المبادئ الأساسية وتطبيقات عناصر الاستقطاب: تحليل مفصل لدوار فاراداي وعازل الفضاء الحر

بالمقارنة مع المفاهيم الأكثر مألوفة في البصريات الهندسية ، المفاهيم داخل البصريات الفيزيائية—مثل الاستقطاب ، والكسر المزدوج ، والدوران البصري—غالبا ما تبدو أكثر غامضة وصعوبة في فهمها. ومع ذلك ، فهي لها تطبيقات واسعة ومهمة في الهندسة. المكونات المستخدمة شائعة في أنظمة الليزر ، مثل المستقطبات والألواح الموجية ومنظورات غلان ودوارات فاراداي وعزلات الفضاء الحر ، كلها تستند إلى مبادئ البصريات الفيزيائية. تشرح هذه المقالة أساسيات الاستقطاب، مع التركيز بشكل خاص على مبادئ العمل والخصائص الرئيسية لدوارات فاراداي وعزلات الفضاء الحر.

مقدمة لمبادئ الاستقطاب الأساسية

الاستقطاب

الضوء هو موجة كهرومغناطيسية داخل نطاق طيفي معين. في موجة كهرومغناطيسية، اتجاهات الاهتزاز لكل من كثافة المجال الكهربائي E وكثافة المجال المغناطيسي B هي عمودية على اتجاه انتشار الموجة. تأثيرات الضوء الحساسة للضوء والفسيولوجية تسببها في المقام الأول كثافة المجال الكهربائي Eلذلك ، اهتزاز E يشار إليه عادة باسم اهتزاز الضوء ، واتجاه E يتم أخذ الاهتزاز باعتباره اتجاه متجه الضوء.

الشكل 1. اتجاهات الاهتزاز لموجة كهرومغناطيسية

من حيث الاستقطاب ، يمكن تصنيف الضوء بشكل عام إلى الضوء المستقطب والضوء الطبيعي والضوء المستقطب جزئياً.

• ضوء مستقطب خطيأثناء الانتشار، يبقى اتجاه متجه الضوء دون تغيير، في حين يختلف حجمه مع المرحلة. في طائرة عمودية على اتجاه الانتشار، المسار المتتبع من قبل طرف متجه الضوء هو خط مستقيم.

• ضوء مستقطب دائرييبقى حجم متجه الضوء ثابتًا ، بينما يتغير اتجاهه بانتظام. مسار الطرف هو دائرة.

• ضوء مستقطب بيضاويكل من حجم واتجاه متجه الضوء يتغير بانتظام أثناء الانتشار. الطرف المتجه الضوئي يتبع مسار بيضاوي.

الشكل 2. (أ) الضوء المستقطب خطيا  (ب) الضوء المستقطب دائريا  (ج) الضوء المستقطب بشكل بيضاوي

يمكن اعتبار الضوء الطبيعي مجموع موجات الضوء التي تهتز في جميع الاتجاهات المحتملة. أي أنه على مدى فترة ملاحظة ، فإن احتمال وحجم متجه الضوء الذي يهتز في أي اتجاه متساوين. عندما يتأثر الضوء الطبيعي بالتأثيرات الخارجية أثناء الانتشار ، مما يؤدي إلى كثافات غير متساوية عبر اتجاهات الاهتزاز المختلفة ، يسمى هذا الضوء الضوء المستقطب جزئيا.

الشكل 3. (أ) الضوء الطبيعي  (ب) الضوء المستقطب جزئيا

الدوران البصري

بالنسبة لبعض البلورات ، عندما ينتشر شعاع موازي من الضوء المستقطب خطيًا على طول المحور البصري للبلورة ، فإن متجه الضوء للضوء المستقطب خطيًا يدور تدريجيًا مع سفر الضوء عبر المادة. تسمى هذه الظاهرة الدوران البصري.

وتشمل المواد التي يمكن أن تظهر الدوران البصري بلورات ثنائية الكسر (على سبيل المثال ، الكوارتز ، حمض التارتاريك) ، بلورات متماثلة بصريا (على سبيل المثال ، بلورات السكر ، بلورات كلوريد الصوديوم) ، والسوائل (على سبيل المثال ، محلول السكر ، التربنتين).

في المواد النشطة بصريا جوهريا، اتجاه دوران متجه الضوء يعتمد على اتجاه انتشار الضوء. يعني أنه إذا عاد شعاع الضوء على طول المسار البصري الأصلي ، فإن مستوى اهتزازه سيعود إلى موقعه الأولي.

الشكل 4. ظاهرة الدوران البصري

تأثير فاراداي

تأثير فاراداي، المعروف أيضا باسم الدوران المغناطيسي البصري، هو نوع من التأثير المغناطيسي البصري. يشير التأثير المغناطيسي البصري إلى التغيير في الخصائص البصرية للمادة تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي. على وجه التحديد، يشير تأثير فاراداي إلى الظاهرة التي تصبح فيها مادة لا تظهر بطبيعتها نشاطا بصريا نشطة بصريا تحت مجال مغناطيسي قوي. أي أن متجه الضوء من الضوء المستقطب خطيا يدور عندما يمر عبر مادة تخضع لمجال مغناطيسي خارجي.

الشكل 5. تأثير فاراداي

كما هو مبين في الشكل 5 ، يتم وضع عصا زجاجيا داخل المجال المغناطيسي للملفات المغناطيسية ووضعها بين القطبات المتقاطعة P و A . عندما يمر شعاع الضوء من خلال عينة الزجاج على طول اتجاه المجال المغناطيسي ، فإن المحلل A يمكن أن تتلقى الضوء المنقول من خلال العينة. زاوية الدوران θ متجه الضوء الحادث متناسب مع كثافة التدفق المغناطيسي B يعمل على المادة غير المغناطيسية على طول اتجاه انتشار الضوء والسمك l المادة التي يمر من خلالها الضوء، تعبر عن:

θ = VBl

هنا V ثابت مادي يعرف باسم ثابت فيرديت. هو يعتمد على الطول الموجي وقريب جدا من الرنين الامتصاص للمادة ؛ لذلك ، يجب اختيار مواد مختلفة لأطوال موجة مختلفة.

من منظور خصائص الاستقطاب ، يعتمد دوران اتجاه استقطاب الضوء الناجم عن المادة المغناطيسية البصرية فقط على اتجاه المجال المغناطيسي المطبق ومستقل عن اتجاه انتشار الضوء. وهذا يعني أنه يمكن أن يدور مستوى الاستقطاب لكل من الضوء الحادث للأمام والخلف بنفس الزاوية في نفس الاتجاه ، بغض النظر عن اتجاه النقل. ونتيجة لذلك، يظهر تأثير فاراداي عدم المعاملة بالمثلالذي يختلف عن الدوران البصري الجوهري للمواد.

مبادئ عمل أجهزة الاستقطاب

هناك العديد من أجهزة الاستقطاب الشائعة الاستخدام. في سلسلة المقالات التقنية السابقة ، قمنا بإدخال مكونات مثل مكعبات تقسيم الشعاع الاستقطابي واللوحات الموجية. تركز هذه المقالة على جهازين محددين للاستقطاب: دوار فاراداي وعزل الفضاء الحر.

دوران فاراداي

دوران فاراداي هو جهاز يستخدم تأثير فاراداي لدور حالة استقطاب الضوء ، عادة ما ينتج 45°الدوران لطول موجة محدد تحت مجال مغناطيسي مشبع. يتكون أساسا من مادة مغناطيسية بصرية ومغناطيس دائم. ويرد مبدأ العمل في الشكل 5 أعلاه.

• المواد المغناطيسية البصرية الشائعة للطيف المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء : الجرانيت الحديدي اليتريوم (YIG بلورة) ، الجرانيت الغاليوم التربيوم (TGG بلورة) ، الزجاج المنشط التربيوم ، والبزموث (Bi) -منشط بلورات الجرانيت ، من بين أمور أخرى.

• المجال المغناطيسي المطلوب لتأثير الدوران المغناطيسي البصريهذا عادة ما يتم توفيره من قبل المغناطيسات الدائمة. يجب أن يولد المغناطيس أقوى مجال مغناطيسي محوري ممكن داخل المساحة التي تشغلها المادة المغناطيسية البصرية ، مما يتيح للمادة إنتاج زاوية دوران استقطاب كبيرة ومستقرة. تشمل المواد المغناطيسية الدائمة الشائعة الساماريوم الكوبالت (Sm-Co) والنيوديميوم الحديد البورون (NdFeB).

عزل الفضاء الحر

عزل الفضاء الحر هو عنصر بصري غير متبادل تم إنشاؤه باستخدام تأثير فاراداي. يسمح للضوء بالسفر في اتجاه واحد فقط للأمام مع منع الانتشار الخلفي. يتكون أساسا من مستقطب (لوحة) ، لوحة دوران فاراداي ، وحلقة مغناطيسية ، ومكونات السكن المعدني. في المسار البصري ، عادة ما يعتمد عزل الفضاء الحر من مرحلة واحدة هيكلًا من ثلاثة أجزاء: "المستقطب–لوحة الدوار–مستقطب. مبدأ عمله مبين في الشكل 7.

*الشكل 7. مبدأ عمل عزل الفضاء الحر*

كما هو مبين في الشكل 7 (أ)، P و A هي المستقطبات التي توجه محاور النقل في 45°زاوية مع بعضها البعض. F-R هو لوحة الدوار. ويتم تدوير متجه الضوء من الضوء المستقطب خطياً بواسطة 45°بعد المرور من خلال لوحة الدوار. في هذه المرحلة، يمكن للضوء الذي ينتشر من اليسار إلى اليمين أن يمر من خلال A والخروج. للانتشار الخلفي للضوء الذي يسافر من اليمين إلى اليسار ، بعد مروره A و لوحة الدوار F-Rوبما أن حجم واتجاه المجال المغناطيسي لا يتغير، فإن اتجاه اهتزاز متجه الضوء يدور مرة أخرى في نفس الاتجاه بواسطة 45 أخرى.° . وهذا يجعله بالضبط عمودي لمحور نقل المستقطب P  (انظر الشكل 7 (ب))، وبالتالي منع تماما من المرور من خلال P . يتم توقف الضوء المنقول إلى الخلف.

المواصفات الرئيسية لأجهزة الاستقطاب

تستخدم دوارات فاراداي وعزلات الفضاء الحر في المقام الأول في أنظمة الليزر. مثل المرايا الليزرية الشائعة وعدسات الليزر وغيرها من المكونات البصرية ، يتطلب اختيار المنتج المناسب الاهتمام بمعايير مثل عتبة الضرر الناجم عن الليزر ، والحد الأقصى للتعامل مع الطاقة البصرية ، والنقل ، والتخفيف. وعلى وجه الخصوص، تستحق مواصفات بصرية مهمة لعزل الفضاء الحر اهتماما خاصا: خسارة الإدراج و العزلة.

خسارة الإدراج

فقدان إدراج العازل البصري هو نسبة الطاقة البصرية المخرجة إلى الطاقة البصرية المدخلة عندما يتم توصيل العازل في الاتجاه الأمامي ، المعبر عنها في ديسيبل . على افتراض أن الطاقة البصرية المدخلات الأمامية هي P₁_ للأمام و الطاقة البصرية المخرجة للأمام هي P₂_ للأمامصيغة خسارة الإدراج هي:

وتشمل العوامل التي تؤثر على فقدان الإدراج الامتصاص الجوهري للمواد ، وفقدان العودة في كل وجه نهائي ، والأخطاء الزاوية بين البلورات المزدوجة الانكسار ودوار فاراداي ، ونسبة الانقراض ، وفقدان ربط العدسة ، من بين أمور أخرى.

العزلة

العزل العكسي هو واحد من أكثر المواصفات أهمية لعزل بصري. ويميز قدرة العازل على تخفيف الضوء الذي يسافر في الاتجاه العكسي. عندما يتم توصيل العازل بالعكس ، دع الطاقة البصرية المدخلة العكسية تكون P₁_ عكس و الطاقة البصرية المخرجة العكسية تكون P₂_ عكسصيغة العزل هي:

وتشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على العزلة الخطأ الزاوي في دوران البلورات المغناطيسية البصرية، ونسبة انقراض البلورات، وتأثير الانعكاسات من مختلف الأسطح. في الوقت الحاضر ، عادة ما تحقق العزلات البصرية ذات المرحلة الواحدة عزلة أكبر من 30 ديسيبل . عزلات مزدوجة المرحلة (باستخدام "مستقطب–الدوار–مستقطب–الدوار–هيكل "المستقطب") يمكن تحقيق عزلة أعلى.

مقدمة المنتج لأجهزة الاستقطاب

أطلقت تكنولوجيا غوانغتان الذكية دوارات فاراداي وعزلات الفضاء الحر للأطوال الموجية 532 نانومتر و 1064 nm . تتميز هذه المنتجات بمزايا مثل التعامل مع الطاقة العالية ، والنقل العالي ، وعتبة الضرر العالية الناجمة عن الليزر. وترد تفاصيل المنتج في الجدول أدناه. كما نقدم خدمات مخصصة لهذه المكونات.

دورات فاراداي

عزلات الفضاء الحر