Устройство для изменения фазы колебаний и плоскости поляризации монохроматического оптического излучения

 

Использование: в оптико-механической промышленности, в частности в фазовых компенсаторах лазерных устройств. Сущность изобретения: устройство снабжено фазовой пластинкой 1/2 λ и второй фазовой пластинкой 1/4 l, последовательно установленными после первой фазовой пластинки 1/4 l с возможностью поворота их оптических осей в плоскостях, перпендикулярных к оптической оси устройства. 1 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в оптико-механической промышленности в качестве фазового компенсатора в лазерных устройствах (например, в интерферометрах).

Известны устройства для изменения фазы колебаний в световом пучке (фазовые компенсаторы), содержащие прозрачные клинья и механизмы для изменения взаимного расположения этих клиньев [1]. В этих устройствах при изменении взаимного расположения клиньев меняется расстояние, проходимое в них светом, и, следовательно, меняется фаза ΔΦ колебаний в световом пучке после клиньев на величину ΔΦ = nΔl, где n - показатель преломления клиньев; Δl - изменение расстояния, проходимого в них светом.

Недостатком таких устройств является то, что для количественной оценки величины ΔΦ необходимо знать два параметра - n и Δl, что снижает точность в измерениях ΔΦ . Кроме того, с помощью таких устройств невозможно обеспечить непрерывное и равномерное изменение фазы колебаний.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для изменения фазы колебаний и плоскости поляризации монохроматического света [2]. Оно содержит последовательно установленные с возможностью независимого поворота вокруг оптической оси устройства первую фазовую пластинку λ , первый поляризатор и вторую фазовую пластинку λ , жестко скрепленную с поляризатором и ориентированную так, что ее оптическая ось составляет с направлением пропускания света первым поляризатором угол, равный 45^о, и второй поляризатор.

Это устройство работает следующим образом. Направляют на первую фазовую пластинку по оптической оси устройства параллельный пучок монохроматического линейно поляризованного света. При этом первую фазовую пластинку путем поворота вокруг оптической оси устройства устанавливают в такое положение, при котором ее оптическая ось составляет с плоскостью колебаний падающего на нее света угол, равный 45^о, отсчитанный от оптической оси этой пластинки в направлении, противоположном тому, в каком отсчитан угол от оптической оси второй фазовой пластинки до направления пропускания света первым поляризатором. При такой ориентации первая и вторая фазовые пластинки преобразуют линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный с противоположными направлениями вращения электрического вектора световой волны (т.е. с противоположными направлениями циркулярной поляризации). Изменение фазы колебаний в световом потоке после второго поляризатора достигается путем поворота вокруг оптической оси устройства первого поляризатора вместе с второй фазовой пластинкой. Величина ΔΦ изменения фазы определяется формулой ΔΦ= ±2Δϕ , (1) где Δϕ - угол поворота, а знаки "-" или "-" выбирают в зависимости от направления поворота.

Изменение плоскости поляризации достигается путем поворота вокруг оптической оси устройства второго поляризатора. Возникающее при этом изменение фазы колебаний может быть устранено путем поворота в том же направлении первого поляризатора вместе с второй фазовой пластинкой на угол, равный половине угла поворота второго поляризатора.

Недостатком описанного устройства является необходимость точной взаимной ориентации и жесткого скрепления между собой первого поляризатора и второй фазовой пластинки, что усложняет технологию его изготовления и увеличивает трудозатраты.

Целью изобретения является повышение технологичности устройства и снижение трудозатрат на его изготовление.

С этой целью жестко скрепленные между собой первый поляризатор и вторая фазовая пластинка λ заменены фазовой пластинкой λ , а второй поляризатор заменен фазовой пластинкой λ . Фазовые пластинки установлены с возможностью поворота их оптических осей в плоскостях, перпендикулярных к оптической оси устройства. Фазовая пластинка λ изменяет направление циркулярной поляризации на противоположное, т.е. выполняет в составе устройства ту же функцию, что и жестко скрепленные между собой поляризатор и фазовая пластинка λ , а фазовая пластинка λ , установленная после фазовой пластинки λ , преобразует циркулярную поляризацию в линейную, т.е. выполняет функцию второго поляризатора. Исключение из состава устройства поляризаторов и замена их однотипными элементами (фазовыми пластинками) повышает технологичность устройства и снижает трудозатраты на его изготовление. Поэтому можно считать, что приведенные выше отличительные признаки создают качественно новый положительный эффект и, следовательно, удовлетворяют критерию "существенные отличия".

На чертеже схематически изображено заявляемое устройство.

Устройство содержит фазовые пластинки 1,3, λ , фазовую пластинку 2 λ, xyz - прямоугольная декартова система координат, ось оу которой совпадает с оптической осью устройства, ab, cd, ef - оптические оси фазовых пластинок 1, 2, 3 соответственно, ϕ- угол между осями координат z и z', f - угол между осями координат z и z", E_o и E₇ - электрические векторы электромагнитного излучения в точках с координатами О и Y₇, Е_охи Е_оz - компоненты вектора Е_о по осям координат х и z в системе xyz.

Устройство работает следующим образом.

Направляют на фазовую пластинку 1 по оптической оси устройства (ось оу) параллельной пучок монохроматического линейно поляризованного электромагнитного излучения, электрический вектор Е_о которого направлен под углом 45^о к оси z системы координат. При этом оптическую ось ab пластинки 1 устанавливают параллельно оси z. При таком положении оси ab пластинка 1 преобразует падающие на нее линейно поляризованное излучение в циркулярно поляризованное, которое затем падает на фазовую пластинку 2. Пластинка 2 меняет направление циркулярной поляризации на противоположное. При этом происходит изменение фазы колебаний в пучке излучения на величину 2ϕ , где ϕ - угол между оптической осью cd пластинки 2 и осью Z системы координат. Циркулярно поляризованное излучение, прошедшее через пластинку 2, преобразуется затем фазовой пластинкой 3 в линейно поляризованное. Изменение фазы колебаний в потоке излучения после пластинки 3 достигается путем поворота оптической оси cd пластинки 2 в плоскости, перпендикулярной к оптической оси устройства. Величина ΔΦ изменения фазы определяется формулой (1).

Изменение плоскости поляризации достигается путем поворота оптической оси ef пластинки 3 в плоскости, перпендикулярной к оптической оси устройства. Возникающее при этом изменение фазы колебаний может быть устранено путем поворота в том же направлении оптической оси пластинки 2 на угол, равный половине угла поворота оптической оси пластинки 3.

Колебания компонент электрического вектора Е_о в точке О можно записать в виде E_ox= E_oz= (A_o/) cosωt, (2) где А_о - амплитуда и ω - круговая частота колебаний; t - время.

В фазовой пластинке 1, для которой z-я компонента вектора Е_оявляется обыкновенной, а х-я - необыкновенной, между этими компонентами возникает дополнительная разность фаз π /2, обусловленная различными скоростями распространения обыкновенного и необыкновенного лучей, в результате чего на фазовую пластинку 2 падает циркулярно поляризованное излучение, для которого без учета поглощения можно записать E_3x= A_oxsint - (L₁+n₁L₂+L₃); (3) E_3z= A_ozcost - (L₁+n₁L₂+L₃), (4) где A_ox= A_oz= A_o/ ; L₁ = oy₁, L₂ = y₁y₂ и L₃ = y₂y₃ - расстояния, проходимые излучением соответственно от точки О до пластинки 1, внутри пластинки 1 и от пластинки 1 до пластинки 2; n₁ - показатель преломления пластинки 1 для обыкновенного луча;λ - длина волны излучения; π= 3,14.

Для того, чтобы описать распространение излучения через пластинку 2, целесообразно перейти от системы координат xyz к системе x'yz', ось z' которой совпадает с оптической осью cd пластинки 2. Колебания в точке с координатой у₃ в системе x'yz' имеют вид Е_3х' = E_3xcosϕ - E_3zsinϕ ; (5) E_3z' = E_3zsinϕ + E_3zcosϕ , (6) где ϕ - угол между осями z и z' систем координат xyz и x'yz'.

Из выражений (5) и (6) с учетом выражений (3) и (4) следует, что E_3xʹ= sint - S₃-; (7) E_3zʹ= cost - S₃-; (8) где S₃ = L₁ + n₁L₂ + L₃ .

В пластинке 2 между этими компонентами возникает дополнительная разность фаз π . Следовательно, после пластинки 2 в точке с координатой у₄ колебания имеют вид E_4xʹ= - sint - (S₃+n₂L₄)-; (9)
E_4zʹ= cost - (S₃+n₂L₄)-, (10) где L₄ = y₃y₄ - расстояние, проходимое излучением в пластинке 2; n₂ - показатель преломления этой пластинки для обыкновенного луча. Смена знака перед функцией sin на противоположный означает изменение направления циркулярной поляризации. Осуществив обратный переход от системы x'yz' к системе xyz, можно записать
Е_4х = Е_4x'cosϕ + E_4z'sinϕ ; (11)
E_4z = E_4z'cosϕ - E_4x'sinϕ (12) или с учетом выражений (9) и (10)
E_4x= - sint - S₄-2; (13)
E_4z= cost - S₄-2, (14) где S₄ = L₁ + n₁L₂ + L₃ + n₂L₄
Следовательно, в точку с координатой у₅ на фазовой пластинке 3 приходят колебания
E_5x= - sint - (S₄+L₅)-2; (15)
E_5z= cost - (S₄+L₅)-2, (16) где L₅ = y₄y₅ - расстояние, проходимое излучением от пластинки 2 до пластинки 3.

Для того, чтобы описать распространение излучения через пластинку 3, целесообразно перейти от системы координат xyz к системе x"yz", ось z" которой совпадает с оптической осью ef пластинки 3. Колебания в точке с координатой у₅ в системе x"yz" имеют вид
E_5x" = E_5xcosf - E_5zsinf ; (17)
E_5z" = E_5xsinf + E_5zcosf, (18) где f - угол между осями z и z" системы координат xyz и x"yz". Из выражений (17) и с учетом выражений (15 ) и следует, что
E_5xʺ = - sint - S₅-2ϕ+f; (19)
E_5zʺ = cost - S₅-2ϕ+f, (20) где S₅ = L₁ + n₁L₂ + L₃ + n₂L₄ + L₅.

В пластинке 3 между этими компонентами возникают дополнительная разность фаз π /2. Следовательно, после пластинки 3 в точке с координатой у₆ колебания имеют вид
E_6xʺ = cost - (S₅+n₃L₆)-2ϕ+f; (21)
E_6zʺ = cost - (S₅+n₃L₆)-2ϕ+f, (22) где L₆ = y₅y₆ - расстояние, проходимое излучением в пластинке 3; n₃ - показатель преломления этой пластинки для обыкновенного луча.

Из выражений (21) и (22) для результирующего колебания в точке наблюдения с координатой у₇ можно записать
E₇= A_ocost - S₇+f-2, где S₇ = S₅ + n₃L₆ + L₇; L₇ = y₆y₇ - расстояние, проходимое излучением от пластинки 3 до точки наблюдения.

Таким образом, при увеличении угла ϕ на величину Δ ϕ фаза колебаний в точке наблюдения уменьшается на величину ΔΦ = =2 Δϕ , а при уменьшении ϕ на ту же величину увеличивается на 2Δϕ при неизменных плоскости поляризации и интенсивности излучения. Изменение угла f приводит к соответствующему изменению плоскости поляризации излучения в точке наблюдения. Возникающее при этом изменение фазы колебаний может быть устранено путем соответствующего изменения угла ϕ , исходя из условия Δf - 2Δ ϕ = 0, т.е., на величину Δϕ = Δf/2.

Практическая реализация заявляемого устройства позволит повысить технологичность и снизить трудозатраты при его изготовлении.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗЫ КОЛЕБАНИЙ И ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее оптически связанные и расположенные на одной оптической оси первую и вторую фазовые пластинки 1/4λ, установленные с возможностью поворота вокруг оптической оси, отличающееся тем, что, с целью повышения технологичности изготовления, оно содержит фазовую пластинку 1/2λ, установленную на оптической оси после первой фазовой пластинки 1/4λ, с возможностью поворота вокруг оптической оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1