Эллиптический поляризатор

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 В 5/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР )0() ) g

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 . ., "г (21) 4818142/10 (22) 24.04.90 (46) 15.04.92. Бюл. М 14 (71) Институт. кристаллографии им. А.В. Шубникова (72) В.А. Шамбуров (53) 535.824.4(088.8) (56) Авторское свидетел ьство СССР

Иг 1425566, кл. G 02 В 5/30, 25,12,1986, Шерклифф. У. Поляризованный свет. М.:

Мир, 1965, с. 117-136, » Ы, 1727097 А1 (54) ЭЛЛИПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР (57) 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

Ы

О

О 4

1727097 углами при обращенных в противоположные стороны вершинах, равными, соответственно, у и ус, а оптическая ось кристалла во входном клине 1 лежит в его главном сечении и ориентирована под углом ак 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 р, и ориентирована под углом Вотносительно нормали к граням пластинки. Приведены соотношения для вычисления а, у,, р и О при произвольном у . Указанная конструкция поляризатора обеспечивает снижение световых потерь на отражение, Изобретение относится к оптическим элементам и устройствам в поляризационно-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 Глана 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 линеййо 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 k = — эллипса поляризации с а осями а и b выходящего луча зависит от разности хода обыкновенного и необыкно5

35 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. венного лучей в фазовой пластинке, а точнее от разности их фаз д

k=tg д

Л

П ри д = + k = +- 1, что соответствует правому и левому циркулярно поляризованному свету, Изменение разности фаз д практически осуществляется двумя известными механическими способами: изменением толщины фазовой пластинки, как например в компенсаторе Бабине, состоящем из двух идентичных клиньев при относительном их смещении, и наклоном фазовой пластинки, как например в компенсаторе Берека.

Целью изобретения является создание более прогрессивного типа перестраиваемого по эллиптичности k эллиптического поляризатора света.

Исключение возвращения в источник света отраженных от преломляющих плоскостей линейного поляризатора и фазовой пластинки лучей с линейной поляризацией 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 от них лучей и исключение их возвращения в источник света, при котором нарушается стабилизация излучения последнего.

Чрезвычайная трудность и даже невозможность изготовления с требуемой высокой 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

1727097 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 юстировочным механизмом, позволяющим изменять параметры эллипса поляризации прошедшего эллиптически поляризованного луча путем поворота корпуса-оправы вокруг оси пучка и малых наклонов вокруг перпендикулярных к оси пучка осей.

Световые потери на поглощение в линейном поляризаторе сокращаются в 2 раза за счет использования двух тонких составляющих его кристаллического и стеклянного клиньев.

Соосность входящего неполяризованного и в ходящего эллиптически поляризованного пучков достигается с помощью дополнительной наклонной под углом Брюстера стеклянной пластинки на входе эллиптического поляризатора, В соответствии с поставленной целью изобретения и указанными путями ее достижения предлагается соответствующий эллиптический 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 у и уо соответственно; 3 — фазовая пластинка, приклеенная к стеклянному клину 2, ZK — оптическая ось кристалла в клине

1, Zo — оптическая ось кристалла в фазовой пластинке 3, а = Bl Ctg (— ) — угол между

Пе осью P,(о+ е) падающего неполяризованного пучка и входной плоскостью клина 1, а также между оптической осью кристалла Z< и входной плоскостью клина 1, о и е — обыкновенный и необыкновенный лучи в клине

1, преломленные на его входной грани; P!1— основной выходящий циркулярно поляризованный (e общем случае эллиптически поляризован н ый) луч, параллельн ый падающему

I лучу PH, о — выходящий паразитный луч, отклоненный от основного на угол д; N— нормаль к фазовой пластинке 3; тд а, tg(a — P ) — проекции векторов е и Zп на плоскость фазовой пластинки, перпендикулярную нормали N, О- угол наклона оптической оси кристалла 2П к плоскости фазовой пластинки, p — угол между плоскостью наклона оси Z> вокруг оси и продольными бо- ковыми 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: !Ке, !ке И I ке, ке k =

° I

1, 2, 3 и показателях преломления no, ne, о и е лучей в кристаллическом — и no — стеклянном клиньях определяется угол i зе

siniae=n sIn(arcsin(sIn(a+ )) )с) (1) по

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

I ! зе !1 = j% Г с

i1= 90 - а= агст9 пе (2)

Из системы уравнений (1) и (2) определяется угол ус при заданных yk и пс т9У, .е

35 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

x1, I

40 д = i зе — 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 оп45 ределяется его угол у в пределах

)%мин =Pe O <)%

° и в частности его среднее значение

)% = 2 ({Po +Pe) (+ io))

50 где p, = arcsinq — );pe = atcsin(— ) .,1.. 1 и, 1!е

Для клина из кристалла исландского шпата Я< = 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. Оптиче1727097

192 О = т9 (а — Р) + щ р

ЩР— 1 а или а)ПР= У

t 1аЛ

2 v2 где tg/3 = tg8o ИЛИ p=po

Угол Ро связан с требующейся разностью фаз др в рассматриваемой фазовой пластинке соотношением д 2лбЬП S ln po

Л cosCOo

Для заданной толщины пластинки d

55 ская ось кристалла Z> в фазовой пластинке

3 ориентирована по отношению к преломленному лучу е в ней под малым углом Ро наклона к нему и с плоскостью наклона, ориентированной под углом в 45 к направ- 5 лению 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 10 обыкновенного луча и, 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 пре- 15 ломления, близким к показателю преломления пр обыкновенного луча в кристалле при малом угле его отклонения Ро от оптической оси Z< в направлении, составляющем угол в

45 с направлением колебаний луча е. На 20 фиг, 1 в вертикальной проекции показаны три вектора — направления e — луча и Zo внутри пластинки 3, N и углы между ними: аР, 90 — 2а, В плане(третьей горизонтальной проекции) изображены их проекции на 25 плоскость пластинки 3.

Оптическая ось кристалла Zo лежит в плоскости, которая наклонена под углом /3 к плоскости падения лучей на границы пластинки и лежит в плоскости, перпендикуляр- 30 ной плоскости падения и наклоненной к нормали N пластинки под углом (а — P, где

П а= i«,P =Д- г-. При этом из рассмотрения проекций векторов N, Zp и е на плоскость 35 пластинки можно установить, что оптическая ось Z< кристалла в пластинке наклонена к ее нормали N под углом д и по направлению — азимуту ее наклона, составляющему угол р с длинными ее боковыми 40 сторонами, параллельными плоскости падения на нее лучей. В обозначенных на рис, 1 величинах определяются углы ориентировки р ИО оптической оси Zo в.фазовой пластинке 3. 45

cos о 2лб и для четвертьволновой при разности фаз

X лучей в ней OP = = 90 и при заданной толщине пластинки d

SiA o . г

cos o 44dn

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.

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 эквивалентно появлению дополнительной Лк существующей внутри пластинки разности фаз др„, Для получения произвольно заданной эллиптичности

b Во до+

К = — = lg = tg эллипса поляриа 2 2 зации прошедшего света разность фаз

I дро и эллиптичность соответствующего элI o липса поляризации k = tg на ее вы2 ход н ой границе и угол Ро определяется соотношениями К—

К

С О S(Iч е iч е) гр! др, = 2агссцК", — darctgK

COSPo

В частности при k = 1 на выходе получается циркулярно поляризованный сает. 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 il, =

0,83 нм при использовании кристалла исландского шпата и стекла К8: отношение длины к ширине клиньев и фазовой пластинки — = 1,788; углы клиньев = 7,8О, óo, L

7,389О; угол наклона к оси поляризатора а =

1727097

10 тя ус

55

34; толщина фазовой пластинки d = 1 мм; углы ориентировки оптической оси кристалла в фазовой пластинке: Д = 2 06; p=

2 41; О= 33 39.

На фиг. 2 представлена предлагаемая 5 модификация линейного поляризатора как составной части эллиптического поляризатора, которая содержит дополнительную стеклянную пластинку 3 для обеспечения соосности падающего Рн и прошедшего е 10 лучей.

Формула изобретения

1. Эллиптический поляризатор, состоящий из входного линейного поляризатора и выходной фазовой пластинки, выполненных 15 из одноосного кристалла, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения световых потерь на отражение, исключения возвращения отраженных лучей в осевом направлении и повышения технологичности, 20 линейный поляризатор выполнен из оптически соединенных входного кристаллического и выходного стеклянного клиньев с углами при обращенных в противоположные стороны вершинах, равными соответст- 25 венно И и ус а оптическая ось кристалла во входном клине лежит в его главном сечении и ориентирована под углом а к входной грани клина, фазовая пластинка оптически соединена с выходным стеклянным клином, оптическая ось кристалла в фазовой пластинке лежит в плоскости, развернутой относительно плоскости главного сечения клиньев поляризатора на угол р, и ориентирована под углом О относительно нормали к граням пластинки, а углы aус,iри Опри и ро из вол ьном yk оп редел я ются из соотношений а = агар(— „), 1

SIR

sinp 2; созО = cosine „,, 45

2 sin

1 — — sin э где по, ne, nc — показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле и стекле соответственно

8!п2

2arctg(., )

cos лба со$(! — I„)

sinive . ° .! ! че =3rcsin(); !че =arCtgne +yk "гс пс

il — длина волны поляризуемого света, Л п = ne — ne — двупреломление кристалла;

d — заданная толщина фазовой пластинки;

k — заданная эллиптичность эллипса поляризации прошедшего эллиптически поляризованного света.

2. Поляризатор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения соосности входящего и выходящего из него пучков лучей, он содержит дополнительную стеклянную пластинку, установленную перед линейным поляризатором С противоположным относительно него углом наклона к оптической оси, а угол асп наклона пластинки и ее толщина асп выполнены в соответствии с соотношениями.

+ ВСО$(а — у — o) + С cos(0 х — 2yk + yc)f где о = arc$in(— зв(а+ yk));

Пе пс х = дГС$!П(— sin —.sin Ь yc ) !!с . nc

no no

ducosyk . В dccosyc б

cosCaC+ ó сова cosr

n« — показатель преломления стекла дополнительной пластинки; бк и dc — средние толщины кристаллического и стеклянного клиньев.

3, Поляризатор по п. 1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью управления параметрами эллипса поляризации, он установлен с возможностью качания вокруг двух ортогональных осей, перпендикулярных к оптической оси поляризатора.

1727097

/ !

Ф, I

/

/

/ !

Составитель B.Шамбуров

Техред М.Моргентал Корректор С.Лыжова

Редактор Н.Горват

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1278 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35„Раушская наб., 4/5