Per meglio individuare le caratteristiche peculiari delle propriet`a ottiche di interesse, `
e stato studiato il comportamento delle componenti di Fourier di campioni modello aventi rispettivamente puro LB, puro LD e puro CD.
Consideriamo il caso A = LD = CD = 0, corrispondente alla condizione in cui nel sistema non sono presenti assorbitori isotropi ed `e presente unicamente l’elemento ottico associato alla birifrangenza spuria. In tal caso, le componenti in prima e seconda armonica, indicate rispettivamente con I1birif(θ, γ, LB) e I2birif(θ, γ, LB), sono date da
I1birif(θ, γ, LB) = |J1(Am) sin LB sin[2(γ − θ)]|, (3.43)
I2birif(θ, γ, LB) = J2(Am) 2 [2 cos 2(2γ) cos(2θ)+
+ 2 cos(LB) sin(2γ) sin(2(γ − θ)) + sin(4γ) sin(2θ)] . (3.44)
Nelle figg. 3.4 sono riportate delle curve rappresentanti le funzioni I1birif e I2birif in funzione di θ e per diversi valori di LB, per γ = 0 deg. La dipendenza da LB deter- mina una modulazione in ampiezza nel segnale I1birif di periodo π, il cui massimo si ha per LB = π/2, cio`e quando l’elemento ottico birifrangente si comporta come una lamina a quarto d’onda. Nel caso γ = 0 deg, cio`e quando gli assi caratteristici del materiale birifrangente sono rispettivamente parallelo ed ortogonale alla direzione x di riferimento, la dipendenza da LB in I2birif si cancella. Per questa scelta dell’an- golo γ, mentre in prima armonica si ha una evidente dipendenza del segnale da LB, in seconda armonica questa dipendenza non viene evidenziata (vedi fig. 3.4-(b)). Dalla eq. 3.43 si osserva come la dipendenza da γ in I1birif determini una traslazione delle curve corrispondenti lungo l’asse dei θ. In particolare, I2birif `e periodica in γ di periodo 90 deg. Ci`o ha un evidente senso fisico; infatti, per definizione, il modulo dello sfasamento LB `e invariante per rotazioni di angoli γ multipli interi di 90 deg. Questa dipendenza da γ di I1birif pu`o essere apprezzata confrontando i grafici in fig. 3.5-(a), ottenuti per γ = 30 deg, con la fig. 3.4-(a), ottenuta per γ = 0 deg. Dal- l’osservazione dei grafici in fig. 3.5-(b) emerge una complicata dipendenza da LB di I2birif da LB, non osservata per γ = 0 deg. Quest’ultima osservazione suggerisce il fatto che l’analisi della componente in prima armonica costituisca il mezzo pi`u affi- dabile per studiare la birifrangenza, in quanto `e possibile osservare una dipendenza da LB per ogni valore di γ.
74 CAPITOLO 3. MODULAZIONE DI POLARIZZAZIONE.
(a) Prima armonica.
(b) Seconda armonica
Figura 3.4: Calcolo analitico del valore assoluto delle componenti in prima e seconda armonica dell’intensit`a sul rivelatore, nell’apparato mostrato in fig. 3.3, nel caso A = LD = CD = 0, in funzione dell’angolo θ formato dalla componente di polarizzazione che giunge al rivelatore con la direzione di riferimento x. Le curve riportate riguardano varie scelte della birifrangenza LB del materiale. L’angolo γ associato al materiale birifrangente `e stato fissato a 0 deg.
3.5. COMPORTAMENTO DEL MODELLO PER MISURE MACROSCOPICHE. 75
(a) Prima armonica.
(b) Seconda armonica.
Figura 3.5: Calcolo analitico del valore assoluto delle componenti in prima e seconda armonica dell’intensit`a sul rivelatore, nell’apparato mostrato in fig. 3.3, nel caso A = LD = CD = 0, in funzione dell’angolo θ formato dalla componente di polarizzazione che giunge al rivelatore con la direzione di riferimento x. Le curve riportate riguardano varie scelte della birifrangenza LB del materiale. L’angolo γ associato al materiale birifrangente `
76 CAPITOLO 3. MODULAZIONE DI POLARIZZAZIONE.
Figura 3.6: Calcolo analitico del valore assoluto della componente in seconda armonica della frequenza f dell’intensit`a sul rivelatore nell’apparato sperimentale mostrato in fig. 3.3 nella condizione LB = CD = 0, in funzione dell’angolo θ formato dalla componente di polarizzazione che giunge al rivelatore con la direzione di riferimento x. Le curve riportate riguardano varie scelte del parametro LD, avendo fissato A = 1 e β = 0 deg.
Per LB = CD = 0, nell’apparato non sono presenti birifrangenze spurie ed il campione manifesta esclusivamente LD. In questo caso, dette I1ld(θ, β, LD, A) ed Ild
2 (θ, β, LD, A) rispettivamente le componenti in prima e seconda armonica deter-
minate dal modello, l’approccio matriciale fornisce le seguenti espressioni analitiche:
I1ld(θ, β, LD, A) = 0 (3.45) I2ld(θ, β, LD, A) =
e−AJ2(Am){cos(2β) cos[2(β − θ)] cosh(LD)+
+ sin(2β) sin[2(β − θ)] + cos(2β) sinh(LD)}
(3.46)
3.5. COMPORTAMENTO DEL MODELLO PER MISURE MACROSCOPICHE. 77
Figura 3.7: Calcolo analitico del valore assoluto della componente in seconda armonica dell’intensit`a sul rivelatore nell’apparato sperimentale in fig. 3.3 nella condizione LB = CD = 0, in funzione dell’angolo θ formato dalla componente di polarizzazione che giunge al rivelatore con la direzione di riferimento x. Le curve riportate riguardano varie scelte dell’angolo β, avendo fissato A = 1 ed LD = 0.4.
propriet`a ottica presente nell’apparato `e LD, lo sviluppo di Fourier in armoniche di f dell’intensit`a del segnale sul rivelatore conterr`a solo armoniche pari di f . Per questo motivo, il segnale modello nella prima armonica di f `e identicamente nullo. Inoltre, il contributo legato all’assorbimento isotropo mediato su tutti gli stati di polarizzazione della luce incidente si presenta nell’eq. 3.46 con il fattore moltiplica- tivo e−A, il quale comporta un’attenuazione del segnale, indipendente dall’angolo θ. In fig. 3.6 sono riportate delle curve rappresentanti la funzione Ild
2 , in funzione
dell’angolo θ formato dagli assi caratteristici del polarizzatore con la direzione di riferimento x, ottenute fissando A = 1 e β = 0 deg. Per LD = 0, cio`e quando il campione si comporta come un assorbitore isotropo, l’andamento della componente in seconda armonica diventa proporzionale a |cos(2θ)|. Per questo motivo, la curva corrispondente ad LD = 0, riportata in nero in fig. 3.6, risulta periodica di periodo 90 deg in θ e simmetrica rispetto a θ = 45 deg. Per LD 6= 0, la simmetria di Ild 2
rispetto a θ = 45 deg viene persa, ed all’aumentare di LD, l’andamento di Ild
78 CAPITOLO 3. MODULAZIONE DI POLARIZZAZIONE.
zione di θ tende alla curva corrispondente ad LD = 1 (in celeste), che rappresenta il valore massimo di LD ottenibile compatibilmente con il vincolo A = 1.
In fig. 3.7 `e riportato l’andamento di I2ld ad LD fissato, per diversi valori dell’angolo β associato all’elemento dicroico lineare. Come si pu`o notare, per valori di β sim- metrici rispetto a β = 45 deg, le curve rappresentanti Ild
2 risultano speculari rispetto
a θ = 45 deg. Ad esempio, la curva corrispondente a β = 30 deg `e speculare alla curva corrispondente a β = 60 deg rispetto a θ = 45 deg.
Per LB = LD = 0, nell’apparato sperimentale non sono presenti birifran- genze spurie ed il campione manifesta esclusivamente CD. In questo caso, dette Icd
1 (θ, CD, A) ed I2cd(θ, CD, A) rispettivamente le componenti in prima e seconda
armonica dell’intensit`a sul rivelatore previste dal modello matriciale, esse sono date da
I1cd(θ, CD, A) = |J1(Am)e−Asinh(CD)|, (3.47)
I2cd(θ, CD, A) = |J2(Am)e−Acos(2θ)|. (3.48)
Innanzitutto osserviamo che la funzione Icd
2 non `e identicamente nulla. Ci`o con-
traddice in apparenza quanto affermato nel paragrafo 3.2, nel quale si afferma che lo sviluppo di Fourier in armoniche di f dell’intensit`a trasmessa da un materiale che manifesti esclusivamente CD contiene solamente armoniche dispari di f . In realt`a, nell’apparato sperimentale in questione `e presente il polarizzatore posto immedia- tamente prima del rivelatore. Esso `e schematizzabile come un materiale dicroico lineare in cui A = 0 e LD 1. La presenza di questo polarizzatore introduce quin- di delle armoniche pari di f nello sviluppo di Fourier dell’intensit`a trasmessa. In fig. 3.8 sono riportati i valori assoluti delle componenti in prima e seconda armonica dell’intensit`a sul rivelatore nell’apparato sperimentale in fig. 3.3, nella condizione LB = LD = 0, in funzione dell’angolo θ. Osservando l’andamento della compo- nente in seconda armonica (fig. 3.8-(b)) si pu`o notare come le curve ottenute per CD 6= 0 manifestino lo stesso comportamento della curva ottenuta per CD = 0, che corrisponde alla condizione in cui nell’apparato `e presente solo il polarizzatore ideale. Nella componente in prima armonica, invece, si osserva un comportamento
3.5. COMPORTAMENTO DEL MODELLO PER MISURE MACROSCOPICHE. 79
(a) Prima armonica.
(b) Seconda armonica.
Figura 3.8: Calcolo analitico riferito all’apparato mostrato in fig. 3.3 del valore assoluto delle componenti in prima e seconda armonica della frequenza f dell’intensit`a trasmes- sa da un campione puramente dicroico circolare, in funzione dell’angolo θ formato dalla componente di polarizzazione che giunge al rivelatore con la direzione di riferimento x. Le curve riportate riguardano varie scelte di CD imposto dal materiale alle componenti di polarizzazione lineare parallele ai due assi caratteristici. L’assorbanza media A `e stata fissata ad 1.
80 CAPITOLO 3. MODULAZIONE DI POLARIZZAZIONE.
diverso: per CD = 0, il segnale simulato `e identicamente nullo, mentre per CD 6= 0 e crescente, l’intensit`a del segnale cresce ed `e indipendente dall’angolo θ.
Quindi, in accordo con quanto affermato nel paragrafo 3.2, il modello matriciale ha predetto che CD `e una propriet`a misurabile dalla componente in prima armonica dell’intensit`a trasmessa dal campione. LD `e invece misurabile dalla componente in seconda armonica. Inoltre, `e emerso che le caratteristiche peculiari di LB possono essere individuate nella componente in prima armonica. LD manifesta una dipen- denza del segnale dall’angolo della polarizzazione della radiazione rivelata, mentre in CD questa dipendenza `e assente.