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光弾性変調器( PEM ) は、光源の偏光を変調するために使用される光学装置です。光弾性効果は、光弾性変調器内の光学素子の 複屈折を変更するために使用されます。
PEMは1960年代にJ. Badozによって発明され、当初は「複屈折変調器」と呼ばれていました。[1] 当初は、光回転分散やファラデー回転、天体の偏光測定、ひずみ誘起複屈折、エリプソメトリーなどの物理的測定のために開発されました。その後、JC Kemp、SN Jasperson、SE Schnatterlyなどが光弾性変調器を開発しました。
説明
光弾性変調器の基本設計は、圧電トランスデューサと半波長共振バーで構成されます。バーは透明な材料 (現在最も一般的なのは溶融シリカ) です。トランスデューサはバーの固有周波数に調整されます。この共振変調により、非常に感度の高い偏光測定が可能になります。光学素子の基本振動は、その最長寸法に沿って発生します。
基本原則
光弾性変調器の動作原理は、機械的に応力がかかったサンプルが、結果として生じる歪みに比例した複屈折を示す光弾性効果に基づいています。光弾性変調器は共振デバイスであり、正確な振動周波数は光学素子/トランスデューサ アセンブリの特性によって決まります。トランスデューサは、光学素子の長手方向に沿った共振周波数に調整されます。共振周波数は、光学素子の長さと材料内の音速によって決まります。次に、トランスデューサに電流が送られ、光学素子が伸縮して振動し、透明材料の複屈折が変化します。この共振特性により、光学素子の複屈折を大きな振幅に変調できますが、同じ理由から、PEM の動作は単一の周波数に制限されており、現在製造されているほとんどの市販デバイスは約 50 kHz で動作します。
アプリケーション
光源の偏光変調
これは PEM の最も基本的な用途と機能です。典型的な設定では、元の光源が PEM の光軸から 45 度で直線偏光され、結果として生じる光の偏光は PEM の動作周波数fで変調され、正弦波変調信号の場合、ジョーンズ行列形式で次のように表すことができます。
ここで、A は変調の振幅です。
光軸に対して 45 度で入射する直線偏光の単色光は、PEM の光軸に平行な成分と垂直な成分の 2 つの成分の合計と考えることができます。プレートに導入された複屈折により、これらの成分の 1 つが他の成分よりも遅くなります。つまり、PEM は調整可能な波長板として機能します。通常、振動のピークで 1/4 波長板または 1/2 波長板のいずれかに調整されます。
四分の一波長板の場合、振動の振幅は、特定の波長で 1 つの成分が他の成分に対して交互に 90 度遅れたり進んだりするように調整され、その結果、出射光はピークで交互に右回りと左回りの円偏光になります。
基準信号は変調器発振器から取得され、位相感度検出器、つまり復調器を駆動するために使用されます。
振動の振幅は、変調器を通過する光の波長に比例する外部印加電圧によって調整されます。
偏光測定
典型的な偏光測定装置は、交差検光子装置を形成する 2 つの直線偏光子、光の偏光の変化を導入する光学サンプル、および偏光状態をさらに変調する PEM で構成されます。PEM の動作周波数の基本波と 2 次高調波で最終的に検出される強度は、サンプルによって導入される楕円率と回転に依存します。
PEM 偏光測定法の利点は、信号が高周波で変調され（多くの場合、ロックイン アンプで検出される）、PEM の動作周波数以外の多くのノイズ源が排除され、ロックイン アンプの帯域幅によってホワイト ノイズが減衰されることです。