Эллиптический поляризатор Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 

углами при обращенных в противоположные стороны вершинах, равными, соответственно, yk и ус , а оптическая ось кристалла во входном клине 1 лежит в его главном сечении и ориентирована под углом а к входной грани. Фазовая пластинка 3 оптически соединена с выходным клином 2, оптическая ось кристалла в пластинке 3 лежит в плоскости, развернутой относительно плоскости главного сечения клиньев 1, 2 на угол f , и ориентирована под углом в относительно нормали к граням пластинки. Приве- дены соотношения для вычисления о., ус , р и в при произвольном yi . Указанная конструкция поляризатора обеспечивает снижение световых потерь на отражение,

исключение возвращения отраженных лучей в осевом направлении и повышение технологичности. Для обеспечения соосности входящего и выходящего из поляризатора пучков он содержит дополнительную стеклянную пластинку, установленную перед линейным поляризатором с противоположным относительно него углом наклона к оптической оси. Приведены зависимости для определения угла наклона стеклянной пластинки и ее толщины. С целью управления параметрами эллипса поляризации эллиптический поляризатор установлен с возможностью качания вокруг двух ортогональных осей, перпендикулярных оптической оси поляризатора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно к эллиптическим и циркулярным поляризаторам света. Эллиптический поляризатор состоит из входного линейного поляризатора и выходной фазовой пластинки, выполненных из одноосного кристалла; При этом линейный поляризатор выполнен из оптически соединенных входного кристаллического 1 и выходного стеклянного 2 клиньев с

Изобретение относится к оптическим элементам и устройствам в поляризацион- но-оптических системах и приборах, а именно к поляризаторам света, а именно к эллиптическим и циркулярным поляризаторам света.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, состоящее из входного линейного поляризатора света (поляризационной призмы, например, призмы Плана или поляроида) и установленной за ним фазовой пластинки из одноосного кристалла, оптическая ось которого параллельна (или перпендикулярна) ее плоскости в таком положении, при котором ее нормаль совпадает с направлением падающего на нее линейно поляризованного пучка (или наклонена на необходимый угол относительно последнего), а направление оптической оси кристалла в ней (или ось наклона ее плоскости) составляет угол 45° с плоскостью его поляризации.

Падающий по нормали линейно поляризованный луч преобразуется в два ортогонально поляризованных луча в фазовой пластинке, обладающие разными скоростями распространения и приобретающие определенную разность их хода на выходной ее плоскости, где лучи образуют единый в общем случае эллиптически поляризованный луч. Одна из ортогональных осей а или b эллипса поляризации совпадает с направлением колебаний падающего на фазовую пластинку линейно поляризованного луча, а

b

эллиптичность к - эллипса поляризации с

3

осями а и b выходящего луча зависит от разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей в фазовой пластинке, а точнее от разности их фаз д

k - tg г

При (5 ±2 1 ±1, что соответствует

правому и левому циркулярно поляризованному свету. Изменение разности фаз д практически осуществляется двумя изве0 стными механическими способами: изменением толщины фазовой пластинки, как например в компенсаторе Бабине, состоящем из двух идентичных клиньев при относительном их смещении, и наклоном

5 фазовой пластинки, как например в компенсаторе Берека.

Целью изобретения является создание более прогрессивного типа перестраиваемого по эллиптичности к эллиптического по0 ляризатора света.

Исключение возвращения в источник света отраженных от преломляющих плоскостей линейного поляризатора и фазовой пластинки лучей с линейной поляризацией

5 источника излучения достигается тем, что указанные преломляющие плоскости выполнены под углом Брюстера коси проходящего светового пучка, что обеспечивает отклонение в сторону от его оси отраженных

0 от них лучей и исключение их возвращения в источник света, при котором нарушается стабилизация излучения последнего.

Чрезвычайная трудность и даже невозможность изготовления с требуемой высо5 кой точностью толщины фазовой пластинки, ориентированной параллельно оптической оси кристалла, устраняется за счет того, что оптическая ось кристалла в ней ориентирована не параллельно ее плоскости, а под

косым углом, близким к углу Брюстера, а необходимая разность фаз в такой наклонной пластинке обеспечивается при ее толщине, превышающей толщину соответствующей обычной фазовой пластинки на 1-2 порядка.

Исключение световых потерь на отражение от преломляющих плоскостей линейного поляризатора и фазовой пластинки достигается тем, что они выполнены с углом наклона к оси пучка равными или близкими к соответствующим углам Брюстера и склеены в единый блок.

Раздельность и самостоятельность двух элементов указанных выше известных эллиптических поляризаторов устраняется за счет их фиксированной относительной установки в виде единого склеенного блока из кристаллического и стеклянного клиньев и фазовой пластинки и монтажа его в едином корпусе-оправе с единым котировочным механизмом, позволяющим изменять параметры эллипса поляризации прошедшего эллиптически поляризованного луча путем поворота корпуса-оправы вокруг оси пучка и малых наклонов вокруг перпендикуляр- ных к оси пучка осей.

Световые потери на поглощение в линейном поляризаторе сокращаются в 2 раза за счет использования двух тонк.их составляющих его кристаллического и стек- лянного клиньев.

Соосность входящего неполяризованного и входящего эллиптически поляризованного пучков достигается с помощью дополнительной наклонной под углом Брю- стера стеклянной пластинки на входе эллиптического поляризатора.

В соответствии с поставленной целью изобретения и указанными путями ее достижения предлагается соответствующий эл- липтический поляризатор света, изображенный на фиг. 1 с необходимыми обозначениями линейных и угловых его параметров и хода обыкновенного - о и необыкновенного - е лучей, а именно: 1 и 2 - кристаллический и стеклянный клинья с углами yk и ус соответственно; 3 - фазовая пластинка, приклеенная к стеклянному клину 2, ZK - оптическая ось кристалла в клине 1, Zn - оптическая ось кристалла в фазовой

пластинке 3, а arctg (-) - угол между

осью Рн(о + е) падающего неполяризованного пучка и входной плоскостью клина 1, а также между оптической осью кристалла ZK и входной плоскостью клина 1, о и е - обыкновенный и необыкновенный лучи в клине 1, преломленные на его входной грани; Рц - основной выходящий циркулярно поляризованный (в общем случае эллиптически поляризованный) луч, параллельный падающему лучу Рн; о - выходящий паразитный луч,

отклоненный от основного на угол d1; N - нормаль к фазовой пластинке 3; tg a, tg(a - /3 ) - проекции векторов е и Zn на плоскость фазовой пластинки, перпендикулярную нормали N, 9- угол наклона оптической оси кристалла Zn к плоскости фазовой пластинки, р- угол между плоскостью наклона оси Zn вокруг оси и продольными боковыми сторонами фазовой пластинки, О - диаметр светового пучка.

Из расчета хода лучей в клиновом поляризаторе при обозначениях углов падения и преломления о и е - лучей на трех его преломляющих ПЛОСКОСТЯХ: 1ко, 1ке И i lco, | ке k

1, 2, 3 и показателях преломления n0, ne, p и е лучей в кристаллическом - и Пс - стеклянном клиньях определяется угол i Зе

sin i 3e nc sin{arcsin -| sin(a +yk) -yc} (1) По

Условием того, чтобы выходящий луч е был параллелен падающему лучу Рн(о + е), является необходимое для этого соотношение

-И yk Ус

i зе

Н 90 - а arctg ne

(2)

Из системы уравнений (1) и (2) определяется угол ус при заданных yk и пс tnv - cos(g-yk)-nesin(a+yk)

S ( - Ma+n)

При определенном таким-образом ус из результатов расчета хода лучей в склеенных клиньях определяется величина h параллельного смещения вышедшего луча по отношению к падающему и угол отклонения

д i зеН зо о -луча от е-луча на выходе из линейного поляризатора, При наличии воздушного зазора между клиньями из условия полного внутреннего отражения о луча на выходной грани кристаллического клина определяется его угол yk в пределах

ykMHH (ре - а /k ро + i lO ykMaKC

и в частности его среднее значение 7k () -.(« + io)

где (ра

1

1

,(y,pe atcsin(-)

Для клина из кристалла исландского шпата yi 7,8°.

На фиг. 1 фазовая пластинка 3 изображена в двух проекциях и в плане - в третьей проекции.

Направление необыкновенного луча е в клине 1 изменяется после преломления его на плоскостях стеклянного клина 2. Оптичеекая ось кристалла Zn в фазовой пластинке 3 ориентирована по отношению к преломленному лучу е в ней под малым углом наклона к нему и с плоскостью наклона, ориентированной под углом в 45° к направлению колебаний луча е, параллельным плоскости его падения. В пластинке 3 этот луч возбуждает два ортогонально поляризованных луча с разными показателями преломления, близкими к показателю преломления обыкновенного луча п0 в кристалле. Поэтому их углы преломления также будут весьма мало отличаться друг от друга, и углом их расходимости вполне можно пренебречь и считать их за один луч с показателем преломления, близким к показателю преломления По обыкновенного луча в кристалле при малом угле его отклонения/ 0 от оптической оси Zn в направлении, составляющем угол в 45° с направлением колебаний луча е. На фиг. 1 в вертикальной проекции показаны три вектора - направления е - луча и Zn внутри пластинки 3, N и углы между ними: огД 90°-2«. В плане (третьей горизонтальной проекции) изображены их проекции на плоскость пластинки 3.

Оптическая ось кристалла 2п лежит в плоскости, которая наклонена под углом /3 к плоскости падения лучей на границы пластинки и лежите плоскости, перпендикулярной плоскости падения и наклоненной к нормали N пластинки под углом (а -/3), где

о че,/ При этом из рассмотрения

проекций векторов N, Zn и е на плоскость пластинки можно установить, что оптическая ось Zn кристалла в пластинке наклонена к ее нормали N под углом в и по направлению - азимуту ее наклона, составляющему угол р с длинными ее боковыми сторонами, параллельными плоскости падения на нее лучей. В обозначенных на рис. 1 величинах определяются углы ориентировки ужфоптической оси Zn в.фазовой пластинке 3.

tg20 tg2(a-/5)+tg2/

где tg/ или fl fto Угол связан с требующейся разностью фаз др0 в рассматриваемой фазовой пластинке соотношением

Аа 2лаДп Sin2/ o

°Р°- - Х- -Щ%

Для заданной толщины пластинки d

з1п2/ 0 ЯбД . cos/Jo 2ж1Дп и для четвертьволновой при разности фаз

Л

лучей в ней

толщине пластинки d sin

тр 90° и при заданной

Я cos/Уо

Q Приведенный расчет параметров фазовой пластинки (фиг. 1) является приближенным, так как в нем не учтены потери на отражение на ее границах ортогонально линейно поляризованных собственных волн.

5 С целью учета таких потерь из проведенного соответствующего исследования (которое не приводим из-за его сложности) с использованием формул Френеля установлено, что влияние этих потерь эквиваQ лентно появлению дополнительной Ак существующей внутри пластинки разности

фаз 6fc0 .

Для получения произвольно заданной эллиптичности

5K l tg% tgfcA

.., 2 - ia 2 эллипса поляризации прошедшего света разность фаз и эллиптичность соответствующего эллипса поляризации k tg

на ее выходной границе и угол /Зо определяется

i К соотношениями К -:;

СО з(| ч е - 1ч е)

2arct9K/; жкага9К

В частности при k 1 на выходе получается

циркулярно поляризованный свет. Такой циркулярный поляризатор может быть использован в качестве оптического клапана, преобразующего, неполяризованный пучок лучей в циркулярно поляризованный в прямом ходе и не пропускающий отраженный от зеркала или частично отраженный от плоскостей оптических деталей системы этот пучок лучей в обратном ходе в источник излучения, в частности в лазер, генерирующий

излучение с поляризацией, близкой к линейной и с высокой степенью стабилизации. В качестве примера выполнения предлагаемого циркулярного поляризатора приводим результаты расчета его параметров для А

0.83 нм при использовании кристалла исландского шпата и стекла К8: отношение длины к ширине клиньев и фазовой пластинки ф- 1,788; углы клиньев yk 7,8°, ус, 7,389°; угол наклона к оси поляризатора а