Un modulador fotoelástico ( PEM ) es un dispositivo óptico que se utiliza para modular la polarización de una fuente de luz. El efecto fotoelástico se utiliza para cambiar la birrefringencia del elemento óptico en el modulador fotoelástico.
El modulador fotoelástico fue inventado por primera vez por J. Badoz en la década de 1960 y originalmente se lo llamó "modulador de birrefringencia". [1] Inicialmente se desarrolló para mediciones físicas, incluidas la dispersión rotatoria óptica y la rotación de Faraday , la polarimetría de objetos astronómicos, la birrefringencia inducida por deformación y la elipsometría . Los desarrolladores posteriores del modulador fotoelástico incluyen a JC Kemp, SN Jasperson y SE Schnatterly.
El diseño básico de un modulador fotoelástico consiste en un transductor piezoeléctrico y una barra resonante de media onda; la barra es un material transparente (actualmente, el más común es sílice fundida). El transductor está sintonizado con la frecuencia natural de la barra. Esta modulación de resonancia da como resultado mediciones de polarización de alta sensibilidad. La vibración fundamental de la óptica se produce a lo largo de su dimensión más larga.
El principio de funcionamiento de los moduladores fotoelásticos se basa en el efecto fotoelástico, en el que una muestra sometida a tensión mecánica presenta una birrefringencia proporcional a la deformación resultante. Los moduladores fotoelásticos son dispositivos resonantes en los que la frecuencia de oscilación precisa está determinada por las propiedades del conjunto elemento óptico/transductor. El transductor está ajustado a la frecuencia de resonancia del elemento óptico a lo largo de su dimensión longitudinal, determinada por su longitud y la velocidad del sonido en el material. A continuación, se envía una corriente a través del transductor para hacer vibrar el elemento óptico mediante estiramiento y compresión, lo que cambia la birrefringencia del material transparente. Debido a este carácter resonante, la birrefringencia del elemento óptico se puede modular a grandes amplitudes, pero también por la misma razón, el funcionamiento de un PEM está limitado a una sola frecuencia, y la mayoría de los dispositivos comerciales fabricados hoy en día funcionan a unos 50 kHz.
Esta es la aplicación y función más básica de un PEM. En una configuración típica, donde la fuente de luz original está polarizada linealmente a 45 grados del eje óptico del PEM, la polarización resultante de la luz se modula a la frecuencia de operación del PEM f , y para una señal moduladora sinusoidal, se puede expresar en el formalismo de la matriz de Jones como:
donde A es la amplitud de la modulación.
La luz monocromática polarizada linealmente que incide a 45 grados del eje óptico puede considerarse como la suma de dos componentes, uno paralelo y otro perpendicular al eje óptico del PEM. La birrefringencia introducida en la placa retardará uno de estos componentes más que el otro, es decir, el PEM actúa como una placa de onda sintonizable . Normalmente se ajusta para que sea una placa de cuarto de onda o de media onda en el pico de la oscilación.
Para el caso de la placa de cuarto de onda, la amplitud de oscilación se ajusta de modo que en la longitud de onda dada un componente se retarda y avanza alternativamente 90 grados con respecto al otro, de modo que la luz saliente se polariza circularmente de derecha a izquierda alternativamente en los picos.
Se toma una señal de referencia del oscilador modulador y se utiliza para activar un detector sensible a la fase , el demodulador.
La amplitud de la oscilación se ajusta mediante un voltaje externo aplicado que es proporcional a la longitud de onda de la luz que pasa a través del modulador.
Una configuración polarimétrica típica consta de dos polarizadores lineales que forman una configuración de analizador cruzado, una muestra óptica que introduce el cambio en la polarización de la luz y un PEM que modula aún más el estado de polarización. Las intensidades finales detectadas en el armónico fundamental y segundo de la frecuencia de operación del PEM dependen de la elipticidad y la rotación introducidas por la muestra.
La polarimetría PEM tiene la ventaja de que la señal se modula a una frecuencia alta (y a menudo se detecta con un amplificador de bloqueo ), lo que excluye muchas fuentes de ruido que no están en la frecuencia operativa del PEM y atenúa el ruido blanco mediante el ancho de banda del amplificador de bloqueo.
