Введение к работе
Актуальность теиы диссертации. Поляризованный свет изучается и используется в фиалка очень широко н-зі. Обладая высокой чувствительностьи, поляризационные методы исследования позволяют регистрировать мзлне изменения оптически?: свойств, возниквкцио в исследуемых объектах по рапным причинам t2-si. Класс изучаемых процессов и объектов вэсьма велик: различные срады, в которых под влиянием внешних полой возникапт двулучепреломление и дихроизм, граница раздела, современные оптическиэ материалы, элемента и т.
Д. t2-10).
Как правило, поляризационные метода исследований имеют более высокую чувствительность, если состояние поляризации пробного излучения промодулировано во времени. Свет с модулированной поляризацией успешно используется для зондирования различных
ПОВврХНОСТНЫХ СТРУКТУР И1-191.
Вместе с тем, известен целый ряд случаев, когдэ наличие поверхностных эффектов делает существующие полярнззционно-модуляционные методы исследований либо мало аффективными, либо вообще неприменимыми. Это относится правде всего к изучению оптических характеристик, определяемых внутренними свойствами исследуемых объектов, а не границами раздала. Одной из таких характеристик является малое внутреннее двулучепреломяеняе. Его регистрация открывает перспективы изучения трудно наблюдаемых альтернативными методами физических процессов, определяющих, в частности, качество оптических кристаллов и стекол te.o.m, элементов поляризационной оптики, брветеровских окон и т. д.
H5-»7J.
Другим хорошим примером применения высокочувствительных поляризационных методов исследований и контроля является создание и совершенствование призм полного внутреннего отрицания для кольцевых резонаторов лвзерпых гироскопов H7J. Призми ІЮО опрвдвлявт анизотропию резонатора и, следовательно, чувствительность гироскопа к внешним магнитным полям, швпшу дхя разработки современных высокоточных лазорных гироскопов детальные исследования поляризационых характеристик призм очень важно
С1в-201.
Во всех указанных выше случвях сильные поверхностные
поляризационные эффекты значительно умоньшают возможности традиционных методов поляризационных исследований ui.izj. Исіслгачвние или заметное уменьшение вклада поверхностных аффектов, позволит заметно расширить область применения рассматриваемых методов и подойти к проблеме получения предельных величин их чувствительности и разрешающей способности.
Одним из фундаментальных факторов, определяющих предельную чувствительность и разрешающую способность оптических методов исследований, являются, как известно, квантовые флуктуации свата (дробовой шум). Перспективы дальнейшего повышения чувствительности оптических измерений открылись сравнительно подавно в связи с созданием источников "сжатого" света tai-asj,
К настоящему времени експериментально подробно исследованы вопросы, связанные с достижением пороговых, яа уровне дробовых шумов, значений чувствительности в измерениях малых поворотов плоскости поляризации света, прошедшего через исследуемый объект 0,4]. Поляризационные и инторферометрические измерения в "сжатом" свете при слабой модуляции также обсуждались
Теоретически И СЫЛИ Продемонстрированы вКСШрИМвНТаЛЬНО С26-2»!.
Предельные ке возможности модуляционных методов измерений малой постоянной (иди медленно меняющейся) линейной анизотропии исследованы далеко не полностью. Ряд важных для фундаментальных исследований и приложений случаев не рассмотрен сі4-іп. Недостаточно изучена даже принципиальная осуществимость измерений о глубокой модуляцией фазы без фотонного шума и о учетом разрешения в пространстве.
Возможность применения высокочувствительных методов с глубокой модуляцией "сжатого" свете открывает также перспективы новых подходов к изучению магнитного и двойного радио-оптического резопаксов 130-sti.
Таким образом, к началу настоящей работы имело место явное отставание развития поляризационно-модуляционных методов исследований от соврэменных потребностей фундаментальных и прикладных нвук. Это явилось главшш фактором, определившим необходимость и актуальность исследований по теме диссертации.
Цель работа заключается в следующем:
1 .Развитие высокочувствительных лввершх методов исследований малой внутренней вниоитропии прозрачных объектов, основанных нв модуляции состояния поляризации пробного излучения и позволяющих в то ке врэмя исключить вклад поверхностных поляризационных аффектов.
2.Исследование предельных чувствительности и рвзрешаяцей способности методов, определяемых шумеми источника излучения (лазера).
3.Изучение перспектив дальнейшего развития методов в направлении повышения их чувствительности и пространственного разрешения.
В процессе работа становилось ясным, что поставленная цель требует решения целого ряда взаимосвязанных проблем. 80-пврвых, было необходимо исследование особенностей формирования и методов снижения шумов излучения применяемых источников излучения (лазеров). Далее, яеобходимм были разработка методов глубокой прецизионной и стабильной модуляция соотояязя поляризации (фазы) пробного излучения, разработка к теоретическое обоснование методики измерения малого внутреннего деулучепрвлоылония исследуемых объектов при их зондировании линейно поляризовавши излучением.
Изучение перспектив дальнейшего развития рассматриваемых методов шишчвло в себя необходимость прогаданая исследований возможностей управления на квантовом уровне статистикой излучения лазеров, исследований шумовых характеристик различных практически используемых схем поляризационных измерений о глубокой модуляцией фазы, и, наконец, анализ вовмоаностей применения в этих схемах саатых состояний света.
В диссертации, которая носит преимущественно экспериментальный характер, страшны найденные решения указанных проблем я полученные при этом результаты.
Научная новизна работы состоит в том, что 8 ней впервые и независимо от аналогичных исследований за рубежом аксворимвнташга показана возможность управления на квантовом уровне статистикой излучения газовых лазеров и генерация в петле обратной связи фотоприемник-накачха излучения с субпуассоновской
статистикой фотонов.
Подробно исследованы шумовые характеристики различных конфигураций модафнцировпннх схем лазерных поляризационных измерений с глубокой модуляцией фазы и достигнута их пороговая чувствительность, определяемая фотонными (дробовыми) шумами фотопраема. Исследована целесообразность применения в рассматриваемых схемах сжатых состояния света и указаны конкретные измерительные конфигурации, допускающие снижение фотонного шума ниже дробового уровня с учетом разрешения в пространстве.
Сформулированная и научно обоснованная в работе концепция панорамной шляризациоига-дадуляционвой микроскопии нестационарных прозрачных объектов в мяогомодовом "сжатом" света указывает перспективное направление дальнейшего развития высокочувствительных поляризационных методов исследований.
Научная и практическая ценность работы закатается в развитии высокочувствительных лазерных поляризационных методов исследований, допускащих измерение малого внутреннего двулучепреломления очень широкого класса объектов: атомных и молекулярных систем, находящихся но внешних полях, оптических материалов и алиментов, различных проб в биологии, медицине, фотохимии и т. д. Это позволяет, в принципе, регистрировать о предельной чувствительностью и изучать вез те процессы и явления, которые сопровождаются двулучепрвломлвнием участвующих или как-либо соприкасающихся о исследуемыми явлениями объектов.
В частности, появляются реальные основы для усовершенствования существующих и развития новых современных технологий изготовления оптических материалов высокого качества и прецизионных оптических элементов, создания коакурвнтшоюсобных изделий квантовой электроники и т. д.
G поманил развитых в работе методов подробно експериментально исследованы и теоретически объяснены важные для практического применения лазерных призм ПВО особенности их поляризационных характеристик. Продемонстрированы возможности експериментального иабдвдения шлкомасштабных структурных особенностей в образцах оптических материалов высокого качества.
На звщяту выносятся:
1.Исследования естественных флуктуации интенсивности излучения He-Ne и He-Ne/1Z7J2^B3Qpa, проведенные с целью сравнения с экспериментом полуклвссического и квантового подходов к описании естественпнх флуктуации.
2.Модель фотоупругого модулятора состояния поляризации о пьезопривддом. Результати теоретических, выполненных на основе модели, и экспериментальных исследований амплитудно-частотных и энергетических характеристик фотоупругих модуляторов.
3.Методика высокочувствительной регистрации малого внутреннего двулучвпраломления прозрачных объектов, использупцая прецизионную сильнуп модуляции состояния поляризации пробного излучения и позволяющая исключить вклад повврхпостнах поляризационных эффектов. Лроввдепнае по разработанной методике экспериментальные исследования и теоретический анализ поляризационных характеристик образцов современных прецизионных оптических элементов и высококачественных оптических материалов.
4.Дости2ение пороговой, на уровне фотонных (дробових) шумов чувствительности схем поляризационных нзкэреяик о модуляцией фазы. Изучение шумових характеристик и анализ перспектив дальнейшего повышения чувствитольноота и разрешающей способности модифицированных схем поляризационных измерений в связи о применением "сжатого" света.
5.Получение субпуассоновской генерация газового лазера в патлв обратной связи фэтолривмяик - накачка. Теоратическиа исследования статистики излучения лазере о обратной связью.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на IIм Всесоюзном еоізвдании "Квантовая метрология и фундамвнтальянэ физические константы (Ленинград, 1985), на IIа Всесоюзной научно-технической конференции "Примананяэ лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", (Ланинград, 1984), на IXй Вавилонской конференции по яэдинейной отака (Новосибирск, 19ЭТ), на Xм Всесоюзном симпозиума я семинара по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Омск, 1991), .на Iй и IIй Международных рабочих встречах по сжатым состояниям и соотношении неопределенностей (Москве, 1990 и »992), на Меадунвродянх семинарах по квантовой оптике Сішок, 1990, 1992 и 1994), нз
Международных семинарах "Проблемы квантовой оптики" (Дубна, 1991, 1993), на Международной нколе-свкинаре-виставко "Лазеры и современное приборостроение" . (С.-Петербург, 1992), на Мездунвродной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1982,1993), на семинаре "Прикладная оптика-94" (С.-Петербург, 1994), в такта обсуждались нв семинарах во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И, Менделеева, в Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (С.-Петербург), в Нвучдо-исслвдоввтельском институте фиеики СПОТУ (С.-Петербург), в Научно-исследовательском технологическом институте оптического материаловедения (С.-Петербург), Физическом институте им. П.Н. Лебедева Академии паук России (Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, из которых 14 Сев соавторов. В числа опубликованных работ есть монография, 20 работ опубликовано в академических изданиях, 1 - в ведомственном издании, 3 - в мвадународных изданиях, б - в сборниках тезисов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 284 стр. машинописного текста, включая 61 рисунок и 3 таблицы- Список литературы содержит 189 наименований.
