Лекция 4 Световые волны и оптические системы

Излучение лазера формируется в пучок и фокусируется на дорожке с помощью оптической системы. Та же самая оптическая система собирает свет, отраженный от поверхности компакт-диска и направляет его на фотоприемник – прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. В зависимости от способа фокусировки, способа слежения за дорожкой и замысла конструктора, оптическая система может состоять из разных элементов и иметь большее или меньшее их число. При этом построение оптической системы в значительной степени обусловлено характером излучаемого лазером света.

Свет – это электромагнитная волна, которая представляет собой периодическое изменение в пространстве и во времени электрического и магнитного полей. Любая электромагнитная волна является поперечной, то есть направление колебаний характеризующих ее векторов напряженности электрического Ē и магнитного Η полей перпендикулярно направлению распространения волны. Кроме того, колебания векторов Ē и Н происходит строго синхронно и во взаимно перпендикулярных направлениях (рис.2).

Таким образом, можно выделить два важных обстоятельства. Во-первых, электромагнитная волна является поперечной. Во-вторых, существует однозначная пространственная связь между векторами Е и Н – положение одного из них полностью определяет положение другого. Поэтому словно принято рассматривать только электрический вектор Ē, что имеет и определенный физический смысл, так как взаимодействие излучения с веществом определяется, в основном, электрическим, а не магнитным полем.

Поперечные волны обладают изначальным, по самой природе им присущим свойством, называемым поляризацией. По отношению к световым волнам применяется термин «поляризация света». Под этим понимается пространственное соотношение между направлением распространения светового луча и направлением его электрического (или магнитного) вектора. Возможны различные варианты поляризации света.

Если при распространении световой волны направление колебаний электрического вектора бессистемно, хаотически изменяется и, следовательно, любые его направления в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны равновероятны, то такой свет называют неполяризованным или естественным.

Если колебания электрического вектора фиксированы строго в одном направлении, то свет называют линейно поляризованным. Он может быть вертикально линейно поляризован, горизонтально линейно поляризован или линейно поляризован по любому другому направлению.

Графически поляризованный свет удобно изображать в виде проекции траектории конца колеблющегося электрического вектора на плоскость, перпендикулярную направлению распространения луча. Если на этой плоскости выбрать произвольно некоторую систему координат X,Y, то линейно поляризованный свет будет иметь вид отрезка прямой под определенным углом α к одной из выбранных осей (рис.3).

Линейная поляризация – свойство монохроматической волны, то есть волны, длина, период и начальная фаза которой не изменяются со временем. Как говорилось ранее, лазерное излучение является монохроматическим.

Однако линейная поляризация монохроматической волны наблюдается только тогда, когда разность фаз φ между составляющими X и Y суммарного вектора равна нулю (рис.4а). Аналогичная картина будет иметь место при разности фаз равной nπ, где n – целое число (рис.4). Во всех других случаях конец вектора электрического поля по мере распространения волны вдоль оси Z будет описывать поверхность эллиптического цилиндра (рис.4б). Такой случай называется эллиптической поляризацией.

Если же разность фаз при одинаковых амплитудах составит π/2 или (2n-1) π/2, где n – целое число, то эллиптический цилиндр станет круговым, а поляризация – круговой поляризацией (рис.5). Различают правую и левую поляризацию.

Поляризация называется правой, если наблюдателю, смотрящему навстречу световому лучу, кажется, что конец электрического вектора вращается по часовой стрелке, и левой – если в противоположном направлении.

Рассмотрим один из возможных вариантов построения оптической системы, в котором представлены практически все используемые в таких случаях элементы (рис.6).

Как уже отмечалось, излучение полупроводникового лазера является расходящимся. Поэтому, чтобы получить параллельный пучок, используется специальная линза (или система линз) – коллиматор. После этого параллельный пучок света попадает на поляризационный расщепитель луча, представляющий собой прямоугольную призму, изготовленную из исландского шпата и состоящую из двух треугольных призм, склеенных между собой наклонными плоскостями (рис.7). Такая призма обладает свойством пропускать беспрепятственно только ту составляющую поляризованного света, направление поляризации которой параллельно плоскости падения луча (на рис.7 эта плоскость совпадает с плоскостью чертежа). Составляющая, направление поляризации которой перпендикулярно плоскости падения луча (плоскости чертежа), отражается наклонными гранями треугольных призм. Состав, находящийся в месте их соединения (канадский бальзам, акриловый клей или льняное масло), усиливает эффект расщепления.

Выделение только одной составляющей луча необходимо для того, чтобы в дальнейшем можно было отделить пучок, поступающий со стороны лазера, от пучка, отраженного поверхностью компакт-диска.

После того, как разделение выполнено, луч проходит через так называемую четвертьволновую пластинку. Четвертьволновой она называется потому, что обеспечивает разделение проходящего через нее света на два параллельных пучка с разностью фаз колебаний их векторов поляризации в 90˚ (четверть длины волны). При этом поляризация пучка меняется с линейной на круговую (рис.5). Такой эффект достигается следующим образом.

Пластинка изготовлена из материала (исландский шпат), коэффициент преломления которого зависит от взаимной ориентации его оптической оси и направления падения луча

(а следовательно, направления поляризации вектора Ē). Такие материалы называются анизотропными. Если пластинку расположить так, чтобы между ее оптической осью и направлением поляризации падающего луча был угол 45º (рис.8), то при прохождении через нее света будет наблюдаться двойное лучепреломление и образуются два луча с одинаковой амплитудой, но разной фазой. Преломленный луч при этом называется обыкновенным, а тот, который проходит без преломления – необыкновенным. Толщину пластинки подбирают так, чтобы сдвиг фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами составил 90º (рис.9). Тогда линейно поляризованный луч изменит свою поляризацию на круговую.

После этого свет проходит через фокусирующий объектив, модулируется питами дорожки компакт-диска и, отражаясь от его поверхности, снова попадает в объектив.

Отраженный пучок также имеет круговую поляризацию, но направление вращения вектора при отражении меняется на противоположное. После прохождения четвертьволновой пластинки поляризация света вновь станет линейной, но направление ее будет теперь перпендикулярно направлению поляризации исходного луча. Поэтому призма-расщепитель не пропустит отраженного света, а повернет его в сторону фотоприемника. Попадание отраженного пучка в резонатор лазера – явление в общем случае нежелательное, так как это приводит к изменению режима генерации и появлению паразитных шумов.

Для согласования диаметра отраженного пучка и размеров фотоприемника может использоваться еще одна линза (или система линз).

Фотоприемник – это прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. Для преобразования используется эффект генерации светом электронов и дырок в полупроводнике. Фотоприемники, как правило, имеют несколько изолированных друг от друга светочувствительных площадок. Их число зависит от выбранных методов фокусировки и слежения за дорожкой (автотрекинга).

Следует заметить, что фокусирующий и согласующий объективы, а также коллиматор – это чаще всего не одна линза, как показано на рис.6, а система из нескольких линз. Дело в том, что простая линза обладает целым рядом оптических недостатков, известным под общим названием аберрации. В силу особенностей используемого в оптической записи лазерного излучения, большинством аберраций здесь можно пренебречь. Неприятным явлением остается только сферическая аберрация.

Сферическая аберрация возникает из-за того, что попавший в линзу широкий пучок после преломления пересекается не в одной точке, а в нескольких точках, расположенных на главной оптической оси (рис.10). Это явление вызвано тем, что степень преломления лучей, попадающих на края линзы больше, чем степень преломления приосевых (параксиальных) лучей, расположенных ближе к центру. Поэтому у такой линзы невозможно точно определить фокус. Присутствие сферической аберрации затрудняет получение светового пятна достаточно малых размеров.

Величина сферической аберрации зависит от формы линзы, а также от ее положения относительно объекта или плоскости изображения.

Влияние сферической аберрации можно уменьшить до необходимых пределов путем придания поверхности линзы асферической формы или путем подбора системы из нескольких линз. Асферическую линзу (к тому же миниатюрных размеров) изготовить очень трудно – требуется чрезвычайная точность. А многолинзовый объектив получается дорогим. Тем не менее, чаще всего используют второй путь.

Кроме схемы, показанной на рисунке 6, существует множество других оптических схем, построение которых зависит от используемых способов фокусировки, автотрекинга и прочих факторов.