WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Известия Челябинского Научного Центра, вып. 3 (20), 2003 ОБЩАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА УДК 535.33.621.373.8 НОВЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА МАГНУСА С.А. АССЕЛЬБОРН (1), М.В. БОЛЬШАКОВ (1), Н.Д. КУНДИКОВА (1), И.И. НАУМОВА (2) e-mail: knd@susu.ac.ru (1) Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики ИЭФ УрО РАН и ЮУрГУ, г. Челябинск, Россия (2) Московский государственный университет, г. Москва, Россия Статья поступила в редакцию 18 июля 2003 года При распространении света в оптически неоднородной среде в результате взаимодействия спина фотона (поляризации) и его орбитального момента наблюдается изменение траектории циркулярнополяризованных лучей при изменении знака циркулярной поляризации. Такое изменение траектории впервые наблюдалось экспериментально при распространении циркулярно поляризованного света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. Оно проявлялось в повороте спекл-картины света, прошедшего через оптическое волокно, при смене знака циркулярной поляризации. Этот эффект получил название оптического эффекта Магнуса [1]. Позднее, в работе [2] был произведен более детальный теоретический анализ эффекта и, в частности, для многомодового оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления было показано, что величина эффекта зависит не только от параметров волокна, но и от условий введения света в волокно. В соответствии с [2] угол поворота спекл картины определяется следующим соотношением:

2z =, (1) n3 2 co где – длина волны света, z – длина световода, nco – показатель преломления сердцевины световода, – радиус сердцевины, – угол между осью световода и направлением распространения луча, падающего на вход световода.

Экспериментально зависимость угла поворота спекл-картины от угла при неизменных остальных параметрах исследовалась в работе [3]. Изображение спекл-картины регистрировалось при помощи ПЗС–матрицы. Для определения угла поворота спекл-картины использовалось два независимых метода обработки изображений. Полученные экспериментальные результаты имели невысокую точность, а сама процедура определения угла поворота была достаточно трудоемкой.

В настоящей работе предлагается использовать обращатель волнового фронта в качестве эффективного инструмента для исследования оптического эффекта Магнуса. Необходимость применения нового метода вызвана сложностью и большой трудоемкостью ранее используемых методов определения угла поворота спекл-картины излучения, выходящего из многомодового оптического волокна циркулярно поляризованного света при смене знака циркулярной поляризации [3]. Сложности возникают из-за того, что спекл-картина состоит из большого количества мелких пятен, изменение положения которых на величину, большую их размера сложно заметить визуально. При обращении волнового фронта спекл-картины происходит инвертирование процесса распространения света в волокне, в результате С.А. Ассельборн, М.В.Большаков, Н.Д. Кундикова, И.И. Наумова чего можно на выходе из волокна получить одно пятнышко, которое является плоской волной, распространяющейся в обратном направлении, и, изменяя знак циркулярной поляризации обращенного спекла, наблюдать обусловленный оптическим эффектом Магнуса поворот единственного пятна вокруг оси волокна. Таким образом, использование данного метода даст возможность работать с одним единственным пятном, изменение положения которого в плоскости регистрирующего прибора и определит величину эффекта при разных условиях. Впервые идея использования обращения волнового фронта для наблюдения оптического эффекта Магнуса была предложена и экспериментально реализована Дарштом М.Я. в работе [4].

Цель данной работы — экспериментальная реализация обращателя волнового фронта спеклкартины многомодового оптического волновода и исследование неоднородности оптического эффекта Магнуса с использованием этого обращателя.

Задачу обращения волнового фронта можно решить с помощью сред, способных ”запоминать”пространственное распределение интенсивности светового поля [5]. В частности, такими средами являются фоторефрактивные кристаллы [6]. Голограммы, записанные в данных кристаллах, являются динамическими. В динамической голографии обращение волнового фронта лазерного излучения в схеме четырехволнового смешения происходит в ”реальном времени”в том смысле, что характеристики обращенной волны изменяются во времени вместе с характеристиками сигнальной волны, что дает большие преимущества в работе с обращающими зеркалами на базе фоторефрактивных сред.

В работе использовалось многомодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления. Длина волокна — z = 158 мм, радиус сердцевины — = 50 мкм. Разница показателей преломления сердцевины (nco) и оболочки (ncl) n = nco - ncl = 0, 016. В качестве нелинейной среды для обращателя волнового фронта был выбран фоторефрактивный кристалл ниобата бария-натрия Ba2NaNb5O15 (BNN) размером 3.5 х 5 х 7.5 мм3. Cхема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Излучение гелий-неонового лазера Л1 делилось полупрозрачным зеркалом 1 на опорный I0 и сигнальный Is0 пучки. Сигнальный пучок с помощью длиннофокусной линзы 3 вводился в многомодовое волокно под некоторым углом к оси волокна. На выходе наблюдалась спекл-картина в виде кольца с центром на оси волокна. С помощью объектива 4 спекл-картина фокусировалась таким образом, чтобы ее диаметр примерно совпадал с диаметром опорного пучка при их пересечении в кристалле 8.

Интерферируя в фоторефрактивном кристалле, эти пучки записывали голографическую решетку. Запись решетки в кристалле производилась во внешнем переменном синусоидальном поле ( = 50 Гц, E0 = 4, 5 кВ/см). Предварительно был проведен вспомогательный эксперимент, в результате которого было установлено, что для плоских волн дифракционная эффективность решетки, записанной при таких условиях, во-первых, максимальна, а, во-вторых, слабо зависит от пространственной частоты q, если q лежит в пределах 3...4 · 104 см-1. Поэтому выбранное значение угла между сигнальным и опорным пучками составляло 21o (q = 3, 6 · 104 см-1). Максимум дифракционной эффективности был необходим для получения максимальной интенсивности обращенной волны. Слабая зависимость дифракционной эффективности от пространственной частоты позволяла снизить возможные искажения обращенной волны, вызванные присутствием в обращаемой волне волновых векторов k с неодинаковыми направлениями.

Экспериментально было обнаружено, что излучение с линейной и циркулярной поляризацией при распространении через волокно ведет себя по-разному. Линейная поляризация не сохраняется, а циркулярная поляризация сохраняется. Для преобразования поляризации света из линейной в циркулярную на входе в волокно и, обратно, из циркулярной в линейную — на выходе, использовались две составные перестраиваемые слюденные пластинки /4 [7], обозначенные в схеме 5 и 6.

Для получения волны, обращенной к сигнальной, записываемая в кристалле голограмма освещаI лась встречной волной с плоским волновым фронтом I0 (использовалось излучение гелий-неонового I лазера Л2). Так как волна I0 не являлось когерентной с I0 и Is0, это позволило избежать записи решеток, возникающих при интерференции встречных волн. Интенсивности сигнальной волны и волны I накачки совпадали, а интенсивность волны I0 была в 15 раз больше. Все волны на входе в кристалл были линейно поляризованными. Плоскость поляризации совпадала с плоскостью падения лучей.

I Волна I0, дифрагируя на записанной решетке, порождала волну, идентичную объектной Is0, но Новый метод исследования оптического эффекта Магнуса Рис. 1. Схема экспериментальной установки. (1–полупрозрачное зеркало; 2,7–глухие зеркала; 3–линза;

4–объектив; 5,6–четвертьволновые пластинки; 8–кристалл BNN; 9–оптический волновод; 10–ПЗСматрица; Л1,Л2–He-Ne лазер).

распространяющуюся в обратном направлении сначала через пластинку 6, а затем по тому же пути через волокно. В результате за волокном наблюдалась плоская обращенная волна Ipc, распространяющаяся навстречу сигнальной. Надо заметить, что яркий обращенный пучок за волокном был виден на фоне менее яркой спекл-картины, которая возникала из-за неидеального качества обращения, а также из-за возможных потерь и искажений в сигнальной волне при распространении через волокно (частичная потеря информации о сигнальной волне). Для регистрации обращенной волны было установлено полупрозрачное зеркало 1, которое отводило ее в сторону ПЗС–матрицы. Зарегистрированное ПЗС– матрицей изображение обращенной волны показано на рис. 2.

Оптический эффект Магнуса для обращенной волны наблюдался при двух различных экспериментальных условиях. В первом случае наблюдение проходило в процессе стирания голограммы. На входе в волокно изменялся знак циркулярной поляризации обращенной волны, и на выходе наблюдалось изменение положения (поворот) пучка Ipc относительно оси волокна. Знак циркулярной поляризации изменялся поворотом пластинки 6 на 90o вокруг оси, перпендикулярной ее поверхности. В результате голограмма, записанная в кристалле, постепенно стиралась, и интенсивность повернутого пучка со временем уменьшалась. Во втором случае процесс наблюдения оптического эффекта Магнуса не влек за собой стирания голограммы [4]. Известно, что линейную поляризацию можно рассматривать как суперпозицию двух циркулярных — левой и правой. Поэтому если на вход волокна подать линейно поляризованное излучение, то при распространении через волокно волны с правоциркулярной и левоциркулярной поляризацией будут вести себя независимо, и на выходе появятся два обращенных пучка. Один — идущий навстречу сигнальному, другой — повернутый на небольшой угол вокруг оси волокна вследствие оптического эффекта Магнуса. Для наблюдения оптического эффекта Магнуса в реальном времени не требовалась установка поляризатора, достаточно было убрать из оптической схемы пластинку 6. При этом обращенная волна на входе в волокно не изменяла своей поляризации (оставалась линейно поляризованной).

С.А. Ассельборн, М.В.Большаков, Н.Д. Кундикова, И.И. Наумова Рис. 2. Изображение обращенной волны, зареги- Рис. 3. Изображение обращенной волны, зарегистрированной ПЗС–матрицей, на выходе из волок- стрированной ПЗС–матрицей, на выходе из волокна. на в случае, если обращенная волна имеет линейную поляризацию.

На рис. 3 показано изображение, регистрируемое ПЗС–матрицей при угле 12o. Нижнее пятнышко — обращенная волна, верхнее — волна, повернутая вследствие оптического эффекта Магнуса.

Угол поворота спекл-картины при разных углах вхождения света в волокно определялся следующим образом. Сигнальный пучок вводился в волокно длиннофокусной линзой под некоторым углом к оси волокна. Величина угла определялась по радиусу спекл-картины. Затем излучение, выходящее из волокна, обращалось. На ПЗС–матрице наблюдалось изображение двух пучков (использовался второй способ наблюдения оптического эффекта Магнуса). Расстояние между пучками h (в пикселях) определялось при помощи программы, строящей зависимость интенсивности от координаты по выбранному направлению. На основе простых геометрических соотношений H /2 = arctan, 2R (2) R = l · sin, где H – расстояние между пучками (в миллиметрах), R – радиус кольцевой спекл-картины, l – расстояние от камеры до торца волокна, была получена следующая формула для определения угла поворота :

H = 2 arctan. (3) 2l · sin Измерение величин H и l позволило по формуле (3) получить значение угла при заданной величине угла.

На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость угла поворота спекл-картины от угла.

Из рисунка видно, что экспериментальные точки с достаточно малым разбросом укладываются на прямую = 2, где = const. Данная прямая получена в результате линейной аппроксимации экспериментальных точек методом наименьших квадратов. Угловой коэффициент прямой = 0, 0351 ± 0, 0005.

Точность, с которой получено значение коэффициента, характеризует точность используемого метода. Теоретическое значение theor можно определить из соотношения (1):

z theor =. (4) n3 co Подстановка в выражение (4) параметров волокна дает значение theor = 0, 06996 = 2 · 0, 03498. Таким образом, и theor с большой точностью отличаются в два раза. Выражение (1) получено в работе [2], Новый метод исследования оптического эффекта Магнуса Рис. 4. Зависимость угла поворота спекл-картины от угла падения узкого светового пучка на торец волокна,.

в рамках геометрической оптики. В этой же работе подчеркивается, что хотя законы геометрической оптики перестают работать при распространении света в оптическом волокне из-за дифракции на очень малом расстоянии от входа в волокно, используемый подход достаточно хорошо описывает распространение статистической спекл-картины в волокне. Использование нового метода позволило установить, что геометрический подход дает качественную зависимость угла поворота спекл-картины от угла вхождения света в волокно, количественно же результаты с большой точностью отличаются в два раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исследовано обращение волнового фронта спекл-картины многомодового волокна. Разработана методика изучения оптического эффекта Магнуса на основе обращения волнового фронта. Определена зависимость угла поворота спекл-картины от ее радиуса. На основе нового метода показано, что геометрооптический подход к распространению поляризованного света в многомодовом оптическом волокне дает только качественное описание особенностей спин-орбитального взаимодействия фотона.

ЛИТЕРАТУРА 1. A. V. Dooghin, N. D. Kundikova, V. S. Liberman, B. Ya. Zel’dovich. – Optical Magnus effect// Phys. Rev., 1992. V. 45. P. 8204-8206.

2. V. S. Liberman, B. Ya. Zel‘dovich. – Spin-orbit polarisation effects in isotropic multimode fibres// Pure Appl. Opt., 1993. V. 2. P. 367-382.

3. Б. Я. Зельдович, И. В. Катаевская Н. Д. Кундикова. – Неоднородность оптического эффекта Магнуса// Квантовая электроника, 1996. V. 23. P. 89-90.

4. М. Я. Даршт, Б. Я. Зельдович, Р. Коваршик, Н. Д. Кундикова. – Поворот изображения в многомодовом оптическом волокне при смене знака циркулярной поляризации// Известия Челябинского научного центра, 2003. No 2. С. 10-14.

5. Б. Я. Зельдович, Н. Ф. Пилипецкий, В. В. Шкунов. – Обращение волнового фронта// М.: Наука, 1985. 248 c.

6. М. П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко. – Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике// М.: Наука,1992. 317 с.

7. Goltser I.V., Darsht M.Ya., Kundikova N.D., Zel’dovich B.Ya. – An adjustable quarter-wave plate// Opt. Commun. 1993. V. 97. No 5–6. P. 291–294.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.