Un modulador fotoelástico (PEM) es un dispositivo óptico que se utiliza para modular la polarización de una fuente de luz. El efecto fotoelástico se utiliza para cambiar la birrefringencia del elemento óptico en el modulador fotoelástico.
El PEM fue inventado por primera vez por J. Badoz en la década de 1960 y originalmente llamado "modulador de birrefringencia". Inicialmente se desarrolló para mediciones físicas que incluyen dispersión rotatoria óptica y rotación de Faraday , polarimetría de objetos astronómicos, birrefringencia inducida por deformación y elipsometría . Los desarrolladores posteriores del modulador fotoelástico incluyen a JC Kemp, SN Jasperson y SE Schnatterly.
Descripción
El diseño básico de un modulador fotoelástico consiste en un transductor piezoeléctrico y una barra resonante de media onda; siendo la barra un material transparente (ahora más comúnmente sílice fundida). El transductor está sintonizado a la frecuencia natural de la barra. Esta modulación de resonancia da como resultado medidas de polarización muy sensibles. La vibración fundamental de la óptica se encuentra en su dimensión más larga.
Principios básicos
El principio de funcionamiento de los moduladores fotoelásticos se basa en el efecto fotoelástico, en el que una muestra sometida a tensión mecánica presenta una birrefringencia proporcional a la deformación resultante. Los moduladores fotoelásticos son dispositivos resonantes en los que la frecuencia de oscilación precisa está determinada por las propiedades del conjunto de elemento óptico / transductor. El transductor se ajusta a la frecuencia de resonancia del elemento óptico a lo largo de su dimensión larga, determinada por su longitud y la velocidad del sonido en el material. Luego se envía una corriente a través del transductor para hacer vibrar el elemento óptico a través del estiramiento y la compresión, lo que cambia la birrefringencia del material transparente. Debido a este carácter resonante, la birrefringencia del elemento óptico puede modularse a grandes amplitudes, pero también por la misma razón, el funcionamiento de un PEM se limita a una sola frecuencia, y la mayoría de los dispositivos comerciales fabricados en la actualidad funcionan a unos 50 kHz.
Aplicaciones
Modulación de polarización de una fuente de luz.
Esta es la aplicación y función más básica de un PEM. En una configuración típica, donde la fuente de luz original está polarizada linealmente a 45 grados del eje óptico del PEM, la polarización de la luz resultante se modula a la frecuencia de funcionamiento del PEM f , y para una señal de modulación sinusoidal, se puede expresar en Jones formalismo matricial como:
donde A es la amplitud de la modulación.
La luz monocromática polarizada linealmente que incide a 45 grados con el eje óptico se puede considerar como la suma de dos componentes, uno paralelo y otro perpendicular al eje óptico del PEM. La birrefringencia introducida en la placa retardará uno de estos componentes más que el otro, es decir, el PEM actúa como una placa de onda sintonizable . Por lo general, se ajusta para que sea un cuarto de onda o una placa de media onda en el pico de la oscilación.
Para el caso de la placa de cuarto de onda, la amplitud de oscilación se ajusta de modo que a la longitud de onda dada un componente se retarda y avanza alternativamente 90 grados con respecto al otro, de modo que la luz que sale se polariza circularmente a la derecha y a la izquierda alternativamente en los picos.
Se toma una señal de referencia del oscilador modulador y se utiliza para activar un detector sensible a la fase , el demodulador.
La amplitud de oscilación se ajusta mediante un voltaje externo aplicado que es proporcional a la longitud de onda de la luz que pasa a través del modulador.
Polarimetria
Una configuración polarimétrica típica consta de dos polarizadores lineales que forman una configuración de analizador cruzado, una muestra óptica que introduce el cambio en la polarización de la luz y un PEM que modula aún más el estado de polarización. Las intensidades finales detectadas en el fundamental y segundo armónico de la frecuencia de operación PEM dependen de la elipticidad y rotación introducidas por la muestra.
La polarimetría PEM tiene la ventaja de que la señal se modula a una frecuencia alta (y a menudo se detecta con un amplificador de bloqueo ), excluyendo muchas fuentes de ruido que no están en la frecuencia de funcionamiento del PEM y atenuando el ruido blanco por el ancho de banda del bloqueo. amplificador.