Отражательная призма для поворота плоскости поляризации Советский патент 1991 года по МПК G01B5/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для поворота плоскости поляризации.

Целью изобретения является уменьшение потерь света на отражение и обеспечение поворота плоскость поляризации на произвольный заданный угол Об.

На фиг. 1 и фиг. 2 - изображены призмы, отвечающие первому из двух альтернативных вариантов, причем призма, изображенная на Лиг. 1, обеспечивает поворот плоскости поляризации на угол об 60 по часовой стрелке, а призма, изображенная на Лиг..,

обеспечивает поворот плоскости поляризации на 60° против часовой стрелки .

На фиг. 3 - фиг. 10 - изображены призмы, отвечающие другому альтернативному варианту, причем на фиг. 3 изображена призма из монолитного блока, обеспечивающая поворот плоскости поляризации на 60° по часовой стрелке; на фиг. 4 - представлена призма, выполненная в виде системы трех склеенных между собой боковыми гранями призм, также обеспечнвакпчая поворот плоскости поляризации на 60 по часовой стрелке; на фиг. 5 - изображена призма из монолитного блока, обеспе05Ст.

СО

оо ел

чивающая поворот плоскости поляризации на 60° против часовой стрелки; на Лиг. ft - представлена призма, выполненная в виде системы трех склеенных между собой боковыми гранями призм также обеспечивающая поворот плоскости поляризации на 60° против часовой стрелки, на (Ниг. 7-8 - изображены две призмы из монолитного блока, a на Лиг. 9, 10 - две призмы, выполненные в виде системы трех склеенных между собой боковыми гранями призм, обес- лечиваюгсие поворот плоскости поляризации на 90 „

Па чертеже и в тексте приняты следую Р обозначения:

0Ј - угол поворота плоскости поляризации j

К - направление колебаний электрического вектора в световом пучке;

- показатель преломления материала, из которого изготовлена призма}

- угол Врюстера, определяемый равенством arctg n.

У arctg

(п2-1)(1 - cosOOl (n2 + 1)sinod J

Л отражательной призме, содержащей три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения по отношению к падающему на них с внутренней стороны световому пучку, а также входную и выходную грани, входная и выходная грани расположены под углом Брюстера к оптической оси, т.е. к световому пучку, первая отражающая грань расположена под углом

Изобретение относится к оптическому приборостроению, Б частности к устройствам для поворота плоскости поляризации. Отражательная призма содержит три отражаюгсие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения, а также входную и выходную грани, расположенные под уг- .лом Прюстера к оптической оси. Отражающие грани призмы ориентированы относительно друг друга и относительно входной и выходной гранен под соответствующими углами. Приведены соотношения для вычисления этих углов в зависимости от показателя преломления материала призмы и or заданного угла поворота плоскости поляризации. Благодаря такому выполнению призмы уменьшаются потери света на отражение и обеспечивается поворот плоскости поляризации на произвольный угол. Призма может быть выполнена как из монолитного блока; так и в виде системы из трех склеенных между собой боковыми гранями отражательных призм. Па первую отражающую грат-, может быть нанесено отражающее покрытие. 2 з.п. ф-лы, 10 ил. ю (Л е

(i7 arctp,

либо под углом 90 ко входной грани, 3Q тового пучка либо, соответственно, причем первая плоскость отражения ор- совпадает с ней, вторая отражающая тогональна плоскости преломления све- грань расположена под углом

п + 2п собб6-«- 1 + п (1 соа&О 1 - (п .-.-о.. с- ц.;;„ Ј7ТГГ

либо, соответственно, под углом /}

inY

i С пг . , 66 arc sin - cos2- - + sin о L n +1/

к первой отражаюг(ей грани, причем

arctg

Г

п4 + 2пасо9о6- - 1 + п (1 costf l + (n - 1)

(1

- coseO l - (n -i)7rjrJZ

1 - cosui

Tn cosoi + D

2f- 2arct8

(1 - cosod)

либо, соответственно, под углом и ко/;агссил|-

второй отражающей грани, причем третьяа | п1 + 2п2созс6 + 1

плоскость отражения ортогональна второй либо, соответственно, под углом об

плоскости отражения и расположена подк первой плоскости отражения, а вьгугломходная грань расположена под углом

9 arctp,

П

1)

,„ С-ОЗрб-

2(п + 2пгсозрЈ

вторая плоскость отражения ортогональ- 40 на первой плоскости отражения, третья отражающая грань расположена под углом

1 - C0806

- 1)

2(n

D

2f- 2arct8

(1 - cosod)

/;агссил|-

а | п1 + 2п2созс6 + 1

5

либо, соответственно, под углом 90 к третьей отражающей грани, причем плоскость преломления ортогональна третьей плоскости отражения либо, соответственно, совпадает с ней. Призма может быть выполнена в виде системы из трех склеенных между собой боковыми гранями отражательных призм, первая из которых представляет собой прямую усеченную призму, имеющую в основании пятиугольник с двумя прямыми углами и двумя углами, равными 135° - 1/2 , причем одна боковая грань составляет с основанием угол Брюстера, либо прямую призму которая имеет в основании четырехугольник с двумя прямыми углами и третьим углом, равным углу Брюстера, вторая представляет собой прямую при

му, имеющую в основании равнобедренную трапецию с утлом при основании,

равным arctp,

+ 2.п2 сок

Ј+ 1

2п2 (1 - cos С/)

,0

либо соответственно 90 -|)i//, a третья представляет собой прямую усеченную призму, которая имеет в основании пятиугольник с двумя прямыми углами, третьим углом, равным 135 + 1/2 у и четвертым углом, равным 45 + 1/2 Л1 , причем одна боковая грань составляет с основанием угол Брюстера, либо соответственно прямую призму, имеющую в основании четырехугольник с двумя прямыми углами и третьим углом, равным углу Брюстера. На первую отражающую грань может быть нанесено зеркальное покрытие.

Па фиг.1 изображена отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол (/ 60° по часовой стрелке (если смотреть вдоль первоначального направления распространения светового пучка). Входная грань призму АВСД располагается под углом Брюс тера к световому пучку, причем она составляет с гранью ARLKF угол, равный углу Брюстера. Первая отряжающая грань НК М ортогональна грани ABLKF и расположена под углом М ко входной грани, вторая отражающая грань KFON расположена под углом 0 к грани ABLKF и под углом Г к первой отражающей грани, третья отражающая грань KQRW расположена под углом V ко второй отражающей грани и ортогональна грани PORST, причем грань PORST Со0

0

5

ставляет со второй отражающей гранью угол и , выходная грань STVW расположена под углом О к третьей отражающей грани и под углом Брюотера к грани PQRST.

Призма действует следующим образом.

Светоной пучок, полярнзпранный в плоскости, параллельной боковой грани BCML, падает на входную грань призмы АР)СГ) под углом Брюп ера . При этом для указанной поляризации световой пучок без отражения проходит внутрь призмы, следуя в ней параллельно грани ARLKF. Татем световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от первой отражающей грани 1IKLM, причем падаюпий и отраженный световые пучки поляризованы ортогонально первой плоскости отражения, а угол падения светового пучка

1 1

на грань HKLM равен 45° - Потом

5

0

световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от второй отражающей грани F.FON, причем пацающий и отраженный световые пучки попярпзсваны во второй плоскости отражения, а угол падения светового пучка на грань ETON равен 90° - о . Яатем снеговой пучок испытывает полное внутреннее отражение от третьей отражающей грани QRVv , причем падакм рп; и отраженный световые пучки поляризованы ортогонально третьей плоскости отражения, а угол падения светового пучка на грань NORW равен 45° + V / .. Потом световой пучок без отражения выходит из призмы под углом Брюстера к выходной грани STVW, причем направление светового пучка совпадает г первоначальным, а плоскость поляри апии параллельна боковым граням RSW и OPTV, с следовательно, повернута на vroo. 60° по часовой стрелке. Аначиз условий отражения покапывает, что единственной проблемой является обеспечение полного внутреннего отражения от первой отражающей грани, так

5

0

0

5

как угол падения светового пучка на эту грань меньше 45°. Так напримеп для п 1,75496 получаем, что можно обеспечить выполнение условия полного внутреннего отражения для значений угла поворота плоскости поляризации tf 72,5°. Если требуется призма для значений oЈt больших указанной величины, необходимо нанести на пер-.

вую отражающую грань зеркальное покрытие. Поскольку потери на таком покрытии могут быть сведены к незначительной величине, наличие одного зеркального покрытия не окажет существенного влияния на параметры призмы.

Призма может быть выполнена в виде системы трех склеенных между собой боковыми гранями отражательных призм ABLKFDCMHG FGPOEDON и PQRSTVONW. Призма ABLKFDCIfHQ имеет в основании пя- тиугольник, R котором ABL LAFK

90°, /BLK L 135°- | , боко-

вая грань АВГЛ) составляет с основанием угол, равный углу Брюстера, а остальные боковые грани ортогональны основанию о Призма FGPOEDQN прямая имеет в основании равнобедренную трапецию с углом при основании Z.GFO /.POF 90° - Ј.

Призма PQRSTVONW имеет в основании пятиугольник, в котором ( RST

Л

Z.STP 90°, ORS 135е

v

Z.PQR 45° + -„ боковая грань STVW составляет с основанием угол, равный углу Брюстера, а остальные боковые грани ортогональны основанию.Склеива- ние призм между собой производится канадским бальзамом. Это необходимо для уменьшения потерь света на отражение от мест склейки.

На фиг. 2 изображена отражательная призма для поворота плоскости поляриза ции линейно поляризованного света на угол оЈ 60° против часовой стрелки. Эта призма обладает теми же признаками, что и призма, изображенная на фиг. 1,так как являетря ее зеркальным вариантом. Различие между этими двумя вариантами заключается в ориентации первой отражающей грани, что приводит к различному направлению отклонения светового пучка этой гранью: в призме, изображенной на фиг, 1, первая отражающая грань отклоняет световой пучок на угол 90 + против часовой стрелки, если смотреть со стороны грани CDGHM, а в призме изображенной на фиг. 2 первая отражающая грань отклоняет световой пучок на угол 90° + X1 по часовой стрелке, если смотреть со стороны грани СПОНМ. Обозначения граней на фиг. 2 таково,

g

5

0

5

0

5

0

45

50

55

что к изображенной на ней призме полностью применимы описание устройства и действия призмы, изображенной на фиг. 1 (с той только разницей что направление поворота плоскости поляризации меняется на противоположное).

На фиг. 3 изображена отражательная призма из монолитного блока для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол рЈ 60° по часовой стрелке. Входная грань призмы ABCD расположена под углом Брюстера к световому пучку, первая отражающая грань RCEF ортогональна входной грани, боковая грань ABFG ортогональна граням ABCD и BCEF, вторая отражающая грань GHKO . расположена под углом Я к первой отражающей грани BCEF и составляет

угол 180 - - с боковой гранью ABFG,

третья отражающая грань ШОР расположена под углом ко второй отражающей грани, выходная грань OPOR ортогональна третьей отражающей грани MNOP, боковая грань RI1PQ ортогональна граням ШОР и OPQR и составляет угол 180е оЈ

- -х со второй отражающей гранью

G11KL.

Призма действует следующим образом. Световой пучок, ортогональный лицевой грани призмы AGHSTD и поляризованный в плоскости, параллельной боковой грани ABFG, падает на входную грань призмы ABCD под углом Брюстера Ц)р и без отражения проходит внутрь призмы. Затем световой пучок испытывает полное внутренне отражение от первой отражающей грани BCEF, причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы в первой плоскости отражения, которая совпадает с первой плоскостью преломления и параллельна грани ABFG, а отраженный световой пучок параллелен лицевой грани призмы AGHSTT). Потом световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от второй отражающей грани GHKL, причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы перпендикулярно второй плоскости отражения, так как она ортогональна первой плоскости отражения. Затем световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от третьей отражающей грани MNOP, причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы в третьей плоскости отражения, так как она ортогональна второй плоскости отражения. Потом световой пучо без отражения выходит из призмы под углом Прюстера к выходной грани OPQR причем направление светового пучка совпадает с первоначальным, а плоскость поляризации параллельна боковой грани KMPQ, следовательно, повернута на угол 60° по часовой стрелке.

На фиг. 4 представлена отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол Qi 60 по часовой стрелке, выполненная в виде системы трех склеенных между собой боковыми гранями отражательных призм. Бее три призмы прямые. Призмы ABFGDCET и QPMKRONV идентичны и имеют в основании четырехугольник, например АВГП, в котором ARF Z.AGF 90°, а /1Г,ГП (Р arctg п. Призма CHSTLKW имеет в основании равнобедренную трапецию с углом при основании L ТС,{ 90° - 60° .

Призма действует точно так же, как и изображенная на фиг. 3, так ка взаимное расположение всех рабочих граней такое же. Обозначение граней на фиг. 4, такового, что описание действия призмы, изображенной на фиг. 3, полностью применимо и к призме, изображенной на Лиг. 4. I

На фиг о 5 изображена отражательная призма из монолитного блока для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол оЈ 60° против часовой стрелки. Эта призма обладает теми же признаками, что и призма, изображенная на фиг.З, так как является ее зеркальным вари- антом. Различие между этими двумя вариантами заключается в ориентации второй отражающей грани, что приводи к различному направлению отклонения светового пучка этой гранью: в призме, изображенной на фиг. 3, вторая отражающая грань отклоняет световой пучок на угол бЈ по часовой стрелке, если смотреть вдоль первоначального

0

5

0

5

направления распространения светового пучка, а в призме, изображенной на фиг. 5 - на угоч 0Ј против часовой стрелки. Обозначения граней на ( ли-. 5 таково, что к изображенной на ней призме полностью применимы описание устройства и действия призмы, изображенной на фиг. 3.

На фиг. 6 представлена отражательная призма для попорота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол &L 60° против часовой стрелки, выполненная в гиде системы трех склеенных между собой боковыми гранями отражательных призм. Псе три составляюпие приемы точно такие же как и в призме, изображенной на фиг. 4. Различит состоит лишь в их взаимной ориентации, которая приводит к тому, что призма, изображенная на фиг-, 6, является зеркальным вариантом призмы, изображенной на оиг.4.

На фиг. 7-10 изображены варианты отражательной призмы для поворота плоскости поляризации линейно поляризо ванного светя на ®0Л. Поскольку нет различия между поворотами плоскости поляризации света на 40е против часовой стрелки и на 90° по часовой стрелке, возможны две призмы ич монолитно - Го блока и две призмы, выполненные в виде системы трех склеенных межлу собой боковыми гранями призм, обес- печиваюыие попорот плоскости поляризации на 90 .

о р м у л а и з о б

с т е н и я

где п - показатель преломления мате- ни, вторая отражающая грань располо- риала призмы, либо 90 к входной гра- жена под углом

arctp;

1

соответственно arc sin

,

Ч

п4 + 2n2cos06 + 1 + п2(1 cosed)

(1 - cosoO И - (п2 - О -л

2

либо соответственно:

aresin

отражаюпеи грани

Г (п2 - 1)(1 -cosed )1 + D sinodJ

- - arcttf

L

причем одна боковая грань составляет с основанием угол Брюстера, либо прямую призму, которая имеет в основании четырехугольник с двумя прямыми углами и третьим углом, равным углу Прюстера, вторая представляет собой прямую призму, имеющую в основании равнобедренную трапецию с углом при основании, равным

к первой отражающей грани, третья отражающая грань расположена под углом

1 + (п2 - 1)

2(п

1 - cos

+ 2n2cosoC+ 1J

1 - cos Об

2(n4 + 2n2cos|tf+ 1)

к второй отражающей грани, а вьгходлибо, соответственно 90

5

0

2n2(1 - cos Pi)

,о Ј

„- , а третья

представляет собой прямую усеченную призму, которая имеет в основании пятиугольник с двумя прямыми углами,

,ЧГ° 1

третьим углом, равным 135 + - -arctp; - cosCK)

и четверным углом,

5

0

Г(п2-1)(1 - СО

Ч(п2 + 1) sin Ot

равным 45° 4 arctg Г .- 2° |(п2 + 1) sintf J

причем одна боковая грань составляет с основанием угол Прюстера, либо соответственно, прямую призму, имеющую в основании четырехугольник с двумя прямыми углами и третьим углом, равным углу Брюстера.

Фиг. I.

Фиг. 2.

Фиг. 3.

Фиг. 6.

Фиг. 5.

Фиг.1

Фиг. 8

Фиг. 9

Фиг. Ю