Четвертьволновое устройство Советский патент 1983 года по МПК G02B5/30 

(54) ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к прикладной оптике и может использоваться для внесения разности фаз 90° между составляющими излучения с взаимно перпендикулярными полярнзаищямн, в частности, в качестве компен сатора в эллипсометрии. Известно четвертьволновое устройство, выполненное в виде прозрачного параллелепипеда. Две взаимно параллельные грани которого служат входом и выходом устройства, а две другие параллельные грани, составляющие определенный угол с предыдущими, являются отражающими. Излучение входит в параллелепипед через входную гран нспьггывает полное внутреннее отражение на каждой из двух отражающих граней н выходит из устройства. При полном внутреннем отражении между составляющими излуж ния, поляризованными параллельно и перпендикулярно плоскости падення, вознюсает разность фаз, определяемая углом падения излучения, а следовательно, углом между плоскостями, одна из которых параллельна входной и выходной граням, а вторая отразюшишм граням. Этот угол выбран таким, чтобы полная вносимая разность фаз составляла 90° Ц. Недостатком этого устройства .является то, что выходной луч смещен отноопгельно входного на значительное расстояние, что исключает применеюсе этого устройства в случае, когда его необходимо вращать относительно оптической оси системы. Наиболее бгц1зким к предлагаемому по своей технической сущноста ярляется четвертьволновое устройство, выполненное в виде прямсж многогранной прозр ой призмы, содержащей параллельные н равные между собой входную и выходную грани, две равные грани, наклоненные относительно. входной н выходной граней на равные углы, величина которых превышает угол полного внутреннего отражения для матернала призмы, и образуннцне ;крь1шу, вырезанную в теле призмы, а также поверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крыши. 39 Указанная поверхность в этой призме выполнена в виде плоскости, перпендикулярной входной э выходной граням. Излучение входит в призму такой конструкции по норма/ш, последовательно испытывает полные вн ренние отражения на первой наклонной гран крыши, на грани, перпендикулярной к входной и выходной граням призмы, и на второй наклонной на .грани крыши, после чего опять же по нормали к выходной грани покидает устройство. При этом величины углов падения излучения на отражающие грани при мы выбираются в соответствии с условием, что полная вносимая разность фаз равна 90 2. Недостатком этЪго устройства является необходимость его точной юсгировкн, что обусловлено следующими соображениями. При смещении входного луча, параллельно самому себе выходной луч смещается также параллельно самому себе, но в противоположную сторону, т.е. происходит взаимное смещение входного и выходного лучей, что недопустимо при необходимости вращения устройства вокруг оптической оси. То же можно сказать о возникающей при нарушении нормальности падения излучения на призму неколлинеарности выходного и входного лучей. Кроме того, нарушение нормальности паде ния входного луча на входную грань приводит к увеличению (уменьшению) всех углов отражения, вследствие чего уменьшается (увеличивается) Вносимая каждым отражением разность фаз, и суммарная разность фаз заметно изменяется. Так, например, для устройства, изготовлен ного из германия, отклонение от нормальнос ти велишной 4° вызывает изменение разности фаз величиной 6. Другим недостатком рассмотренной конструкции является ее большая длина, что особенно относится , к устройствам для работы в ИК-диапазоне, большие значения, показателя преломления материала которых приводят к увеличению значений углов падения (длина устройства, вьшолненного из германия и имеющего входную площадку размером 5x5 мм, составляет 47 , мм). Цель изобретения снижение требований к юстировке устройства и уменьшение его длины. Поставленная цель достигается тем, что в четвертьволновом устройстве, выполненном в виде прямой многогра(шой прозрачной призмы, содержащей параллельные и равные между собой входную и выходную грани, две равные грани, наклоненные относительно входной и выходной грани на равные углы, величина которых превышает угол полного внутреннего отражения для материала призмы, и образующие крышу, вырезанную в теле призмы, а также поверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крыши, указанная поверхность полного внутреннего отражения также выполнена в виде крыши, грани которой равны и попарно параллельны граням, образующим nepBjoo крыщу, а угол а, образованный попарно параллельными гранями обеих крыш с входной и выходной гранями, определяется из соотношения ll 5inV C05oiVstn2o/-f/n , где п - показатель преломления материала призмы. На фиг. 1 показана схема четвертьволнового устройства; на фиг. 2 - кривая зависимости вносимой разности фаз при одном полном внутреннем отражении от угла падения для германия. Четвертьволновое устройство представляет собой прямую многогранную призму 1, изготовленную из. прозрачного для рабочего диапазона длин волн материала, имеющую параллельные и равные между собой входную 2 и выходную 3 грани, и четыре попарно параллельные и равные отражающие грани 4, 5 и 6, 7. При зтом нижняя часть крыши, образованной гранями 4 и 7 и. вырезанной в теле призмы 1, и верхняя часть крыши, образованной гранями 5 и 6, могут быть срезаны как это показано на фиг. 1. Углы а между отражающими гранями 4, 5 и 6, 7 и соответственно входной гранью 2 и выходной гранью 3 одинаковы и выбраны в соответствии с вышеуказанным соотношением такими, чтобы вносимая при одном отражении разность фаз составляла 112,5 . В случае изготовления призмы, например, из германия, Для которого п 4 угол в 30 (фиг. 2). В зтом случае линейные размеры устройства, указанные на фиг. 1 определяются следующими оптимальными соотношениями: d 2,3h; 1 0,577h; . h 2h. Следует отметить также, что угол а 30 соответствует менее крутому спадающему участку ЕС кривой .фиг. 2, благодаря чему могут быть снижены требования к точности изготовления призмы 1. Четвертьволновое устройство работает следующим образом. Излучение падает нормально на входную грань 2 призмы 1, последовательно испытывает четыре полных внутренних отражения

от граней 4, 5 и 6, 7 и выходит из устройства по нормали к выходной грани 3. При этом благодаря соответствующему выбору угля а, ,{ ЗБНОго ушу падения излучения на отражающие грани призмы 1, на каж дои из этих граней в излучение вносится сдвиг фаз, соответствующий 112.. Таким образом, общий сдвиг фаз равен 450° и эквивалентен 0°. Благодаря П1)едпожегакж . конструкции призмы 1 параллельное смещение входного луча не вызывает взаимного смещения выходного и входаого лучей, а при шкрушбнии юрмаяьности падения излучения на призму выходной луч остается параллельным входному (при этом происходит лишь незначительное смещение выходногр луча равное, например, дня прнзмы нз германия с h - 5 мм 0,12 мм при отклонении от нромальности 4°. Изменение вносимой разности фаз при нарушении нормальности мало, так как для дв отражений углы падения при этом увели тваются, а для двух - уменьщаются на те же знач аяя. Поэтому обусловле1шые таким нарушением изменения вносимой разности фаз / при суммировании компенсируются. Так, например, для призмы из германия отклоне- . ние от нормальности 4 иызывает изменение вносимой разности фаз всего 0,1°, что в 60 раз меньше,, чем у известного устройства. И, шисонец, длина 1федпоженного устройства пря вышшненин его из германия составляет d 12 мм Лр h S мм или. в 4 раза: меньше длины ювестной прнзмы.

Таким образом, иоюльзованне предложенного устройства позволяет сущестаенно снизить требования к юстировке при уменьшении его дпииы, что делает возможным применение четвертьволнового устройства отражательного типа не только в исследовательских целях, но и в промышленных конструкциях.

Формула нзобретения

Четвертьволновое устройство, выполненное в виде прямой многогранной прозрачной призмы, .содержащей параллельные и равные между соб( входную и выходную грани, две. равные грани, наклоненные относительно входной и выходной граней на ртвные углы, величина которых превыцшет угол полного внутреннего отражения для материала приэмы,. и образующие iKpboby, вырезанную в теле призАЯЫ, а также поверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крьшш, отличающееся тем, что, с целью снюкения требованнй к вотировке устройства и уменьшения его дпины, указанная поверхность полного внутреннего отражения также выполнена в внде крьшга, гра«я которой; равны и попарно параллельны граням, образующим первую крышу, а угол а, образованньш попарно параллепьньши граням обеих крыш с входной и выходной гранями, определяетсянз соотношения.

SfnctscOSotVsin ci-1ta ,

где П - показатель преломления материала прнзмы. Источники инфовмации,

принятые во внимание при. экспертизе

1.Калитеевский Н. И. Волновая оптика. М., Наука, 1971, с. 84-85:

2.Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М., Мир, 1981, с. 423 (прототип);