Изобретение относится к оптическим элементам поляризационно-оптических систем и приборов, а именно к поляризаторам света.
Аналогом является поляризационная призма Волластона, преобразующая падающий неполяризованный луч в два выходящих ортогонально поляризованных луча, отклоненные в разные стороны от направления падающего луча [1]
Прототипом является клиновой поляризатор, состоящий из двух тонких призм-клиньев [2]
Недостатком аналога являются заметные световые потери на отражение от его входной, выходной и наклонных промежуточных граней, и появление в оптической системе паразитных отраженных лучей-бликов.
Недостатком прототипа являются световые потери на промежуточных гранях клиньев с воздушным зазором между ними, обусловленные заметно большим углом падения на них поляризованного луча по сравнению с соответствующим углом Брюстера (см. Кизель В.А. Отражение света, 1973, М. Наука, с. 39, рис. 8а).
Общим недостатком аналога и прототипа, а также других известных поляризаторов, состоящих из двух призм-клиньев, является вредное влияние на линейную поляризацию преломленного на выходной грани первой призмы-клина основного луча при его прохождении через вторую призму-клин из-за локальных изменений ориентировки оптической оси кристалла в ее объеме из-за внутренних напряжений на снижение степени его линейной поляризации на выходе из поляризатора.
Целью изобретения является достижение наиболее высокой степени поляризации; существенное снижение световых потерь на отражение; обеспечение при этом параллельности или соосности входящего и выходящего пучков лучей; расширение диапазона светопропускания в ИК-области спектра и повышение лучевой стойкости.
Достижение высокой степени поляризации достигается за счет углового разделения обыкновенного и необыкновенного лучей не на промежуточной, а на выходной грани второй призмы-клина.
Существенное снижение световых потерь на отражение и отчасти на поглощение достигается за счет использования клиньев с разными, но небольшими углами γ1 и γ2, при которых основной поляризованный луч преломляется на выходной грани второго клина под углом, близким или равным углу Брюстера, а также за счет оптического контакта или склейки клиньев.
Обеспечение параллельности входящего и выходящего пучков лучей достигается при определенном соотношении между произвольным в установленных пределах углом γ1 первого клина и зависящим от него углом γ2 второго клина. Соосность указанных пучков достигается с помощью дополнительной компенсационной плоскопараллельной пластинки, установленной перед поляризатором с наклоном в другую сторону к его оси под соответствующим углом Брюстера при необходимой для этого ее толщине.
Расширение диапазона светопропускания поляризатора в ИК-область спектра до 20 мкм и повышение лучевой его стойкости до ≈600 Вт/см2достигается за счет его выполнения из кристалла галогенида ртути, например, каломели Нg2Сl2.
На фиг. 1 показан клиновой поляризатор, выполненный из кристалла исландского шпата с двумя выходящими из него ортогонально поляризованными лучами с показателями преломления nо, nе где I первый входной клин; II второй выходной клин; 1 входная грань первого клина; 2 выходная грань I клина и входная грань II клина, посаженные на оптический контакт или склеенные; 3 выходная грань II клина; Z1 оптическая ось кристалла в I клине, ориентированная под углами αе и αе+ γ1 к его граням 1 и 2 в главном его сечении; Z2 оптическая ось кристалла во II клине, ориентированная перпендикулярно главному его сечению; о+е некогерентные ортогональные компоненты неполяризованного луча, падающего на грань 1 под углом Брюстера
i1=90o- αe=arctgne;
αe дополнительный угол Брюстера для необыкновенного луча е в I клине;
о' и e' преломленные на грани 1 обыкновенный и необыкновенный лучи, которые после преломления на грани 2 во II клине распространяются как необыкновенный о'->>e'' и обыкновенный е'->>о'', которые, в свою очередь, после преломления на грани 3 обозначены как первоначальные ортогональные компоненты падающего неполяризованного луча о+е: o''->>e, e''->>o. При этом луч ео+е, а луч о отклоняется от него в сторону на угол Δi3';
γ1 произвольный угол I клина;
γ2 угол II клина, зависящий от угла γ1.
Δγ= γ1-γ 2 угол двойного клина I+II
-------------- плоскость, параллельная плоскости I;
iко, iке и iко'; iке' углы падения и преломления на гранях k=1, 2, 3, промежуточные значения на фиг. 1 не обозначены.
На фиг. 2 клиновой поляризатор из кристалла исландского шпата только с одним основным выходящим из него линейно поляризованным лучом е, так как паразитный луч е'' испытывает полное внутреннее отражение на грани 3 и поглощается на зачерненной боковой грани клиньев I и II. Обозначения на фиг. 2 те же самые, что и на фиг. 1.
На фиг. 3 кривые, выражающие зависимость углов γ2, Δγ, iзо->>e'', i'зе->>o'', i'зо->>e'', Δi'3 i зo->>e'' iзе->>o'' и коэффициентов отражения основного луча от грани 2 R2, от грани 3 R3 и суммарного R2+R3 от произвольного угла γ1 клина I;
iзе->>о'' угол падения обыкновенного луча o'' на выходную грань 3;
iзо->>е'' угол падения необыкновенного луча е'' на выходную грань 3;
i'зе->>о'' и i'зо->>е'' соответствующие им углы преломления;
γ1= 11,1о угол клина I, при котором достигается нулевой минимум кривой R3(γ1) при i'зе->>о''=iоб;
γ1≈15о угол клина I, при котором достигается практически нулевой минимум кривой R2 (γ1),
γ1≈12о угол клина I, при котором достигается минимум кривой [R2(γ1)+R3(γ1)]min0,01%
γ1max ≈60о верхний предел допустимых значений произвольного угла γ1 клина I, при которых выходящий луч е параллелен падающему о+е;
γ1max'≈17о промежуточный верхний предел допустимых значений произвольного угла γ1 клина I, при которых
i30_→e″ ≥ Φe= arcsin т.е. паразитный луч е'' испытывает полное внутреннее отражение на выходной грани 3 клина II.
Кривые рассчитаны для кристалла исландского шпата при λ=0,643 мкм, no= 1,65504; nе=1,4849.
На фиг. 4 клиновой поляризатор с одним выходящим основным линейно поляризованным лучом о, параллельным падающему о+е, выполненный из кристалла каломели Нg2Cl2 с no=1,962<ne=2,621 при λ=0,643 мкм. Обозначения аналогичны принятым на фиг. 2, в отличие от которых оптическая ось кристалла Z1 в клине I ориентирована перпендикулярно его главному сечению, а Z2 в II клине параллельно и под углами αe= arctg и αе+ γ2 к его граням 3 и 2 соответственно. В случае склейки клиньев канадским бальзамом или другим оптическим клеем с n≈1,5 луч е' в клине I испытывает полное внутреннее отражение на его обеих гранях (пунктир) и поглощается на боковой его зачерненной грани. В случае же посадки клиньев на оптический контакт этот необыкновенный луч е' после преломления на грани 2 становится обыкновенным о'' и, испытав полное внутреннее отражение на выходной грани 3, поглощается на боковой зачерненной грани клиньев. Основной линейно поляризованный луч о проходит в клине I как обыкновенный о', а в клине II, как необыкновенный е'' и, преломляясь под соответствующими углами Брюстера αо иα е на входной 1 и выходной 3 гранях поляризатора, не испытывает потерь на отражение. В случае оптического контакта граней 2 клиньев световые потери на отражение на этой грани 2 не превышают 0,4%
На фиг. 5 соосный поляризатор, где 1 поляризующий элемент двойной кристаллический клин; 2 компенсационная пластинка, обеспечивающая соосность падающего неполяризованного луча о+е и прошедшего основного поляризованного луча е.
Из нижеследующего расчета хода ортогонально поляризованных лучей о и е через клинья I и II с произвольными углами γ1 и γ2 при использовании обозначений параметров на фиг. 1, можно установить зависимости углов их падения и преломления при заданных показателях преломления кристалла no>ne исландского шпата. Используя эти зависимости, можно будет определить характерные пределы изменения произвольного угла γ1 для соответствующих модификаций предложенного клинового поляризатора.
Неполяризованный луч о+е падает на входную грань 1 под углом Брюстера для необыкновенного луча е' в первом клине.
ieБ= i1= 90°-αe= arctgne, αe= arctg
(1)
Лучи о' и e' преломляются на грани 1 под разными углами
i αe= arctg, i arcsin
(2) и падают на грань 2 под углами:
i2e= i+γ1= αe+γ1, i20= i + γ1= arcsin sin+γ1
(3)
После преломления на 2 грани обыкновенный луч о' становится необыкновеннымф e'', и наоборот необыкновенный луч е' становится обыкновенным о''. При этом углы их преломления на грани 2 определяются согласно закону их преломления:
nesin2e= n0sini0″; nosini20= nesini20→e″
(4)
C учетом предыдущих формул углы преломления можно выразить следующим образом:
i0″ arcsinsin+
(5)
ie″ arcsinsinarcsinsin+
Углы падения этих лучей с учетом равенства Δγ=γ1-γ2
i3e→0″ i0″ -γ2= arcsinsin(αe+γ1)-γ1+Δγ
i30→e″ ie″ -γ2= arcsinsinarcsinsin+ -γ1+Δγ
(6)
Наконец, углы преломления этих лучей на выходной грани 3:
i= arcsin(nosin3e→o″ )ie″ arcsin(nesini30→e″ )
(7) и угол расхождения преломленных лучей
Δi ie″ -i (8)
При заданных показателях преломления кристалла no и ne углы (7) и (8) являются функциями двух независимых переменных: углов γ1 и γ2 или углов γ1 и Δγ.
Для достижения одной из поставленных целей изобретения, а именно, для обеспечения параллельности падающего о+е и прошедшего основного луча е необходимым и достаточным для этого условием является следующее из фиг. 1 соотношение уравнение с одним неизвестнымΔγ при произвольном γ1
iзе'(γ1, Δγ)-i1=Δγ (9)
Из решения этого уравнения в развернутом виде
n0sinarcsinsin(αe+γ1)-γ1+ sin(i1+Δγ)
(10) определяется угол Δγ как функция произвольного угла γ1
Δγ arctg- (11) где β arcsinsin(αe+γ1)
При γ1= 0 β sin i1 и Δγ 0 и таким образом определяется нижний предел значений
γ1min=0 (12)
Верхний предел произвольных значений угла γ1 можно определить из условия, чтобы основной линейно поляризованный луч е≈о'' падал на грань 3 клина II под углом меньше предельного
i3e→0″ ≅ Φ0= arcsin (13) и, преломляясь под углом меньше 90о,
iзе' ≅90о (14)
С учетом (1) и (9) условие (14) преобразуется в следующее:
Δγ≅αe.
С учетом (6) и (14) условие (13) преобразуется в следующее уравнение с одним неизвестным:
sin i2e→0″sin(αe+γ1) ≅ sin[Φ0-αe)+γ1] из решения которого определяется соответствующий верхний предел произвольных значений угла γ1:
tgγ1max
(15)
Решить вопрос о возможности существования таких модификаций предложенного поляризатора (фиг. 1), через которые проходил бы только один основной поляризованный луч е, а паразитный луч о≈е'' испытывал бы на выходной грани 3 полное внутреннее отражение, можно из рассмотрения соответствующих условий:
i30→e″ ≅ Φe= arcsin; sin i ≥ 1
(16) из которых можно определить соответствующий промежуточный верхний предел γ1'max изменения произвольного угла γ1 следующим образом с учетом (6), (5), (3):
i30→e″ i20→e″ -γ1-Δγ ≅ Φe (17)
Отсюда определяется угол Δγ как функция γ1
Δγ ≅ Φe +γ1-arcsinsinarcsinsin+
(18)
C другой стороны, если общую зависимость (11) приравнять к (18), то получим уравнение с одним неизвестным углом
tg+γ1-arcsinsinarcsinsin+ ≅
≅ (19)
Из решения этого сложного уравнения находится γ1'max численным методом последовательных приближений, так как аналитическое его решение не представляется возможным. При использовании (15) и (19) были вычислены верхний предел γimax ≈ 60о и промежуточный предел γ1'max≈17опри no=1,65504, nе= 1,4849, λ=0,643 мкм.
Следовательно, при γ1'max< γ1< γ1max из соответствующих модификаций предложенного поляризатора будет выходить только один основной поляризованный луч е, а паразитный о'' будет испытывать полное внутреннее отражение на его выходной грани 3. Пример выполнения одной из таких модификаций представлен на фиг. 2 при γ1=20о; γ2=14,5о; Δγ=5,5о.
При 0< γ1< γ1'max из соответствующих модификаций предложенного поляризатора помимо основного поляризованного луча е будет выходить из него и паразитный луч о, отклоненный от основного на угол Δi3' (фиг. 1).
Одна из последних модификаций в указанных пределах представляет особый интерес, так как на выходной грани 3 соответствующего поляризатора основной поляризованный луч е≈о'' преломляется под соответствующим углом Брюстера
i0″ i0Б= 90°-α0= arctgn0; i3e→0″ α0= arctg
(20) т.е. не испытывает потерь на отражение, как и на входной грани 1. Соответствующие углы i'зе->>o'' и iзе->>о'' можно определить из решения уравнений (20) с учетом (1), (5) и (6)
i0″ i1eБ+Δγ i
(21)
sin i2e→0″ sin(αe+γ1) sin[(αe-Δγ)+γ1]
В результате решения находим:
Δγ=arctg no-arctg ne
γ1= arctg (22)
Для такой модификации поляризатора по формулам (2), (22) вычислены его параметры:
γ1=11,1о; γ2=8,26о; Δγ=2,82о.
На фиг. 1 изображен такой поляризатор, где
iзе'=ioб=arctg no.
Общей характеристикой всей совокупности возможных модификаций предложенного поляризатора, определяемой произвольным выбором угла γ1клина I в вышеуказанных пределах, является система кривых, представленная на фиг. 3, выражающих зависимости от угла γ1 углов γ2, Δγ, iзо->>е'', iзе->>о'', i'зе->>o'', Δ i3 и коэффициентов отражения от промежуточной 2 грани R2, от выходной грани 3 грани R3 и суммарного R2+R3, где отмечены также предельные значения угла γ1: γimax, γ1'max, экстремальные его значения, соответствующие минимумам кривых R2, R3 и R2+R3. Пунктирные горизонтали соответствуют предельным углам падения Φо- луча о''; Φе луча e'' на выходную грань 3 и углу Брюстера iоб для луча о''.
Из рассмотрения фиг. 3 можно сделать следующие выводы:
1) Для модификаций поляризатора с двумя выходящими из него лучами (фиг. 1) в пределах изменения угла 5о≅γ1≅17о угол двойного клина увеличивается в пределах 1о≅Δγ≅5о, угол отклонения паразитного луча о от основного е изменяется в пределах 3,5о< Δ i3'<29о, суммарные световые потери не превышают R2+R3≅0,1% минимум суммарных световых потерь не превышает (R2+R3)min≅0,01о при угле γ1 ≈12о.
2) Для модификаций поляризатора только с одним выходящим основным поляризованным лучом е (фиг. 2) в пределах изменения угла 17о≅γ1≅30оcуммарные световые потери возрастают в соответствующих пределах 0,1%≅R2+R3≅2% и соответственно возрастает угол двойного клина 5о≅Δγ≅9,5о.
В соответствии с назначением и конкретными требованиями к предложенному поляризатору можно выбрать подходящую его модификацию, т.е. угол γ1 клина I, руководствуясь системой кривых, представленных на фиг. 3. По вышеприведенным формулам можно затем рассчитать углы γ2, Δγ, Δi'3 и ход лучей в поляризаторе.
Необходимо отметить чрезвычайно важное положительное качество предложенного поляризаторами, связанное с практической возможностью получения с его помощью уникально высокой степени поляризации основного поляризованного луча е на его выходе по сравнению со всеми известными поляризаторами, состоящими из двух призм-клиньев, в которых первая из них является поляризующим элементом, а вторая предназначена лишь для обеспечения параллельности или соосности выходящего поляризованного пучка лучей с входящим неполяризованным пучком лучей. Дело в том, что выходящий из первой призмы даже идеально линейно поляризованный луч при прохождении через вторую призму может на выходе из нее снизить степень своей линейной поляризации из-за оптической неоднородности в объеме кристалла, вызванной внутренними напряжениями, блочностью, при которых могут иметь место локальные вариации направлений главных осей оптической индекатрисы кристалла.
В предложенном же поляризаторе разделение обыкновенного и необыкновенного лучей происходит не на внутренней грани 2, а на выходной его грани 3. Поэтому из-за указанной оптической неоднородности кристалла в объемах клиньев основной поляризованный луч вблизи выходной грани клина II может приобрести паразитную ортогональную компоненту, т. е. стать эллиптически поляризованным, но соответствующий этой компоненте паразитный луч с другим показателем преломления nе'' после преломления на этой грани отклонится в сторону от преломленного основного линейно поляризованного луча с показателем преломления nо'' на угол, и поэтому степень поляризации последнего, в принципе, должна быть полной, т.е. 100%-ной.
Следовательно, с помощью предложенного поляризатора, можно достичь наиболее высокой степени поляризации света по сравнению с другими поляризаторами с двумя призмами-клиньями при всех прочих равных условиях.
Параллельное смещение выходящего из предложенного поляризатора линейно поляризованного луча е относительно входящего неполяризованного луча о+е (фиг. 1) препятствует его использованию в качестве вращаемого вокруг оси поляризационно-оптической системы, что является его недостатком.
Для устранения этого его недостатка предлагается дополнить его плоскопараллельной пластинкой, установленной непременно перед ним, т.е. на входе неполяризованного луча с наклоном в противоположную сторону к его оси падающему лучу под соответствующим углом Брюстера и выполненной с толщиной, необходимой для компенсации параллельного смещения указанных лучей, величина которого зависит от выбранных средних толщин клиньев. Расчет этой величины, угла наклона и толщины пластинки элементарен, и поэтому он не приводится (см. Справочник конструктора О-М приборов. Л. 1980, с. 187).
Все вышеприведенные расчетные формулы относятся к случаю выполнения предложенного поляризатора из отрицательного одноосного кристалла с nо>nе, например, исландского шпата. Однако изобретение не ограничивается этим частным случаем, а распространяется и на альтернативный случай выполнения его также из положительного одноосного кристалла с nо<ne, например, кристалла типа каломели Нg2Cl2, обладающего уникально большим двупреломлением δn= ne-no≈0,7, лучевой стойкостью ≈600 Вт/см2 и светопропусканием в видимой и ИК-области спектра до ≈20 мкм. Предложенный вариант поляризатора в этом случае отличается от предыдущего тем, что в первом клине 1 (фиг. 4) оптическая ось кристалла Z1 ориентирована перпендикулярно его главному сечению, а во втором клине II параллельно. При этом входная 1 и выходная 2 грани клина I установлены под углами αо=arctg( 1/no) и αo-γ1 к оси поляризатора, совпадающей с осевым лучом падающего неполяризованного пучка лучей, а входная 2 и входная 3 грани клина II ориентированы под углами
α arcsinsin(α0+γ1) αe+γ2
и α-γ2=α2 к оптической оси кристалла соответственно, а пределы произвольного угла γ1 и углы γ2, Δγ, Δ i'3 выполнены с указанными для предыдущего случая расчетными формулами и соотношениями, но при перемене в них местами nno и их функций
α0 αe, Φ0 Φe.
В качестве примера выполнения предложенного варианта поляризатора из кристалла с no<ne на фиг. 4 представлен рассчитанный по измененным формулам поляризатор, выполненный из кристалла каломели Hg2Cl2, обладающий тем свойством, что из него выходит только один основной поляризованный луч о, а паразитный е->>о'' испытывает полное внутреннее отражение от грани 2 при склейке клиньев канадским бальзамом или от выходной грани 3 при посадке клиньев на оптический контакт, а также поэтому обладающий малыми световыми потерями на отражение только от промежуточной грани 2, так как входной о+е и выходной е лучи преломляются на гранях 1 и 3 под соответствующими углами Брюстера
i1=arctg no; iзо'=arctg ne.
Практическое использование предложенного поляризатора в прецизионных поляризационно-оптических измерительных системах и приборах, как например, поляриметрах, эллипсометрах, дихрографах и других, открывает возможность существенного повышения чувствительности и точности в соответствующих измерениях из-за большой его поляризующей способности степени поляризации и отсутствия отраженных в обратном направлении вдоль оси оптической системы паразитных лучей-бликов.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПОЛЯРИЗАТОР | 1992 |
|
RU2080629C1 |
Поляризатор света | 1986 |
|
SU1425566A1 |
Эллиптический поляризатор | 1990 |
|
SU1727097A1 |
Поляризатор | 1990 |
|
SU1721571A1 |
Пентапризма | 1986 |
|
SU1427325A1 |
Поляризационная монопризма | 1986 |
|
SU1420578A1 |
Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма | 2016 |
|
RU2629660C1 |
ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ПРИЗМА | 2009 |
|
RU2445654C2 |
ЛИНЕЙНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ | 2001 |
|
RU2204854C2 |
Поляризационная монопризма | 1986 |
|
SU1429073A1 |
Использование: в поляризационно-оптических системах, в частности в модуляторах лазерного излучения. Сущность изобретения: поляризатор состоит из двух призм-клиньев, выполненных из одноосного кристалла, оптическая ось которого ориентирована параллельно в первом и перпендикулярно во втором к их главному сечению, и соединенных навстречу их вершинами без воздушного зазора в двойную призму, причем используются клинья с разными, но небольшими углами, при которых основной поляризационный луч преломляется на выходной грани второго клина под углом, близким или равным углу Брюстера. Угол первого клина выполнен произвольным в определенных пределах, а угол второго связан определенным соотношением с углом первого. Поляризатор света может быть снабжен дополнительной плоскопараллельной пластинкой, установленной перед его наклонной входной гранью с наклоном в противоположную сторону под соответствующим углом Брюстера и имеющей толщину, необходимую для компенсации параллельного смешения указанных лучей. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 5 ил.
0 < γ1< γ1max= arctg ×
а угол второго клина выполнен в соответствии с соотношением
γ2= γ1-arctg ×
где предельный угол падения обыкновенного луча на выходную грань второго клина.
где удовлетворяет уравнению
где предельный угол падения необыкновенного луча на выходную грань второго клина.
4. Поляризатор по п. 1, отличающийся тем, что первый клин выполнен с углом γ1 в пределах
5. Поляризатор по пп.1 4, отличающийся тем, что выполнен из кристалла исландского шпата.
и αe соответственно, где nо, nе показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, отличающийся тем, что клинья соединены без воздушного зазора, а пределы изменения угла γ1 первого клина и угол γ2/ второго клина выполнены в соответствии с соотношениями
0 < γ1< γ1max= arctg ×
γ2= γ1-arctg ×
8. Поляризатор по п.7, отличающийся тем, что угол γ1 первого клина выполнен в пределах
где удовлетворяет уравнению
9. Поляризатор по пп. 7 и 8, отличающийся тем, что угол γ1 первого клина выполнен удовлетворяющим соотношению
γ1= arctg ×
10. Поляризатор по п. 7, отличающийся тем, что первый клин выполнен с углом γ1 в пределах
11. Поляризатор по пп.7 10, отличающийся тем, что он выполнен из кристалла типа каломели Hg2Cl2.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Панов В.А | |||
и др | |||
Справочник конструктора оптико-механических приборов | |||
Л.: Машиностроение, 1980, с.60, рис.1 | |||
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Поляризатор света | 1986 |
|
SU1425566A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Авторы
Даты
1996-05-20—Публикация
1992-07-17—Подача