взаємно перпендикулярні.

Лекція9.

Фазовий зсув променів.

Оптичні осі кристала

Показник заломлення цих променів в кристалі не однаковий. Тому вони розділяються в просторі і проходять через кристал з різними швидкостями. Але в кристалі є 1 або 2 напрямки, вздовж яких показники заломлення променів є однаковими. Ці напрямки називаються оптичними осями кристала. Залежно від кількості таких напрямків кристали поділяються на одно – і двовісні. В одновісних кристалах площину, яка проходить через падаючий промінь і оптичну вісь називається головною або головним перерізом. В одному з променів які з’явились у кристалі, коливання відбуваються в площині, перпендикулярній головного перерізу, а в другому – в паралельній до неї площині. Перший з променів називається звичайний, бо його показник заломлення в кристалі є постійним. Тому шлях його в кристалі підпорядковується законам оптики. Показник заломлення другого променя в кристалі залежить від кута падіння променя на кристал, і його шлях в кристалі не відповідає законам оптики. Цей промінь називається незвичайним. Показник заломлення обох променів у двовісному кристалі залежить від кута падіння на кристал. Тому вони обидва є незвичайними. Існують кристали в яких один з двох променів суттєво поглинається, тобто в них спостерігається дихроїзм. При певній товщині кристала цей промінь повністю поглинається і з кристала виходить тільки один плоскополяризований промінь. Такі кристали використовуються для поляризації світла і їх називають поляроїдами. У світловіддалемірах для поляризації використовують полі вінілові поляроїди. Це полі вінілова плівка з нанесеним тонким шаром голкоподібних, паралельно орієнтованих кристалів геропатиту (йодохініну). Цю плівку закріплюють між двома плоско паралельними скельцями. Поляроїд, що стоїть перший на шляху природного променя, називається поляризатором, а поляроїд на який потрапляє вже поляризований промінь називається аналізатором. Площину, в якій відбувається коливання електричного вектора променя після проходження поляризатора, називають його площиною поляризації. Коли обертати поляризатор навколо осі, що збігається з променем, то обертається і його площина поляризації. На оправі поляризатора часто наносять риски, які вказують на розташування його площини поляризації. Аналізатор, як і поляризатор, теж має площину поляризації. Коли на аналізатор падає плоскополяризований промінь, то з нього виходить тільки та складова частина променя, яка має коливання в його площині поляризації. Амплітуда цієї складової: (9.1), де

А₀- амплітуда вектора променя, що падає на аналізатор;

γ- кут між площиною коливань променя і площиною аналізатора.

Інтенсивність складової, що пройшла аналізатор:

(9.2)

Комірка Керра

Коли на шляху променя помістити поляризатор і аналізатор, то інтенсивність променя після їх проходження теж виражається формулою (9,2). В цьому випадку γ- кут між площинами поляризації поляризатора і аналізатора. Якщо ці площини є паралельними, то через поляризатор і аналізатор проходять максимальний світловий потік. Коли ці площини взаємноперпендикулярні, то аналізатор гасить поляризований поляризатором промінь. В такому випадку кажуть, що аналізатор і поляризатор встановлені “на темному “. В природному світловому промені всі значення кута γ з площиною поляризатора рівно можливі. Тому після його проходження інтенсивність променя дорівнює середньо інтегральному значенню: , тобто 05 Ф₀. отже, поляризатор теоретично допускає половину природного світлового потоку. В 1875 р. Керр виявив, що деякі рідини під дією електромагнітного поля набувають властивості одновісного кристала, вісь якого збігається з напрямком силової лінії електричного поля. Така зміна оптичних властивостей рідин названа ефектом Керра. Цей ефект найбільш чітко проявляється в нітробензолі C₆H₅NO₂. Нітробензол – це легка отруйна рідина жовто-зеленого кольору; гігроскопічна то швидко розпадається; температура затвердіння +5,1 С⁰; температура кипіння -+212 С⁰. модулятори, робота яких базуються на цьому ефекті, отримали назви комірок Керра.

Неповна комірка Керра зображена на рисунку 9.1 (а – схема комірки), (б – розпадання променя в конденсаторі Керра).

Неповна комірка Керра складається з поляризатора і конденсатора Керра, в якому діелектриком служить нітробензол. Пластинки конденсатора Керра впаюють в скляну посудину, яку заповнюють нітробензолом і герметизують. Відстань між пластинками 0,7-1мм. Ємність конденсатора Керра є пФ, ф діелектричних втрат в змінному електричному полі на частоті 10 мГц складає . Скло для посудини конденсатора Керра вибирають таке, щоб його показник заломлення = показнику заломлення нітробензолу, а перпендикулярні до променя стінки посудини роблять паралельними. Тому, конденсатор Керра в опт. системі можна вважати плоскопаралельною пластинкою. Для того, щоб проявився ефект Керра, необхідно, щоб в конденсатор входив плоскопол. промінь. Тому світловий промінь із джерела проходить спочатку крізь поляризатор, а потім зустрічав на своєму шляху конденсатор Керра. Світловий промінь проходить через нітробензол між пластинками конденсатора перпендикулярних до силових ліній. Коли до нього не прикладається напруга, то промінь проходить через конденсатор без змін. Коли до конденсатора прикладається напруга, то нітробензол між його пластинками набуває властивостей одновісного кр-ла. Плоскополяр. промінь, ввійшовши між площинами конденсатора, розкладається на 2 промені: звичайний і незвичайний (рис. 9.1.(б)). Площина коливань першого з них є перпендикулярною до силових ліній, а 2-го паралельною до них. Введемо такі позначення:

- амплітуда коливань електромагнитного вектора променя після проходження поляризатора;

- амплітуди коливань векторів відповідно звичайного і незвичайного променів;

- кут між площиною поляризатора і напрямком силових ліній в конденсаторі.

Амплітуди векторів звичайного і незвичайного променів:

,(9.3)

, (9.4).

У с/д поляризатор і конденсатор Керра розташовані так, щоб амплітуди звичайного і незвичайного променів були однаковими, або щоб промінь розділявся в к-рі на 2 однакові частини. Це буде мати місце, коли . Тоді:

, (9.5).

Показники заломлення звичайного і незвичайного променів в нітробензолі між пластинами конденсатора є різними, тому в цьому проміжку швидкості променів теж є різними. Це є причиною того, що промені виходять із конденсатора з різницею опт. шляхів :

, (9.6), де

- показники заломлення нітробензолу між пластинами конденсатора відповідно звичайних і незвичайних променів;

- довжина шляху променів в конденсаторі.

Фазовий зсув променів.

Цій різниці опт. шляхів відповідає фазовий зсув променів:

, (9.7), де

- довжина хвилі випромінювання джерела світла.

Керр встановив залежність між фазовим зсувом і прикладеною до конденсатора Керра напругою Е:

- формула Керра (9.8), де

- віддаль між пластинами конденсатора в см;

- напруга в В;

- постійна Керра.

Для нітробензолу при і при випромінюванні з довжиною хвилі = 0,546 мкм, .

Лекція 10.

Ефект Керра.

Фазовий зсув є прямопропорційний до квадрата прикладеної напруги, тому ефект Керра називають квадратичним або параболічним. Найближчою важливою характеристикою конденсатора Керра є критична напруга . Коли до конденсатора прикласти напругу , то промені вийдуть з нього з зсувом . Тоді (10.1) і (10.2). Ця формула показує, що змінюючи напругу на конденсаторі, можна змінювати фазовий зсув променів. Тому неповною коміркою Керра можна модулювати промені за фазовим зсувом.