Поляризатор Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к оптическим элементам поляризационно-оптических систем и приборов, в частности к поляризаторам световых пучков.

Аналогом изобретения можно считать обычную призму Глана прототипом ее модификацию с наклонной к оси светового пучка под углом Брюстера входной гранью 2.

Призма Плана представляет собой единый блок, собранный из двух идентичных кристаллических трехгранных призм е двумя поляризованными гранями с малым воз- душным зазором между соседними полированными гранями. Призмы жестко соединены в антипараллельном их относи- тельном положении путем приклеивания с двух сторон на их торцы пластинок.

Вторая из двух трехгранных призм играет пассивную роль, т.е. служит для обеспечения соосности падающего и выходящего из призмы Глана поляризованного пучка и может быть выполнена из стекла с соответствующим показателем преломления.

Недостатком аналога являются френе- левские световые потери на отражение по- ляризовакного пучка при нормальном его падении на входную и выходную грани обычной призмы Глана.

Недостатками как аналога, так и прототипа, являются френелёвекие световые по- тери на отражение поляризованного пучка при его преломлении на соседних наклонных гранях трехгранных призм при угле падения, отличающемся от угла врюстера для этого пучка, а также нагреванием даже сгора- ние черной краски, покрывающей шлифованную нерабочую грань входной трехгранной призмы при использовании призмы Глана для поляризации мощных лазерных пучков.

Кроме того, недостатком призм Глана, выполняемых обычно из кристалла оптического кальцита (СаСОз), Является ограничение его светопропускания е ПК-области спектра предельной длиной волны 2 мк.

Цель изобретения - устранение свето- вых потерь на отражение на выходной грани монопризмы.

Указанная цель достигается тем, что основной поляризованный пучок преломляется под углом Брюстера не только на входной, но также и на выходной рабочих гранях трехгранной монопризмы, использованием в качестве материала призмы не любого двупреломляющего кристалла, а такого, два показателя преломления кото- рого удовлетворяют определенному соотношению между ними.

Выведение из монопризмы паразитного поляризованного пучка без потерь на отражение достигается тем, что

поляризованная нерабочая выходная грань монопризмы выполнена не параллельно ребру между рабочими полированными гранями, а наклонно под углом Брюстра для полностью отраженного от ее выходной грани паразитного поляризованного пучка и, кроме этого, ориентирована перпендикулярно плоскости, образуемой направлением распространения этого пучка в призме и направлением его колебаний и являющейся плоскостью его падения на эту грань.

Расширение спектрального диапазона светопропускания в ИК-область достигается выполнением предлагаемых поляризаци- онных монопризм из кристаллов галогенидов ртути, обладающих светопро- пусканием в ИК-области спектра до 20-40 мк и большой лучевой стойкостью к мощному лазерному излучению с мощностью л/600 Вт/см2.

На фиг. 1 показана поляризационная трехгранная монопризма ADG, отклоняющая и поляризующая световой пучок, где о

-обыкновенный луч; е - необыкновенный луч; о + е - падающий неполяризованный луч; AD - входная грань призмы; DG - выходная грань призмы; AG - нерабочая шлифованная и зачерненная грань призмы, поглощающая падающий на нее пучок необыкновенных лучей (пунктир); М уо 90° - «и - угол падения луча о + е на грань АВ, равный углу Брюстера для о-луча; д - угол между преломленными на грани АВ о и е лучами в монопризме; ft - угол отклонения о луча от падающего о + е луча; - диаметр светового пучка; 2 - направление оптической оси кристалла, параллельное ребрам призмы; на фиг. 2 - поляризационная четырехгранная моноприэма ADGK с наклонной выходной гранью АВНК для е луча. Обозначения аналогичны фиг, 1, кроме того ty 90°

+ 2 «а - arcsln (sinofc ) - угол между выходной DG и нерабочей шлифованной гранью GK; р 90° - 4оо + arcsin( sin «ъ )

-угол между входной гранью AD и направлением полностью отраженного от выходной грани DG необыкновенного е луча; уе - arctgne - угол Брюстера для е луча; на фиг. 3 - три примера выполнения поляризованных монопризм ADG и ADGK из кристалла каломели HgaCte для излучения лазеров с длинами волн Я 0,, 1,06мк и 10,6цк с таблицей вычисленных их параметров; на фиг. А - соосный поляризатор светового пучка, состоящий из одной поляризационной монопризмы ADG (или ADGK) и двух зеркал с углом между ними Д 90° - 2«о: на фиг. 5

-поляризатор с параллельным смещением выходящего пучка о относительно падающего о + е из двух идентичных поляризационных монопризм ADG (или ADGK) и A D G (или A D G K} с малым воздушным зазором с центросимметричным их относительным расположением (С - центр симметрии); на фиг. 6 - соосный поляризатор из двух идентичных поляризованных монопризм ADG (ADGK) и A D G (A D G K ) с зеркально симметричным их относительным расположением с плоскостью симметрии ss и с одним зеркалом.

Для расчета параметров поляризованных монопризм введены дополнительно следующие обозначения:

И уо -угол падения неполяризованного луча на входную грань;

Но Ой и не - углы преломления на входной (1) грани AD обыкновенного о и необыкновенного е лучей;

2 OQ - угол между входной AD и выходной DG гранями монопризмы;

J20 и tee - углы падения one лучей на выходную (2) грань монопризмы;

i2e i2e - угол полного отражения е луча от выходной грани (2) DG;

20 - УО и i2e - угол преломления о и е лучей на выходной грани (2) DG;

По пе - показатели преломлений о и е лучей в кристалле.

Из расчета хода лучей в кристаллической монопризме (фиг. 1) следуют соотношения между показателями преломления п0

-обыкновенного о и пе - необыкновенного е-лучей в кристалле

Пе П0;

ч

пе

1(п§ + 1)4+ no (hi - 1)2 + 4 ng

4nS(no + 1),)

-Пемин

выражающие необходимое и достаточное условие преломления обыкновенного о луча на входной AD и выходной DG гранях под углом Брюстера И уо Q0°ao arctgn0 и одновременно условие полного внутреннего отражения на выходной грани DG необыкновенного (паразитного) е луча, который при падении на третью шлифованную и зачерненную грань AG поглощается. Поэтому такую монопризму рационально использовать для поляризации световых пучков слабой и умеренной мощности.

Для поляризации же световых пучков большой мощности предлагается соответст- вующая монопризма (фиг. 2), позволяющая вывести из нее полностью пучок необыкновенных лучей е без потерь на отражение через соответствующую полированную наклонную к оси призмы под углом Брюстера

уе 90° - Ое arctgrte для этого луча выходную грань АВНК.

При изготовлении поляризационных монопризм (фиг. 1 и 2) из кристаллов галоге- нидов ртути: каломели - Hg2Cl2, Нд2Вг2,Нд2Вг2,Нд2.12. Hg2F2 с большими показателями преломления и уникально большим двупреломлением пе n0; An ne - п0 0,66. а также обладающими большой стойкостью к мощным лазерным пучкам- 600 Вт/см и широкой спектральной областью светопропускания, включающей видимую и ИК-область до 20-40мк, можно показать на примере каломели с показателями преломления для ,643мк,п0 1.962, пе 2.621, Д 0,659, что кристаллы галогёнидов ртути являются подходящим материалом, т.е. неравенства (удовлетворяются как для кало- мели

пе2 б,87 пемин2 3,545;

Пе 2,621 Пемин 1,883,

так и для кристаллов Нд2Вг2, Hgate, Hg2F2.

В качестве трех примеров выполнения монопризм из кристалла каломели Hg2Cl2 (фиг. 1 и 2) для трех длин волн излучения разных лазеров рассчитаны их параметры, приведенные на фиг. 3. Для установления пригодности конкретного двуосного кристалла необходимо проверить выполнение неравенств (1) для каждой пары: из трех его показателей преломления щ ng П2 nm пз пр и в первую очередь для щ ngvne и пз , при которых соответственно производится следующая замена величин в вышеприведенных формулах (1) для одноосного кристалла

Пд,4По--Пг Пр;

ае+а- Од; а р,(2)

а главная ось пз эллипсоида показателей преломления двуосного кристалла должна быть ориентирована параллельно плоскости главного сечения монопризмы и параллельно биссекторной плоскости двугранного угла, образованного входной и выходной гранями монопризмы. Так как изобретение охватывает возможность использования не только одноосных, но и двуосных кристаллов в качестве материала поляризационных монопризм.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я 1.Поляризатор,вылолненный в виде монопризмы издвулрзломляющегокристалла с входной и выходной полированными гранями.образующими угол в и третьей нерабочей зачерненной или полированной гранью.причем одна из главных осей тэллипсоида показателей преломления кристалла параллельна ребрам мо- нопризмы.а вторая П2 лежит в главном сечении монопризмы и ориентирована под углом

n,

а угол

аг - arc tg (-) к ее входной грани, отличающийся тем, что, с целью устранения световых потерь на отражение на выходной грани монопризмы, она выполнена из кристалла, показатели преломления которого m и П2 удовлетворяют неравенствам лi па,

1(п2г-М)%пг(п|-1)+44

4п|(п|+-1) между входной и выходной гранями монопризмы равен в 2оа.

2.Поляризатор по п. 1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что, с целью полного выведения из него паразитного поляризованного пучка без потерь на отражение отполированной нерабочей гран монопризмы, в нее введена дополнительная шлифовальная нерабочая грань, которая расположена между выходной и полированной нерабочей гранями и образует угол

у - 9 2 аз. - arc sin ( slnoa)c выходной гранью и прямой угол с полированной нерабочей гранью, а последняя ориентирована под углом at arstg(-Л к ребрам

монопризмы.

3.Поляризатор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона длин световых волн в инфракрасную область спектра до 20-40 мкм и повышения лучевой стойкости к мощному лазерному излучению, монопризма выполнена из одноосного кристалла галогенида ртути: HgaCb. HgaBrs. Hgalz или Hg2F2 прип1 пеип2 по, где п0, пе - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления кристалла соответственно.

4. Поляризатор по пп. 1-3, отличающийся тем, что, с целью обеспечения соосности входящего и выходящего пучков, в него дополнительно введены два плоских зеркала, установленные за выходной

гранью монопризмы и ориентированные перпендикулярно ее главному сечению и под углом д 90 - 2а2(90° - 2ао) друг к другу, причем первое зеркало параллельно оптической оси поляризатора, а центр второго

лежит на ней. :

5.Поляризатор по пп. 1-3, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью обеспечения параллельности входящего и выходящего пучков, в него введена вторая монопризма,

идентичная первой и установленная центрально симметрично относительно нее с воздушным зазором.

6.Поляризатор по пп. 1-3, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью обеспечения

соосности входящего пучков, в него введена вторая монопризма, идентичная первой и установленная зеркально симметрично относительно нее, а также плоское зеркало, установленное между монопризмами по ходу излучения и ориентированное параллельно их ребрам и перпендикулярно плоскости их симметрии, причем угол между обращенными друг к другу гранями монопризмы равен 180 - 6 «2(180° - 6 о),

%r. 2

I

л

-J. y

-Ч .V

N

Изобретение относится к элементам по- ляризационно-оптических систем и приборов, а именно к поляризаторам световых пучков. Поляризатор выполнен в виде монопризмы из двупреломляющего кристалла с входной и выходной поляризованными гранями, образующими угол в. и третьей нерабочей зачерненной или полированной гранью. При этом одна из главных осей пг эллипсоида показателей преломления кристалла параллельна ребрам монопризмы, вторая па лежит в главном сечении монопризмы и ориентирована под углом аи aretg (-) к ее входной грани, 9 2d2. Приведены соотношения, связывающие пг и пг и обеспечивающие устранение световых потерь на отражение на выходной грани монопризмы. В целях полного выведения из поляризатора паразитного поляризованного пучка без потерь на отражение от полированной нерабочей грани монопризмы в нее введена дополнительная шлифованная нерабочая грань, которая расположена между выходной и полированной нерабочей гранями и образует угол с выходной гранью и прямой угол с полированной нерабочей гранью. Последняя ориентирована под углом «1 arctg (-) к ребрам монопризмы. Приведено соотношение для вычисления чр. В целях расширения рабочего диапазона длин световых волн в ИК-область спектра до 20-40 мкм и повышения лучевой стойкости монопризма может быть выполнена из одноосного кристалла галогенида ртути, В поляризатор могут быть введены два плоских зеркала, установленных за выходной гранью монопризмы и ориентированных перпендикулярно ее главному сечению и под углом д друг к другу, причем первое зеркало параллельно оптической оси поляризатора, а центр второго лежит на ней. Приведена зависимость для вычисления д. Такое выполнение обеспечивает соосность входящего и выходящего пучков. Параллельность этих пучков может быть обеспечена путем введения в поляризатор второй монопризмы, идентичной первой и установленной центрально симметрично относительно нее с воздушным зазором. Кроме того, соосности указанных пучков можно добиться благодаря введению в поляризатор второй монопризмы, идентичной первой и установленной зеркально симметрично относительно нее, а также плоского зеркала, установленного между монопризмами и ориентированного параллельно их ребрам и перпендикулярно плоскости их симметрии. Приведено соотношение для определения угла между обращенными одна к другой гранями монопризмы. 5 з.п. ф-лы, 6 ил. Ё ч| КЭ сл VI