ПРИЗМЕННЫЙ УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B5/122 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве отражающего элемента в интерферометрах, светодальномерах с модуляцией света по поляризации, в ретрозеркалах лазеров.

Известна поворотная призма кольцевого четырехугольного оптического квантового генератора /1/, поворачивающая луч света на 90^o и не имеющая потерь света на отражение и поляризацию. Однако это свойство имеет место лишь при падении света на поворотную призму под углом Брюстера.

Известен также интерференционный поляризатор /2/, стабилизирующий плоскость поляризации в непараллельном световом пучке и содержащий три прямые призмы и до десяти полос интерференционного поляризующего покрытия. Однако это устройство имеет сложную конструкцию и не меняет направление распространения света.

Известен также триппель-призменный отражатель возвратного действия с металлизированными отражающими гранями, имеющий одинаковые углы поворота плоскости поляризации отраженного света независимо от начальной ориентации плоскости поляризации падающего света. Однако при трехкратном отражении от металла теряется до 40% энергии падающего света. Кроме того, изменение положения плоскости поляризации достигает ±6^o, что приводит к значительным фазовым ошибкам при использовании в устройствах, где требуется сохранение положения плоскости поляризации.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды с боковыми ребрами равной длины, два двугранных угла которой равны прямому, а третий двугранный угол выполнен равным π /[2(s+1)] где s целое положительное число. Однако он формирует отраженное излучение с линейной поляризацией лишь при строго определенном для каждого показателя преломления азимуте поляризации падающего линейно-поляризованного света, при этом положение плоскости поляризации отраженного света отлично от положения плоскости поляризации падающего света.

Цель изобретения стабилизация плоскости поляризации.

Цель достигнута тем, что в призменном уголковом отражателе, выполненном в виде трехгранной пирамиды с боковыми ребрами равной длины, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями равны p/2 третий двугранный угол равен p/[2(s+1)] где s 3, 6, 7, согласно изобретению сектора рабочей апертуры входной фронтальной грани отражателя, соответствующие порядку отражения света от боковых граней, в котором грань, противолежащая двугранному углу p/[2(s+1)] не стоит в начале или конце цепочки из 2s+3 полных внутренних отражений, экранированы, и показатель преломления материала отражателя выбран равным n 1,46 при s 3, n 1,98 при s 6, n 1,64 при s 7.

Предлагаемое устройство соответствует критерию новизны, так как характеризуется наличием новых признаков, а именно специальным подбором двугранных углов, показателя преломления и экранированием части рабочей апертуры.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что оно соответствует критерию существенных отличий, так как введение новых признаков приводит к проявлению устройством нового свойства формирования линейно-поляризованного отраженного излучения с неизмененным положением плоскости поляризации независимо от азимута поляризации падающего линейно-поляризованного света.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства. Оно выполнено в виде трехгранной пирамиды 1 с тремя боковыми отражающими гранями 2, 3, 4 и входной фронтальной гранью 5. Двугранные углы между гранями 2 и 4, 3 и 4 равны p/2, а между гранями 2 и 3 p/[2(s+1)] s 3, 6, 7. Длины боковых ребер между гранями 2 и 3, 2 и 4, 3 и 4 равны по величине. Показатель преломления материала отражателя равен n 1,46 (s 3), n 1,98 (s 6), n l,64 (s 7). На гранях 2, 3, 4 свет испытывает полное внутреннее отражение. Совокупность точек входа и выхода света из отражателя 1 образует его рабочую апертуру 6 (граница рабочей апертуры выделена толстой линией), которая представляет собой вытянутый симметричный шестиугольник, расположенный на фронтальной грани 5. Она получается как общая часть пересечения фронтальной грани 5 и ее зеркально-симметричного изображения относительно точки входа центрального луча (основание перпендикуляра, опущенного из вершины трехгранного угла на фронтальную грань 5). Рабочая апертура 6 состоит из совокупности 4s+6 секторов, границы между которыми совпадают с проекциями на фронтальную грань 5, в направлении, перпендикулярном к ней, боковых ребер отражателя и их зеркальных изображений в боковых гранях 2, 3 и 4. Экранированная часть рабочей апертуры отмечена штриховкой. Экранирование может осуществляться, например, посредством механического экрана, расположенного перед фронтальной гранью 5, или путем матирования части самой рабочей апертуры. Экранирована или отсечена также может быть часть фронтальной грани 5, не принадлежащая рабочей апертуре 6 и не участвующая в формировании идущего в обратном направлении излучения. На фиг. 2 показана рабочая апертура 6 с экранированными секторами, соответствующими порядку отражения света от боковых граней 2, 3 и 4, в котором грань 4, противолежащая двугранному углу p/[2(s+1)] не стоит в начале или конце цепочки из 2s+3 полных внутренних отражений. В скобках показаны последовательности прохождения светом боковых граней 2, 3 и 4 при выходе из соответствующего сектора рабочей апертуры.

Устройство работает следующим образом.

Линейно-поляризованный свет с произвольным азимутом поляризации, который отсчитывается по часовой стрелке от оси для падающего света и против часовой стрелки от оси для выходящего света (фиг. 1), падает на фронтальную грань 5 отражателя 1. Пройдя через четыре неэкранированных сектора рабочей апертуры 6, свет испытывает 2s+3 полных внутренних отражений от боковых граней 2, 3 и 4 в порядке прохождения по цепочкам 423.23, 23.234, 32.324, 432.32. Выходящий из отражателя свет имеет направление, строго противоположное падающей волне. При полных внутренних отражениях от боковых граней 2, 3 и 4 происходят изменения амплитудно-фазовых характеристик волны. Эти изменения зависят от показателя преломления материала отражателя, состояния поляризации падающего света, набора углов падения волн на отражающие грани (геометрии отражателя), а также от последовательности переотражения волн от граней (номера сектора). Поэтому сектора рабочей апертуры 6 отражателя 1 выступают как отдельные оптические элементы, формирующие волны, в общем случае, с различными состояниями поляризации. Параметры отражателя (выбор геометрии отражателя, рабочих секторов и показателя преломления) оптимизированы таким образом, что падающий на отражатель с произвольным азимутом поляризации линейно-поляризованный свет сохраняет на выходе линейность поляризации, а его азимут поляризации изменяется по закону α_вых = 180^° - α_вх (прямая 7 на фиг. 3), что с учетом системы отсчета азимутов поляризации падающего и отраженного излучения означает совпадение плоскостей поляризации падающего и отраженного света. При любых поворотах (вращениях) отражателя 1 в плоскости, перпендикулярной направлению падения света, а также при небольших отклонениях отражателя в других направлениях плоскости поляризации падающей и отраженной волн совпадают. Тем самым достигается стабилизация плоскости поляризации.

В качестве примера исполнения рассмотрим признанный уголковый отражатель в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы которой между отражающими гранями равны ((π/2, π/2, π/8) s 3), изготовленной из кварцевого стекла (n 1,4555 для λ 700 нм). Для него при диапазоне азимутов поляризации падающего света a_вх 0^o.360^o эллиптичность выходящего излучения не превышает значения ε^max 0,025, а отклонение азимута поляризации выходящего излучения от линейной зависимости α_вых = 180^° - α_вх не превышает величины δ^max 0,02^o. Для иллюстрации вышесказанного на фиг. 4 приведены зависимости e = ε(α_вх) (сплошная кривая 8) и δ = δ(α_вх) (штриховая кривая 9). Расчеты, выполненные на ПЭВМ, показывают, что чем ближе показатель преломления материала предлагаемого призменного уголкового отражателя к определенной величине, тем меньше эллиптичность отраженного излучения и отклонение азимута поляризации выходящего излучения от линейной зависимости α_вых = 180^° - α_вх (ε^max → 0, δ^max → 0) Такими оптимальными показателями преломления являются значения n 1,455715 (s 3), n 1,977801 (s 6), n= 1,637184 (s 7).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает в режиме полного внутреннего отражения получение с большой степенью точности линейно-поляризованного возвращаемого света со стабилизированной плоскостью поляризации независимо от азимута поляризации падающего излучения. Это позволяет использовать устройство в оптических схемах, где необходимо сохранение состояния поляризации распространяющегося излучения.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 204456, МПК H 03 b. Аблеков В.К. Соколов С.А. Кабанов Э.Н. Бельский Д.П. Гордеев Д.В. Остапченко Е.П. Кольцевой четырехугольный оптический квантовый генератор. БИ N 22, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР N 1318966, G 02 B 5/30. Малков А.В. Сосенский А.М. Интерференционный поляризатор. БИ, N 23, 1987.

Призменный уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды с боковыми ребрами равной длины, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями равны π/2, третий двугранный угол равен π/[2(S+1)], где S 3, 6, 7, отличающийся тем, что, с целью стабилизации плоскости поляризации, сектора рабочей апертуры входной фронтальной грани отражателя, соответствующие порядку отражения света от боковых граней, в котором грань, противолежащая двугранному углу π/[2(S+1)] не стоит в начале или конце цепочки из 1S + 3 полных внутренних отражений, экранированы, и показатель преломления материала отражателя выбран равным n 1,46 при S 3, n 1,98 при S 6, n 1,64 при S 7.