Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

Transkriptio

1 Polarisaatio Timo Lehtola 26. tammikuuta

2 Johdanto Lineaarinen, ympyrä, elliptinen Kahtaistaittuvuus Nicol, metalliverkko Aaltolevyt 2

3 45 Polarisaatio 3

4 Lineaarinen polarisaatio y Sähkökentän vaihtelu ajan ja paikan suhteen x 4

5 5 Jones vektori Usein ollaan kiinnostuneita suhteellisista arvoista: Lineaarinen polarisaatio sin( ) tan( ) cos( ) y x E E 1 x y y x x E E E E E E E

6 Ympyräpolarisaatio E ( z, t) E cos( kzt) x 0 E ( z, t) E sin( kzt) y 0 6

7 Oikea- ja vasenkätinen ympyräpolarisaatio E ( z, t) E cos( kzt) x 0 E ( z, t) E sin( kzt) y 0 Sähkökentän vaihtelu ajan ja paikan suhteen y x kz-t = 0 kz-t = 90 7

8 Elliptinen polarisaatio E ( z, t) E cos( kzt) x 0x E ( z, t) E cos( kzt) y 0 y Sähkökentän vaihtelu ajan ja paikan suhteen y x 8

9 Kompleksinen polarisaatio optinen pyörre y x 9

10 Kahtaistaittuvuus 10

11 Kahtaistaittuvuus x- ja y-polarisaatio Taitekerroin riippuu taajuudesta 11

12 Yksiakselisella kiteellä on optiset akselit Yksiakselisella kiteellä on taitekerroin optiselle akselille (n e ) ja sitä vastaan kahdelle kohtisuoralle akselille (n o ). Optiselle akselille polarisoituva valo on erikoissääntöinen säde, ja kohtisuorille akseleille polarisoituva valo on yleissääntöinen säde. Nämä polarisaatiosuunnat ovat kiteen pääakselit. Muut valon polarisaatiot on jaettava yleissääntöiseen sekä erikoissääntöiseen komponenttiin. 12

13 Kahtaistaittuvuus jakaa säteen kahdeksi säteeksi Yleissääntöinen säde n o Erikoissääntöinen säde n e Taittuminen noudattaa Snellin lakia. 13

14 Kalsiitti (CaCO 3 ) Kalsiitti (CaCO 3 ) on voimakkaasti kahtaistaittava materiaali. 14

15 Kahtaistaittavat polarisaattorit, Brewsterin kulma Kaksi kalsiitti prismaa yhdessä: Yleissääntöinen polarisaatio ensimmäisessä prismassa on erikoissääntöinen polarisaatio toisessa prismassa (ja päin vastoin). 15

16 Nicol polarisaattori Kaksi kalsiitti prismaa yhdessä. Säde taittuu sisäänmenossa Snellin lain mukaan. Kokonaisheijastus ja Brewsterin kulma. 16

17 Säteen erottaminen Kaksi kahtaistaittavaa prismaa. Yleissääntöisellä ja erikoissääntöisellä säteellä on eri taitekertoimet, joten säteet eroavat. 17

18 Eristävät polarisaattorit lasi 18

19 Metalliverkko polarisaattori Sisäänmemenevällä valolla on sekä x- että y-polarisaatio. Valo voi virittää elektroneja liikkumaan johtimia pitkin. Se lähettää valoa joka estää tulevan valon. Toimii parhaiten infrapuna alueella. Polaroid levy on vastaava polymeereistä valmistettu 19 polarisaattori.

20 Metalliverkko polarisaattori Puolijohdetekniikalla saadaan metalliverkko polarisaattori näkyväksi. 20

21 Polarisaattori Ideaalinen polarisaattori päästää 100% halutusta polarisaatiosta ja 0% ei toivotusta polarisaatiosta. Ideaalista ei ole olemassa. 0 Polarisaattori vaimennussuhde vaimennuskerroin Vaimennussuhde pyritään saamaan äärettömäksi. Polarisaattori tyyppi vaimennus hinta kalsiitti: Polarisaattori eristävä: Polaroid levy:

22 Metalliverkko polarisaattori Ominaisuudet riippuvat aallonpituudesta ja tulokulmasta. Vaimennus-suhde 22

23 Kerrin ilmiö Lineaarisesti polarisoitu valo (i) Heijastunut valo (r) on elliptisesti polarisoitunutta 23

24 Kerrin ilmiö 24

25 Kirjoittaminen ja lukeminen mini diskille 25

26 Kerrin pyörimiskulma ja -elliptisyys fotonin energian funktiona. 26

27 Aaltolevyt Syntyy vaihesiirtoa. x ja y suunnan suhteellinen vaihe muuttuu. y x z Aaltolevy Optinen akseli Polarisaatio taso: Polarisaatio -45 Polarisaatio exp( iknd o ) exp( iknd e ) 1 2 exp i no ned 27

28 Aaltolevyt Aaltolevyn polarisaatioaste: (45-asteen tuleva polarisaatio) 1 2 exp i no ned Neljännesaaltolevy synnyttää ympyräpolarisaatiota Puoliaaltolevy kääntää lineaarista polarisaatiota 90 Voidaan lisätä 2m muuttamatta polarisaatiota. 28

29 Puoliaaltolevy Kun säde läpäisee puoliaaltolevyn, syntyy vaihe-eroa. Jos tuleva polarisaatio on +45 pääakselilla, ulostuleva polarisaatio kääntyy

30 Aaltolevyt Joko tuleva polarisaatio on kääntynyt 45 tai aaltolevy on kääntynyt 45. ±45 Polarisaattori 0 tai 90 Polarisaattori Aaltolevy 0 tai 90 Aaltolevy ±45 Jos puoliaaltolevy, ± 45 polarisaatio. Neljännesaaltolevy, ympyräpolarisaatio. Puoliaaltolevy, 90 tai 0 polarisaatio. Neljännesaaltolevy, ympyräpolarisaatio. 30

31 Ei polarisaatiota 0 tai 90 Polarisaattori ±45 Polarisaattori Aaltolevy 0 tai 90 Aaltolevy ±45 Käytetään suurteho lasereissa. 31

32 Aaltolevyn paksuus Kun aaltolevyn suhteellinen vaihe-ero on pienempi kuin 2, on kyseessä nollannen kertaluvun aaltolevy. Aaltolevyn paksuudeksi d saadaan: 2 n o n d e 2 d 4 n o n e d Esimerkiksi vihreälle valolle 500 nm ja kvartsin taitekertoimille n e n o = = : d = 13.7 m 32

33 Useamman kertaluvun aaltolevyt Useamman kertaluvun aaltolevyissä suhteellinen vaihe-ero on suurempi kuin 2. Kahdenkymmenennen kertaluvun neljännesaaltolevy, 20¼ aaltoa suhteellista vaihe-eroa: 2 d n o ne d n n o e 41 d zeroorder d d = 561 m paksumpi, 41 kertaa suurempi riippuvuus aallonpituudesta! 33

34 Nollannen kertaluvun aaltolevy y x z Optinen akseli Säde ulos Akselit päinvastoin levyissä. Säde sisään d 1 d 2 Jonesin vektori : exp i no ned1i ne no d 2 exp i no ned1d2 Ensimmäinen Toinen levy levy nyt d 1 d 2 antaa nollannen kertaluvun aaltolevyn paksuuden. 34

35 Babinet kompensaattori y x z Säde sisään d 2 d 1 d 1 Optinen akseli Säde ulos Akselit päinvastoin lohkoissa. Käytetään suhdetta d 1 ja d exp i no ne d1i ne no d 2 exp i no ned1d2 Ylempi lohko Alempi lohko 35

36 Laajakaista pitkillä välimatkoilla Pieni kahtaistaittuvuus, n, välimatka yli 1000 km Polarisaatio taso vastaanottimessa = expi 1 2 nd välimatka Jos = 1.5 m, n ~ voi kääntää polarisaatiota 90º! Uudet valokuitusysteemit eivät näe valoa, minkä polarisaatio on muuttunut matkalla. Lämpötilan muutos vaikuttaa kahtaistaittuvuuteen. 36

37 Lyot suodatin on aaltolevy polarisaattoreiden välissä Käyttää kaksoisheijastusta kapean päästökaistan muodostamiseen. 1 2 # Lyot suodatinta Polarisaattori aalto levy Polarisaattori Siirtopiikkien kapeus riippuu levyjen määrästä, tiheydestä ja asennosta. Siirtopiikit Aallonpituus 37

38 Ympyräpolarisaattorit Aaltoa voidaan analysoida lineaari- ja ympyräpolarisaation avulla. ±45 Polarisaattori Neljännesaaltolevy Polarisoimaton tuleva valo Neljännesaaltolevy ja lineaarinen polarisaattori 45 Polarisaattori NAL NAL 45 Polarisaat tori 45 polarisoitu valo ympyräpolarisoitu valo -45 polarisoitu 38 valo

39 Fresnelin vinoneliö Tekee 45 polarisaatiosta ympyräpolarisaatiota. Lähestulkoon aallonpituudesta riippumatonta. 39

40 Heijastunut polarisaatio Jos tulevan säteen 45 polarisaatiossa on eri vaakasuuntainen (x) ja pystysuuntainen (y) heijastuskerroin, y Tuleva polarisaatio x Heijastunut polarisaatio syntyy heijastunut polarisaatio. 40

41 Ilmakehä polarisoi valoa Valo kulkee viileiden ja lämpimien alueiden läpi. Aurinko Viileämmät alueet ilmassa (korkeampi taitekerroin) Pilvissä olevat vesipisarat polarisoivat valoa. 41

42 Polarisoituneen valon sironta Valo ei siroa takaisinpäin. Tuleva valo on pystysuunnassa polarisoitu Tuleva valo on vaakasuunnassa polarisoitu 42

43 Polarisoimattoman valon sironta Valo ei siroa takaisinpäin. 43

44 Sironta maapallon ilmakehässä Auringon säteet 44

45 Auringon valo Polarisaattori lähettää vaakasuuntaista polarisaatiota Polarisaattori lähettää pystysuuntaista polarisaatiota Auringon valo on polarisoimatonta. 45

46 Brewsterin kulma Taittumislain mukaan tan( i ) = n t / n i Heijastuksen polarisaatioaste on suurin, kun heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on suora. n i n t i i t i + t =90 n sin( ) n sin( ) i i t t Heijastunut ja taittunut säde i + t = 90. n sin( ) n sin(90 ) i i t i n t cos( ) i nt tan( i) n i 46

47 Yhteenveto Lineaarinen, ympyrä, elliptinen Kahtaistaittuvuus Nicol, metalliverkko Aaltolevyt 47

48 Kiitos!!!