Луч в кристалле

Модуляция световых потоков, или изменение во времени интенсивности светового потока, очень важный и широко применяемый на практике технический прием.

В очень многих фотометрических и иных устройствах модуляция света осуществляется с помощью поляризаторов. Простейшая модуляционная поляризационная установка состоит из двух поляроидов, из которых один вращается. Интенсивность прошедшего потока света изменяется от минимальной (практически нулевой) до максимальной с частотой, вдвое большей частоты вращения. Существует целый ряд модуляционных устройств такого типа, но все они дают, конечно, не очень высокочастотную модуляцию.

В современной технике, особенно таких ее новых областях, как оптические счетные машины (на несколько порядков более быстродействующие, чем электронные) или голография (безлинзовые методы получения изображений), велика потребность в весьма быстрой, высокочастотной модуляции (до частот порядка миллиардов герц), что невозможно осуществить никакими механическими методами. На помощь приходят поляризационные методы, основанные на возникновении искусственной анизотропии среды во внешнем электрическом или магнитном поле — эффектах Керра, Покельса, Фарадея и Коттон — Мутона. Чаще всего на практике используется эффект Керра. Время релаксации (исчезновения) анизотропии в ячейке Керра имеет порядок 10 в — 10 степени секунд, а для некоторых веществ даже еще меньше. Следовательно, подавая на конденсатор ячейки, расположенной между скрещенными николями, напряжение высокой частоты, можно получить оптический затвор, прерывающий световой поток до 10 в 9 степени раз в секунду. Такой быстродействующий фотозатвор давно уже нашел широкое поле применения — телевидение, звуковое кино, исследование быстро протекающих процессов. Достаточно сказать, что с его помощью производится точное определение скорости света на очень малом базисе — около трех метров, который может поместиться на лабораторном столе. Прежним методам измерения скорости света, основанным на механических способах модуляции, требовался базис по крайней мере в несколько километров, что существенно снижало точность измерений. В последнее время затворы Керра находят все новые применения, например, в области оптической обработки информации и др. Используется этот эффект и в оптике и теперь можно легко купить очки в Москве в которых реализован принцип поляризации световых лучей для лучшего зрения. Для использования эффекта Фарадея найден ряд весьма эффективных веществ, например железо-иттриовый гранат, в котором возникает значительное вращение плоскости поляризации в магнитном поле.

Так же широко используются поляризационные методы и для пространственной модуляции световых лучей т. е. для быстрого изменения их направления в пространстве (отклонения, расщепления и т. п.). Для примера опишем одно из новых быстродействующих устройств для отклонения луча света. Оно состоит на двух частей — двупреломляющего кристалла и электролитического переключателя. Линейно поляризованный луч, падающий нормально на кристалл и поляризованный йод унирадиальным азимутом, становится в кристалле либо только «необыкновенным», либо только «обыкноиенным» лучом, т. е. либо отклоняется, либо нет. Управление направлением поляризации падающего луча осуществляется с помощью кристалла дигидрофосфата калия, работающего на основе продольного электрооптического эффекта Покельса. На пластинку этого кристалла, вырезанную перпендикулярно оптической оси, накладывается электрическое поле, совпадающее по направлению с лучом света. Это поле вызывает в кристалле дополнительное двойное преломление. Изменением напряженности поля и толщины кристалла можно добиться того, чтобы в результате сложения компонент этого добавочного двупреломления направление поляризации выходящего из этого электрооптического переключателя луча составляло угол в 90° с направлением поляризации падающего луча. Комбинация двупреломляющего кристалла исландского шпата и электрооптического переключателя составляет один каскад отклоняющего устройства. Если переключатель создает унирадиальный азимут обыкновенного луча, то свет проходит через путь без отклонения. При изменении азимута на 90° луч отклоняется. Подавая на переключатель высокочастотное переменное поле, можно сделать это отклоняющее устройство быстродействующим. Соединяя несколько каскадов, можно создать устройства, позволяющие получать большое отклонение, а также набор разных отклонений и т. д. Такие и аналогичные устройства находят широкое применение в ряде областей новой техники.

В оптических счетно-решающих машинах открывается также возможность использовать поляризацию света для выполнения логических операций. Взаимодействие двух циркулярно поляризованных лучей одинаковой интенсивности может осуществляться четырьмя способами, в зависимости от направления поляризации, и приводить к различной результирующей поляризации.

Эта схема может быть использована как таблица двоичной системы логических решений. Если один из взаимодействующих лучей линейно поляризован, то он не может влиять на результат логического решения. Поэтому он представляет собой нейтральное состояние. Легко сообразить, что на этом принципе можно построить также троичную логическую систему с принятием решения по принципу большинства при одновременном взаимодействии более чем двух лучей.