Propagacja światła częściowo spolaryzowanego w ośrodkach dwójłomnych

• Autorzy: Domański A. W.

Warianty tytułu

EN

Propagation of partially polarized light in birefringent media

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono zwięzły przegląd macierzowych metod opisu polaryzacji światła z uwzględnieniem stopnia polaryzacji ze stopniem koherencji czasowej analizowanego światła dla dwóch podstawowych rozkładów jego widmowej gęstości mocy optycznej, to jest lorentzowskiego i gaussowskiego. Następnie przeanalizowano szczegółowo zmianę polaryzacji swiatła częściowo koherentnego propagującego się w kryształach dwójłomnych. W tym celu zmodyfikowano równanie macierzowe Muellera-Stokesa, wprowadzając macierz depolaryzacji o elementach zależnych od dwójłomności ośrodka, rodzaju źródła światła, kierunku propagującej się wiązki światła i jej koherencji czasowej. Przedstawiono wyniki eksperymentów ze zmianą stopnia polaryzacji światła o częściowej koherencji czasowej po przejściu przez kryształ niobianu litu. Wykazano wpływ zastosowanych dwójłomnych elementów pomiarowych na wyniki pomiarów parametrów polaryzacyjnych światła o częściowej koherencji czasowej. W materiałach magnetooptycznych opisano wpływ indukowanej zewnętrznym polem magnetycznym dwójłomności kołowej i liniowej na depolaryzację wiązki propagującego się światła. Wprowadzono macierz kompensacji do analizy pracy modulatora magnetooptycznego w skrzyżowanych polach wspomagających. Wskazano, jak depolaryzacja wynikająca z częściowej koherencji czasowej wpływa na parametry izolatorów i modulatorów magnetooptycznych. Przedstawiono analizę zmian stopnia polaryzacji światła o częściowej koherencji czasowej propagującego się w światłowodowych włóknach dwójłomnych. Pokazano, że wprowadzone macierze depolaryzacji i kompensacji ułatwiają analizę pracy czujników polarymetrycznych i kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej.

EN

In this work a review of matrix methods used for polarization analysis of partially coherent light is presented. For two types of light source, i.e. Lorentzian or Gaussian, a polarization degree fading due to propagation of partially coherent light in birefringent media is analyzed. The analysis was carried out by utilizing the Mueller-Stokes matrix method modified by the introduction of a depolarization matrix with elements dependent on birefringence of the medium, type of light source, azimuth of light beam as well as on the degree of its temporal coherence. Results of experiments in which the degree of polarization of partially coherent light changes during propagation through lithium niobiate crystal are presented. The influence of birefringence of optical elements used in measurements of polarization parameters of partially coherent light is proved. Depolarization of light during propagation in magnetooptical media with circular and linear magnetically induced birefringence is described. A compensation matrix was introduced to analyze a magnetooptical modulator with a separated auxiliary magnetic field. The influence of depolarization caused by partially coherent light on parameters of optical isolators and modulators is shown. An analysis of polarization degree changes for temporary coherent during propagation in birefringent optical fibers is presented. It is also shown depolarization and compensation matrices are helpful tools in the analysis of the performance of polarimetric optical fiber sensors as well as of compensators for polarization mode dispersion.

Słowa kluczowe

PL

światło; polaryzacja; koherencja; dwójłomność; depolaryzacja; macierz Muellera; wektor Stokesa

EN

light; polarization; coherence; birefringence; depolarization; Mueller matrix; Stokes vector

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Fizyka
• Rocznik: 2005
• Tom: z. 52
• Strony: 3--78
• Opis fizyczny: Bibliogr. 82 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Domański A. W.

• Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] R.C. Jones, New Calculus for the Treatment of Optical Systems I. Descriptions and Discussion of the Calculus, Journal of the Optical Society of America, 1941, vol. 31, pp. 488-493.
• [2] H. Mueller, The foundations of optics, Journal of the Optical Society of America, 1948, vol. 38. p. 661.
• [3] E. Wolf, Coherence Properties of Partially Polarized Electromagnetic Radiation, Il Nuovo Cimento, 1959, vol. 13, pp. 1165-1181.
• [4] B. Karczewski, E. Wolf, Comparison of Three Theories of Electromagnetic Diffraction at an Aperture, Journal of the Optical Society of America, 1966, vol. 56, pp. 1207-1213.
• [5] T. Jannson, Analysis of the polarization states of a wave diffracted by an ideally conducting half-plane, Acta Physica Polonica, 1969, vol. 36, pp. 803-812.
• [6] A.W. Domański, Muller matrix formalism in diffraction phenomena, Optics Comm., 1975. vol. 14, no 3, pp. 281-286.
• [7] A.W. Domański, Diffraction ellipsometery at microwave wavelenghts, Journal of the Optical Society of America, 1979, vol. 69, no 2, pp. 328-332.
• [8] W.K. Burns, Optical fiber rotation sensing, Academic Press, INC. San Diego 1994.
• [9] W. Bock, A.W. Domański, High hydrostatic pressure effects in highly birefringent optical fibers, J. Lightwave Techn., 1989, vol. 7, no 8, pp. 1279-1283.
• [10] A.W. Domański, M. Karpierz, M. Sierakowski, M. Świłło, T.R. Woliński, Polarimetric Optical Fiber Sensor with Compensated Birefringence for Dynamic Strain Measurement, Proc. SPIE, 1997, vol. 3189, pp. 83-85.
• [11] A.W. Domański. Polarization fading of partially coherent light in birefringent media. VII International Workshop on Nonlinear Optics Applications, NOA 2004, Konstancin, Poland, June 17-20, 2004.
• [12] A.W. Domański, Polarization degree fading during propagation of partially coherent light through retarders, zaakceptowano do druku w Optoelectronic Review, 2005.
• [13] A.W. Domański, Magnetooptical isolator for partially polarized laser beam, Laser/Optoelectronics in Engineering, Proceedings of the 9th International Congress Laser 89 Optoelectronic Microwaves, Springer Verlag, Berlin 1990, pp. 843-845.
• [14] A.W. Domański, Magnetooptical modulators and isolators of partially polarized light (invited paper ), Proc. SPIE, 1997, vol. 3094, pp. 121-130.
• [15] A.W. Domański, R. Maślanka, Magnetooptical modulator with crystal in a separated auxiliary field, Applied Optics, 1981, vol. 20, no 24, pp. 4245-4247.
• [16] A. Domański, R. Maślanka, Sposób modulacji światła w skrzyżowanych polach magnetycznych, Patent Polski Nr 125920/1982.
• [17] A.W. Domański, M.E. Pietrzyk. Influence of magnetooptical crystal linear birefringence on the parameters of an optical isolator, Proc. SPIE, 1995, vol. 2202, pp. 190-195.
• [18] W. Bock, A.W. Domański, High Hydrostatic Pressure Optical Fiber Sensor, US Patent Nr 4920261, 1990.
• [19] W. Bock, A.W. Domański, Birefringent optical fiber device for measuring of ambient pressure in stabilized temperature environment, Canada, Patent Nr 1312109, 1990.
• [20] A. Domański, W. Bock. Światłowodowy czujnik do pomiaru ciśnienia, Patent Polski Nr 162955/1992.
• [21] W.J. Bock, A.W. Domański. High hydrostatic pressure sensing using highly birefringent optical fibers, Int. J. Optoelect., 1989, vol. 4, no 3-4, pp. 295-300.
• [22] W.J. Bock, A.W. Domański, T.R. Woliński, Influence of High Hydrostatic Pressure on Beat Length in Highly Birefringent Single-Mode Bow-Tie Fibers, Appl. Optics, 1990, vol. 29, pp. 3484-3488.
• [23] A.W. Domański. T.R. Woliński, W.J. Bock, Method for Angular Alignment of Birefringent Fibers in Fiber-Optic Pressure/Strain Measurement, IEEE Trans. Instrum. Meas., 1992, vol. 41, pp. 1050-1052.
• [24] W.J. Bock, W. Urbańczyk, R. Buczyński, A.W. Domański, Cross-sensitivity effect in temperature-compensated sensors based on highly birefringent fibers, Applied Optics, 1994, vol. 33, no 15, pp. 6078-6083.
• [25] A.W. Domański, W.J. Bock, Birefringence variation with high pressure and temperature in elliptical core single mode fiber, Proc. SPIE, 1990, vol. 1085, pp. 467-469.
• [26] A.W. Domański, T.R. Woliński, W.J. Bock, Polarimetric fiber optic sensors: state of the art and future, Proc. SPIE, 1994, vol. 2341, pp. 21-28.
• [27] D. Malinowski, A. Domański, Sposób i urządzenie do pomiaru koherencji źródeł światła, Patent Polski Nr 164507/1993.
• [28] D. Malinowski, A. Domański, Sposób ważenia i waga, zwłaszcza do ważenia pojazdów kołowych, Patent Polski Nr 162777/1993.
• [29] A.W. Domański, D. Malinowski, Method of coherence length measurement of laser diode light utilizing changes in polarization degree of light during propagation trough high birefringent optical fibre, Laser in Engineering, Proceedings of the 10th International Congress Laser 91, Springer Verlag, pp. 88-91, Berlin 1992.
• [30] A. W. Domański, M.A. Karpierz, A. Kujawski, T.R. Woliński, Polarimetric fiber sensors for partially polarized laser source, Laser in Research and Engineering, Proceedings of the 12th International Congress Laser 95, Springer Verlag, pp. 684-687, Berlin 1996.
• [31] A.W. Domański, T.R. Woliński, M.A. Karpierz, A. Kujawski, Polarimetric fiber optic sensors with partially polarized laser source, Proc. SPIE, 1995, vol. 2507, pp. 204-210.
• [32] T.R. Woliński, W. Konopka, A.W. Domański, Polarimetric Optical Fibers Sensors for Static and Dynamic Strain Measurement, Optica Applicata, 2001, vol. 31, no 2, pp. 385-398.
• [33] W. Konopka, T.R. Woliński , A.W. Domański and M.A. Karpierz, Polarimetric Fiber Optic System for Static and Dynamic Strain Measurement, Acta Phys. Polonica A, 2001, vol. 99, no 1, pp. 207-212.
• [34] T.R. Woliński, A.W. Domański, Polarisation Mode Dispersion in Birefringent Optical Fibres, Acta Phys. Polonica A, 2003, vol. 103, pp. 211-220.
• [35] A.W. Domański, P. Lesiak. T.R. Woliński, Longitudinal Strain Induced Birefringence in Highly Birefringent Fiber for Dynamic Compensation of Polarisation Mode Dispersion, Acta Phys. Polonica A, 2003, vol. 103, pp. 221-228.
• [36] T.R. Woliński, P. Lesiak, K. Szaniawska, A.W. Domański, J. Wójcik, Polarization mode dispersion in birefringent microstructured fibers, Optica Appl., 2004, vol. 34, no 4, pp. 541-549.
• [37] T.R. Woliński, P. Lesiak, A.W. Domański, R. Dąbrowski, J. Kędzierski, E. Nowinowski-Kruszelnickl, Polarization mode dispersion in an elliptical liquid crystal-core fiber, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2004, vol. 421, pp. 175-186.
• [38] A.W. Domański, Compensation analysis of polarization mode dispersion for partially coherent light. DGaO and Section of Optics of the PTF Joint Conference, 2005, Wroclaw. May 17111-20111.
• [39] R.C. Jones , New Calculus for the Treatment of Optical Systems III- VIII, Journal of the Optical Society of America, 1941, vol. 31, pp. 500-503; 1942, vol. 32, pp. 486-493; 1947, vol. 37, pp. 107-110; 1947, vol. 37, pp. 110-112; 1948, vol. 38, pp. 671-685; 1956, vol. 46. pp. 126-131.
• [40] W.A. Shurkliff, Polarized light. production and use, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetss 1962.
• [41] Ch. Brosseau, Fundamentals of polarized light, a statistical optics approach, John Wiley & Sons, New York 1998.
• [42] S. Huard, Polarization of light, John Wiley & Sons, Paris 1996.
• [43] F. Ratajczyk, Optyka ośrodków anizotropowych, PWN, Warszawa 1994.
• [44] I. Ścierski, F. Ratajczyk, The Jones Matrix of the Real Dichronic Elliptical Object, Optic, 1984, vol. 68, no 2, pp. 121.
• [45] M. Born, N. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford 1964.
• [46] D. Goldstein, Polarized light, Marcel Dekker, New York 2003.
• [47] E. Collet, Polarized Light: Foundamentals and Applications, Marcel Dekker, New York 1992.
• [48] I. Ścierski, The Mueller Matrix of Dichronic Elliptic Anisotropic Object, Optic, 1984, vol. 68, no 3, pp. 225.
• [49] J. Goodman, Optyka statystyczna, PWN, Warszawa 1993.
• [50] K. Iizuka, Engineering Optics, Kyoritsu Shuppan Co., Tokyo 1983.
• [51] J.F. Nye, Physical Properties of Crystal, Oxford University Press, Oxford 1985.
• [52] R.A. Chipman, Depolarization in the Mueller Calculus, Proc. SPIE, 2003, vol. 5158, pp. 184-192.
• [53] S.R. Cloude, The physical interpretation of eigenvalue, problems in optical scattering polarimetry, Proc. SPIE, 1997, vol. 3121, pp. 88-99.
• [54] L. Landau, E. Lifszic, Elektrodynamika ośrodków ciągłych, PWN, Warszawa 1960, s. 330, 431.
• [55] P. Hansen, J.-P. Krumme, Magnetic and magneto-optical properties of garnet films, Thin Solid Films, 1984, vol. 114, pp. 69-107.
• [56] W.J. Tabor , Magnetooptic materials in Laser Handbook, eds . F.T. Arecchi, E.O. Shultz-Dubois, North-Holland, vol. 1, pp. 1009-1027, Amsterdam 1972.
• [57] T. Yoshiko, Compact and Highly Efficient Faraday Rototars Using Relatively Low Verdet Constant Faraday Materials, Japanese Journal of Applied Physics, 1980, vol. 19, no 4, pp. 745-749.
• [58] J.C. Suits, B.E. Argyle, Paramagnetic Faraday Rotation of Eu Se, Journal of Applied Physics, 1965, vol. 36, no 3, pp. 1251-1252.
• [63] A.E. Turner, R.L. Gunshor, S. Datta, New class of materials for optical isolators, Appl. Optics, 1983, vol. 22, pp. 3152-3154.
• [64] J.A. Gaj, R.R. Gałązka, M. Nawrocki, Giant exciton Faraday rotation in Cd1-xMnx Te mixed crystals, Solid State Comm., 1983, vol. 25, pp. 193-195.
• [65] M. Abe, H. Nakagawa, M. Gomi, S. Nomura, Film thickness allowance and waveguide length in 3-layer undirectional magneto-optical TE-TM mode converter, Japanese Journal of Applied Physics, 1982, vol. 21, no 1, pp. 85-89.
• [66] K. Machida, Y. Asahara, H. Ishikawa, K. Nakajama, Y. Fuji, Magneto-optical properties of Bi-substituted epitaxial rare-earth iron garnet think films, Appl. Phys., 1987, vol. 61, no 8, pp. 3256-58.
• [67] M.J. Freiser, A survey of magnetooptic effects, IEEE Trans. Magnetics, 1968, vol. MAG. no 2, pp. 125-161.
• [68] A.K. Zvezdin, V.A. Vakotov, Modern magnetooptics and magnetooptical material, IOP Publishing, Bristol 1997.
• [69] S. Sugano, Magneto-Optics, Springer Verlag, Berlin 2000.
• [70] H. Le Gall, Magnetooptical effects and materials, in Photonics, eds. M. Balkanski, P. Lallemand, Gauthics Villars, Paris 1975.
• [71] R.C. Le Craw, Wide band infrared magneto-optic modulator, IEEE Trans. Magnetics, 1966, vol. MAG, no 2, pp. 304.
• [72] D.K. Wilson, Optical Isolators Adept to Communication Needs, Laser Focus World, 1991.
• [73] J.F. Dillon, J.P. Remeika, C.R. Staton, Linear Magnetic Birefringence in Cubic Magnetic Crystals, J. Appl. Phys., 1969, np 40, pp. 1510.
• [74] A. Majewski, Podstawy techniki światłowodowej , PW, Warszawa 2000.
• [75] C. Tsao, Optical fiber waveguide analysis, Oxford University Press, Oxford 1982.
• [76] W.J. Bock. T.R. Woliński, T.A. Eftimov, Polarimetric fiber-optic strain gauge using two-mode highly birefringent fibers, Pure Appl. Opt., 1996, vol. 5, pp. 125-139.
• [77] T.R. Woliński, Polarization Phenomena in Optical Systems, in Encycl. of Opt. Engineering. eds. R. Diggers, M. Dekker, New York 2003.
• [78] H.M. Xie, P. Dabkiewicz, R. Ulrich, Side-hole fiber optic pressure sensing, Opt. Lett., 1986. vol. 11, pp. 333-335.
• [79] W.J. Bock, W. Urbańczyk and J. Wójcik, Characterization of elliptical-core side-hole fiber for interferometric pressure sensing, Proc. SPIE, 1994, vol. 2341, pp. 152 159.
• [80] J.P. Dakin, C.A. Wade, Compensated polarimetric sensor using polarization-maintaining fiber in a differential configuration, Electron. Lett., 1984, vol. 20, pp. 50-53.
• [81] H. Sunnerund, C. Xie, M. Karlsson, R. Samuelsson and P.A. Andrekson, A comparison between different PMD compensation techniques, J. Lightwave Technol., 2002, vol. 20, no 3, pp. 368-378.
• [82] T.R. Woliński , K. Szaniawska, P. Lesiak and A.W. Domański, Dynamic compensation of PMD by using highly birefringent optical fibers, Proc. SPIE, 2004, vol. 5576, pp. 362-366.