Поляризатор Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 

1

сл ел

Фив. 1

Изобретение относится к поляризаиионным оптическим устройствам, а именно к поляризаторам, которые могут быть использованы для получения линейно-поляризованного излучения в оптико-электронных приборах.

Известны поляризаторы, выполненные в виде различйых двулучепреломляющих призм. Такие поляризаторы характеризуются как наиболее высококачественные, имеют высокую степень поляризации (отношение главных пропусканий порядка J и широкий рабочий спектральный диапазон.

Однако, поскольку известные поляризаторы изготавливаются из двулучепреломляющего материала, например исландского шпата, они являются дефицитными и дорогостоящими, что ограничивает их применение.

Известны поляризаторы, выполненные в вмде набора плоскопараллельных пластин - стопы, работающие на отражение и про- пускание в широком спектральном диапазоне.

Недостатками таких поляризаторов являются их громоздкость и малое пропускание. Например для достижения степени поляризации 98% стопа должна содержать не менее 15-ти пластин. При этом пропускание таких систем настолько мало, что они не находят широкого применения.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому являются поляризаторы, представляющие собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на одну из ее рабочих граней многослойным интерференционным диэлектрическим покрытием, расположенную под углом Брюстера к оптической оси. Покрытие состоит цз большого числа чередующихся слоев (25-50) из материалов.с высоким и низким показателями преломления.

Эти поляризаторы обладают степенью поляризации порядка 96% и пропусканием порядка 88% (для Р-компоненты) в рабочем спектральном диапазоне, не превышающем 0,01 р.

Недостатком таких поляризаторов является узкий рабочий спектральный диапазон, вследствие чего они изготавливаются только на одну, заданную, длину волны До и не могут быть использованы для других длин волн.

Кроме того, изготовление многослойного поляризационного покрытия с требуемыми параметрами для заданной длины волны технически сложно,

В последнее время с развитием перестраиваемых лазеров возникла потребность в дешевых поляризаторах, обладающих высокой степенью поляризации и высоким коэффициентом пропускания в широком спектральном диапазоне..

Целью изобретения является расширение рабочего спектрального диапазона поляризатора при высоких степени поляризации и коэффициенте пропускания.

Поставленная цель достигается тем. что в поляризатор, содержащий одну плоскопараллельную стеклянную пластину с интерференционным диэлектрическим покрытием, нанесенным на одну из рабочих граней, расположенную под углом. Брюстера к оптической оси, дополнительно введены две оптически связанные с первой плоскопараллельные пластины, расположенные с воздушными промежутками, и выходная диафрагма, причем диэлектрическое покрытие выполнено двухслойным и нанесено на обе рабочие грани каждой из плоскопараллельных пластин.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый поляризатор содержит три плоскопараллельные пластины из оптически прозрачного материала, расположенные параллельно одна другой с воздушными промежутками под углом Брюстера к оптической оси поляризатора. На обе рабочие грани каждой из пластин нанесено двухслойное интерференционное диэлектрическое покрытие. С набором плоскопараллельных пластин оптически связана выходная диафрагма, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого поляризатора критерию новизна.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что известно применение набора плоскопараллельных пластин (стопа Столетова) в качестве поляризатора но-для получения высокой степени поляризации требуется 10-15 пластин.

Диэлектрическое интерференционное покрытие также используется для получения поляризованного излучения, но известные конструкции поляризаторов содержат 25-50 слоев.

Авторам не известно использование диафрагм в преобразующих устройствах.

При изучении других известных технических решений в данной области техники asTOpOM не обнаружены технические решения, S которых для расширения рабочего спектрального диапазона при высокой степени поляризации и коэффициенте пропускания использовались бы три плоскопараллельные стеклянные пластины с двухслойным диэлектрическим интерференционным покрытием на обеих рабочих гранях каждой из пластин, расположенных с воздушными промежутками между собой и под углом Брк стерй к оптической оси, и оптически связанная с ними выходная диафрагма. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию существенное отличие. На фиг. 1 представлена конструкция поляризатора; на фиг.2-ходлучей водной из плоскопараллельных пластин поляризатора. Поляризатор содержит три плоскопараллельные стеклянные пластины 1-3, расположенные параллельно одна другой с воздушными промежутками. При этом нормаль к пластинам составляет с оптической осью угол Брюстера. На обе рабочие грани пластины 1-3 нанесено двухслойное диэлектрическое покрытие, состоящее из слоя 4 с низким показателем преломления и слоя 5 с высоким показателем преломления. Выходная диафрагма 6 предназначена для выделения основного луча 7, направленного вдоль оптической оси, и гашения вторичных лучей (8-К), возникающих вследствие многократного отражения от поверхностей пластин 1-3. Диаметр выходной диафрагмы 6 равен световому диаметру поляризатора. Толщина пластин 1-3 и воздушных промежутков согласно законам геометрической оптики связаны со световым диаметром dcB поляризатора- следующими соотношениями:, 2tg cosa 2 sin а где t - толщина одной из пластин: t - толщина воздушного промежутка между пластинами; а-угол падения излучения на,пластину;jS-угол преломления. 81пЙ , ni где По - показатель преломления входной среды (воздух); П1 - показатель преломления выходной среды (материал пластины). Поляризатор работает следующим образом. Излучение падает под углом а на плоскопараллельную пластину 1 поляризатора, установленную под углом Брюстера к оптической оси. При прохождении излучения через пластину 1 с нанесенным на обе рабочие грани ее диэлектрическим двухслойным покрытием (слои 4 и 5) происходит пространственное перераспределение энергии падающего излучения по составляющим вектора поляризации. При этом в поляризации основного луча 7, идущего вдоль оптической оси, преобладает Р-компоненты,а в поляризации лучей 8-К - S-компонента. Аналогичное распределение энергии излучения происходит на пластинах 2 и 3, которые установлены с воздушными промежутками параллельно первой. Так, при угле падения Ог 69° и спектральном коэффициенте отражения /Эз 64% и р 0,2% для покрытия s и/ор-спектральные коэффициенты отражения для S- и Р-компонент соответственно) центральный луч 7, описываемый пропусканием S- и Р-компо нент, после прохождения пластины 1 характеризуется следующими параметрами; AS 13%, Яр « 99,6%, где AS и Яр - спектральные коэффициенты пропускания для Sи Р-компонент соответственно. После прохождения пластины 2: Яз 1.7% и Яр 99,2%, а после прохождения пластины 3: Яs -0,2% и Яр 98,5%, т.е. степень поляризации РТ для луча 7 после прохождения пластины 3 составляет 99,5%. Выходная диафрагма 6, установленная по направлению распространения луча после пластины 1-3, пропускает далее луч 7, состоящий в основном из излучения Р-компоненты вектора поляризации и отсекает все остальные лучи 8-К. При м,е р. Разработан поляризатор для спектральной области 700-900 нм со световым диам.етром 4 мм. Материалом для изготовления трех плоскопараллельных пластин служит кварцевое стекло КВ. Толщина каждой пластины 7,5 мм. На обе поверхности пластин электронно-лучевым методом в вакууме наносят двухслойное диэлектрическое интерференционное покрытие (а 69°). При этом первый слой, нанесенный на подложку, выполнен из фторида магния МдР2 (,38) и имеет оптическую толщину 0,31 Аср , а второй слой - из диоксида циркония Zr02 (п 2,0) толщиной 0,25 Яср . В табл. 1 приведены результаты расчета спектральных характеристик наносимого покрытия, выполненные на ЭВМ СМ 1420. Напыление покрь1тия на одну сторону всех трех пластин производят в одном процессе. Спектральные коэффициенты реального покрытия согласуются с расчётными.

Характеризующие покрытие средние спектральные коэффициенты отражения pscp и /эрср для S-и Р-компонент для различных углов падения излучения приведены в табл. 2,

При сборке поляризатора пластины устанавливают под углом Брюстера, который для данной системы, согласно расчету, составляет 69°, с воздушным зазором толщиной 2,5 мм. Диаметр выходной диафрагмы 4 мм.

Поляризатор обладает следующими характеристиками:

степень поляризации для Р-компоненты99,5%;

коэффициент пропускания для Р-компоненты98,8%:

рабочий спектральный диапазон не менее 0,25 Дер , где Дер (Ai +Я2)/2, Ai и la -граничные длины волн рабочего спектрального диапазона 700-900 нм.

В табл. 3 приведена зависимость средних коэффициентов пропускания Дрср и Ascp для Р- и S-компонент вектора поляризации от числа пластин в поляризаторе для углов падения 67-71°.

В табл. 4 приведена зависимость степени поляризации излучения, прошедшего через поляризатор, от числа пластин в нем для углов падения 67-71°.

Из табл. 3 и 4 видно, что увеличение количества пластин в поляризаторе свыше трех нецелесообразно, поскольку изменение степени поляризации при этом незначительно, однако существенно усложняется

конструкция поляризатора и увеличиваются его габариты.

Таким образом, предлагаемый поляризатор обладает:

спектра 1ьным диапазоном не менее 0,25 Дер (0,01 Дер у прототипа);

высоким (8%) коэффициентом пропускания системы для Р-компоненты поляризации (88% у прототипа):

высокой f-99%) степенью поляризации прошедшего излучения (6% у прототипа), что позволит эффективно использовать его в оптико-электронном приборостроении, в частности в перестраиваемых лазерных си стемах.

Формула изобретени-я Поляризатор, содержащий плоскопараллельную стеклянную пластину с интерференционным диэлектрическим покрытием, нанесенным на одну из ее рабочих граней, расположенную под углом Брюстера к оптической оси, отличающийс я тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона при сохранении высокой степени поляризации и коэффициенте пропускания, в него дополнительно введены еще две оптически связанные плоскопараллельные пластины, расположенные параллельно первой с воздушными зазорами между ними, и выходная диаграмма, причем диэлектрическое покрытие выполнено Д8ухслойнъ)м и нанесено на обе

рабочие грани каждой из плоскопаралл ль1ных пластин.

Таблица 1

Продолжение табл. 1

Изобретение относится к поляризационным оптическим устройствам, а именно к поляризаторам, которые могут быть использованы для получения линейно-поляризованного излучения. Изобретение позволяет расширить рабочий спектральный диапазон при сохранении высокой степени поляризации. Поляризатор содержит три оптически связанные плоскопараллельные пластины, расположенные параллельно одна другой и под углом Брюстера к оптической оси. На' все рабочие грани пластин нанесены двухслойные диэлектрические покрытия. ^ ил»

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4