¿Cómo se mide un pequeño cambio en el ángulo de polarización de un haz de luz? ¿Cuál es el ángulo medible más pequeño?

Digamos que tiene un haz o pulso de luz con polarización conocida que luego se ve perturbado por algo que hace que esa polarización gire ligeramente, ¿cómo podría medir esto y cuál sería el cambio de ángulo más pequeño que se puede medir? Conozco los divisores de haz, pero tienen un límite en la resolución del ángulo. ¿Hay algo mejor?

depende un poco Si la rotación se debe a la magnetización (efecto Faraday, efecto Kerr), entonces se puede modular el campo magnético y medir ángulos realmente pequeños. Si eso no es posible, está el problema del efecto de las tensiones.
¿No podría simplemente pasar la luz polarizada (¿linealmente?) a través de un polarizador lineal y medir la intensidad transmitida en función del ángulo? Ajustando los puntos de datos (ángulo del polarizador, intensidad transmitida) a un porque 2 ⁡ ( θ ) función (ley de Malus), debería poder determinar el ángulo de polarización del haz de luz tanto antes como después de que se perturbe con mucha precisión (¿fracción de un grado con el polarizador lineal montado en una etapa giratoria operada manualmente?).
@SamuelWeir en teoría esto funciona muy bien, en la práctica no tanto a menos que hagas experimentos largos y la rotación se mantenga por un tiempo prolongado. Esto se debe a pequeñas fluctuaciones de potencia a lo largo del tiempo que provocarían errores de medición. Algunas de las fuentes son vibraciones mecánicas, fluctuaciones de temperatura, fluctuaciones de energía de la red, fluctuaciones de láser (especialmente si no es muy costoso), tolerancias de fabricación en las herramientas de medición, etc.
@BobvandeVoort: creo que todos los factores que menciona dependen de los detalles de la configuración experimental, incluida la fuente de luz particular, si se usa una mesa óptica de calidad y si la medición se realiza en un laboratorio profesional o en el garaje de alguien, como así como los tiempos de recogida requeridos. Pero ahora veo el problema básico de que el porque 2 ⁡ ( θ ) la función es extremadamente plana alrededor θ =0, y que la intensidad se reduciría solo en aproximadamente 1 parte en 1000 al pasar de 0˚ a 2˚. Eso hace que sea difícil recolectar puntos de datos cerca θ =0.

Respuestas (2)

Con las configuraciones experimentales correctas, las rotaciones de nanorradianes son medibles.

Polarizadores, puentes ópticos e interferómetros de Sagnac para mediciones de rotación de polarización de nanorradianes Alistair Rowe, Indira Zhaksylykova, Guillaume Dilasser, Yves Lassailly, Jacques Peretti

La capacidad de medir rotaciones de polarización de nanorradianes, θ F ,, en el límite de ruido de disparo de fotones se investiga para polarizadores parcialmente cruzados (PCP), un interferómetro Sagnac estático y un puente óptico, cada uno de los cuales puede usarse en principio en este límite con cifras de mérito (FOM) casi equivalentes. En la práctica, una relación de rechazo de ruido de fuente puente a PCP/Sagnac de 1 / 4 θ F 2 permite que el puente opere en el límite de ruido del disparo de fotones, incluso a altas intensidades de luz. El rendimiento superior del puente se ilustra a través de la medición de una rotación de 3 nrad que surge de un campo magnético axial de 0,9 nT aplicado a un granate de terbio y galio.

Brevemente, están comparando tres métodos:

ingrese la descripción de la imagen aquí

(TGG crea la rotación de prueba) La parte superior es el enfoque tradicional de polarizador parcialmente cruzado (PCP). La sensibilidad viene de tenerlos parcialmente cruzados.

El del centro es un interferómetro de Sagnac . Esos se usan normalmente para detectar rotaciones globales, como un giroscopio. Pero también se puede sentir una rotación óptica. La luz que va en las dos direcciones alrededor del camino gira en sentidos opuestos, lo que afecta la interferencia del punto final.

El tercer enfoque se llama "Puente de polarización". El divisor de haz parcial (PBS) permite que los dos detectores miren las coordenadas X e Y del haz rotado, lo que permite una mejor comparación (menos ruido) que el enfoque PCP, al menos en teoría.

El resultado experimental es una comparación de medir un 3 nanoradian ( 3 × 10 − 9 radián, menos de una milésima de segundo de arco) rotación de la luz visible. Ese es el efecto debido a 25 mm de material en un campo magnético de 0,9 nT, aproximadamente 1/10.000 del campo terrestre.

¿Puede usted o alguien explicar en pocas palabras la(s) idea(s) clave o el(los) principio(s) clave involucrados en permitir la medición de rotaciones de nano radianes con este aparato? No queda inmediatamente claro a partir del resumen o las cifras o las matemáticas densas en el documento lo que está pasando.
@SamuelWeir Agregó un poco más. ¿Fue eso en la dirección correcta?
Entonces, ¿lo que está diciendo es que requiere un equipo extremadamente especializado para llegar incluso al orden de 10 ^ -9 radianes? ¿Cuál es el límite extremo al que se pueden llevar estos métodos?
@LUPHYS No es tan especializado; cualquiera de ellos se puede construir en una mesa óptica con el cuidado suficiente para hacer décimas de microrradianes. Y no estoy seguro de que "incluso 10^{-9} radianes" capte lo pequeño que es realmente. Eso es medir la rotación debida a un campo de 0,9 nT, aproximadamente 1/10 000 del campo de la Tierra.
@Bob Jacobsen Sé que es muy pequeño, pero para los propósitos que quiero saber, realmente no lo es. Estoy hablando de polarización inducida debido a la presencia de axiones. Pequeñas cantidades diminutas de cambio. Gracias por tu ayuda de todos modos.
@LUPHYS Ah, eso es algo diferente entonces. Esta no es exactamente mi área, pero es posible que desee ponerse en contacto con Scott Crooker en NHMFL. Consulte "Ruido de giro de electrones y agujeros en puntos cuánticos autoensamblados". física Rev. Lett. 104, 036601 ( arxiv.org/pdf/0909.1592.pdf ) (Las cosas probablemente han progresado desde entonces, pero no estoy al tanto) O también "Observación del efecto magnetoeléctrico universal en un aislador topológico 3D" Nat Commun. 2017; 8: 15197. ( arxiv.org/pdf/1603.05482.pdf ), aunque es posible que no se apliquen directamente a lo que desea medir.

Podría usar una losa de material transparente con un índice de refracción conocido de modo que la reflexión especular corresponda al ángulo de Brewster para la polarización perpendicular a la polarización deseada. Es decir, en el caso ideal, el pulso láser incide sobre la superficie con polarización p y la reflexión especular es cero. Vea la imagen a continuación. Su pulso láser debe polarizarse paralelo al plano de incidencia. Si todo está alineado correctamente, no habrá rayo reflejado.

De esta forma, puedes medir la variación de polarización con un fotómetro colocado para interceptar la luz reflejada. Las desviaciones de la potencia cero son mucho más fáciles de medir que las desviaciones de la potencia máxima.

No he hecho los cálculos para averiguar el defecto de ángulo de polarización más pequeño que esto podría medir.

Diagrama del ángulo de Brewster

Imagen del artículo de wikipedia.

"Las desviaciones de la potencia cero son mucho más fáciles de medir que las desviaciones de la potencia máxima". - ¿Hay alguna otra ventaja en la configuración del ángulo de este Brewster? Si se trata simplemente de diseñar un sistema que muestre desviaciones de potencia cero debido a un ligero cambio en la polarización de la luz entrante, ¿no se podría simplemente introducir un polarizador lineal orientado a 90˚ con respecto al haz de luz polarizado entrante y luego mida cualquier cambio en la intensidad de la luz transmitida a través del polarizador lineal?
@SamuelWeir Un polarizador a 90 grados no permitiría que el haz se use para su propósito original, mientras que la disposición del ángulo de Brewster es puramente transmisiva en el ideal. Dependiendo de la potencia del láser, la absorción del 100 por ciento también podría ser una mala idea.
Las desviaciones de potencia cero van como el coseno de la rotación. Los cambios alrededor de la potencia media (45 grados) son como el seno, por lo que cambia más rápido con pequeños cambios de ángulo. Si tiene un detector estable y señales repetibles para medir, el tipo sinusoidal es mejor. Para el descubrimiento de un coseno desconocido, podría ser mejor.
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