Opazovanje Faradayevega pojava s Sagnacovim interferometrom FRANC ROZMAN Brezje pri Tržiču 59, 4290 Tržič SLOVENIA www.frozman.si [email protected] Povzetek: Optični interferometri, predvsem pa Sagnacov interferometer, nudijo nove, še neraziskane možnosti spoznavanja lastnosti svetlobe. Na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani merimo lastnosti svetlobe na osnovi optičnih interferometrov. Za nekatere od teh meritev najdemo podobne meritve v literaturi, kar nam olajša merjenja. Analiziramo različne interpretacije objavljenih rezultatov meritev, zakaj prihaja do različnega razumevanja merilnih rezultatov in na osnovi lastnih novih meritev skušamo globlje razumeti lastnosti svetlobe. Uvod Glede na izvedbo poznamo dve vrsti Sagnacovih interferometrov. Eni delujejo na osnovi odboja svetlobe od ogledal (prostozračna izvedba), drugi pa na osnovi optičnih vlaken in optičnega sklopnika (vlakenska izvedba). V tem zapisu je dana pozornost Sagnacovem interferometru, ki ga prikazuje Slika 1 in deluje na osnovi optičnega sklopnika in enorodnega optičnega vlakna. Slika 1 Optični sklopnik razdeli laserski žarek v dva žarka in jih pošlje v nasprotnih smereh v kolut optičnega svetlovoda. Ko žarka prepotujeta svetlobno pot, eden v eni smeri, drug v drugi smeri, jih isti optični sklopnik združi in usmeri proti detektorju. Ta članek opisuje meritve na osnovi mirujočega, ne vrtečega Sagnacovega interferometra. Na svetlobo v optičnem vlaknu vplivamo z zunanjim magnetnim poljem. Za meritve uporabljamo 30 cm dolgo tuljavo, v kateri ustvarimo magnetno polje z magnetno gostoto do 20 mT, impulzno za čas 15ms pa magnetno gostoto do 200 mT. Uporabljamo laserski vir svetlobe tipa HP8168F z valovno dolžino 1550 nm. Svetlobni tok na izhodu iz interferometra merimo s spektralnim analizatorjem tipa AQ6317 Vpliv magnetnega polja na hitrost svetlobe Kadar se EM val svetlobe, ki potuje v optičnem svetlovodu, znajde v zunanjem magnetnem polju, pride do medsebojnega vpliva med svetlobnim EM valom in zunanjim magnetnim poljem. Meritev vpliva magnetnega polja na EM valovanje svetlobe lahko izvedemo bodisi tako, da okrog optičnega vlakna navijemo bakreno žico, skozi katero spustimo električni tok in tako v optičnem vlaknu ustvarimo magnetno polje, bodisi tako, da okrog bakrenega vodnika, v katerem teče tok, navijemo optično vlakno. Meritev električnega toka v daljnovodu Sagnacov interferometer se v praksi uporablja za merjenje električnega toka tako, optično vlakno v katerem potuje žarek, navijemo okrog vodnika električnega toka. Na ta način svetlobni žarek vodimo skozi magnetno polje, ki ga ustvarja tok v daljnovodu. Ta meritev je opisana v članku Optical Current Sensors for High Power1 in prikazana na Sliki 2. Slika 2 Meritev pokaže različne čase prehoda žarka skozi optično vlakno v odvisnosti od gostote magnetnega polja, ki ga ustvarja električni tok. Različni časi potovanj žarka v optičnem vlaknu, odvisno od zunanjega magnetnega polja, so lahko posledica bodisi spremembe hitrosti žarka v optičnem vlaknu, bodisi spremembe dolžine optičnega vlakna. Magnetostrikcija (magnetostriction) v odvisnosti od magnetnega polja v katerem se nahaja optično vlakno, lahko vpliva na dolžino optičnega vlakna in s tem dolžino poti svetlobnega žarka. Članek kot razlog različnih časov potovanja svetlobe žarka skozi optično vlakno, navaja spremembo dolžine optične poti žarka, ki se pojavi kot posledica magnetostrikcije, ki jo v optičnem vlaknu povzroči magnetno polje. Članek navaja, da je opisan sistem sposoben zaznati razlike v dolžini optične poti žarka z natančnostjo 50 nm, kar v njihovi izvedbi instrumenta ustreza magnetnemu polju v območju od 50 nT do 800 μT. Ocena vzroka časovnega zamika Članek ne dokazuje magnetostrikcije kot razloga različnih časov potovanja žarka v optičnem vlaknu. Vprašajmo se torej, ali različne čase potovanj žarka res povzroči magnetostrikcija, ali pa jih povzroči sprememba hitrosti žarka. Na to vprašanje nudi odgovor naslednja meritev. Patent Sensing unit for sagnac optical fibre current sensor2 omogoča meritev električnega toka v daljnovodu tako, da magnetno polje, ki ga ustvarja električni tok, vpliva na časovni zamik žarkov v optičnem vlaknu Sagnacovega interferometra. Način meritve prikazuje Slika 3. Slika 3 Laser (17) svetlobo usmerja na optični sklopnik (21), ki jo razdeli3 v obeh smereh optičnega vlakna. Žarka se vrneta z različnima zakasnitvama, odvisno od električnega toka v vodniku in posledično magnetnega polja, ki ga ta tok ustvarja. Laser oddaja 100 ns impulze, na detektorju pa merimo časovni zamik vrnitve impulzov enega in drugega žarka neposredno v nanosekundah. Meritev (Slika 3) pokaže časovni zamik med prispetjem enega in drugega žarka do optičnega sklopnika. Izmerjen časovni zamik je pri določenih konstrukcijskih lastnosti merilnika linearno sorazmeren s tokom in posredno magnetno gostoto, v kateri se nahaja optično vlakno. Izmerjenega časovnega zamika med žarkoma ne moremo pripisati magnetostrikciji. Magnetno polje na enak način vpliva na dimenzije optičnega vlakna za oba žarka, v eni in drugi smeri. Magnetostrikcija bi za enak faktor spremenila dolžino optičnega vlakna in s tem optične poti enega in drugega žarka. Časovni zamik med žarkoma lahko nastane le zaradi različnih hitrosti svetlobe tako, da magnetno polje drugače vpliva na hitrosti svetlobe v enem in drugem žarku, odvisno od smeri magnetnega polja. Lom svetlobe Različni hitrosti žarkov skušajmo razumeti na osnovi razumevanja električnih in magnetnih lastnosti svetlobnega EM valovanja ter loma svetlobe. Zelo poenostavljeno sliko svetlobnega EM valovanja prikazuje Slika 4. 1 Optical Current Sensors for High Power http://www.mdpi.com/2076-3417/2/3/602/pdf 2 Sensing unit for sagnac optical fibre current sensor http://www.google.com/patents/EP2245426B1?cl=en 3 Sklopnik svetlobo razdeli v tri smeri zato, da v celotnem tokovnem območju lahko meri električni tok. Za naše razumevanje zadostuje spremljanje delitve žarka v obe smeri Sagnackovega interferometra. zunanjega magnetnega polja. Zunanje magnetno polje potuje v eni smeri, svetlobi EM val v drugi smeri. F B y Slika 4 Magnetno polje EM vala, oziroma bolj točno odvod magnetnega polja, v svoji soseščini ustvari električno polje, odvod ustvarjenega električnega polja pa naprej v smeri gibanja svetlobnega EM vala naslednje magnetno polje. Vsak svetlobni EM val je prostorninsko za mnogo razredov večji od molekul snovi. Premer molekul je v razredu do enega nm, velikost električnega in magnetnega vala na Sliki 4, ki ga določa valovna dolžina, pa v razredu μm. Znotraj vsakega EM vala svetlobe je torej prostora za množico molekul, ki vplivajo na velikost svetlobnega EM vala. Te molekule spremenijo prevodnost prostora za električno polje (dielektričnost) in prevodnost prostora za magnetno polje (permeabilnost). Spremenjene električne lastnosti prostora spremenijo velikost zank magnetnih in električnih polj, prikazanih na Sliki 4, s tem pa spremenijo valovno dolžino svetlobnega valovanja. V nadaljevanju se posvetim opazovanju gibanja svetlobe v steklu, zraku ali vakuumu, ki so izotropni mediji. V teh medijih je vpliv snovi na lastnosti svetlobe enak v vseh smereh. S tem je tudi lomni količnik enak v vseh prostorskih razsežnostih in neodvisen od smeri gibanja svetlobe skozi snov. Vpliv magnetnega polja na EM valovanje Ne glede na izotropnost stekla, meritve pokažejo, da zunanje magnetno polje drugače vpliva na žarek, ki potuje v smeri magnetnega polja, kot na žarek, ki potuje v nasprotni smeri zunanjega magnetnega polja. En žarek potuje v isti smeri kot energija zunanjega magnetnega polja. Če v zunanjem magnetnem polju ustvarimo magnetno motnjo opazimo, da se magnetna motnja giblje v isto smer s podobno hitrostjo kot EM val svetlobe. EM val in magnetna motnja potujeta drug ob drugem. Motnja v zunanjem magnetnem polju in EM val drug drugega ne zaznata. Svetlobni EM val v tem primeru ne prodira skozi energijo zunanjega magnetnega polja, ampak potuje v njej. Zunanje magnetno polje ima neznaten vpliv na žarek, ki potuje v smeri zunanjega magnetnega polja. EM polje drugega žarka prodira skozi energijo magnetnega polja v nasprotni smeri pretoka z x Slika 5 Svetloba na Sliki 5 potuje po osi 'x' z desne proti levi, energija zunanjega magnetnega polja pa po isti osi z leve prot desni. Električno polje EM vala ima v magnetnem polju lastnosti električnega toka (premikalni tok). Obnaša se podobno, kot če bi po zanki na Sliki 5 tekel električni tok. Električno polje svetlobnega EM vala ustvarja magnetno polje podobno, kot bi ga ustvarjal električni tok. Tudi magnetno polje EM vala ustvarja električno polje EM vala na način, kot bi magnetno polje v primeru indukcije v vodniku preko električne napetosti ustvarjalo električni tok. Na električni tok v magnetnem polju, podobno kot če tok teče v vodniku, po fizikalnih zakonitostih deluje sila. Posledično lahko ugotovimo, da zunanje magnetno polje na električno polje EM vala ustvari silo v smeri osi z. Ta sila skuša zasukati vozel električnega polja svetlobnega valovanja okrog osi y, kot to prikazujejo sile F na Sliki 5. Slika 6 pa prikazuje pogled na svetlobne EM valove prikazane na Sliki 5 iz druge perspektive. Svetlobno EM valovanje opazujemo od zgoraj, tako da gledamo zvrha na ravnino xz. B Slika 6 V razmerah brez zunanjega magnetnega polja so električna polja v ravni liniji. Ko pa svetlobo izpostavimo magnetnemu polju, pa električna polja magnetno polje zasuče tako, da so električna polja svetlobnega EM valovanja razporejena v obliki žage. Na sode valove vrtilni moment deluje v eni smeri, na lihe EM valove pa v drugi smeri. Svetloba tako ohranja smer. Hipotetično lahko torej pričakujemo spremembo geometrijskih lastnosti svetlobnega EM valovanja, na en način v smeri zunanjega magnetnega polja, na drug način v nasprotni smeri, ki ima lahko za posledico različen vpliv na spremembo hitrosti svetlobe v eni in drugi smeri, podobno kot v primeru loma svetlobe. Različni hitrosti žarkov pa kaže izmerjen časovni zamik žarkov na osnovi Sagnacovega interferometra. Sprememba hitrosti svetlobnega EM valovanja pod vplivom zunanjega magnetnega polja, tako kot je opisana na Slikah 5 in 6, pa ni vezana na snov, v kateri se giblje svetloba. Sprememba oblike svetlobnih EM valov in posledično sprememba hitrosti svetlobe v zunanjem magnetnem polju, hipotetično lahko vpliva tudi na obliko svetlobnih EM valov tudi v vakuumu. Na Slikah 5 in 6 opisan hipotetični način vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe pa nudi odgovore za izvor Faradayevega učinka. Faradayev učinek Sprememba hitrosti svetlobe je le eden od načinov na katerega zunanje magnetno polje vpliva na EM svetlobni val. Opažamo še en način vplivanja magnetnega polja na EM val, kot ga opisuje Faradayev učinek in prikazuje Slika 7. svetlobnih EM valov pa ustvarijo polarizacije svetlobe in Faradayev učinek. rotacijo Faradayev učinek v praznem prostoru Tudi Faradayev učinek bi na osnovi zapisanih zakonitosti hipotetično morali zaznati v praznem prostoru. Ni znano, da bi bil Faradayev učinek merjen v vakuumu, ta meritev v znanosti še manjka, bil pa je merjen v zraku kot približku praznega prostora. Izmerjena konstanta vrtenja polarizacije znaša 5,62 10-10 rd/m.T, kot je opisano v članku The Faraday effect. Zaključek Meritve kažejo, da zunanje magnetno polje vpliva na hitrost svetlobe v mediju. Ta članek je vmesno poročilo raziskave, raziskave ki še poteka. V nadaljevanju raziskave želimo odgovoriti na v članku še odprta vprašanja, to je kako magnetno polje vpliva na hitrost svetlobe v praznem prostoru, pa tudi, kako na hitrost svetlobe vpliva radialno pospeševanje svetlobe v optičnem vlaknu. O avtorju Slika 7 Faraday je že leta 1845 ugotovil, da magnetno polje vpliva na spremembo polarizacije svetlobe, kot je prikazano na Sliki 7. Faradayev zasuk polarizacije lahko izrazimo z enačbo φ = ν.l.B, kot je to opisano v članku 'The Faraday effect'4. φ je zasuk polarizacije svetlobe, ν je konstanta vrtenja, odvisna od medija, izražena v radianih na meter in na magnetno gostoto, l je dolžina tuljave, B pa magnetna gostota. Kadar zunanje magnetno polje iz kakršnega koli razloga poruši simetrijo električnega in magnetnega polja EM valovanja glede na x os koordinatnega sistema, to ustvari vrtilni moment okrog osi x na električno polje svetlobnega EM vala. Kadar ima sila, prikazana na Sliki 5, prijemališče izven osi x, zamik prijemališča sile iz osi x ustvari ročico. Sila krat ročica pa ustvari moment, ki suče električno polje okrog osi x. Vrtilni momenti 4 The Faraday effect http://www.physics.rutgers.edu/~eandrei/389/faraday.pdf ) Avtor članka Franc Rozman, je bil rojen leta 1949 v Tržiču. Diplomiral je na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani leta 1973. Je avtor knjig »Človek sem – ustvarjam« (BI 1997), »Pred velikim pokom« (BI 1999), »Fizika in metafizika« (TK 2002) ter Zastrto vesolje (Loreda 2011). Je avtor več uspešnih računalniških rešitev (patentov in tehničnih izboljšav) na področju krmiljenja komunikacijskih sistemov, računalniških programov na temelju umetne inteligence za učenje jezikov (Amon) ter računalniških programov s področja poslovne informatike. Temo o hitrosti svetlobe iz knjige Zastrto vesolje je objavil članek na WSEAS mednarodni konferenci februarja 2011 v Benetkah. Zahvala: Zahvaljujem se doc. dr. Boštjanu Batagelju za gostoljubje v Laboratoriju za sevanje in optiko na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani, za strokovno pomoč pri merjenju ter spremljanju in vrednotenju merilnih rezultatov. Zahvaljujem se prof. dr. Mitji Rosini in prof. dr. Gorazdu Kandusu za pogovore o konceptualnih in pedagoških aspektih predstavljenih meritev.