Fotoelastisk modulator
En fotoelastisk modulator (PEM) är en optisk anordning som används för att modulera polariseringen av en ljuskälla. Den fotoelastiska effekten används för att ändra dubbelbrytningen av det optiska elementet i den fotoelastiska modulatorn.
PEM uppfanns först av J. Badoz på 1960-talet och kallades ursprungligen en "dubbelbrytningsmodulator". Den utvecklades ursprungligen för fysiska mätningar inklusive optisk rotationsspridning och Faraday-rotation , polarimetri av astronomiska objekt, töjningsinducerad dubbelbrytning och ellipsometri . Senare utvecklare av den fotoelastiska modulatorn inkluderar JC Kemp, SN Jasperson och SE Schnatterly.
Beskrivning
Den grundläggande designen av en fotoelastisk modulator består av en piezoelektrisk givare och en halvvågsresonansstav; stången är ett genomskinligt material (nu vanligast smält kiseldioxid). Givaren är inställd på stavens naturliga frekvens. Denna resonansmodulering resulterar i mycket känsliga polarisationsmätningar. Optikens grundläggande vibration är längs dess längsta dimension.
Grundläggande principer
Funktionsprincipen för fotoelastiska modulatorer är baserad på den fotoelastiska effekten, där ett mekaniskt belastat prov uppvisar dubbelbrytning proportionell mot den resulterande töjningen. Fotoelastiska modulatorer är resonansanordningar där den exakta oscillationsfrekvensen bestäms av egenskaperna hos det optiska elementet/givaren. Givaren är avstämd till det optiska elementets resonansfrekvens längs dess långa dimension, bestämt av dess längd och ljudhastigheten i materialet. En ström skickas sedan genom givaren för att vibrera det optiska elementet genom sträckning och komprimering, vilket ändrar dubbelbrytningen av det transparenta materialet. På grund av denna resonanskaraktär kan dubbelbrytningen av det optiska elementet moduleras till stora amplituder, men också av samma anledning är driften av en PEM begränsad till en enda frekvens, och de flesta kommersiella enheter som tillverkas idag arbetar vid cirka 50 kHz.
Ansökningar
Polarisationsmodulering av en ljuskälla
Detta är den mest grundläggande applikationen och funktionen för en PEM. I en typisk uppställning, där den ursprungliga ljuskällan är linjärt polariserad vid 45 grader från PEM:s optiska axel, moduleras den resulterande polariseringen av ljus vid PEM:s arbetsfrekvens f , och för en sinusformad moduleringssignal kan den uttryckas i Jones matrisformalism som:
där A är moduleringens amplitud.
Linjärt polariserat, monokromatiskt ljus som träffar 45 grader mot den optiska axeln kan ses som summan av två komponenter, en parallell och en vinkelrät mot PEM:s optiska axel. Den dubbelbrytning som introduceras i plattan kommer att fördröja en av dessa komponenter mer än den andra, det vill säga PEM fungerar som en avstämbar vågplatta . Normalt justeras den för att vara antingen en kvartsvåg eller halvvågsplatta vid toppen av svängningen.
För kvartsvågsplattans fall justeras svängningsamplituden så att vid den givna våglängden en komponent växelvis retarderas och flyttas fram 90 grader i förhållande till den andra, så att det utgående ljuset växelvis är höger- och vänsterhandscirkulärt polariserat vid topparna.
En referenssignal tas från modulatoroscillatorn och används för att driva en faskänslig detektor, demodulatorn.
Svängningsamplituden justeras av en extern applicerad spänning som är proportionell mot våglängden hos ljuset som passerar genom modulatorn.
Polarimetri
En typisk polarimetrisk uppsättning består av två linjära polarisatorer som bildar en korsad analysatoruppsättning, ett optiskt prov som introducerar förändringen i polarisationen av ljus och en PEM som ytterligare modulerar polarisationstillståndet. De slutliga detekterade intensiteterna vid grundtonen och den andra övertonen av PEM-driftfrekvensen beror på ellipticiteten och rotationen som introduceras av provet.
PEM-polarimetri har fördelen att signalen moduleras vid en hög frekvens (och ofta detekteras med en inlåst förstärkare ), exkluderar många bruskällor som inte är på PEM-driftsfrekvensen och dämpar det vita bruset med bandbredden för inlåsningen förstärkare.