Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5!)5 G 02 В 5/04 ()О (!pj s
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Ы 1 (21) 4757471/10 (22) 09.11.89 (46) 15.04.92. Бюл. N 14 (75) В.Б.Яковлев (53) 535,8 (088.8) (56) Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970, с. 97.
Авторское свидетельство СССР
N. 1652952, кл. G 02 В 5/04, 1988. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения на грань полного внутреннего отражения (ПВО). Цель изобретения — повышение светопропускания р-компоненты, расширение номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения. Элемент выполнен в виде прямой призмы, имеющей в основаИзобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), предназначенным для спектроскопических исследований.
Известны элементы НПВО, предназначенные для получения спектров НПВО при различных углах падения света на грань полного внутреннего отражения (ПВО), что позволяет применять их для исследования сильнопоглощающих образцов и для определения оптических постоянных без необходимости в воспроизведении контакта
SU „„1727093 A1 нии равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями
ПВО, проходящими через ее основания, причем нижняя граница светового отверстия, соответствующего одному из двух заданных углов падения излучения на меньшую грань ПВО. совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью
ПВО, а нижняя граница светового отверстия, соответствующего второму заданному углу падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия, длина призмы вдоль большей и вдоль меньшей граней ПВО, а также высота основания призмы определяется из соотношения, приведенного в тексте описания.
Размер светового отверстия а1, отсчитываемый, как и размер az, в направлении, перпендикулярном граням ПВО, определяется из соотношения приведенного в тексте описания. 2 ил. между объектом и элементом. Такие элементы представляют собой равнобедренную одинарную призму, входные грани которой сошлифованы так, что нормали к этим граням параллельны осевому лучу падающего на них пучка, обеспечивая таким образом работу призмы при нескольких значениях угла падения на грань НПВО.
Применение данного призменного элемента НПВО требует наличия перестраиваемых плоских зеркал, что не позволяет проводить одновременное измерение при различных углах падения и усложняет кинематическую схему устройства (приставки
1727093
10
50
НПВО), в которой установлен элемент
НПВО. Указанные недостатки устранены в призме с переменным углом падения на грань ПВО, в которой вместо сошлифованных под различными углами входных граней введена дополнительная гран ь П BO.
Известен призменный элемент, являющийся наиболее близким к предлагаемому.
Он представляет собой симметричную призму, нижняя грань которой является гранью полного внутреннего отражения, угол наклона входной грани к нижней грани
ПВО равен углу падения U осевого луча на нижнюю грань ПВО и образована верхняя грань ПВО, параллельная нижней грани
П ВО, длина призмы вдоль этих граней ра в-. на lmax/lmin = ((tg 3+ctg О) (1 + „)sin
Uj82, а высота призмы равна tmax = (1 +
)аг, где lmax — длина нижней грани;
U — угол падения на верхнюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием а1;
lmin — длина верхней грани;
j3= 180 — 3U — угол падения на верхнюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием призмы а ;
V — параметр призмы, удовлетворяющий соотношению 1 < Ч ctg U.
Использование поляризованного света позволяет с помощью уравнений Френеля, связывающих экспериментально измеренные значения коэффициента отражения поляризованного света с оптическими постоянными исследуемой среды, определять значения последних и повышать степень контраста спектра.,Наибольшее усиление контраста достигается при использовании р-поляризованного света.
Ввиду нормального падения пучков на входную грань прототипа часть светового потока отражается от его входной грани, не попадая в призму, причем величина этих потерь не зависит от поляризации падающего на призму света и растет с ростом значений показателя преломления призмы по.
С другой стороны, характер спектра
НПВО исследуемого объекта с показателем преломления и определяется разностью углов падения U — Uc, где Uc = are sin п„.п— критический угол падения, зависящий от значения п . Как видно из выражений для угла P = 180 — 3Umin и для независимого параметра V = ctg Umax = 1, значения угла
2 лежат в диапазоне 30 < U < 45, который не зависит от показателя преломления призмы и не позволяет таким образом изменять ширину этого диапазона или смещать его. Кроме того, данный диапазон не позволяет использовать известное соотношение между коэффициентами отражения параллельно и перпендикулярно поляризованного света R<> = Ra, выполняющиеся при U =
45 и позволяющее определять качество контакта элемента НПВО с изотропным объектом или степень изотропности последнего. Так как пригодность оптического материала для изготовления из него элемента НПВО определяется, как спектральным диапазоном пропускания, ограничивающим область, где. возможно получение спектров НПВО, химической активностью, которая может возрастать при контакте с химически активными объектами и физическим состоянием (твердым или жидким), которое может определить возможность получения контакта с объектом исследования (например, если он имеет неплоскую форму) и технологичность изготовления элемента НПВО.
С этой точки зрения около половины из известных оптических материалов, используемых для изготовления элементов НПВО, включая все жидкие среды и уникальный по своим характеристикам лейкосапфир AlzOs, обладающий сочетанием исключительной твердости, позволяющей очищать рабочую грань НПВО от загрязнений без ее повреждения металлическим напильником и широкого спектрального диапазона пропускания от дальней ультрафиолетовой до ближней
ИК-области, не позволяют поддерживать у прототипа необходимую для записи спектра величину разности U — Uс.
Цель изобретения — повышение светопропускания P-компоненты, расширение номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения, Указанная цель достигается тем, что в известном оптическом элементе НПВО с изменяемым углом падения излучения, выполненном в виде прямой призмы, имеющей в основании равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями ПВО, проходящими через ее основания, причем нижняя граница светового отверстия аг, соответствующего одному из двух заданных углов Р падения излучения на.меньшую грань ПВО, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью
ПВО, а нижняя граница светового отверстия а, соответствующего второму заданному углу 0 падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия az, длина призмы вдоль большей lmax и вдол ь меньшей lmin граней П ВО определяется из соотношений
1727093
tm»< = (1 + / )a2, 2 по
sin U — по
cos U
Oо (0 + 2 0 ) где
30 — 1
np +
Umip= at csin
1 и 1
1< V 1х/imin = (tg Р + ctg с ) (1+ „)аг ° 2 высота основания призмы tmla из соотношения а размер светового отверстия а1, отсчитываемый, как и размер а2, в направлении, перпендикулярном граням полного внутреннего отражения, из соотношения cos n COs0 д1 -1 )min COsarCSin (и," cos 0) + np +8 arcsin <0< Rp + lip +9+6n < arcsin где 0 — угол между входной гранью и большей гранью ПВО; по — показатель преломления материала призмы; V — параметр призмы, удовлетворяющий соотношению Выполнение указанных соотношений позволяет направлять падающий пучок под углом к входной грани, при котором пропускание P-компоненты увеличивается, достигая 100 при падении под углом Брюстера, Функциональная зависимость от показателя преломления призмы угла падения на грань ПВО позволяет влиять на значения последнего путем подбора подходящего оптического материала, На фиг. 1 изображен предложенный элемент НПВО; на фиг. 2 — график зависимости угла падения на грань ПВО и от показателя преломления призмы по. Оптический элемент содержит входную грань 1, нижнюю грань 2 ПВО, верхнюю грань 3 ПВО, параллельную нижней грани 2, и выходную грань 4, Оптический элемент работает следующим образом. Падающий на входную грань 1 параллельно грани 2 осевой луч пучка а преломляется ею и, отразившись от нижней грани ПВО 2 под углом U, направляется к верхней грани ПВО 3, расположенной параллельно нижней. После отражения от верхней грани ПВО 3 под углом 0 он вновь направляется к нижней грани 1 и, отразившись от нее, выходит, преломившись через выходную грань 4, оставаясь на одной прямой с падающим на призму лучом а, Осевой луч пучка b, параллельный осевому лучу пучка а, после отражения от нижней . грани ПВО 2 направляется вновь к выходной грани 1, на которой испытывает ПВО, после чего падает на верхнюю грань ПВО 3 под углом P > n. Отразившись от верхней грани ПВО 3, осевой луч пучка Ь испытывает ПВО от выходной грани 4 и после отражения от нижней грани П ВО 3 покидает элемент через выходную грань 4, преломившись на ней таким образом, что, выйдя из призмы, он также лежит на одной прямой с падающим на призму осевым лучом пучка b. На фиг. 2 кривые (e) и ф изображают зависимости от показателя преломления призмы значений углов падения п 1+ д, 2 8 Umax = arcsin 4 и ограничивающих диапазон углов 0 для предлагаемой призмы, прямые (- - -) указывают границы диапазона углов U для прототипа, кривая (+) соответствует зависимости от показателя преломления призмы по значений UT-1= 90 — arctg по+ arcsin (np з п о -1 arctg np), при которых пропускание предлагаемой призмы составляет 100% в параллельно поляризованном свете, кривая Д обозначает зависимость от показателя преломления критического угла падения Up = arcsin np для случая отражения оТ грани ПВО, находящейся в контакте с воздухом. Из графика следует, что диапазон допустимых значений 0 для предлагаемой призмы не пересекается кривой Up, располагаясь выше ее, что подтверждает возможность использования всех оптических материалов для изготовления таких элементов НПВО, В тоже время, для прототипа положение интервала допустимых значений углов U позволяет использовать материалы C по > 2. Изгиб кривых 0п1» и Umip с уменьшением по позволяет смещать весь диапазон до1727093 10 а1— 1 \/„ — 2+
