СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ АПЕРТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КРИСТАЛЛА Российский патент 2006 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к приборам на основе оптической активности кристаллов: вращателям оптического излучения, используемым для кодирования и декодирования оптических изображений и сигналов; приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от положения плоскости поляризации излучения.

Общеизвестно, что угловая апертурная зависимость оптической активности кристалла, полученная при прохождении света через оптическую систему поляризатор - кристалл - анализатор, характеризует ограничение поперечного сечения и изменение угла раствора используемого светового пучка при пропускании света через оптические устройства. Угловая апертурная характеристика определяется при взаимно перпендикулярных осях пропускания поляризатора и анализатора.

Известно также, что оптический кристалл имеет три кристаллографические оси, одна из которых является оптической осью кристалла и которая далее в тексте будет называться "оптической осью кристалла".

Принцип определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла заключается в изменении угла между падающим излучением и оптической осью кристалла.

Интенсивность излучения, прошедшего через оптически активный кристалл, зависит от расположения оптической и кристаллографических осей кристалла по отношению к оси оптической системы, которое влияет на интенсивность прошедшего излучения за счет двупреломления и за счет оптической активности.

Интенсивность излучения, которая влияет на определение угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла, зависит от оптической активности кристалла. Но через кристалл одновременно проходит излучение за счет оптической активности и за счет двупреломления, и в направлениях, отличных от оптической оси кристалла, интенсивность прошедшего излучения за счет двупреломления на порядок и более превышает интенсивность прошедшего излучения за счет оптической активности. Превалирующее влияние двупреломления на интенсивность прошедшего излучения по сравнению с влиянием оптической активности искажает угловую апертурную характеристику оптической активности кристалла.

Проблема определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла заключается в выделении интенсивности прошедшего излучения, связанной с оптической активностью кристалла.

Известен способ определения угловой апертурной характеристики оптически активного кристалла [1, 2], позволяющий устранить влияние двупреломления на угловую апертурную характеристику для определенной длины волны λ₀.

Способ заключается в изменении угла падения излучения с длиной волны λ₀=0,4976 мкм на оптическую систему, в измерении зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла падения излучения и выборе апертурного угла оптической активности кристалла из полученной зависимости.

Оптическая система состоит из поляризатора, оптически активного кристалла тиогаллата серебра AgGaS₂ и анализатора. Тиогаллат серебра обладает изотропной точкой по двупреломлению. Кристалл устанавливают таким образом, что его оптическая ось перпендикулярна оси системы, которая лежит в горизонтальной плоскости вместе с двумя другими кристаллографическими осями, а также параллельна оси пропускания поляризатора. Оси пропускания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны, то есть они скрещены.

В случае пропускания через систему излучения с длиной волны, отличной от λ₀, после поляризатора вектор Е падающего излучения расположен вертикально. В кристалле двупреломление сохраняется, но, так как вектор Е параллелен оптической оси кристалла, оно не влияет на его поворот и на выходе из кристалла вектор Е остается параллельным оптической оси. Анализатор это излучение не пропускает, так как вектор Е излучения перпендикулярен оси пропускания анализатора. Интенсивность прошедшего излучения равна нулю.

В случае пропускания по оси системы излучения с длиной волны λ₀ после поляризатора вектор Е падающего излучения также приобретает вертикальное положение. Благодаря наличию изотропной точки по двупреломлению в активном кристалле показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей равны и двупреломление отсутствует. На выходе из кристалла интенсивность зависит только от оптической активности, а вектор Е излучения повернется на угол α за счет оптической активности кристалла.

Так как на анализатор попадает излучение с вектором Е под углом к оси пропускания анализатора, то он пропускает только составляющую, совпадающую с осью пропускания анализатора. Интенсивность прошедшего излучения уменьшается и зависит только от оптической активности кристалла.

Для определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла изменяют угол падения излучения относительно оси оптической системы, не меняя ее состояния, и снимают зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла падения.

В случае пропускания излучения с длиной волны λ₀ под некоторым углом к оси системы все ее элементы влияют на излучение, как в предыдущем случае. Однако длина оптического пути излучения в кристалле будет различной в зависимости от угла падения излучения на систему и, следовательно, будет различной величина оптической активности. Интенсивность прошедшего излучения зависит только от величины оптической активности кристалла и меняется в зависимости от угла падения излучения. Анализатор пропускает изменяющуюся составляющую прошедшего излучения от 0 до max. Следовательно, интенсивность прошедшего излучения будет изменяться при различных углах падения излучения на систему.

Угловая зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла падения представляет собой в интервале 0÷90° кривую, у которой интенсивность прошедшего излучения имеет максимальное значение при 0° и имеет практически постоянное значение в интервале 0÷30° с постепенным ее уменьшением в интервале 30÷90°. Из полученной зависимости выбирают угловой интервал в пределах от -40° до +40° от оси системы. Следовательно, угловая апертурная характеристика 80° позволяет использовать пучки излучения с большой расходимостью 80°.

Достоинством известного способа является простота и легкость проведения экспериментальных измерений при определении угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла.

Недостаток известного способа заключается в определении угловой апертурной характеристики только для излучения с одной длиной волны λ₀, что ограничивает область применения кристалла.

Кроме того, определение апертурной характеристики описанным способом имеет большую погрешность измерений, обусловленную тем, что интенсивность излучения, прошедшего через поляризатор и анализатор, частично теряется за счет изменения угла падения излучения на элементы системы. Снижение интенсивности зависит от угла отклонения излучения, и потери будут тем больше, чем больше угол отклонения луча от оси системы. В результате потери интенсивности вносят искажение в угловую зависимость интенсивности прошедшего излучения.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ определения угловой апертурной характеристики оптически активного кристалла [3], позволяющий определить угловую апертурную характеристику для излучения с любой длиной волны и исключить потери интенсивности за счет изменения угла падения излучения.

Способ заключается в пропускании светового излучения по оси оптической системы, повороте кристалла, измерении зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла и выборе апертурного угла оптической активности кристалла из полученной зависимости.

Оптическая система состоит из поляризатора с осью пропускания, расположенной под углом 45° к оптической оси кристалла, оптически активного кристалла кварца SiO₂ и анализатора. Кристалл устанавливают таким образом, что его оптическая ось перпендикулярна оси системы, которая лежит в горизонтальной плоскости вместе с двумя другими кристаллографическими осями. Оси пропускания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны, то есть они скрещены.

Вектор Е прошедшего через поляризатор излучения расположен под углом 45° к оптической оси кристалла и в силу этого в кристалле падающее излучение разлагается на обыкновенный и необыкновенный лучи с разными показателями преломления n₀ и n_e, но равными проекциями вектора Е на кристаллографические оси, одна из которых совпадает с оптической осью кристалла. Различие в показателях преломления обуславливает разную длину оптического пути и разность фаз, за счет которой вектор Е излучения повернется на угол α.

Кроме того, на поворот вектора Е излучения влияет оптическая активность кристалла. Так как интенсивность прошедшего излучения за счет нее в 10³-10⁴ раз меньше, чем за счет двупреломления, то при наличии двупреломления Δn=n_o-n_e≠0 оптическая активность почти полностью исключается. При отсутствии двупреломления Δn=0 оптическая активность проявляется и может достигать большой величины.

На анализатор попадает излучение с вектором Е под углом к оси пропускания анализатора и он пропускает только составляющую, совпадающую с осью пропускания анализатора. Интенсивность прошедшего через анализатор излучения изменяется в зависимости от длины оптического пути и в подавляющей степени зависит от двупреломления в кристалле.

Для определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла его поворачивают вокруг его оптической оси, при этом снимают зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота. При этом угол падения излучения на систему не меняют, то есть пропускают излучение по оси оптической системы.

В случае поворота кристалла на некоторый угол относительно оптической оси все элементы системы влияют на положение вектора Е излучения аналогично, так же как и в предыдущем случае. Однако длина оптического пути излучения в кристалле и разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами будет различной в зависимости от угла поворота кристалла. Интенсивность прошедшего излучения зависит в основном от величины двупреломления (от разности фаз, пропорциональной углу поворота) и в малой степени от оптической активности кристалла и меняется периодически от 0 до максимального значения в зависимости от угла поворота кристалла. Анализатор пропускает изменяющуюся составляющую прошедшего излучения от 0 до max. Следовательно, интенсивность прошедшего излучения будет изменяться при различных углах поворота кристалла.

Угловая зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла представляет собой периодически осциллирующую кривую в интервале от 0° до ±40°, у которой интенсивность излучения имеет несколько максимумов примерно одинакового по амплитуде значения и минимумов, равных нулю. Интенсивность в каждом максимуме за счет оптической активности составляет 10^-3-10^-4 от интенсивности прошедшего излучения за счет двупреломления. Зависимость интенсивности за счет оптической активности от угла поворота совпадает по периоду осцилляции с зависимостью интенсивности за счет двупреломления от угла поворота.

Из полученной зависимости выбирают угловой интервал в градусах по ширине центрального максимума между нулевыми значениями интенсивности, который составляет 2÷3°.

Следовательно, угловая апертурная характеристика оптической активности кристалла 2÷3° позволяет использовать пучки с расходимостью 2÷3°.

Достоинством известного способа является возможность определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла для любой длины волны.

Кроме того, при определении угловой апертурной характеристики исключаются искажения за счет отсутствия угловой зависимости интенсивности излучения, прошедшего через поляризатор и анализатор.

Недостаток известного способа заключается в большой погрешности измерения апертурного угла, обусловленной присутствием в интенсивности излучения превалирующего значения интенсивности за счет влияния двупреломления, максимальное значение которой проявляется для излучения с вектором Е, расположенным под углом к оптической оси.

Погрешность определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла в данном способе составляет 30-50%, что приводит к зназначительной ошибке в выборе угловой расходимости излучения в используемых приборах.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла, который имеет высокую точность определения апертурного угла и низкую погрешность измерений за счет исключения влияния двупреломления на интенсивность прошедшего излучения.

Для решения поставленной задачи в известном способе определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла, заключающемся в пропускании монохроматического излучения по оси оптической системы, содержащей поляризатор, оптически активный кристалл, одна из кристаллографических осей которого лежит в горизонтальной плоскости, и анализатор с осью пропускания, перпендикулярной оси пропускания поляризатора, повороте кристалла вокруг кристаллографической оси, перпендикулярной оси системы, лежащей в горизонтальной плоскости, измерении зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла и выборе апертурного угла оптической активности по угловой ширине центрального максимума между минимумами интенсивности прошедшего излучения, оптическую ось кристалла располагают вдоль оси оптической системы, а ось пропускания поляризатора устанавливают перпендикулярно горизонтальной плоскости.

Новое расположение оптической оси кристалла относительно оси оптической системы для определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла позволяет на порядок повысить точность ее определения за счет исключения влияния двупреломления на интенсивность прошедшего излучения.

Это обусловлено тем, что двупреломление за счет совпадения оптической оси кристалла с направлением излучения в кристалле не проявляется и интенсивность прошедшего излучения зависит только от оптической активности кристалла. Исключение влияния двупреломления на интенсивность прошедшего излучения как фактора, искажающего угловую апертурную характеристику оптической активности кристалла, позволяет резко повысить точность определения апертурной характеристики.

Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности "новизна".

Причинно-следственная связь "новое расположение оптической оси кристалла относительно оси оптической системы приводит к резкому увеличению точности определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла" не известна в уровне техники и логически не вытекает из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фигуре 1 представлена зависимость интенсивности прошедшего излучения через оптическую систему от угла поворота кристалла TeO₂ при толщине пластинки d=1,2 мм.

На фигуре 2 представлена зависимость интенсивности прошедшего излучения через оптическую систему от угла поворота кристалла ТеО₂ при толщине пластинки d=1,2 мм, полученная по способу-прототипу.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Монохроматическое излучение пропускают по оси оптической системы, поворачивают кристалл вокруг вертикальной кристаллографической оси, определяют зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла и выбирают апертурный угол оптической активности из полученной зависимости по угловой ширине центрального максимума между минимальными значениями интенсивности прошедшего излучения.

Для определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла используют оптическую систему, ось которой лежит в горизонтальной плоскости. Система содержит поляризатор, оптически активный кристалл и анализатор с осью пропускания, перпендикулярной оси пропускания поляризатора. Поляризатор устанавливают так, что его ось пропускания перпендикулярна горизонтальной плоскости. Кристалл устанавливают так, что его оптическая ось совпадает с осью оптической системы. Одна кристаллографическая ось кристалла вместе с оптической осью расположена в горизонтальной плоскости. Другая кристаллографическая ось - перпендикулярна им, то есть является вертикальной кристаллографической осью кристалла. Анализатор устанавливают так, что его ось пропускания перпендикулярна оси пропускания поляризатора.

Излучение с произвольным состоянием поляризации направляют на оптическую систему вдоль ее оси. После поляризатора вектор Е излучения параллелен вертикальной кристаллографической оси кристалла и его проекция на оптическую ось равна нулю. В таком случае в кристалле двупреломление не проявляется и на излучение влияет только оптическая активность. Под влиянием оптической активности излучение расщепляется на две компоненты, которые циркулярно поляризованы в противоположных направлениях. Они распространяются с разными фазовыми скоростями, соответствующими разным показателям преломления n_l и n_r. Разность фаз двух циркулярно поляризованных компонент равна 2α. На выходе из кристалла компоненты снова складываются и из кристалла выходит линейно поляризованное излучение, но его вектор Е повернут на угол α относительно первоначального положения. Угол поворота вектора Е определяется формулой где d - толщина кристалла, λ - длина волны.

Так как на анализатор подает излучение с вектором Е под некоторым углом к оси пропускания анализатора, то он пропускает только проекцию вектора Е, совпадающую с осью пропускания анализатора.

Таким образом, интенсивность прошедшего через оптическую систему излучения зависит от оптической активности кристалла.

Для определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла его поворачивают вокруг вертикальной кристаллографической оси и снимают зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла. При этом угол падения излучения на оптическую систему не меняют, то есть пропускают излучение по оси системы.

В случае поворота кристалла на некоторый угол относительно вертикальной кристаллографической оси происходят следующие процессы. После поляризатора на кристалл падает излучение с вектором Е, параллельным вертикальной кристаллографической оси, поэтому в нем двупреломление не проявляется. Под влиянием оптической активности в направлениях, отличных от оптической оси кристалла, излучение разлагается на две эллиптически поляризованные компоненты. При этом малый эллипс вписан в большой и форма эллипсов одинакова, но направления вращения противоположны. Большие оси эллипсов взаимно перпендикулярны. На выходе из кристалла компоненты снова складываются в линейно поляризованное излучение, но с вектором Е, расположенным под углом к исходному положению.

В результате поворота кристалла угол поворота вектора Е излучения меняется. При этом проекция вектора Е прошедшего излучения на ось пропускания анализатора периодически изменяется. Анализатор пропускает изменяющуюся составляющую вектора Е прошедшего излучения от максимума до нуля. Следовательно, интенсивность прошедшего через анализатор излучения меняется периодически от максимального значения до нуля в зависимости от угла поворота вектора Е и зависит только от оптической активности кристалла.

Полученная зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла представляет собой периодически осциллирующую кривую с постепенно уменьшающимся амплитудным значением интенсивности в максимумах. Уменьшение амплитуды осцилляции происходит вследствие уменьшения оптической активности при отклонении от оптической оси кристалла и проявления в этом случае влияния двупреломления на интенсивность прошедшего излучения.

Из полученной зависимости выбирают угловой интервал в градусах по центральному максимуму между нулевыми значениями интенсивности.

При проведении эксперимента в оптической системе использован источник монохроматического излучения - гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве оптически активного кристалла - кристаллическая пластинка толщиной 1,2 мм, вырезанная перпендикулярно оптической оси из кристалла парателлурита TeO₂. Поворот кристалла осуществляют на гониометре ГС-5, при этом кристалл поворачивают вокруг вертикальной кристаллографической оси в интервале от 0° до ±30° через 0,5°. Точность измерения угла поворота равна 0,1 угловой минуты. Интенсивность излучения, прошедшего через оптическую систему, регистрируют фотодиодом ФД-20.

В результате эксперимента получена угловая зависимость прошедшего излучения от угла поворота кристалла, изображенная на фигуре 1, которая представляет собой в интервале ±30° от оси системы кривую, у которой интенсивность прошедшего излучения имеет максимальное значение при 0° и сохраняет постоянное значение в интервале ±2-3° с резким уменьшением до нуля при ±6° и последующими осцилляциями с постепенным уменьшением значений интенсивности в максимумах.

В полученной зависимости угловая ширина центрального максимума между нулевыми значениями интенсивности прошедшего излучения составляет для данного кристалла 12°.

Следовательно, угловая апертурная характеристика оптической активности кристалла 12° соответствует пучку излучения с угловой расходимостью 12°.

Для сравнения полученной характеристики по способу-прототипу определялась угловая апертурная характеристика с кристаллом парателлурита ТеО₂, который используют в заявляемом способе.

При проведении эксперимента в оптической системе использован источник монохроматического излучения - гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве одноосного оптически активного кристалла - кристаллическая пластинка толщиной 1,2 мм, вырезанная параллельно оптической оси из кристалла парателлурита ТеО₂. Поворот кристалла осуществляют на гониометре ГС-5, при этом кристалл поворачивают вокруг его вертикальной оптической оси в интервале от 0° до ±2° через 0,125°. Точность измерения угла поворота равна 0,1 угловой минуты. Интенсивность излучения, прошедшего через оптическую систему, регистрируют фотодиодом ФД-20.

Угловая зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла представляет собой периодически осциллирующую кривую в интервале от 0° до ±2°, у которой интенсивность излучения имеет несколько максимумов примерно одинакового по амплитуде значения и минимумов, равных нулю. Интенсивность в каждом максимуме за счет оптической активности составляет 10^-3-10^-4 от интенсивности прошедшего излучения за счет двупреломления.

Зависимость интенсивности за счет оптической активности от угла поворота совпадает по периоду осцилляции с зависимостью интенсивности за счет двупреломления от угла поворота. Поэтому из полученной зависимости выбирают угловой интервал в градусах по ширине центрального максимума между нулевыми значениями интенсивности, который составляет 0,5°.

Следовательно, угловая апертурная характеристика оптической активности данного кристалла 0,5° позволяет использовать пучки с расходимостью 0,5°.

Эксперимент показывает, что точность определения апертурной характеристики с одним и тем же кристаллом парателлурита возрастает в 24 раза.

Точность определения апертурной характеристики по заявляемому решению по сравнению с прототипом (кристалл SiO₂) возрастает в 4-6 раз.

Таким образом, использование заявляемого решения позволяет на порядок увеличить точность определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Сусликов, Л.М. Перестраиваемые оптические фильтры на гиротропных кристаллах с изотропной точкой / Л.М.Сусликов, З.П.Гадьмаши, В.Ю.Сливка // Оптико-механическая промышленность. - 1988 - №3. - C.1-4.

2. Сусликов, Л.М. Об апертуре оптических фильтров на гиротропных кристаллах с "изотропной" точкой / Л.М.Сусликов, З.П.Гадьмаши, В.Ю.Сливка // Оптика и спектроскопия. - 1985. - т.59. - №4. - С.876-880.

3. Bodnar, I.T. Polarization state transformation of laser beam passing through quartz crystals / I.T.Bodnar, M.P.Anatska. // Proceedings "Bianisotropics 2000", 8 International Conference on Electromagnetics of Complex media, Lisbon, 27-29 September, 2000. - P.83-86.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к приборам на основе оптической активности кристаллов: вращателям оптического излучения, используемым для кодирования и декодирования оптических изображений и сигналов; приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от положения плоскости поляризации излучения. Технический результат заключается в повышении точности определения апертурного угла и понижении погрешности измерений за счет исключения влияния двупреломления на интенсивность прошедшего излучения. Способ определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла заключается в пропускании монохроматического излучения по оси оптической системы, содержащей поляризатор, оптически активный кристалл, одна из кристаллографических осей которого лежит в горизонтальной плоскости, и анализатор с осью пропускания, перпендикулярной оси пропускания поляризатора, в повороте кристалла вокруг оси, перпендикулярной оси системы, лежащей в горизонтальной плоскости, измерении зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла и выборе апертурного угла оптической активности по угловой ширине центрального максимума между минимумами интенсивности прошедшего излучения. При установке кристалла его оптическую ось располагают вдоль оси оптической системы, а ось пропускания поляризатора устанавливают перпендикулярно горизонтальной плоскости. 2 ил.

Способ определения угловой апертурной характеристики оптической активности кристалла, заключающийся в пропускании монохроматического излучения по оси оптической системы, содержащей поляризатор, оптически активный кристалл, одна из кристаллографических осей которого лежит в горизонтальной плоскости, и анализатор с осью пропускания, перпендикулярной оси пропускания поляризатора, повороте кристалла вокруг оси, перпендикулярной оси системы, лежащей в горизонтальной плоскости, измерении зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла поворота кристалла и выборе апертурного угла оптической активности по угловой ширине центрального максимума между минимумами интенсивности прошедшего излучения, отличающийся тем, что оптическую ось кристалла располагают вдоль оси оптической системы, а ось пропускания поляризатора устанавливают перпендикулярно горизонтальной плоскости.