Поляризационная призма
Использование, получение двух поляризованных пучков света в одной плоскости, разведенных на угол 90° между собой, со степенью поляризации, близкой к 100%. Сущность изобретения: поляризационная призма состоит из двух прмзм (косоугольной и прямоугольной), изготовленных из одноосного двулучепреломляющего кристалла так, что оптические оси кристаллов призм параллельны входной грани и перпендикулярны нерабочим боковым граням. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических
РЕСПУБЛИК (sl)s 6 02 В 5/20
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4846358/10 (22) 03.07.90 (46) 15.08.91, Бюл, М 30 (71) Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова (72) Е.В.Калачников (56) Годжаев Н.M. Оптика. М.: Высшая школа, 1977, с. 232-233; рис, 9,10 и 9.11.
Ванюрихйн А.И. и др. Оптико-электройные поляризационные устройства. Киев:
Техника, 1984, с, 34-35, рис. 18.
Изобретение относится к оптике, преимущественно к устройствам для поляризации света, и может быть использовано в спектрофотометрических, поляризационных и интерференционно-поляризационных приборах, Специфической областью применения поляризаторов, когда необходимо иметь два поляризованных пучка саета в одной плоскости, является интерферометрия и различные ее приложения (неразрушающий контроль прозрачнйх и непрозрачных обьектов, диагностика плазмы, измерение показателя преломления среды и т,д.);
Известны двулучепреломляющие поля. ризационные устройства на основе кристаллов, дающие на выходе один или два значительно разведенных по углу луча, колебания которых происходят в какой-либо плоскости, называемые поляризаторами. К таким устройствам относятся призмы Аренса, Николя, Волластона, Рошона, Сенармона, Коттона, Осипова-Кинга, Веста, Например, призма Волластона, пред. ставляющая собой два куска исландского
Сущность изобретения: поляризационная призма состоит из двух призм(косоугольной и прямоугольной); изготовленных из одноосного двулучепреломляющего кристалла так, что оптические оси кристаллов призм параллельны входной грани и перпендикулярны нерабочим боковым граням, 1 ил, шпата, соединенного слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпендикулярны. Призма Волластона дает два ортогонально поляризованных пучка. Она разлагает падающий свет на две поляризованные компоненты и обе пропускает, отклоняя в разные стороны. Общий угол разложения лучей ф зависит от угла при вершине клина О и слегка меняется с длиной волны. Для призмы Волластона, как и для всех перечисленных двулучепреломляющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой +90 . : Известна поляризационная призма Глана-Фуко, состоящая из двух прямоугольных призм, вырезанных из кальцита таким образом, что оптические оси их параллельны входной и перпендикулярны верхней граням. При этом необыкновенный луч выходит из призмы, не меняя направления по сравнению с падающим. Необыкновенйый луч (е-луч) испытывает большие потери интенсивности при отражении от границ кристалл-заЗор (исландский шпат — воздух), так, 1755237 20 30 40 что величина наибольшего главного пропускания k1 составляет лишь около 0,50, К недостаткам призмы Глана-Фуко относятся также и то, что обыкновенный луч (o-луч) выходит из призмы под углом 1оФ90 к па- 5 дающему, что затрудняет его испольэование без дополнительных юстировочных процедур, и то, что в том же направлении распространяется часть е-луча, приводящая к деполяризации выходящего пучка света Известна поляризационная призма Фостера, которая предназначена для получения двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях, разведенных на 90, Призма Фостера йо ряду признаков (выполнение одной из составляющих ее призм, косоугольной, разведение выходящих лучей на 90о) близка к предлагаемой двулучевой призме. Хотя она все же выполняет решение другой задачи (не совсем удачно) — получение двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендйкулярных плоскостях. разведенных на угол 90о, может быть взята в качестве прототипа. Призма Фостера обладает рядом существенных недостатков. Она не может дать на выходе два линейно-поляризованных пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях с высокой степенью поляризации Отражение от посеребренной грани призмы Фостера не улучшает степень поляризации на выходе из призмы так называемого "обыкновенного" луча, имеющего составляющую необыкновенного луча (е-луча), присутствующую из-эа многократных отражений е-луча на границах кристалл воздух (клей) в зазоре между двумя сложенными призмами. Хотя второй луч выходит под углом 90 к. падающему лучу на входную грань(и е-лучу, прошедшему зазор беэ отражения), но он значительно деполяризован. Состояние его поляризации отвечает общеМу случаю упорядоченной структуры поляризованного света — эллиптической поляризации, так как на выходе из призмы Фостера в одном направлении распространяются две волны с разными скоростями и различной амплитуды колебаний электрического вектора, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Целью изобретения является получение на выхбде поляризационной призмы двух линейно поляризованных в параллельных плоскостях пучков света, разведенных на угол 90 без изменения направления необыкновенного луча. Поставленная цель достигается тем, что в поляризованной призме, разводящей поляризованные пучки на угол 90о, состоящей из двух, разделенных оптической средой с показателем преломления и слоя и вырезанных из двулучепреломляющего материала призм, вторая из которых по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотенузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия arcsln """ ) а > arcsin пе По где пеи йо - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в. материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45о, угол прямоугольной призмы, прилежащий к углу 45 первой приамы, равен а, а оптические оси Составляющих призм параллельны входной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы; параметры по и а связаны соотношением n> = cog (а — 45 ) ka чертеже изображена предлагаемая поляризационная призма. Она состоит из косоугольной призмы 1 и прямоугольной призмы 2, сложенных гранями KM и К М и разьединенных прокладкой 3 с образованием зазора, заполненного СРВДОЙ 4 С ПОКазатЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Пслоя. Вместо прокладки 3 возможна склейка призмы с выполнением условия. arcsin П слоя > а > arcsin Пслоя Пе по где и лоя - — показатель преломления клея. Оптические оси материала составляющих призм параллельны входной грани Д К и перпендикулярны нерабочей грани, параллельной плоскости чертежа. Поляризационная призма имеет две взаимно перпендикулярные выходные грани: грань для "обыкновенного" луча ("о"-луча) KN u грань MN для необыкновенного луча (е-луча). Косоугольная призма может быть выполнена четырехугольной или трехугольной (изображение штриховой линией), но для решения поставленной задачи зто не существенно. Выполнение призмы четырехугольной позволяет сэкономить дорогостоящий материал. Устройство работает следующим образом. Параллельный пучок лучей естественного света (а-луч) падает на входную грань Д К косоугольной призмы и, входя в призму, превращается в два линейно поляризованных луча, идущих в одном направлении. На грани К M имеет место явление полного внутреннего отражения для обыкновенного 1755237 5 луча, так кэк для этого луча оптическая среда в зазоре является менее плотной средой, При этом часть е-луча проходит через зазор лишь слегка сместившись параллельно падающему и выходит из призмы 2. Другая 5 часть е-луча при отражении от границ кристалл-зазор распространяется в направлении обыкновенного луча (о-луча). Это объясняется следующим образом, При однократном отражении света ком- 10 плексная амплитуда R отраженной волны связана с амплитудой с падающей волны соотношением R = r е, э амплитуда прошедшей волны Д вЂ” соотношением Д = d e Величины r u d — коэффициенты Френеля, 15 Они зависят от поляризации света и определяются формулами Френеля для s- и рсоставляющих падающей волны (в нашем случае о и е-лучей). Необыкновенный луч с амплйтудой электрического вектора, отра- 20 женный в точке А в направлении распространения О-луча, испытавшего полное внутреннее отражение в точке А, имеет ту же частоту колебаний электрического вектора; плоскости колебаний 0-луча и отражен- 25 ной части е-луча взаимно перпендикулярны; Кроме того, свет внутри слоя диэлектрика (зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его 2xn epos e 30 границах. Если д = †-Л вЂ - — — разность фаз, соответствующая двухкратному прохождению света через слой l (т.е. от одной его границы К М до другой KM и обратно), то с учетом многократных отражений для комплексной амплитуды отраженной волны можно написать -- (1) (2) a=MN=CN, а M Б — sin (а+45 ) Кй=эща, (4) ОК, (5) cos2 а + соз а sin а а тц а . (6) sin (а+45о ) — фБр +45, (7) АМБР = arctg „. (8) . 1 В 0 = a (tg a - 1) sin c, (9) При использовании в качестве двулучепреломляющего материала кристаллов кальцита: в 50 no = (при Л - 5983 А) = 1,6584; а = =76,089 - и рБр =31089 При а = 5,0 мм; В М = 5,8 мм; KM = 20,80 мм; KN = 20,19 мм; ДК =17,17 мм; ДМ =2357 мм; Д В" =14,74 мм. Выполнение поляризациойной призмы согласно приведенным соотношениям позволило получить качественно новый технический эффект, а именно: на выходе из призмы имеется два взаимно перпендикуR г1+гге 1+ г1гг R: г1+ dtd11Г2 e + б1б1 r1 2 — l д .1 1 2 -21д +1.4 1(1)2„з з д + откуда где — коэффициенты Френеля нэ грани КМ и КМ для е-луча. Физически выражение (") означает, что амплитуда отраженной части е-луча может быть значительной (больше, чем 5 = г1 E) из-за многократного отражения на границах зазора между призмами. - Расположение боковой грани косоугольной призмы BM под углом 45 к грани KM и выполнение условия и, = ctg(а — 45О) приводит к тому, что угол падения пучка света на нее равен углу Брюстера и в этом случае в направлении, перпендикулярном падающему пучку света на входе в призму, отражается только волна, в которой электрический вектор Е колеблется перпендикулярно плоскости падения (R = О, R1 = О) и нэ выходе имеем 100 поляризованную волну в плоскости поляризаций необыкновенного луча, разведенную на угол <р= 90О по отношению к необыкновенному лучу на выходе. В месте падения обйкновенногЬ "луча на грань В М преломленная волна (под углом 90 к отраженной„т.е; в найравлении падающего луча на входе призмы) в данном устройстве не используется. Устранение недостатков призмы Фостера, достигаемое в предлагаемом устройстве, позволяет использовать его как светоделитель с углом разведения линейнополяриэованных лучей на ф=90О, что расширяет воэможности использования поляризатора в практике поляризационных измерений, упрощает юстировочные процедуры и экономит дорогостоящие кристаллические материалы, поскольку не требуются дополнительные поляризаторы в схемах, где необходимы два пучка линейно поляризованного света. Изображение осуществляется следующим образом. Если световой диаметр падающего пучка равен а, то: 755237 «7- Л М Составитель Е.Калачников Техред M.Mîðråíòàë Корректор (..Пекарь Редактор Н,Гарвард Заказ 2892 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 лярных пучка света линейно поляризованных в параллельных плоскостях, степень поляризации пучков близка к 100 g,; устройство упрощает юстировочные процедуры и его применение уменьшает затраты на изготовление поляризаторов при создании оптических приборов и схем, где необходимы линейно поляризованные пучки света (интерферометры, спектрофотометры, поляриметры), Формула изобретения Поляризациойная призМа; разводящая . поляризованные пучки на угол 90, состоящая из двух разделенных оптической соедой с йокаэателем преломления и< и вырезанных из двулучепреломляющего ма териала призм, вторая из которых по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотеиузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия ercsln nc/ne > а arcsin пс/и> где ле и np — показатели преломления нео5 быкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45О, угол прямоугольной призмы, прилежащий к 10 углу 45 первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельны входной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы, отличающаяся тем, что, с целью 15 формирования на ".:,ыходе пучков, линейнополяризованных в параллельных плоскостях, параметры по и а связаны соотношением . л,= ир(а-45 ), 20
