Методы и средства оптической астрополяриметрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор технических наук Шутов, Альберт Михайлович

• Шутов, Альберт Михайлович
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Шутов, Альберт Михайлович

Введение.

Глава I

Методы описания поляризованных оптических полей

1.1 Поляризационные параметры флуктуирующего оптического излучения.

1.2 Статистическая интерпретация частично поляризованного излучения

1.3 Распространение оптического излучения в анизотропной среде.

1.4 Распространение оптического излучения в неоднородной среде.

Глава

Приборы для поляриметрических исследований

2.1 Оптические анализаторы поляризации.

2.2 Фазосдвигатели

2.3 Оптические схемы устройств измерения вектора Стокса.

2.4 Стокс-поляриметрический модуль на кристаллах ДКДР

Глава III

Автоматизированные устройства интегральной поляриметрии

3.1 Методика поляризационных измерений.

3.2 Стокс-поляриметр.

3.3 Стокс-поляриметр с акустооптическим разделением каналов.

3.4 Стокс-э ллипсометр.

Глава IV

Автоматизированные устройства панорамной поляриметрии

4.1 Принцип модульного построения видеополяриметров.

4.2 Способ измерения поляризационных параметров флуктуирующих оптических полей

4.3 Видеополяриметры

4.4 Стокс-поляриметр с использованием П 3 С.

4.5 Стокс-поляриметр со сканирующим приёмником изображения.

Глава V

Поляризационно-оптические методы и приборы для измерения магнитных полей

5.1 Теоретические основы методов измерения магнитных полей.

5.2 Методы измерения магнитных полей.

5.3 Устройства для измерения магнитных полей.

Глава VI

Устройства для калибровки стокс-поляриметров

6.1 Стокс-калибратор I.

6.2 Стокс-калибратор II.

6.3 Универсальные поляризационные осветители.

Глава VII

Эксплуатационные характеристики устройств поляриметрии

7.1 Выбор режима работы фотоэлектронных умножителей.

7.2 Фотоприёмники ПЗС.

7.3 Разрешающая способность и чувствительность устройств поляриметрии

7.4 Погрешности измерения параметров поляризации.

Глава VIII

Использование компьютеров при .проведении .поляриметрических .исследований

8.1 Определение параметров Стокса

8.2 Определение распределений параметров Стокса

8.3 Определение параметров Стокса методом наименьших квадратов.

8.2 Моделирование работы поляриметрических устройств

Глава IX

Проблемы исследования флуктуаций поляризации оптического излучения космических объектов

9.1 Анализ причин возникновения и изменения состояния поляризации космических объектов.

9.2 Поляризационные исследования в астрофизике.

9.2.1 Солнце

9.2.2 Луна.

9.2.3 Планеты.

9.2.4 Астероиды.

9.2.5 Кометы.

9.2.6 Зодиакальный свет и свечение ночного неба.

9.2.7 Мезосферные облака

9.2.8 Звезды и звездообразные источники.

9.2.9 Газово-пылевая космическая среда.

9.2.10 Галактика.

9.2.11 Внегалактические объекты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства оптической астрополяриметрии»

Оптическая астрополяриметрия - один из наиболее важных и значимых разделов астрофизики, дающий возможность получать существенную информацию о свойствах различных космических объектов. На современном этапе её развития у подавляющего большинства исследуемых астрономических объектов обнаружена пространственно временная нестабильность поляризации оптического излучения. К ним относятся Солнце, Луна, объекты современной планетологии, кометы и астероиды, нестационарные звёзды, туманности, Галактика, внегалактические и другие объекты. При этом, для исследования изменяющейся поляризации требуются особые нетрадиционные методы и средства астрополяриметрии.

Кроме того, из анализа многочисленных публикаций следует, что существующие в настоящее время методы и устройства астрополяриметрии имеют часто точность измерений, быстродействие и информативность не соответствующую современным потребностям астрофизики и не позволяют измерять все поляризационные параметры флуктуирующего оптического излучения.

В связи с этим, необходима разработка новых более совершенных методов астрополяриметрии и создание поляриметрических приборов с улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующими. Особенно актуальна при этом, разработка эффективных методов и устройств панорамной астрополяриметрии [2.49, 4.12, 4.23, 4.24], с помощью которых возможно выделить и визуализировать результаты исследований оптических полей протяженных космических объектов с флуктуирующей поляризацией. Важной задачей также является создание и применение устройств измерения всех четырёх параметров Стокса и регистрации их изменений [4.26], а также программ для моделирования работы стокс -поляриметров в процессе проектирования, калибровки и контроля в режиме практической эксплуатации. Использование новых методов и средств оптической астрополяриметрии позволяет перейти от измерения локальных или интегральных поляризационных параметров исследуемых объектов к измерению непрерывных распределений поляризации. При этом, появляется возможность установить корреляции между различными физическими характеристиками объектов и таким образом, получить обширную информацию о структурных особенностях их излучения, о свойствах взаимодействующей с излучением среды и изменениях происходящих со средой в реальном масштабе времени.

В соответствии с вышеизложенным методам и приборам современной астрополяриметрии требуется радикальное совершенствование. Решение возникающих в этом случае проблем имеет важное научно-техническое и практическое значение, вносит существенный вклад в развитие научных исследований и позволит решить многие проблемы современной астрофизики.

Целью настоящей диссертации является систематизированное рассмотрение новых разработанных методов и комплекса средств оптической астрополяриметрии, позволяющих измерять все параметры Стокса и их флуктуации в реальном масштабе времени, а также результатов использования их на практике при решении проблемных задач астрофизики.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

- исследование различных факторов, ограничивающих точность, быстродействие и информативность существующих поляриметрических устройств;

- разработка новой нетрадиционной методики поляриметрии, позволяющей организовать измерение значений всех поляризационных параметров флуктуирующего оптического излучения в реальном масштабе времени;

- разработка и конструирование новых устройств модуляции четырёх параметров Стокса с повышенным быстродействием и улучшенными эксплуатационными свойствами;

- разработка поляриметрических устройств измерения параметров распределенной поляризации;

- разработка принципиально новой методики и приборов для калибровки создаваемых поляриметрических устройств;

- разработка программ и использование современных компьютеров для обработки результатов поляриметрических измерений;

- разработка программы для моделирования создаваемых устройств на ЮМ РС для исследования влияния различных факторов на точность измерения параметров поляризации;

- проведение экспериментальных исследований разработанных устройств астрополяриметрии;

- анализ причин, приводящих к возникновению и изменению состояния поляризации различных астрообъектов;

- рассмотрение перспективы использования разработанных устройств для исследования космических объектов с изменяющимися поляризационными параметрами.

Аналитические исследования различных существующих методов и основанных на них оптико - электронных устройств астрополяриметрии выполнены на основе современных теорий электрооптического, магнитооптического и акустооптического эффектов и методов расчёта с помощью матриц Мюллера. Методика реализована в виде программ для ЮМ РС.

В результате выполненной работы были разработаны и созданы новые нетрадиционные методы и приборы контроля природной среды, материалов, веществ и изделий. Они являются решением важной научно-технической проблемы, имеют большое практическое значение, описаны в диссертации и представляются на защиту: 1.Предложен и теоретически обоснован новый способ селективного измерения поляризации нестационарных оптических полей, заключающийся в последовательной визуализации областей оптического поля с заранее заданными значениями параметров Стокса и интервалами их флуктуаций.

2.Предложен и практически реализован принцип модульного построения видеополяриметров. Современный поляриметр может быть построен из трех самостоятельных, пространственно разнесённых измерительных модулей: поляриметрического устройства, блока обработки информации и блока регистрации.

3.Предложен и практически реализован метод двойной поляризационной модуляции под действием одного управляющего напряжения с помощью устройства, состоящего из двух электрооптических кристаллов, сложенных в стопу и зажатых между прозрачными электродами и установленными перед линейным анализатором поляризации.

4.Предложен и практически реализован метод динамической калибровки быстродействующих устройств стокс-поляриметрии.

5.Предложены и практически реализованы новые типы вращателей плоскости поляризации и фазосдвигателей с управляемыми параметрами с использованием активных преобразователей поляризации, принцип действия которых основан на электро- и акустооптических эффектах с улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующими аналогами.

6.Созданы действующие макеты поляриметрических устройств, реализующие метод двойной поляризационной модуляции и способ селективного измерения поляризации нестационарных оптических полей.

7. Разработан метод динамической калибровки поляриметров и реализованы действующие макеты стокс - калибраторов, работа которых основана на методе двойной поляризационной модуляции. Калибраторы динамического типа позволяют направлять в оптический тракт поляриметрического устройства излучение с изменяющимися по известному закону параметрами Стокса.

8.Рассмотрено использование ЭВМ РС при определении параметров Стокса, составлены программы и получены результаты моделирования работы поляриметрических устройств, позволяющие исследовать влияние различных факторов на проектируемое поляриметрическое устройство.

Диссертация написана на основе работ выполненным лично автором, при его непосредственном участии в работе и на основе работ выполненных под его руководством. Реализация результатов работы отражена в приложении справками и актами использования изготовленных устройств полученными от различных организаций.

Основные материалы, составляющие содержание диссертации обсуждались на конференциях в СПбГУ (г.С.Петербург), ИФП СО РАН (г.Новосибирск), ВНИИОФИ (г.Москва), НГТУ (г. Н.Новгород), на научных семинарах в ИСЗФ СО РАН (г. Иркутск), НГГУ и ИПФ РАН (г.Н.Новгород), АБАО АН Грузии (п.Абастумани), ГАО НАН Украины (г. Киев), в ИКИ РАН (г. Москва) и САО РАН (п. Нижний Архыз, КЧР). Работы по теме диссертации проводились в рамках госбюджетной тематики, хоздоговорной работы и договоров о научно-техническом сотрудничестве.

Основные результаты работы опубликованы в 21 научных трудах, в том числе в 6 авторских свидетельствах на изобретения и патенте России, кроме того, некоторые работы депонированы и несколько работ представлено в виде тезисов докладов на научных конференциях.

Диссертация состоит из девяти логически связанных глав.

В первой главе рассмотрен математический аппарат современной поляриметрии, различные математические представления, используемые для характеристики состояния поляризации флуктуирующего оптического излучения, дана статистическая интерпретация частично поляризованного излучения, кратко описан метод экспериментального определения поляризационных параметров и записано уравнение поляризационного эллипса, выраженное через параметры вектора Стокса. Приведены сведения из феноменологических теорий, кратко описывающих распространение света в анизотропной среде, электрооптический, магнитооптический и акустооптический эффекты и информация о распространение оптического излучения в неоднородной среде. Эти сведения необходимы для практического расчёта различных поляриметрических устройств.

Во второй главе описаны конструкции и характеристики различных поляризационных приборов применяемых для астрофизических исследований, рассмотрены наиболее часто применяемые оптические анализаторы поляризации, различные существующие оптические устройства стокс-поляриметрии с использованием пассивных и активных преобразователей поляризации [2.43], работа которых основана на электрооптическом эффекте Поккельса, магнитооптическом эффекте Фарадея и явлении фотоупругости.

На основе выполненных расчётов и проведённого анализа сделан вывод о том, что в настоящее время для исследования излучения объектов, характеризующихся поляризационной нестабильностью, наиболее перспективными являются применение оптических устройств, в конструкции которых использованы комбинации различных активных преобразователей поляризации. Показаны преимущества различных поляриметрических устройств, в которых использованы активные преобразователи поляризации по сравнению с устройствами на пассивных преобразователях. Они имеют малые световые потери, широкую полосу пропускания, высокие и стабильные эксплуатационные характеристики, позволяют сконструировать устройства для измерения всех параметров Стокса и их флуктуаций в реальном масштабе времени.

Рассмотрены новые типы разработанных и использованных в лабораторных условиях электрооптических и акустооптических вращателей плоскости преимущественной поляризации [2.24, 2.46, 2.47, 2.48], которые содержат фазосдвигатели из электрооптического кристалла или акустооптического элемента и, установленные по обе стороны от них, две четвертьволновые пластинки с параллельной ориентацией оптических осей. Сравнительно простые по своей конструкции такие вращатели плоскости поляризации обладают высокой гиротропностью и скоростью вращения плоскости поляризации. При этом за счёт высокого качества таких вращателей может быть повышена степень линейной поляризации выходящегого луча. Их преимуществом перед другими вращателями является возможность вращения плоскости преимущественных колебаний вектора Ё произвольного азимута.

В варианте с электрооптическим активным элементом возможно неравномерное, дискретное или программно - управляемое изменение положения плоскости преимущественной поляризации выходящего излучения в зависимости от формы управляющего электрооптическим кристаллом напряжения. При этом угол поворота будет пропорционален приложенному напряжению. В случае с фотоупругим, резонансным активным элементом изменение фазы происходит, как правило по гармоническому закону, в результате чего плоскость поляризации будет поворачиваться неравномерно или будет совершать колебания с фиксированной частотой.

Разработанные типы вращателей плоскости поляризации могут найти широкое применение в различных конструкциях прецизионных поляризационных угломеров.

Фазосдвигатели с управляемыми параметрами по произвольно заданному закону [2.25]: направлением азимута оптической оси и величиной фазового сдвига, состоят из двух идентичных, активных фазовых элементов с одинаковым направлением оптических осей и расположенного между ними внутреннего, активного элемента. Азимут оптической оси наведенной анизотропии активного элемента отличается на 45° от азимутов оптических осей внешних фазовых элементов.

Таким образом, с помощью рассмотренного фазосдвигателя, может быть практически реализована фазовая пластинка с любым желаемым фазовым сдвигом и переменным азимутом оптической оси, изменяющимся равномерно, с шаговым изменением или по любому другому закону без использования, каких бы то ни было, механических движущихся элементов.

Как правило, во всех типах активных фазосдвигателей фазовый сдвиг в первом приближении обратно пропорционален длине волны проходящего излучения, что приводит в рассматриваемых устройствах к различным поворотам азимута поляризации и изменению фазового сдвига на разных длинах волн. Однако использование ахроматизированных пассивных элементов и возможность управления амплитудой управляющего напряжения активных элементов позволяет оперативно перестраивать спектральные характеристики этих устройств. Таким образом, использование ахроматических фазовых пластин позволяет расширить рабочий спектральный диапазон устройства, а применение электрооптических кристаллов или акустооптических элементов существенно повысить его быстродействие. Фазосдвигатели с управляемыми параметрами по произвольно заданному закону: направлением азимута оптической оси и величиной фазового сдвига, могут быть использованы в различных поляриметрических устройствах для модуляции всех составляющих вектора Стокса.

Рассмотрена оптическая схема разработанного и сконструированного стокс-поляриметрического модуля на кристаллах БЫЗР [2.44,2.49,2.50], в конструкции которого в качестве преобразователя поляризации использованы две одинаковые пластины монокристалла ЭКЮР. Они сложены в стопу так, что боковые грани пластин развернуты относительно друг друга на угол в 45°. Пластины зажаты между двумя прозрачными электродами и управляются одним электрическим полем. Они установлены перед линейным анализатором и отъюстированы так, что наведённая ось первой пластины перпендикулярна горизонтальной плоскости главного пропускания анализатора, а ось второй пластины образует с ней угол в 45°. Из выражения для интенсивности света следует, что с помощью рассмотренного стокс поляриметрического модуля возможно измерить все четыре параметра Стокса и их изменения в реальном масштабе времени.

Важно, что во всех рассмотренных устройствах устранено смещение светового пучка ввиду отсутствия механических перемещений, что позволяет повысить точность поляриметрических измерений в системах использующих рассмотренные устройства.

В третьей главе описаны известные традиционные методики поляризационных измерений и оптические схемы поляриметров, основанные на них. Кроме того, рассмотрены разработанные при участии автора новые устройства интегральной стокс-поляриметрии:

-изготовленный стокс-поляриметр с использованием стокс-поляриметрического модуля на кристаллах БЮЗР, который был применён при исследованиях изменений параметров Стокса оптического излучения, отраженного от взволнованной поверхности моря, -стокс-поляриметр с акустооптическим разделением каналов [3.8], главной особенностью которого является то, что его принцип работы основан на акустооптическом методе обработки поляриметрического сигнала,

-стокс-эллипсометр для лабораторного сравнительного анализа различных материалов: поверхностей природных объектов, объектов доставляемых как с помощью космических аппаратов, так и поверхностей объектов исследуемых при натурных телескопических наблюдениях.

В четвертой главе рассмотрен принцип модульного построения видеополяриметров и способ селективного измерения поляризационных параметров флуктуирующих оптических полей, приведены рекомендации по расчёту обобщенного поляриметрического канала. Видеополяриметры обладают высоким быстродействием, позволяют обрабатывать получаемую информацию в реальном масштабе времени и представлять ее в виде поляриметрических изображений исследуемого объекта на экране одного видеомонитора или агрегата состоящего из нескольких видеомониторов.

В основу конструкций современных видеополяриметров положен принцип блочной компоновки, и их можно представить построенными из трех самостоятельных измерительных модулей: поляриметрического устройства, блока обработки информации и блока регистрации. В поляриметрическом модуле информация о поляризационных свойствах исследуемого объекта подвергается первичной обработке, световой пучок модулируется, сформированное оптическое изображение анализируются с помощью сканирующего луча или комплекса распределенных фотоприемников.

Информация, полученная в результате последующей обработки массивов электрических сигналов в модуле обработки информации, представляется в виде множества отдельных источников на экране видеомонитора. Каждому распределению их при этом приводится в соответствие значение измеряемого параметра поляризации.

С помощью технических средств, действие которых основано на принципе модульного построения поляриметров, возможно регулирование яркости и контраста полученных поляриметрических изображений, длительное хранение полученной информации, пространственное дифференцирование изображений с целью усиления рельефа их мелких деталей, параллельная или последовательная визуализация областей изображений исследуемых объектов с определенными значениями поляризационных параметров.

Преимущества принципа модульного построения очевидны: становится возможным модернизация измерительной системы, т.е. замена устаревших устройств на новые более совершенные, обновление поляриметрической системы по частям, упрощается её настройка и обслуживание. Принцип модульного построения измерительных устройств с открытой архитектурой, как известно, в наиболее полном объёме был реализован при создании персональных компьютеров IBM. Он позволил создать гибкую, легко адаптированную систему, в каждом модуле которой реализованы различные технические решения. При этом, измерительные модули поляриметра могут быть разнесены на значительные расстояния друг от друга. В частности, поляриметрический модуль может быть установлен на борту атмосферного летательного аппарата или на космической платформе, а блоки обработки и регистрации информации непосредственно у пользователя. Таким примером может служить стокс - поляриметрический модуль на кристаллах DKDP и другие рассматриваемые ниже устройства.

Здесь же приведён анализ известных оптических схем видеополяриметров и разработанных устройств, применяемых для астрофизических исследований: стокс-поляриметра с использованием ПЗС и стокс - поляриметра со сканирующим приёмником изображения [4.25].

В пятой главе обсуждаются теоретические основы широко распространённых в настоящее время поляризационно-оптических методов измерения магнитных полей и оптических схем магнитографов, применяемых для исследования магнитных полей Солнца и звёзд. Приборы нового поколении для измерения магнитных полей звёзд с использованием спектрографа, эшелле-спектрометра и матриц ПЗС были разработаны и изготовлены в САО РАН и размещены стационарно на БТА в фокусах Нэсмита для получения панорамной картины распределения магнитного поля на выделенных участках Солнца. При этом осуществлялась серия разрезов в картинной плоскости для исследования эмиссионных и абсорбционных спектров солнечной плазмы при одновременной записи магнитных полей и лучевых скоростей.

В настоящее время методы визуальных и фотографических измерений магнитных полей вытесняются более информативными, высокочувствительными, точными и быстродействующими фотоэлектрическими методами измерений с использованием ФЭУ и матричных фотоприёмников ПЗС

Для повышения эффективности измерений напряженности магнитных полей рекомендовано в системах современных магнитографов использовать новые разработанные вращатели плоскости поляризации и фазосдвигатели с использованием активных пребразователей поляризации.

В шестой главе рассмотрены принципы действия новых типов стокс-калибраторов [4.27], использующихся для настройки быстродействующих поляриметров, в конструкции которых в качестве узкополосных источников света использованы газовые лазеры с отрицательной обратной связью для стабилизации мощности излучения.

В одном из стокс-калибраторов за лазером установлен преобразователь поляризации, состоящий из ячейки Поккельса, призмы Глана-Томпсона, ячейки Фарадея и второй ячейки Поккельса. Азимуты наведенных осей электрооптических ячеек расположены под углом 45° друг к другу. Причем азимут оси первой ячейки Поккельса, установленной перед призмой Глана-Томпсона, составляет угол 45° с плоскостью ее главного пропускания, а азимут оси второй ячейки параллелен плоскости преимущественной поляризации газового лазера.

С помощью рассмотренного в этой главе стокс - калибратора, при сопряжении его управляющих генераторов с электронно-вычислительным устройством, возможно осуществлять программируемый процесс настройки быстродействующих поляриметрических устройств. При использовании его в качестве осветителя возможно проводить разнообразные поляриметрические исследования.

Очевидно, что благодаря своим возможностям разработанный стокс-калибратор может найти применение в самых различных областях поляриметрии, эллипсометрии, оптического приборостроения и научных исследований.

Кроме того, также приведена оптическая схема и описана конструкция универсального поляризационного осветителя и вспомогательных устройств, прилагаемых к нему, применяемых при проверке, настройке поляриметров и проведении сравнительного поляриметрического анализа различных материалов в лабораторных условиях. Универсальный поляризационный осветитель может быть использован как самостоятельное функциональное устройство, так и в составе различных поляриметрических приборов. В частности он был применён при исследованиях физических свойств грунта, доставленного с поверхности Луны.

В седьмой главе рассматриваются проблемы, связанные с эксплуатационными характеристиками фотоприёмников используемых в различных системах поляриметрии и их характеристики: выбор наиболее рационального режима работы ФЭУ и матриц ПЗС, возможность использования ПЗС при работе с модулированными световыми потоками излучения, функциональная связь между чувствительностью и разрешающей способностью панорамных фотоприёмников, проанализированы источники ошибок измерения вектора Стокса. В частности рассматривается использование фотоумножителей в трёх режимах работы.

Для устранения нестабильности коэффициента усиления ФЭУ применяются устройства автоматического регулирования усиления - АРУ различных типов. По назначению АРУ могут быть подразделены на стабилизирующие в компенсирующие. В первом случае поддерживается с заданной точностью чувствительность ФЭУ к интенсивности исследуемого излучения, ограничений к выходному сигналу при этом не предъявляется. Во втором случае поддерживается постоянным сигнал на выходе ФЭУ, при любом изменении в допустимых пределах интенсивности регистрируемого излучения, автоматическое регулирование усиления ФЭУ осуществляется соответственно или с помощью пилот - сигнала или по среднему уровню сигнала отсчитываемого по величине напряжения в устройстве АРУ. Ширина динамического диапазона, который ограничен снизу темповым током, а сверху - насыщением фотокатода, может достигать 105 и более. Однако с использованием АРУ возникают трудности при измерениях быстрых флуктуаций интенсивности и при учете влияния фона на полученные результаты измерений. Наиболее совершенными АРУ, использующимися в современной прецизионной измерительной технике, являются устройства с отрицательной обратной связью. При этом, с уменьшением интенсивности света напряжение на ФЭУ достигает своего верхнего значения, при котором схема обратной связи перестает работать и изменение интенсивности света определяется величиной анодного тока.

Такое совместное автоматическое регулирование усиления по напряжению питания и анодному току позволяет обеспечить очень широкий динамический диапазон работы ФЭУ и используется при измерении параметров Стокса в устройствах дифференциальной и интегральной поляриметрии особенно при исследованиях слабых объектов.

В последние годы всё более широкое применение находят фотоприёмники ГОС.

Важнейшими количественными показателями, характеризующими устройство панорамной поляриметрии на основе телевизионного фотометрического канала с использованием вакуумных передающих телевизионных трубок или матричных фатоприёмников ПЗС, являются: разрешающая способность, определяющая качество получаемого поляризационного изображения исследуемого объекта, и чувствительность, выражающаяся отношением сигнала на выходе передающей трубки или матрицы ПЗС к потоку принимаемого излучения, при котором обеспечивается требуемая четкость полученного изображения и необходимое отношение сигнал/шум.

Из проведенного анализа установлено, что при увеличении размера площади элемента изображения чувствительность поляриметрического устройства увеличивается, а разрешающая способность уменьшается.

Из проведённого анализа показано, что допустим обмен чувствительности на разрешающую способность и наоборот, что возможна оптимизация чувствительности и разрешающей способности устройств дифференциальной поляриметрии в зависимости от их конструктивных особенностей и конкретных условий исследования объектов, в зависимости от информационной оценки поляризационных изображений.

При проведении поляриметрических измерений с использованием поляризационных модуляторов на электрооптических кристаллах и матричных фотоприёмников ПЗС рассмотрена возможность сочетания импульсной модуляции светового потока с режимом накопления поляриметрического сигнала.

Важной задачей при всех поляризационных измерениях и особенно прецизионных является оценка ошибок полученных результатов. Инструментальная поляризация является основным фактором, определяющим систематические погрешности измерений. Она обусловлена паразитными поляризационными эффектами на оптических и электрооптических элементах системы, неточностью монтировки элементов преобразователя поляризации, не параллельностью z - оси кристаллов оптической оси поляриметрического устройства, шириной спектрального интервала излучения.

Эти факторы обуславливают так называемый LCC - эффект (linear - to circular conversion). В качестве примера приведен результат расчёта погрешностей поляриметрического устройства на двух электрооптических кристаллах при помощи ЭВМ с учетом неточности юстировки элементов преобразователя поляризации, не параллельности оси z и немонохроматичности излучения. Из него следует, что допустимые технологические значения неточностей в ориентации осей кристаллов относительно главного пропускания анализатора и не параллельности их осей z на результаты измерений существенного влияния не оказывают.

Успешное решение различных вопросов по разработке, конструированию и исследованию современных устройств, применяемых в астрополяриметрии связано с использованием ЭВМ. При этом появляется возможность моделирования оптимальной измерительной системы и её калибровка, оценка экспериментальных ошибок измерений.

При сопряжении стокс - поляриметра с быстродействующим вычислительным устройством появляется возможность непосредственного прецизионного измерения флуктуаций поляризационных параметров в реальном масштабе времени.

В восьмой главе приводятся программы и основные результаты по моделированию разработанных устройств, по численному решению задач по калибровке, измерению вектора Стокса по методу наименьших квадратов, анализу влияния погрешностей допускаемых при развороте и юстировки кристаллов электрооптического устройства, немонохроматичности на результат поляриметрических измерений.

Девятая глава посвящена анализу причин возникновения и изменения состояния поляризации различных космических объектов [9.43].

В ней, в частности, изложены вопросы теории поляризации при рассеянии излучения на ансамблях сферических и несферических частиц, на аксиально ориентированных частицах, в среде содержащей ориентированные пылинки, в нерелятивистской плазме, при синхротронном излучении, обратном комптон - эффекте, поляризации излучения звёзд, звёздных и околозвёздных оболочек и другие вопросы.

Особое место из всего многообразия публикаций занимают работы, содержащие сведения по исследованию объектов, излучение от которых характеризуется пространственно-временной нестабильностью.

Флуктуации поляризации обнаружены в излучении пульсаров, квазаров, белых карликов, "взволнованной" фотосферы Солнца, у света, рассеянного поверхностью планет и их спутников, галактическими и внегалактическими туманностями, межзвездной средой и другими объектами.

При этом главное внимание уделено задачам, связанным с проблемными исследованиями флуктуаций поляризации оптического излучения при определении вектора Стокса, так как очевидно, что только измерения всех поляризационных характеристик излучения исследуемых объектов позволят построить наиболее полные интерпретационные теории получаемых результатов. Рассмотрены проблемы возникающие при регистрации поляризационной нестабильности и интерпретации полученных результатов.

Остаются также проблемой прецизионные измерения распределений вектора Стокса по всей поверхности Солнца, в протуберанцах и короне, получение серий их стоксовских изображений во время солнечных вспышек, в зависимости от пульсаций Солнца и других явлений.

Свет, рассеянный земной атмосферой, представляет также дополнительную помеху при проведении поляриметрических исследований Солнца. В связи с этим, измерительные приборы предпочитают размещать на высокогорных обсерваториях или в космосе с целью минимизирования атмосферного рассеяния.

Из рассмотренной выше информации важна связь результатов экспериментального исследования поляризованного излучения планет с теоретической интерпретацией значений параметров вектора Стокса. В итоге это может стать источником уникальной информации о наличии на планетах или их сателлитах органических соединений.

В ряде работ приведены рекомендации по методике наблюдений с целью выяснения химического состава астероидов путем сравнения полученных наблюдательных сведений с результатами лабораторных исследований, в частности, со свойством обычного метеоритного материала. При сравнении с лабораторными исследованиями обнаруживается, что ни один из астероидов в главном кольце не может быть по своим свойствам сравнен с метеоритным веществом.

Анализ результатов наблюдений не показал значительных периодических изменений параметров 82 и Бз с вращением астероида вокруг оси, что, возможно, свидетельствует об отсутствии преимущественной ориентации частиц поверхностного слоя, не совпадающей с направлением оси вращения.

Исследования зодиакального света имеют большое значение для получения информации об общих свойствах межпланетной пыли, ее пространственного распределения, о размере, форме, составе пылевых частиц, о флуктуациях солнечного ветра, о направлении межпланетного магнитного поля и других сведений.

Поляриметрическим исследованиям различных типов звезд и звездообразных источников в последнее время уделяется значительное внимание. Однако интерпретация явлений, происходящих на многих из них, остается открытой, несмотря на то, что накопилось много наблюдательного материала и теоретических расчетов. Поэтому в настоящее время обобщающих теорий, объясняющих возникновение определенной поляризации оптического излучения этих объектов и ее флуктуаций, не существует, однако, во многих случаях поляризацию связывают с наличием магнитного поля, что имеет важное теоретическое значение. Кроме того, сравнительно недавно обнаружены уникальные звездообразные объекты со сверхсильными магнитными полями (до 1014Гс), так называемые магнетары.

Уникальным объектом для проведения полных и детальных поляриметрических исследований является Крабовидная туманность, она сильно поляризована. Такая высокая поляризация не встречается ни у одной из исследованных диффузных туманностей. Степень поляризации в области "Восточного залива" составляет более 60 %, а в остальных частях (30 - 40) %. Снижение поляризации до такого уровня объясняется крупномасштабной структурой магнитного поля по лучу зрения. Мелкомасштабная структура прослеживается до пространственного разрешения 20", ниже этого уровня поляризационная структура отсутствует. Для объяснения радиоизлучения и поляризации Крабовидной туманности принимается механизм синхротронного излучения релятивистских электронов в магнитном поле.

Было бы весьма интересно получить поляриметрические картины этого объекта с распределениями всех четырёх параметров Стокса. Авторы многих работ приходят к не утешительному выводу о недостаточности поляриметрических исследований туманностей в настоящее время для диагностики природы составляющих их пылевых частиц.

Поляризационные исследования несут важную информацию о магнитных полях Галактик, проявления которых разнообразны, а их роль в происходящих процессах часто является определяющей.

Результаты поляриметрических исследований оптического излучения различных внегалактических источников: МО, М31, М82, М87, сейфертовских галактик, N - галактик, квазаров и объектов типа BL Lac кратко обсуждаются в обзоре. На основе полученных сведений сделан вывод об упорядоченности магнитного поля, отмечено несовпадение центра поляризационной симметрии в оптическом диапазоне с центрами для радио и Ж -излучения, а также с ядром галактики. Значение степени поляризации не превышает 30 %, волновая зависимость для разных областей различна. Сведения о поляризации в континууме радиогалактик и их спектральных линий свидетельствуют в пользу гипотезы о возникновении поляризации в результате взаимодействия их излучения с пылевыми облаками.

Модель качаний плоскости поляризации в лацертидах рассмотрена во многих работах, предполагается, что качания плоскости поляризации связаны с распространением сильных ударных волн в релятивистских струях с магнитным полем. Продвижение ударных волн вдоль струи приводит к вращению плоскости поляризации синхротронного излучения.

18

Термином "квазары" называют компактные внегалактические квазизвездные радиоисточники большой интенсивности ~1044-104бВт.

Существует немало противоречащих друг другу теоретических моделей квазаров, но ни одна из них в настоящее время не является удовлетворительной. Как правило, их оптическое излучение линейно поляризовано, Р/ ~ (3 -10) %, степень циркулярной поляризации незначительная, не превышает значений Рс ~ (0,1-3,0) %. На основе статистического анализа сделан вывод о том, что большинство квазаров не имеют собственной поляризации излучения в оптическом диапазоне, а наблюдаемая у них поляризация скорее всего является межзвездной.

Из рассмотренного обзора следует, что для наиболее полного объяснения физических процессов, протекающих в разнообразных космических объектах, необходимы экспериментальные результаты измерения флуктуаций всех параметров вектора Стокса.

Большое значение при интерпретации различных космологических моделей Вселенной будут иметь результаты глобальных поляриметрических исследований оптической анизотропии газопылевой космической среды.

Диссертация также содержит заключение, список литературы и приложение, включающее исторические сведения о развитии астрополяриметрии, матрицы Мюллера для наиболее часто применяемых элементов оптико-поляризационных устройств, приведены также электрооптические и оптические свойства кристаллов и сведения о практическом использовании результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Шутов, Альберт Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить следующие основные аспекты диссертации:

- Разработаны методы и средства для исследования флуктуаций поляризации различных космических объектов, на основе которых созданы оптические приборы с улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующими аналогами.

- Рассмотрены различные математические методы описания поляризованных оптических полей: поляризационные параметры флуктуирующего оптического излучения, его статистическая интерпретация, распространение света в анизотропной и неоднородной средах. Получено математическое выражение для поляризационного эллипса через параметры Стокса.

- Проведён анализ современной терминологии, применяемой при классификации поляризационных приборов для поляриметрических исследований. Рассмотрены различные типы оптических анализаторов используемых при анализе параметров поляризованного излучения и их характеристики.

- Найдены нестандартные технические решения и описаны новые типы электрооптических и акустооптических вращателей плоскости преимущественной поляризации и фазосдвигателей с управляемыми параметрами.

- Проанализированы достоинства и недостатки известных оптических схем устройств, применяемых а астрономии для измерения вектора Стокса.

- Предложен и описан метод двойной поляризационной модуляции под действием одного управляющего напряжения, который практически реализован в стокс-поляриметрическом модуле на кристаллах ЭКБР.

- Произведена классификация измерительных оптических устройств стокс-поляриметрии на интегральные и дифференциальные.

- Описан принцип модульного построения видеополяриметров и способ селективного измерения распределённой поляризации, и её изменений в реальном масштабе времени, заключающейся в последовательной визуализации областей оптического поля с заранее заданными значениями измеряемых парметров Стокса.

- Описаны различные методики поляризационных измерений и современные конструкции поляриметров для измерения четырёх параметров Стокса.

- Описаны современные поляризационно-оптические методы и приборы для измерения магнитных полей Солнца и звёзд. Рекомендовано в оптических устройствх современных магнитометров с целью повышения эффективности их работы широко использовать разработанные вращатели и фазосдвигатели с управляемыми параметрами.

- Рассмотрены конструкции и принцип действия специально разработанных и изготовленных колибраторов динамического типа и поляризационного осветителя для настройки быстродействующих поляриметров и проведения сравнительного анализа лабораторных поляриметрических исследований материалов, доставляемых с помощью космических аппаратов, с результатами, полученными при натурных наблюдениях.

278

- Рассмотрены и проанализированы различные эксплуатационные характеристики устройств поляриметрии. Рассмотрена возможность регистрации широкого динамического диапазона принимаемых оптических сигналов, связь между чувствительностью и разрешающей способностью для панорамных фотоприемников, возможность использования матриц ПЗС при работе с модулированными световыми потоками, дана оценка погрешностей измерения параметров поляризации, а также описано использование компьютеров при поляризационных измерениях и моделировании работы разрабатываемых поляриметрических устройств.

- Рассмотрены вопросы, возникающие в связи с исследованиями флуктуаций поляризации различных космических объектов.

Решение возникающих проблем, рассмотренных в диссертации, имеет важное научно-техническое и практическое значение, вносит существенный вклад в развитие современного оптического приборостроения и астрофизики. г&о

Утверждаю"

Акт испытаний

Согласно письма НГПУ № 30 от 17.01.2001 на кафедре квантовой радиофизики радиофизического факультета ННГУ были проведены испытания оптико-электронных приборов, разработанных и изготовленных при участии к.т.н., доцента кафедры астрономии и истории естествознания НГПУ Шутова A.M.:

1. Стокс-поляриметрического модуля на кристаллах ДКДР.

2. Оптического вращателя плоскости поляризации на кристаллах метаниобата лития:

Результаты испытаний приведены в Приложении. I

Старший преподаватель кафедры квантовой радиофизики, к.ф-м.н., А. П. Савикин

Зав. кафедрой квантовой радиофизики, д.ф-м.н., проф. А. А. Андронов

Декан радиофизического факультета, проф. С. Н. Гурбатов и