ПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к области оптических элементов поляризационно-оптических систем и приборов, а именно к линейным поляризаторам света, а точнее к кристаллическим поляризационным монопризмам.

Аналогом изобретения является широко известный лучеразводящий элемент - монопризма в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда, выполненная из кристалла исландского шпата, представленная на фиг.1а. (Белянкина А.С. Петрова В.П. Кристаллооптика, с. 31).

Прототипом изобретения является четырехгранная монопризма, основания которой имеют форму трапеции, выполненная из кристалла типа каломели Hg₂Cl₂ с уникально большим двупреломлением и представленная на фиг.1в (статья C. Barta, J. Trnka "Hew tipes of polarisers made from crystals of calomel group", "Crystal Res. and Technology, 1982, 17.4, p. 431-438).

Недостаток анализа холостой объем ADF параллелепипеда устранен в прототипе, в котором таким образом обеспечена экономия кристаллического материала на 25% по сравнению с аналогом.

Основной технической задачей является дальнейшая экономия материала за счет существенного уменьшения объема ADE монопризмы (фиг.1в) и даже полного его устранения, а также выведения пучка необыкновенных лучей e через существенно уменьшенную выходную грань CD и даже через выходную грань CE AB под значительным углом к направлению основного пучка обыкновенных лучей O.

Поставленная основная задача достигается в общем случае за счет существенного уменьшения угла Δ (фиг.1,в), который является произвольным, но ограниченными пределами 0≅ Δ≪ Φ₁ (в отличие от прототипа, в котором Δ≥ Φ₁, а также за счет выполнения грани AD полированной, являющейся рабочей гранью монопризмы (в прототипе эта грань AD является нерабочей и выполнена шлифованной). Пучок необыкновенных лучей e испытывает на этой полированной грани AD полное внутреннее отражение и, преломляясь на выходной существенно уменьшенной грани CD, выходит под углом преломления к основному пучку обыкновенных лучей O, как показано на фиг.2, где указанные углы γ₁ и Δ выполнены в общем случае произвольными, но ограниченными в следующих пределах
0< γ₁< 90^°; 0≅ Δ≪ Φ₁.

В соответствии с основной и дополнительными целями, которые будут сформированы ниже, предлагается поляризатор и его модификации, описанные в соответствующих пунктах формулы изобретения в конце заявки.

На фиг. 1-а аналог изобретения, b прототип изобретения; на фиг.2 - принципиальная схема общего случая предлагаемого поляризатора монопризмы из одноосного кристалла для расчета хода в ней обыкновенных O и необыкновенных E лучей.

ABCD продольное сечение монопризмы параллельное ее основаниям,
AB и CD входная и входная полированные грани,
BC нерабочая грань,
AD рабочая полированная грань,
90^°+Δ тупой угол между гранями AB и AD,
o+e осевой луч падающего неполяризованного параллельного пучка лучей,
o обыкновенный луч, совпадающий с его волновой нормалью N₁,
e₁ необыкновенный луч Lo1

, отклоненный от его волновой нормали N₁ на угол Φ₁ и падающий на полированную грань AD,
e₂ отраженный от грани AD необыкновенный луч Lo2, отклоненный от его волновой нормали N₂ на угол Φ₂,
θ угол между обыкновенным лучом o и необыкновенным лучом Lo2, испытавшим полное внутреннее отражение от полированной грани AD,
Z оптическая ось кристалла, ориентированная под углом α к нормали N₁ входной грани AB и под углом γ₁= 90^°-α и входной грани AB монопризмы,
1 сечение волновых поверхностей для обыкновенных и необыкновенных лучей поверхностей соответствующих скоростей V₀ и V_e лучей,
2 сечение оптической индикатрисы эллипс показателей преломления кристалла,
n_o, n_e показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле,
n₁ показатель преломления луча Lo1 с волновой нормалью N₁,
n₂ показатель преломления луча Lo2 с волновой нормалью N₂,
N нормаль к наклонной грани AD,
i₁= 90^°+Δ угол падения волновой нормали N₁ луча Lo1 на наклонную грань AD,
i₂ угол отражения волновой нормали N₂ луча Lo2,
γ₁ угол между оптической осью кристалла Z и радиусом-вектором n₁ сечения 2 его эллипсоида показателей преломления,
γ₂ угол между оптической осью кристалла Z и радиусом-вектором n₂ сечения 2 его эллипсоида показателей преломления,
V₁ скорость распространения в кристалле луча Lo1 с плоским фронтом t₁ необыкновенной волны e₁ с волновой нормалью N₁,
V₂ скорость распространения в кристалле луча Lo2 с плоским фронтом t₂ необыкновенной волны e₂ с волновой нормалью N₂,
i₃ угол падения волновой нормали N₂ на выходную грань CD,
угол преломления волновой нормали на выходной грани CD,
d ширина входной грани AB монопризмы,
l длина монопризмы,
l' расстояние от выходной грани CD до диафрагмы 3, экранирующей выходящий из грани CD отклоненный на угол пучок необыкновенных лучей
На фиг.3 и 5 поляризационная монопризма для прямого хода через нее пучка лучей, a общий случай Δ≠ 0, b частный случай Δ=0; на фиг.4 и 6 - поляризационная монопризма для прямого и обратного хода через нее пучка лучей, a -общий случай Δ≠ 0, b частный случай Δ=0.

Обозначения на фиг.3, 4, 5, 6 соответствуют обозначениям на фиг.2.

Расчет хода лучей и их волновых нормалей в монопризме из исландского шпата (фиг.2).

Подающий неполяризованный луч o+e после преломления на входной грани AB разделяется на обыкновенный o и необыкновенный с общей волновой нормалью N₁⊥AB Показатель преломления n₁ и угол Φ_1/ отклонений луча от луча o-N₁ определяются следующими формулами (Белянкин А.С. Петров В.П. Кристаллооптика, с. 21).

Угол падения на наклонную грань AD волновой нормали N₁ луча
i₁=90^°+Δ (2),
а угол отражения соответствующей волновой нормали N₂ луча определяется согласно закону преломления с учетом (2)
n₁sini₁= n₁cosΔ=n₂sini₂ (3),
где n₂ показатель преломления волновой нормали N₂ луча зависит от неизвестного угла γ₂

Из фиг.2 следуют соотношения:

Подставляя в (4) значения n₂ из (3) и значение sini₂ из (5), получаем уравнения, из решения которого определяется неизвестный угол γ₂ при заданных углах γ₁ и Δ и при известных n_o и n_e

которое приводится к следующему виду:
Asin2γ₂+Bcos2γ₂+C=0

Определив из этого уравнения γ₂, находим величины n₂ (4) и i₂ (5). Далее по фиг. 2 последовательно определяются остальные параметры хода луча e в монопризме

Расчет общего случая предлагаемой поляризационной монопризмы из кристалла исландского шпата при Δ≠ 0.

Целью расчета является определение угла Δ, при котором крайний луч ALк2

пучка необыкновенных лучей e₂, отраженных от грани AD, проходит через ребро C край выходной грани CD при заданных показателях преломления кристалла n_o и n_e и максимальном угле Φ₁= Φ_1max. Эти условия расчета выражаются соотношением, следующим из фиг.2.

tgΔ = tg Φ₁- tgθ(Δ) (10)
и зависимости (1)

при которых пучок необыкновенных лучей e₂ полностью преломляется на выходной грани монопризмы и отклоняется от основного пучка обыкновенных лучей o на угол .

Используя приведенные выше формулы, уравнение (10) можно преобразовать к следующему виду для определения неизвестного угла Δ
,
где γ₂(Δ) определяется из уравнения (6).

Определить неизвестный угол Δ из решения сложного трансцендентного уравнения (12) практически невозможно аналитически, и возможно лишь одним из известных численных методов. Так как угол γ_1max = 41^°54′ незначительно отличается от угла γ₁= 45^°23′, при котором входная грань монопризмы AB параллельна плоскостям спайности кристалла исландского шпата и упрощается технология кристаллографической ориентировки монопризмы, в результате соответствующих расчетов при γ₁= 45^°23′ были определены следующие параметры монопризмы, представленной на фиг.3,а.

Для обеспечения возможности работы предлагаемой монопризмы, как в прямом, так и в обратном ходе через нее параллельного пучка лучей, необходимо ее третью нерабочую грань выполнить полированной и параллельной четвертой ее полированной грани, как показано на фиг. 4,а.

Расчет частного случая предлагаемой поляризационной монопризмы из кристалла исландского шпата при Δ=0.

Так как для общего случая определенный угол Δ=0,3^°=18′ мал по величине, то для рассматриваемого случая можно принять его равным нулю Δ=0 и при этом его значении произвести расчет хода лучей по вышеприведенным формулам, приняв при этом значение угла γ₁ близким к γ_1max, соответствующее ориентировке входной грани AB параллельной (γ₁= 45^°23′) или перпендикулярной () плоскостям спайности кристалла исландского шпата. При этих условиях получали в результате расчетов:
,
Следовательно, в этом случае крайний луч ALk2

выходит за пределы выходной грани на величину
.

Этот луч ALk2

пересечет боковую грань на расстоянии от выходной грани , а после отражения от нее пересечет выходную грань на расстояние от ее края C.

x′ =ytgΦ₁= 0,0929863•d,
и преломившись, выйдет наружу параллельно основному лучу O, т.е. часть ручка O с края на его ширине x' будет деполяризована.

Поэтому необходимо эту часть пучка или заэкранировать, что нежелательно, или же сместить боковую грань в наружном направлении на величину x'' и притупить новое ребро c'' зачерненной фаской x'' х 45^o. Величина x'' рассчитана из условия, при котором крайний луч Lk2

после отражения от смещенной боковой грани должен пройти через первоначальное положение ребра C выходной грани. В результате такого расчета получаем отношение
,
И отношение расстояния d₀ между боковыми гранями монопризмы с исходной ширине d
.

Соответствующая монопризма представлена на фиг. 3,b. Для обеспечения возможности использования такого поляризатора для работы не только в прямом, но и в обратном ходе через него параллельного пучка лучей, необходимо выполнить отношение

на краях входной и выходной граней сошлифовать и зачернить фаски x'' х45^o и обе боковые и обе боковые параллельные грани выполнить полированными, как показано на фиг.4b.

При малой расходимости падающего параллельного пучка неполяризованных лучей o + e на угол ± δ наклонные параллельные пучки будут виньетироваться за счет значительного отношения длины l к ширине d монопризмы а на их краях при этом будет появляться паразитная компонента поляризации, т.е. будет возникать деполяризация. Поэтому необходимо заэкранировать края этих пучков на величину
,
при которой световое отверстие поляризатора линейная апертура - сократится до величины d_св в соответствии с отношением
.

Например, для луча HeNe-лазера с диаметром d 3 мм и расходимостью δ= ± 10′ рассчитанные размеры монопризмы из исландского шпата следующие:
l 27,6 мм, d_o3 + 0,15 3,15 мм; d_св 3 0,32 2,68 мм.

При d 2 мм: l 18,4 мм; d_o 2 + 0,1 2,1 мм;
d_св 2 0,21 1,79 мм.

Расчет общего случая поляризационной монопризмы из кристалла каломели при Δ≠ 0.

Целью расчета является определение такого угла Δ, при котором волновая нормаль N₂ полностью отраженных необыкновенных лучей e₂ пучка от боковой полированной грани AD (фиг.2) преломлялась бы на выходной грани CD под соответствующим углом Брюстера, при котором исключаются световые потери на отражение от выходной грани пучка необыкновенных лучей. Так как для каломели, в отличие от исландского шпата n_o 1,962 < n_e 2,621, а для исландского шпата
n_o 1,65504 > n_e 1,4849, то согласно фиг.2 можно воспользоваться при расчете приведенными выше формулами при замене n_o⇄ n_e в них, а также соответственно измененными соотношениями (3), (5), (6) и (7)
.

Определив численным методом из уравнения (14) γ₂ и n₂, из уравнения (15) определяется угол Δ при найденных значениях g₂ и n₂

В результате соответствующих расчетов определены следующие параметры поляризационной призмы из кристалла каломели:

Поляризационная монопризма с этими параметрами представлена на фиг.5, а, а соответствующая ей монопризма для прямого и обратного хода лучей в ней представлена на фиг. 6, a, где x'' ≈ 1 мм.

Расчет частного случая поляризационной монопризмы из кристалла каломели при Δ=0.

В результате соответствующего расчета по вышеприведенным формулам, в которых полагали Δ=0, получаем следующие результаты, отличные от предыдущих (16):

d 10 мм; l 34,05 мм; x'' 1,609 мм.

Так как i₃>i_3прод, необыкновенные лучи будут испытывать полное внутреннее отражение от выходной грани монопризмы. Отраженные лучи будут падать на боковую шлифованную и зачерненную грань и поглощаться. Следовательно, через выходную грань будет выходить только линейно поляризованный пучок обыкновенных лучей. Соответствующая монопризма представлена на фиг.5, b, а на фиг.6, b представлена соответствующая монопризма для работы в прямом и обратном ходе через нее светового пучка, в которой обе боковые ее грани выполнены шлифованными и зачерненными с целью поглощения полностью отраженных от выходной грани монопризмы необыкновенных лучей, как в прямом ходе, так и в обратном их ходе.

В заключение приводим сводную таблицу параметров рассмотренных примеров выполнения предлагаемого поляризатора, где R₃ коэффициент отражения необыкновенных лучей e₂ от выходной грани.

Предлагаемый поляризатор из кристалла исландского шпата предпочтительно предназначается для поляризации узких параллельных световых пучков с малой расходимостью, например, излучаемых газовыми лазерами. При использовании в качестве материала поляризационной монопризмы кристалла каломели допустимая расходимость параллельного пучка лучей увеличивается в 3 раза по сравнению с монопризмой из исландского шпата с одной и той же линейной апертурой d
Результаты экспериментальных измерений параметров изготовляемых поляризаторов из исландского шпата (фиг.3, b и 4,b) со световыми отверстиями d1 мм, 2 мм, 3 мм полностью совпали с рассчитанными его параметрами, в частности, с углами отклонения паразитных необыкновенных лучей от основных обыкновенных лучей . При этом измеренная степень поляризации p≥ 1 - 10 ^-6 оказалась не менее степени поляризации первоклассных призм Глана, а угол отклонения основного поляризованного пучка обыкновенных лучей от направления падающего неполяризованного пучка не превышал 5''.

Использование: изобретение относится к области элементов поляризационно-оптических систем и приборов, а именно к линейным поляризаторам узких параллельных пучков лучей с малой расходимостью, например, излучаемых газовыми лазерами, а точнее к кристаллическим поляризационным монопризмам. Сущность изобретения: поляризатор представляет собой четырехгранную монопризму с перпендикулярными ее граням основаниями, выполненную из одноосного кристалла, оптическая ось которого ориентирована параллельно основаниям и под углом γ₁ к параллельным входной и выходной граням, образующим прямые углы с третьей гранью, четвертая грань выполнена полированной, под тупым углом 90^°+Δ к выходной грани, а произвольные углы g₁ и Δ ограничены пределами: 0< γ₁< 90^°,
,
где
d - ширина входной грани, l - длина третьей грани. Поляризационная монопризма может быть выполнена из кристаллов исландского шпата CaCO₃ и каломели Hg₂Cl₂. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Поляризатор, выполненный в виде четырехгранной призмы с перпендикулярными к ее граням основаниями из одноосного кристалла, оптическая ось которого ориентирована параллельно основаниям и под углом γ₁ к параллельным полированным первой входной и второй выходной граням, образующим с третьей гранью прямые углы или углы 90^°∓ Δ соответственно, четвертая грань выполнена под тупым углом 90^°+ Δ к первой грани, а отношение линейной апертуры d поляризатора, равной ширине первой грани, к ее расстоянию l до второй грани

где n_o, n_e показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, Φ₁ угол отклонения преломленного на 1 грани необыкновенного луча от обыкновенного луча при нормальном падении неполяризованного луча на первую грань монопризмы, отличающийся тем, что углы γ₁ и Δ выполнены в следующих пределах:

2. Поляризатор по п. 1, отличающийся тем, что выполнен в соответствии с соотношением

3. Поляризатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выполнен с полированной четвертой гранью, с прямым углом между первой и третьей гранями и с шириной l • tg Φ₁ второй грани. 4. Поляризатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выполнен с полированными третьей и четвертой гранями, с углом 90^°- Δ между первой и третьей гранями и с одинаковой шириной l • tg Φ₁ первой и второй граней. 5. Поляризатор по п. 3, отличающийся тем, что выполнен с параллельно смещенной в наружном направлении третьей гранью на ширину фасок x" x 45^o между ней и первой и второй гранями из кристаллов каломели (Hg₂Cl₂) при и исландского шпата (CaCO₃) при
6. Поляризатор по п. 4, отличающийся тем, что выполнен с параллельно смещенными в наружных направлениях третьей и четвертой гранями на ширину фасок x" x 45^o между ними и первой и второй гранями из кристаллов: каломели при и исландского шпата при
7. Поляризатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выполнен с углом Δ = 0, с прямым углом между первой и третьей гранями, со шлифованной и зачерненной третьей гранью, параллельно смещенной в наружном направлении на ширину фасок x" x 45^o между ней и первой, второй гранями, из кристаллов каломели (Hg₂Cl₂) при и исландского шпата (CaCO₃) при
8. Поляризатор по п. 7, отличающийся тем, что выполнен со шлифованной и зачерненной четвертой гранью, параллельно смещенной в наружном направлении на ширину фасок x" x 45^o между ней и первой, второй гранями.