УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ФАРАДЕЕВСКОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Российский патент 2009 года по МПК G02B27/28 G01J4/04 

Изобретение относится к области физической оптики и может быть использовано в качестве средства исследования взаимодействия электромагнитного поля оптического диапазона волн с веществом, в частности, для исследования возбуждения вторичных электромагнитных волн в оптически прозрачных диэлектрических средах в процессе их нестационарного взаимодействия с электромагнитными волнами.

Известен эффект Фарадея, заключающийся во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество. Открыт М.Фарадеем в 1845 году и является первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений [1].

Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в том, что намагниченное вещество характеризуется различными по величине показателями преломления n_п и n_л для циркулярно право- и левополяризованной составляющих линейно поляризованного света, которые распространяются с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны λ, прошедшего в намагниченном веществе путь L, в области не очень сильных магнитных полей поворачивается на угол Θ=VНL, где V - постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, длины волны λ и температуры, Н - напряженность магнитного поля в веществе. Эффект Фарадея по своей природе тесно связан с эффектом Зеемана, обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. При продольном относительно магнитного поля наблюдении спектральные компоненты зеемановского расщепления оказываются циркулярно поляризованными. Соответствующую циркулярную анизотропию обнаруживает и спектральный ход показателя преломления в области зеемановских переходов. Таким образом, в наиболее простом виде эффект Фарадея является следствием зеемановского расщепления кривых дисперсии показателя преломления для двух циркулярных поляризаций.

В 1965 году был открыт обратный эффект Фарадея [2-4], заключающийся в намагничивании оптически прозрачных сред в поле циркулярно поляризованной волны света. С позиции волновой теории намагниченность J, возникающая в оптически прозрачной среде, в которой распространяется световая волна частоты ν с плотностью потока энергии u и разностью фаз δ между обыкновенной и необыкновенной компонентами циркулярно поляризованной волны, вычисляется по формуле J=kνusinδ, где k - светомагнитная постоянная зондируемого вещества. Аналогичное явление намагничения диэлектриков, помещенных во вращающееся электрическое поле, рассмотрено автором в работах [5-6], предваривших разработку автором светомагнитного эффекта [3].

Опытно установлена и теоретически доказана закономерность сохранения поляризации электромагнитных волн (ЭМВ) в анизотропных средах, выражающая свойство ЭМВ сохранять свою поляризацию неизменной в пространстве и во времени, пока она не будет вынужденно изменяться под действием структуры движения микрочастиц среды, действуя, в свою очередь, на эту структуру в направлении изменения характера движения ее микрочастиц в некотором нестационарном экспоненциально затухающем процессе, при котором минимизируются энергетические затраты со стороны ЭМВ на указанное выше изменение структуры движения микрочастиц среды, в результате которых имеет место так называемое «красное смещение» той части падающего на анизотропную среду излучения ЭМВ, которая участвует в нестационарном процессе указанного взаимодействия ЭМВ со средой, то есть имеет место некоторое небольшое уменьшение частоты падающего на среду излучения в выходном потоке ЭМВ в течение некоторого небольшого отрезка времени переходного процесса взаимодействия [7-9]. Для исследования «красного смещения» непрерывно во времени необходимо создать условия осуществления непрерывного нестационарного процесса взаимодействия волнового поля с анизотропным веществом [10-11].

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения (прототипом) является устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах, известное из патента РФ №2276394, опубл. от 10.05.2006 г. в бюлл. №13. Это устройство содержит оптически связанные лазер непрерывного действия и кювету с исследуемой средой и отличается тем, что в него включены дополнительно вторая и третья аналогичные кюветы с исследуемой средой, оптически параллельно связанные с выходом лазера непрерывного действия через первую систему полупрозрачных и «глухих» отражателей, причем все три кюветы с исследуемой средой помещены в интерферометр Фабри-Перо, оптические выходы интерферометра Фабри-Перо для первой и второй кювет с исследуемой средой связаны с первым и вторым поляроидами, скрещенными к поляризации излучения лазера непрерывного действия, и вместе с выходом интерферометра Фабри-Перо для третьей кюветы с исследуемой средой оптически связаны через вторую систему полупрозрачных и «глухих» отражателей со входом оптического приемника, электрический выход которого соединен с анализатором спектра, кроме того, в устройство включен высокочастотный генератор синус-косинусного напряжения, соединенный с квадрупольными конденсаторами первой и второй кюветы с исследуемой средой таким образом, чтобы направления вращения поперечного электрического поля в исследуемых средах первой и второй кювет были противоположными.

Недостатком известного устройства является его относительная сложность.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Заявлено устройство компенсации фарадеевского вращения плоскости поляризации света, содержащее одночастотный лазер непрерывного действия с плоско поляризованным излучением, оптически связанный с двухлучевым интерферометром Рождественского из двух наклонных полупрозрачных зеркал и системы отражателей, в одной из оптических ветвей которого расположены кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом и скрещенный николь, выход двухлучевого интерферометра Рождественского оптически связан с фотоприемным устройством, выходом подключенным к спектроанализатору, причем кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом помещена в квадрупольный конденсатор, электрически подключенный к высокочастотному генератору синус-косинусного напряжения с регулируемой амплитудой, отличающийся тем, что кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом дополнительно помещена в соленоид, электрически соединенный с регулируемым источником постоянного тока.

Упрощение конструкции объясняется исключением из известного устройства системы прецизионных интерферометров Фабри-Перо. Анизотропия в исследуемом веществе возникает от наложения на него продольного магнитного поля соленоида, а нестационарность взаимодействия волнового поля одночастотного лазера непрерывного действия связана с действием вращающегося электрического поля в исследуемом веществе, непрерывно во времени изменяющем структуру движения микрочастиц вещества. Вращение электрического поля адекватно некоторому вращению самого исследуемого вещества, к которому приложено постоянное электрическое поле. При этом поляризация вещества приводит к штарковскому расщеплению энергетических уровней атомов и молекул исследуемого вещества, аналогичному зеемановскому расщеплению энергетических уровней [12-14] магнитным полем в эффекте Фарадея.

Изобретение понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 дана функциональная схема устройства, содержащая одночастотный лазер непрерывного действия 1, оптически связанный через отражатель 2 с двухлучевым интерферометром Рождественского из двух наклонных полупрозрачных зеркал 3 и 4 и системы отражателей 5-8, в одной из оптических ветвей которого размещены кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом 9 и скрещенный по отношению к плоскости поляризации лазерного излучения николь 10 (скрещенный поляризатор). Выход двухлучевого интерферометра Рождественского оптически связан с фотоприемным устройством 11, работающим в режиме гетеродинного фотосмешения с выделением на его выходе электрического колебания разностной частоты, которое поступает на вход спектроанализатора 12, выделяющего составляющую «красного смещения» частоты лазерного излучения. Кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом размещена в соленоиде 13 осесимметрично относительно пучка лазерного излучения, выводы которого соединены с регулируемым источником постоянного тока 14.

На фиг.2 показан поперечный разрез кюветы с исследуемым оптически прозрачным веществом, которое размещено между двумя парами ортогонально расположенных продольных вдоль кюветы металлических пластин 15, 16 и 17, 18, электрически соединенных с высокочастотным генератором 19 (фиг.1) синус-косинусного напряжения с регулируемой амплитудой, в результате чего внутри полученного квадрупольного конденсатора возникает вращающееся электрическое поле в исследуемом веществе, вектор которого ортогонален направлению распространения лазерного излучения и вектору внешнего магнитного поля от соленоида 13. Пространство между металлическими пластинами 15-18, соленоидом 13 и гранями кюветы 9 квадратного сечения заполнено высокоэлектрическипрочным диэлектриком 20, например, на основе тефлона.

Рассмотрим действие заявляемого технического решения.

Пусть одночастотный лазер непрерывного действия 1 создает плоско поляризованное в вертикальной плоскости излучение на частоте ν₀. Наклонно расположенным полупрозрачным зеркалом 3 это излучение расщепляется на два пучка - опорный и предметный, которые с помощью соответствующего расположения в пространстве системы отражателей 5-8 имеют одинаковую оптическую длину между наклонно расположенными полупрозрачными зеркалами 3 и 4, что определяет высокую взаимную когерентность складываемых пучков света на входе фотоприемного устройства 11. В предметной ветви двухлучевого интерферометра Рождественского лазерное излучение проходит через исследуемое вещество кюветы 9, к которому приложено продольное магнитное поле Н от соленоида 13 и поперечное вращающееся электрическое поле Е от квадрупольного конденсатора на пластинах 15-18. Если действие этих полей исключить, то есть при H=0 и E=0, то плоско поляризованное в вертикальной плоскости лазерное излучение будет погашено скрещенным николем 10, главная плоскость поляризации которого горизонтальна, то есть ортогональна плоскости поляризации лазерного излучения. При этом на выходе фотоприемного устройства не образуется какого-либо отклика в виде электрического колебания разностной частоты.

Пусть в соленоиде 13 протекает постоянный ток I₀ от регулируемого источника постоянного тока 14, создающий униполярное намагничивание исследуемого вещества от действия постоянного магнитного поля с напряженностью Н₀, при котором за счет эффекта Фарадея возникает поворот плоскости поляризации лазерного излучения на выходе кюветы 9 на угол Θ=VН₀L=π/2, где L - длина кюветы 9, V - постоянная Верде для исследуемого вещества. Тогда при Е=0 поляризация лазерного излучения на выходе кюветы 9 становится горизонтальной. Сложение двух пучков лазерного излучения, образующихся на выходе наклонно расположенного полупрозрачного зеркала 4 и действующих на вход фотоприемного устройства 11, один из которых поляризован в вертикальной плоскости, а другой - в горизонтальной плоскости, также не создает электрического отклика с разностной частотой на выходе фотоприемного устройства 11, хотя имеет место зеемановское расщепление энергетических уровней атомов и молекул в исследуемом веществе.

При совместном действии на исследуемое вещество продольного магнитного поля

H₀ и поперечного вращающегося электрического поля с напряженностью E и круговой частотой ω, наложение последнего приводит к непрерывно действующему нестационарному режиму взаимодействия лазерного излучения с атомно-молекулярной структурой вещества, движение микрочастиц которого постоянно изменяется, что и вызывает «красное смещение» в предметном пучке, то есть частота лазерного излучения на выходе кюветы с исследуемым оптически прозрачным веществом 9 снижается до величины ν_KC, и при этом на выходе фотоприемного устройства регистрируется с помощью спектроанализатора 12 электрическое колебание разностной частоты Δν=ν₀-ν_KC, поскольку возникающая в веществе искусственная оптическая активность от действия электрического поля E приводит к дополнительному сдвигу плоскости поляризации выходящего из кюветы 9 лазерного излучения на угол ±ΔΘ в зависимости от направления вращения вектора электрического поля Е (по правому или левому кругам). Таким образом, плоскость поляризации предметного пучка, действующего на входе скрещенного николя 10, поворачивается на угол Θ±ΔΘ=π/2±ΔΘ, и на выходе скрещенного николя 10 образуется компонента лазерного излучения с частотой ν_KC и поляризацией, составляющей угол π/2-ΔΘ≠π/2 по отношению к вертикальной поляризации опорного пучка лазерного излучения. Поскольку пропускание скрещенного николя 10 пропорционально квадрату косинуса угла между поляризацией падающего излучения и главной плоскости поляризации николя, то есть пропорционально cos²(π/2-ΔΘ)=sin²ΔΘ>>0, так как ΔΘ>0 при условии, что E>0.

Вращение электрического вектора E обусловлено тем, что на металлические пластины 15 и 16 прикладывается напряжение U(t)₁=εEdsinωt, а на металлические пластины 17 и 18 - напряжение U(t)₂=εEdcosωt от высокочастотного синус-косинусного генератора 19 с регулируемой амплитудой U, где d - расстояние между оппозитными парами металлических пластин, ε - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого вещества, ω - круговая частота колебаний генератора 19. Согласно вращательному электродинамическому эффекту дополнительный угол поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе кюветы 9 ΔΘ=ζLnω/c, где ζ - постоянная вращательного электродинамического эффекта, зависящая от свойств вещества, его температуры и напряженности электрического поля E, n - показатель преломления исследуемого оптически прозрачного вещества, с -скорость света в вакууме (электродинамическая постоянная). Максимум коэффициента гетеродинного преобразования в фотоприемном устройстве 11, как ясно, достигается при ΔΘ=π/2, то есть при условии выбора круговой частоты ω^*=πc/2ζLn или частоты f^* генерируемых высокочастотных колебаний в генераторе 19, равной f^*=c/4ζLn. Важно отметить, что постоянная ζ возрастает с увеличением напряженности электрического поля E, поэтому целесообразно максимально увеличивать последнюю, что требует применения хорошей электрической изоляции между пластинами 15-18 и соленоидом 13. Это достигается применением гефлонного заполнителя в пространстве 20 (фиг.2). Следует также иметь в виду, что с увеличением напряженности электрического поля E также растет величина «красного смещения» Δν, регистрируемого спектроанализатором 12. Следовательно, регулировкой напряжения U можно наблюдать зависимость Δν(E) при заданном значении круговой частоты ω, то есть исследовать процессы нестационарного взаимодействия лазерного излучения с веществом согласно закону сохранения поляризации электромагнитных волн [8].

Заявляемое устройство в случае, когда 0≤ΔΘ≤π/2, можно рассматривать в качестве компенсирующего (уменьшающего) фарадеевское вращение плоскости поляризации лазерного излучения в исследуемом веществе под действием приложенного продольного магнитного поля с напряженностью H₀, что и определило название данной заявки. Полная компенсация наступает при соблюдении условия f^*=c/4ζLn, для которого ζ=ζ(E) выбирается апостериорно из эксперимента.

Предложенное устройство как фактор дополнительной диагностики вещества может представить интерес для физиков-экспериментаторов. Его построение целесообразно осуществить, например, в Физическом институте Академии наук.

Литература

1. Г.Эберт, Краткий справочник по физике, под ред. К.П.Яковлева, ГИФМЛ, М., 1963, стр.238-239.

2. 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.

3. О.Ф.Меньших. Свето-магнитный эффект. Заявка на открытие №32-ОТ-4540 от 30.06.1965 г., Москва.

4. 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.

5. О.Ф.Меньших. Явление намагничивания материалов во вращающихся электрический полях. Заявка на открытие №32-ОТ-3703 от 15.04.1964, Москва.

6. О.Ф.Меньших, Детектор амплитудно-модулированных колебаний. Патент РФ №2287891, опубл. 20.11.2006, бюлл. №32.

7. 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.

8. О.Ф.Меньших. Закон сохранения поляризации электромагнитных волн. Заявка на открытие № ВВ-155 от 17.10.2003 г (с приложениями), МААНО, Москва.

9. О.Ф.Меньших. Способ генерирования электрических колебаний. Авт. свид. СССР №1380476, опубл. от 24.04.2004 г в бюлл. «Изобретения. Полезные модели» №12.

10. О.Ф.Меньших. Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения. Патент РФ №2276347, опубл. от 10.05.2006 г. в бюлл. №13.

11. О.Ф.Меньших. Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах. Патент РФ №2276394, опубл. от 10.05.2006 г. в бюлл. №13.

12. М.А.Ельяшкевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М., 1962.

13. И.И.Собельман, Введение в теорию атомных спектров, 2 изд. - М., 1977.

14. Г.Бете, Э.Солпитер. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами, пер. с англ., М., 1960.

Устройство содержит одночастотный лазер непрерывного действия с плоско поляризованным излучением, оптически связанный с двухлучевым интерферометром Рождественского. В одной из оптических ветвей интерферометра располагают кювету с исследуемым оптически прозрачным веществом и скрещенный николь, причем кювету с исследуемым оптически прозрачным веществом помещают в квадрупольный конденсатор и соленоид. Конденсатор электрически подключают к высокочастотному генератору синус-косинусного напряжения с регулируемой амплитудой, а соленоид электрически соединяют с регулируемым источником постоянного тока. Выход интерферометра оптически связан с фотоприемным устройством, выходом подключенным к спектроанализатору. Технический результат - упрощение конструкции прибора. 2 ил.

Устройство компенсации фарадеевского вращения плоскости поляризации света, содержащее одночастотный лазер непрерывного действия с плоско поляризованным излучением, оптически связанный с двухлучевым интерферометром Рождественского из двух наклонных полупрозрачных зеркал и системы отражателей, в одной из оптических ветвей которого расположены кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом и скрещенный николь, выход двухлучевого интерферометра Рождественского оптически связан с фотоприемным устройством, выходом подключенным к спектроанализатору, причем кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом помещена в квадрупольный конденсатор, электрически подключенный к высокочастотному генератору синус-косинусного напряжения с регулируемой амплитудой, отличающееся тем, что кювета с исследуемым оптически прозрачным веществом дополнительно помещена в соленоид, электрически соединенный с регулируемым источником постоянного тока.