Wie misst man kleine Änderungen im Polarisationswinkel eines Lichtstrahls? Was ist der kleinste messbare Winkel?

Angenommen, Sie haben einen Lichtstrahl oder Lichtimpuls mit bekannter Polarisation, der dann durch etwas gestört wird, das diese Polarisation leicht dreht. Wie könnten Sie dies messen und was wäre die kleinste messbare Winkeländerung? Mir sind Strahlteiler bekannt, aber sie haben eine Begrenzung der Winkelauflösung. Gibt es etwas Besseres?

Hängt ein bisschen ab. Wenn die Rotation auf Magnetisierung beruht (Faraday-Effekt, Kerr-Effekt), dann kann man das Magnetfeld modulieren und sehr kleine Winkel messen. Ist das nicht möglich, stellt sich das Problem der Belastungswirkung.
Könnten Sie das (linear?) polarisierte Licht nicht einfach durch einen linearen Polarisator leiten und die durchgelassene Intensität als Funktion des Winkels messen? Durch Anpassen der Datenpunkte (Polarisatorwinkel, übertragene Intensität) an a cos 2 ⁡ ( θ ) Funktion (Malussches Gesetz) sollten Sie in der Lage sein, den Polarisationswinkel des Lichtstrahls sowohl vor als auch nach der Störung sehr genau zu bestimmen (Bruchteile eines Grads mit dem linearen Polarisator, der auf einem manuell betriebenen Drehtisch montiert ist?).
@SamuelWeir Theoretisch funktioniert das großartig, in der Praxis nicht so sehr, es sei denn, Sie führen lange Experimente durch und die Rotation bleibt längere Zeit bestehen. Dies ist auf kleine Leistungsschwankungen im Laufe der Zeit zurückzuführen, die zu Messfehlern führen würden. Einige der Quellen sind mechanische Vibrationen, Temperaturschwankungen, Netzstromschwankungen, Laserschwankungen (insbesondere wenn es nicht sehr teuer ist), Herstellungstoleranzen in den Messwerkzeugen usw.
@BobvandeVoort - Ich denke, dass die von Ihnen erwähnten Faktoren alle von den Details des Versuchsaufbaus abhängen, einschließlich der jeweiligen Lichtquelle, ob ein hochwertiger optischer Tisch verwendet wird und ob die Messung in einem professionellen Labor oder in der Garage von jemandem durchgeführt wird sowie die erforderlichen Abholzeiten. Aber ich sehe jetzt das grundlegende Problem, dass die cos 2 ⁡ ( θ ) Funktion ist extrem flach herum θ =0, und dass die Intensität nur um etwa 1 Teil von 1000 reduziert würde, wenn man von 0˚ auf 2˚ geht. Das macht es schwierig, Datenpunkte in der Nähe zu sammeln θ =0.

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Mit den richtigen Versuchsaufbauten sind Drehungen im Nanoradian messbar.

Polarisatoren, optische Brücken und Sagnac-Interferometer für Nanoradian-Polarisationsrotationsmessungen Alistair Rowe, Indira Zhaksylykova, Guillaume Dilasser, Yves Lassailly, Jacques Peretti

Die Fähigkeit, Nanorad-Polarisationsrotationen zu messen, θ F ,, im Grenzbereich des Photonenschussrauschens werden für teilweise gekreuzte Polarisatoren (PCP), ein statisches Sagnac-Interferometer und eine optische Brücke untersucht, die jeweils prinzipiell in diesem Grenzbereich mit nahezu äquivalenten Gütezahlen (FOM) verwendet werden können. In der Praxis eine Brücke zum PCP/Sagnac-Quellen-Rauschunterdrückungsverhältnis von 1 / 4 θ F 2 ermöglicht es der Brücke, selbst bei hohen Lichtintensitäten im Bereich des Photonenschussrauschens zu arbeiten. Die überlegene Leistung der Brücke wird durch die Messung einer Drehung um 3 nrad veranschaulicht, die durch ein axiales Magnetfeld von 0,9 nT entsteht, das an einen Terbium-Gallium-Granat angelegt wird.

Kurz gesagt, sie vergleichen drei Methoden:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(TGG erstellt die Testrotation) Die Spitze ist der traditionelle Partially Crossed Polarizer (PCP)-Ansatz. Die Empfindlichkeit kommt daher, dass sie teilweise gekreuzt sind.

Das mittlere ist ein Sagnac-Interferometer . Diese werden normalerweise verwendet, um globale Rotationen zu erfassen, wie ein Gyroskop. Aber auch eine optische Drehung kann wahrgenommen werden. Licht, das in die beiden Richtungen um den Pfad geht, wird in entgegengesetzte Richtungen gedreht, was die Endpunktinterferenz beeinflusst.

Der dritte Ansatz wird als "Polarising Bridge" bezeichnet. Der Partial Beam Splitter (PBS) ermöglicht es den beiden Detektoren, die X- und Y-Koordinaten des gedrehten Strahls zu betrachten, was zumindest theoretisch einen besseren Vergleich (weniger Rauschen) als der PCP-Ansatz ermöglicht.

Das experimentelle Ergebnis ist ein Vergleich der Messung von 3 Nanoradian ( 3 × 10 − 9 Bogenmaß, weniger als ein Tausendstel einer Bogensekunde) Rotation des sichtbaren Lichts. Das ist der Effekt von 25 mm Material in einem Magnetfeld von 0,9 nT, etwa 1/10.000 des Erdfelds.

Können Sie oder jemand anders kurz die Schlüsselidee(n) oder das Schlüsselprinzip(e) erklären, die bei der Ermöglichung der Messung von Drehungen im Nanoradiant mit diesem Gerät eine Rolle spielen? Aus der Zusammenfassung oder den Zahlen oder der dichten Mathematik in der Arbeit ist nicht sofort klar, was los ist.
@SamuelWeir Ein bisschen mehr hinzugefügt. War das in die richtige Richtung?
Was Sie also sagen, ist, dass es extrem spezialisierter Ausrüstung bedarf, um überhaupt in die Größenordnung von 10^-9 Radiant zu gelangen? Was ist die extreme Grenze, bis zu der diese Methoden getrieben werden können?
@LUPHYS Es ist nicht so spezialisiert; Jeder von ihnen kann mit Sorgfalt in einen optischen Tisch eingebaut werden, um Zehntel Mikroradiant zu erreichen. Und ich bin mir nicht sicher, ob „selbst 10^{-9} Bogenmaß“ erfasst, wie klein das wirklich ist. Das misst die Rotation aufgrund eines 0,9-nT-Felds, etwa 1/10.000 des Erdfelds.
@Bob Jacobsen Ich weiß, es ist sehr klein, aber für die Zwecke, die ich wissen möchte, ist es das wirklich nicht. Ich spreche von induzierter Polarisation aufgrund der Anwesenheit von Axionen. Kleinste Kleingeldbeträge. Danke trotzdem für deine Hilfe.
@LUPHYS Ah, das ist dann eine andere Sache. Das ist nicht gerade mein Bereich, aber vielleicht möchten Sie sich mit Scott Crooker vom NHMFL in Verbindung setzen. Siehe "Spinrauschen von Elektronen und Löchern in selbstorganisierten Quantenpunkten". Phys. Rev. Lett. 104, 036601 ( arxiv.org/pdf/0909.1592.pdf ) (Wahrscheinlich hat sich seitdem etwas weiterentwickelt, aber ich bin nicht auf dem Laufenden) Oder auch "Beobachtung des universellen magnetoelektrischen Effekts in einem 3D-topologischen Isolator" Nat Commun. 2017; 8: 15197. ( arxiv.org/pdf/1603.05482.pdf ), obwohl sie möglicherweise nicht direkt auf das anwendbar sind, was Sie messen möchten.

Sie könnten eine Platte aus transparentem Material mit einem bekannten Brechungsindex verwenden, so dass die Spiegelreflexion dem Brewster-Winkel für die Polarisation senkrecht zu der gewünschten Polarisation entspricht. Das heißt, im Idealfall trifft der Laserpuls mit p-Polarisation auf die Oberfläche und die spiegelnde Reflexion ist Null. Siehe das Bild unten. Ihr Laserpuls sollte parallel zur Einfallsebene polarisiert sein. Wenn alles richtig ausgerichtet ist, gibt es keinen reflektierten Strahl.

Auf diese Weise können Sie die Variation der Polarisation mit einem Belichtungsmesser messen, der so platziert ist, dass er das reflektierte Licht abfängt. Abweichungen von der Nullleistung sind viel einfacher zu messen als Abweichungen von der Maximalleistung.

Ich habe nicht nachgerechnet, um den kleinsten Polarisationswinkelfehler herauszufinden, den dies messen könnte.

Brewster-Winkeldiagramm

Bild aus Wikipedia-Artikel.

„Abweichungen von der Nullleistung sind viel einfacher zu messen als Abweichungen von der Maximalleistung.“ - Gibt es noch andere Vorteile dieses Brewster-Winkel-Setups? Wenn es einfach darum geht, ein System zu entwickeln, das aufgrund einer geringfügigen Änderung der Polarisation des einfallenden Lichts Abweichungen von der Nullleistung zeigt, könnte man nicht einfach einen linearen Polarisator einführen, der in Bezug auf den einfallenden polarisierten Lichtstrahl um 90 ° orientiert ist und Messen Sie dann Änderungen in der Intensität des durchgelassenen Lichts durch den linearen Polarisator?
@SamuelWeir Ein Polarisator bei 90 Grad würde es nicht zulassen, dass der Strahl für seinen ursprünglichen Zweck verwendet wird, während die Winkelanordnung des Brewster im Idealfall rein durchlässig ist. Abhängig von der Leistung des Lasers kann eine 100-prozentige Absorption auch eine schlechte Idee sein.
Abweichungen von der Nullpotenz gehen als Kosinus der Rotation ein. Änderungen um die mittlere Leistung (45 Grad) gehen wie der Sinus, ändern Sie sich also am schnellsten mit kleinen Winkeländerungen. Wenn Sie einen stabilen Detektor und wiederholbare Signale zum Messen haben, ist sinusähnlich besser. Für die Entdeckung eines Unbekannten könnte kosinusartig besser sein.
Wie misst man kleine Änderungen im Polarisationswinkel eines Lichtstrahls? Was ist der kleinste messbare Winkel?
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