Поляризационная призма Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к оптике, преимущественно к устройствам для поляризации света, и может быть использовано в спектрофотометрических, поляризационных и интерференционно-поляризационных приборах. Кроме того, существует специфическая область применения поляризационных устройств (поляризаторов и светоделителей), когда необходимо иметь два ортогонально поляризованных пучка, например, при использовании поляризаторов при кодировании стереоскопических пар рентгенограмм большого размера, в некоторых системах получения стереоскопического телевизионного изображения, при получении стереоскопического изображения в микроскопе с одним объективом, а также для наблюдения фигур Хайдингера, различных биологических эффектов и др.

Известны двулучепреломляющие поляризационные устройства на основе кристал- лов, дающие на выходе один или два (значительно разведенных по углу) луча, колебания которых происходят в какой-либо одной плоскости, называемые поляризаторами. К таким устройствам относятся призмы Аренса, Николя, Волластона, Ромона, Сепармона, 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 двулучепреломляющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой р 90°.

Известна также поляризационная призма Глана-Фуко и ее модификация Тейлором, состоящая из двух прямоугольных призм, вырезанных из кальцита таким образом, что оптические оси их параллельны входной и нерабочим боковым граням. Благодаря этому потери на отражение от наклонно распоМ1

с

XI

(Л

01

ю

СлЭ

о

ложенных поверхностей таковы, что коэффициент наибольшего главного пропускания Ki 0,90. При этом необыкновенный луч выходит из призмы, не меняя направления по сравнению с падающим.

Призма Глана-Фуко-Тейлора обладает рядом недостатков. Второй пучок света выходит из призмы под углом р 90° к падающему, что затрудняет его использование без дополнительных котировочных проце- дур, а также то, что он не является линейно- поляризованным, так как в направлении обыкновенного луча, испытавшего полное внутреннее отражение на границе кристалл-зазор, распространяется часть е-луча. приводящая к деполяризации выходящего пучка света.

Наиболее близкой к предлагаемой является поляризационная призма Фостера, которая предназначена для получения двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях, разведенных на угол 90°.

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

Целью изобретения является получение на выходе поляризационной призмы двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях пучков света, разведенных на угол 90° без изменения на- правления необыкновенного луча.

Поставленная цель достигается тем, что в поляризационной призме, разводящей линейно-поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях пучки на угол 90°.

состоящей из двух разделенных оптической средой с показателем преломления пслоя 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 гипоте- нузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия

-g g arcsln Пслоя ПеП0

arcsln

где he и h0 - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45°, угол прямоугольной призмы, прилегающий к углу 45° первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельны входной грани поляризационной призмы, оптические оси составляющих призм параллельны боковой нерабочей грани поляризационной призмы, указанные призмы выполнены из оптически неактивного материала, а параметры h0 и а связаны соотношением

h0 - ctg( a - 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 Ьслоя- Вместо прокладки 3 возможна склейка призмы с выполнением

условия arcsin

слоя

« arcsin

слоя

heпо

где гьлоя - показатель преломления клея. Оптические оси материала составляющих призм параллельны входной грани Д К и боковой нерабочей грани, параллельной плоскости чертежа.Поляризационная призма имеет две взаимно перпендикулярные выходные грани: грань KN для обыкновенного луча (о-луча) и грань MN для.необыкновенно го луча (е-луча). Косоугольная призма может быть выполнена четырехугольной или трехугольной (изображение штриховой линией), но для решения поставленной задачи это несущественно. 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 М1 имеет место явление полного внутреннего отражения для о-луча, т.к. 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 обьясняется следующим образом. При однократном отражении света комплексная амплитуда R от- раженной волны связана с амплитудой е падающей волны соотношением R г е , а амплитуда прошедшей волны D - отноше- нием D d в,. Величины г и d - это коэффициенты Френеля. Необыкновенный луч внутри слоя диэлектрика (зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его границах.

К П слоя

ЕСЛИ 3

разность фаз,

соответствующая двукратному прохождению света через слой, толщиной I (т.е. от одной его границы до другой и обратно), то с учетом многократных отражений для комплексной амплитуды отраженной волны можно записать

R Г1-Ы2е-|(3

Ј 1+Пг2е-1д

где R - комплексная амплитуда отраженной волны;

е- комплексная амплитуда падающей волны;

П и Г2 - коэффициент Френеля для отражения от первой и второй границ в зазоре.

Следовательно, в направлении линейно-поляризованного обыкновенного луча, испытавшего полное внутреннее отражение, в том же направлении распространяется световая волна R, плоскость колебаний электрического вектора которой перпендикулярна плоскости колебаний электрическо- го вектора о-луча, а также параллельна плоскости падения на боковую грань косоугольной призмы. Расположение боковоЛ грани косоугольной призмы В М под углом 45° к грани К М и выполнение условия ho ctg( a- 45°) приводит к тому, что угол падения пучка света на нее равен углу Брюсте- ра, и в этом случае в направлений, перпендикулярном падающему пучку света на входе в призму, отражается только волна, в которой электрический вектор Е колеблется перпендикулярно плоскости падения .(обыкновенный луч) и на выходе получается 100% поляризованная волна с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости

поляризации необыкновенного луча, разведенная на угол р 90° по отношению к нео- быкновенному лучу на выходе. Преломленная волна на грани В М (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 р 90°, что рас- ширяет 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 пучкз линейно поляризованного света.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Если световой диаметр падающего пучка равен а, то:

a MN CN, М В

sin (a + 45°)

КМ

cos a

, (3) KN atg а , (4)

DK

a

cos а +cos «sin a atg а

DM - sin (a + 45°)

0 рвр +45°, рБр arctg-r- ,

MO

(5)

(6)

(7) (8) (9).

B D a(tg a- 1) sin а

При использовании в качестве двулу- чепреломляющего материала кристаллы Кальцита:0По (при А 5983 А ) 1,6584; а 76,089° и рьр 31,089°. При а 10.0 мм; В М1- 11,67мм; КМ 41,59 мм; КМ 40,37 мм; DK 34,35 мм; DM 47,14 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 во взаимно перпендикулярных плоскостях, степень поляризации пучков близка к 100%; устройство упрощает юсти- ровочные процедуры и его применение уменьшает затраты на изготовление поляризаторов при соединении оптических приборов и схем, где необходимы линейно

поляризованные пучки света (интерферометры, спектрофотометры, поляриметры).- Формула изобретения Поляризационная призма, разводящая линейно-поляризованные во взаимно пер- пендикулярных плоскостях пучки на угол 90°, состоящая из двух разделенных оптической средой с показателем преломления пё 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

arc sin Пс/пе « arc sin nc/n0, где ne и По - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45°, а угол прямоугольной призмы, прилежащий к углу 45° первой призмы, равен а .оптические оси составляющих призм параллельны входной грани и поляризационной призмы, отличающаяся тем, что, с целью повышения степени поляризации обыкновенного пучка, оптические оси составляющих призм параллельны боковой нерабочей грани поляризационной призмы, указанные призмы выполнены из оптически неактивного материала, а параметрь h0 и а связаны соотношением

ho ctg ( a - 45°).

Использование: получение двух поляризованных пучков света во взаимно перпендикулярных плоскостях, разведенных на угол 90° между собой со степенью поляризации близкой к 100%, Сущность изобретения: поляризационная призма состоит из двух призм (косоугольной и прямоугольной), изготовленных из двулучепреломляющего оптически неактивного материала там, что оптическая ось кристалла параллельна входной и боковым нерабочим граням. 1 ил.

Q-ЩУ

е-яуу