Поляризационная призма Советский патент 1992 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к оптике, преимущественно к устройствам для поляризации света, и может быть использовано в спектрофотометрических, поляризационных и интерференционно-поляриза цион- ных приборах. Специфической областью применения поляризаторов, когда необходимо иметь два поляризованных пучка света в одной плоскости, является интерферометрия и различные ее приложения (неразрушающий контроль прозрачных и непрозрачных объектов, диагностика плазмы, измерение показателя преломления среды и т.д.).

Известны двулучепреломляющие поляризационные устройства на основе кристаллов, дающие на выходе один или два значительно разведенных по углу луча, колебания которых происходят в какой-либо плоскости, называемые поляризаторами. К таким устройствам относятся призмы Арен- са, Николя, Волластона, Рошона, Сенармо- на, Коттона, Осипова-Кинга Веста.

Например, призма Волластона, представляющая собой два куска исландского

шпата, соединенного слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпендикулярны. Призма Волластона дает два ортогонально поляризованных пучка. Она разлагает падающий свет на две поляризованные компоненты и обе пропускает, отклоняя в разные стороны. Общий угол разложения лучей р зависит от угла при вершине клина 0 и слегка меняется с длиной волны. Для призмы Волластона, как и для всех перечисленных двулучепреломля- ющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой 90°.

Известна поляризационная призма Глз- на-Фуко, состоящая из двух прямоугольных призм, вырезанных из кальцита таким образом, что оптические оси их параллельны входной и перпендикулярны верхней граням. Прч этом необыкновенный луч выходит из призмы, не меняя направления по сравнению с падающим. Необыкновенный луч (е-луч) испытывает большие потери интенсивности при отражении от границ кристалл-зазор (исландский шпат - воздух), так,

сл

с

XI

сл

СП

ю

W

XJ

что величина наибольшего главного пропускания k1 составляет лишь около 0,50 К недостаткам призмы Глана-Фуко относятся также и то, что обыкновенный луч (о-луч) выходит из призмы под углом у& 90° к па- дающему, что затрудняет его использование без дополнительных котировочных процедур, и то, что в том же направлении распространяется часть е-луча, приводящая к деполяризации выходящего пучка света.

Известна поляризационная призма Фо- стера. которая предназначена для получения двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях, разведенных на 90°, Призма Фостера по ряду признаков (выполнение одной из составляющих ее призм, косоугольной, разведение выходящих лучей на 90°) близка к предлагаемой двулучевой призме. Хотя она все же выполняет решение другой задачи (не совсем удачно) - получение двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях разведенных на угол 90°, может быть взята в качестве прототипа.

Призма Фостера обладает рядом существенных недостатков. Она не может дать на выходе два линейно-поляризованных пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях с высокой степенью поляризации. Отражение от посеребренной грани призмы Фостера не улучшает степень поляризации на выходе из призмы так называемого обыкновенного луча, имеющего составляющую необыкновенного луча (е-луча), при- сутствующую из-за многократных отражений е-луча на границах кристалл воздух (клей) в зазоре между двумя сложенными призмами. Хотя второй луч выходит под углом 90° к . падающему лучу на входную грань (и е-лучу, прошедшему зазор без отражения), но он значительно деполяризован. Состояние его поляризации отвечает общему случаю упорядоченной структуры поляризованного света - эллиптической поляризации, так как на выходе из призмы Фостера в одном направлении распространяются две волны с разными скоростями и различной амплитуды колебаний электрического вектора, поляризованные в двух вза- имно перпендикулярных направлениях.

Целью изобретения является получение на выходе поляризационной призмы двух линейно поляризованных в параллельных плоскостях пучков света, разведенных на угол 90° без изменения направления необыкновенного луча.

Поставленная цель достигается тем, что в поляризованной призме, разводящей поляризованные пучки на угол 90°, состоящей

из двух, разделенных оптической средой с показателем преломления п слоя и вырезанных из двулучепреломляющего материала призм, вторая из которых по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотенузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия

arcsin arcsin

ПеПо

где пеи По - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45°, угол прямоугольной призмы, прилежащий к углу 45° первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельны входной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы, параметры По и о; связаны соотношением n0 ctg(cr -45°)

На чертеже изображена предлагаемая поляризационная призма.

Она состоит из косоугольной призмы 1 и прямоугольной призмы 2, сложенных гранями КМ и К М и разъединенных прокладкой 3 с образованием зазора, заполненного средой 4 с показателем преломления Пслоя. Вместо прокладки 3 возможна склейка призмы с выполнением условия.

arcsin arcsin Пслоя

Пе

По

где Пслоя - - показатель преломления клея. Оптические оси материала составляющих призм параллельны входной грани Д К и перпендикулярны нерабочей грани, параллельной плоскости чертежа. Поляризацион- ная призма имеет две взаимно перпендикулярные выходные грани: грань для обыкновенного луча (о -луча) KN и грань MN для необыкновенного луча (е-лу- чэ). Косоугольная призма может быть выполнена четырехугольной или трехугольной (изображение штриховой линией), но для решения поставленной задачи это не существенно. Выполнение призмы четырехугольной позволяет сэкономить дорогостоящий материал.

Устройство работает следующим образом.

Параллельный пучок лучей естественного света (а-луч) падает на входную грань Д К косоугольной призмы и, входя в призму, превращается в два линейно поляризованных луча, идущих в одном направлении. На грани К М имеет место явление полного внутреннего отражения для обыкновенного

луча, так как для этого луча оптическая среда в зазоре является менее плотной средой. При этом часть е-луча проходит через зазор лишь слегка сместившись параллельно падающему и выходит из призмы 2, Другая часть е-луча при отражении от границ кристалл-зазор распространяется в направлении обыкновенного луча (о-луча). Это объясняется следующим образом.

При однократном отражении света комплексная амплитуда R отраженной волны связана с амплитудой с падающей волны соотношением R г е , а амплитуда прошедшей волны Д - соотношением Д d Ј . Величины г и d - коэффициенты Френеля, Они зависят от поляризации света и определяются формулами Френеля для s- и р- составляющих падающей волны (в нашем случае о и е-лучей). Необыкновенный луч с амплитудой электрического вектора, отраженный в точке А в направлении распространения О-луча, испытавшего полное внутреннее отражение в точке А, имеет ту же частоту колебаний электрического вектора; плоскости колебаний О-луча и отраженной части е-луча взаимно перпендикулярны. Кроме того, свет внутри слоя диэлектрика (зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его

.. 2тгПсгояе границах. Если О j±bLH s

Т

разность

фаз, соответствующая двухкратному прохождению света через слой I (т.е. от одной его границы К М до другой КМ и обратно), то с учетом многократных отражений для комплексной амплитуды отраженной волны можно написать

-j П + didi1 г2 е + didi1 п1 Г22 40

(5 + did11(nW +..., откуда

R n+rz.e M Ј l+ncse- O

rflet - коэффициенты Френеля на грани КМ и КМ1 для е-луча. Физически выражение () означает, что амплитуда отраженной части е-луча может быть значительной (больше, чем Р п Е) из-за многократного отражения на границах зазора между призмами.

Расположение боковой грани косоугольной призмы ВМ под углом 45° к грани КМ и выполнение условия n0 - ctg( a - 45°) приводит к тому, что угол падения пучка света на нее равен углу Брюстера и в этом случае в направлении, перпендикулярном

0

5

0

5

0

падающему пучку света на входе в призму, отражается только волна, в которой электрический вектор Е колеблется перпендикулярно плоскости падения (R О, RI 0) и на выходе имеем 100% поляризованную волну в плоскости поляризации необыкновенного луча, разведенную на угол р 90° по отношению к необыкновенному лучу на выходе В месте падения обыкновенного луча на грань В М преломленная волна (под углом 90° к отраженной, т.е. в направлении падающего луча на входе призмы) в данном устройстве не используется.

Устранение недостатков призмы Фос- тера, достигаемое в предлагаемом устройстве, позволяет использовать его как светоделитель с углом разведения линейно- поляризованных лучей на 90°, что расширяет возможности использования поляризатора в практике поляризационных измерений, упрощает котировочные процедуры и экономит дорогостоящие кристаллические материалы, поскольку не требуются дополнительные поляризаторы в схемах, где необходимы два пучка линейно поляризованного света.

Изображение осуществляется следующим образом.

Если световой диаметр падающего пучка равен а, то:

5

0

5

a-MN CN.

М В

sin (a + 45°) а

- (1) (2)

0

Ш cos KN atg a, (4)

DK

(3)

DM1

cos a + cos a sin a a tg«

(5)

5

sin (a + 45°) 0 +45°,

p&P arctg ,

(6)

(7) (8) (9)

B D a(tga- 1)sln« ,

При использовании в качестве двулу- чепреломляющего материала кристаллов кальцита:„

по (при Я - 5983 А) 1,6584; а 76,089° и рБр 31,089°. При а 5,0 мм; В М 5,8 мм; КМ 20,80 мм; KN 20.19 мм; ДК 17,17 мм; ДМ 23,57 мм; Д В - 14,74 мм.

Выполнение поляризационной призмы согласно приведенным соотношениям позволило получить качественно новый технический эффект, а именно: на выходе из призмы имеется два взаимно перпендикулярных пучка света линейно поляризованных в параллельных плоскостях, степень поляризации пучков близка к 100%; устройство упрощает юстироаочные процедуры и его применение уменьшает затраты на изготовление поляризаторов при создании оптических приборов и схем, где необходимы линейно поляризованные пучки света (интерферометры, спектрофотометры, поляриметры).

Формула изобретения Поляризационная призма, разводящая поляризованные пучки на угол 90°, состоящая из двух разделенных оптической средой с показателем преломления пс и вырезанных из двулучепреломляющего ма териала призм, вторая из которых по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к сипотенузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия

arcsin пс/пе a arcsin nc/n0 где пе и По - показатели преломления необыкновеннога и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45°, угол прямоугольной призмы, прилежащий к

углу 45° первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельны входной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы, отличающаяся тем, что, с целью

формирования на ыходе пучков, линейно- поляризованных в параллельных плоско- tTax, параметры п0 и а связаны соотношением

n0 cu( «-45°),

Использование, получение двух поляризованных пучков света в одной плоскости, разведенных на угол 90° между собой, со степенью поляризации, близкой к 100%. Сущность изобретения: поляризационная призма состоит из двух прмзм (косоугольной и прямоугольной), изготовленных из одноосного двулучепреломляющего кристалла так, что оптические оси кристаллов призм параллельны входной грани и перпендикулярны нерабочим боковым граням. 1 ил.

.

е-/7##