Поляризационная призма

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э 6 02 В 5/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4846359/10 (22) 04,07,90 (46) 15.08.92. Бюл, N 30 (71) Государственный оптический институт им, С.И.Вавилова (72) Е.В.Калачников (56) Годжаев Н.М, Оптика, M.: Высшая школа, 1977, с, 232-233, рис, 9.10 и 9.11.

Ванюрихин А.И. и др, Оптикоэлектронные поляриэационные устройства. Киев:

Техника, 1984, с. 34-35, рис, 18, /

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 иэображения в микроскопе с одним объективом, а также для наблюдения фигур Хайдингера, различных биологических эффектов и др.

Известны двулучепреломляющие поляризационные устройства на основе кристаллов, 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 прйэ„, Я2, 1755239 А1

2 (54) ПОЛЯРИЗАЦИОЙНАЯ ПРИЗМА (57) Использование: полученйе двух поляризованных пучков света во взаимно перпен дикулярных плоскостях, разведенных на угол 90 между собой со степенью поляризации близкой к 100;4, Сущность изобретения; поляризационная призма состоит из двух призм(косоугольной и прямоугольной), изготовленных иэ двулучепреломляющего оптически неактивного материала там, что оптическая ось кристалла параллельна входной и боковым нерабочйм граням, 1 ил. мы Аренса, Николя, Волластона, Ромона, Б

Сепармона, Коттона, Осипова-Кинга, Веста, Например, призма Волластона, представляющая собой два куска исландского шпата, соединенного слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпен- 2 дикулярны. 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: (Л вершине клина О и слегка меняется с дли- Я ной волны. (д

Для призмы Волластона, как и для всех © перечисленных двулучепреломляющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой р 900. известна также поляризационная призма Глана-Фуко и ее модификация Тейлором, состоящая иэ 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 распо1755239 ложенных поверхностей таковы, что коэффициент наибольшего главного пропускания K> = 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 Ф 90 к падающему, что затрудняет его использование без дополнительных юстировочных процедур, а также то, что он не является линейнополяризованным, так как в направлении обыкновенного луча, испытавшего полное внутреннее отражеййе на границе кристалл-зазор, распространяется часть е-луча, приводящая к деполяризации выходящего пучка света.

Наиболее близкой к предлагаемой является поляриэационная 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 йе может дать на выходе два линейно-поляризованных пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях с высокой степенью поляризации.

Дело в том, что отражение от посеребренной грани призмы Фостера не улучшает степень поляризации на выходе из призмы так называемого "обыкновенного" луча; имеющего составляющую необыкновенного луча (е-луча), присутствующую из-за многократных отражения -луча на границах кристаллвоздух (клей) в зазоре между двумя сложенными призмами. И хотя второй луч выходит под углом 90о к падающему лучу на входную грань (и е-лучу, прошедшему зазор беэ 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 разйыми скоростями и различной амплитуды колебаний . электрического вектора, поляризованные s 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 направления необыкновенного луча.

Поставленная цель достигается тем, что в поляризационной призме, разводящейлинейно-поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях пучки на угол 90, состоящей из двух разделенных оптической средой с показателем преломления пслоя и вырезанных иэ двулучепреломляющего материала призм, вторая из которых по ходу

5 излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотенузной грани прямоугольной призмы, выбран из условия

10 Пслоя агс$1п )а >arcsin

Пслоя

Пе По где пе и по — показатели преломления нео-. быкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соо ветственно. угол между

15 гранями первой йризмы, противоположный ее входной грани, равен 45о, угол прямоугольной призмы, прилегающий к углу 45о первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельны входной

20 грани поляризационной призмы, оптические оси составляющих призм параллельны боковой нерабочей грани поляризационной призмы, указанные призмы выполнены из оптически неактивного материала, а пара25 метры по и а связаны соотношением

ho = ctg(а — 45 ).

На чертеже изображена предлагаемая поляризационная призма. Она состоит из косоугольной призмы 1 и прямоугольной призмы 2, сложенных гранями KM 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 агс$1п о а > агсип слоя пслоя пслоя: где h«» — показатель преломления клея.

Оптические оси материала составляющих призм параллельны входной грани Д К и боковой нерабочей грани, параллельной

40 плоскости чертежа. Поляризационная призма имеет две взаимно перпендикулярные выходные грани; грань KN для обыкновен"5 ного луча (о-луча) и грань MN для.необыкновенного луча (е-луча). Косоугольная призма может быть выполнена четырехугольной или трехугольной (изображение штриховой линией), но для решения поставленной за50 дачи 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 s два линейно поляризованных луча, идущих в одной направлении. На

1755239 грани К M 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 0 — отношением D = d e,, Величины r u d — это коэффициенты Френеля, Необыкновенный луч внутри слоя диэлектрика (зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его границах;

2 г Ь слоя

Если д = — т — разность фаз, соответствующая двукратному прохождеwe света через слой, толщиной! (т.е. от одной его границы до другой и обратно), то с учетом многократных отражений для комплексной амплитуды отраженной волны можно записать где R — комплексная амплитуда отраженной волны; е- комплексная амплитуда падающей волны;

r> и rz — коэффициент Френеля для отражения от первой и второй границ в зазо- . ре.

Следовательно, в направлении линейно-поляризованного обыкновенного луча, испытавшего полное внутреннее отражение. в том же направлении распространяется световая волна R, плоскость колебанйй электрического вектора которой перпендикулярна плоскости колебаний электрического вектора о-луча, а также параллельна плоскости падения на боковую грань косоугольной призмы. Расположение боково3 грани косоугольной призмы В M под углом

45 к грани К M и выполнение условия ho =

=ctg(a-45О) приводит к тому, что угол падения пучка света на нее равен углу Брюстера, 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 ()

М В =, (2) з!и (а+45 )

30 KM =,(3) KN =atga, (4) (5)

cos2 a + cos a sin а

a tga

sin (а+45 ) а= р р +45, (7)

ps =arctg П, (8)

О

В D =a(tg а-1) зМ а . (9).

40 При использовании в качестве двулучепреломляющего материала кристаллы

Кальцита:

n0 = (при А = 5983 А ) = 1,6584; а =

=76,089 и р ьр = 31,089О, При а = 10,0 мм;

45 B М = 11,67 мм; KM = 41,59 мм; KN = 40,37 мм; DK = 34,35 мм; DM = 47,14 мм.

Выполнение поляризационной призмы согласно приведенным соотношениям lloзволило получить качественно новый техни50 ческий эффект, а именно: на выходе из призмы, имеется два взаимно перпендикулярных пучка света, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. степень поляризации пучков

55 близка к 100%; устройство упрощает юстировочные процедуры и его применение уменьшает затраты на изготовление поляризаторов при соединении оптИческих приборов и схем, где необходимы линейно

DM 35 поляризации необыкновенного луча, разведенная на угол p = 90 по отношению к необыкновенному, лучу на выходе.

Преломленная волна на грани B Ì (под уг5 лом 90 к отраженной, т.е. в направлении падающего луча на входе призмы), в данном устройстве не используется, Устранение недостатков призмы Фостера, достигаемое в предлагаемом устрой10 стве, позволяет использовать его как светоделитель с углом разведения линейнополяризованных лучей на р= 90О. что расширяет возможности использования поляризатора в практике поляризационных

15 измерений, упрощает юстировочные процедуры и экономит дорогостоящие крйсталлические материалы, поскольку не требуются дополнительные поляризаторы в схемах, где необходимы два пучка линейно поляри20 зованного света.

Изобретение осуществляется следующим образом, Если световой диаметр падающего пучка равен а, то:

25 а-MN=CN, 1

1755239

Составитель E,Êçëà÷íèêoâ

Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь

Редактор H.f"oðâàò

Заказ 2892 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государствейного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 поляризованные пучки света (интерферометры. спектрофотометры, поляриметры)..

Формула изобретения

Поляризационная призма, разводящая линейно-поляризованные во взаимно пер- 5 пендикулярных плоскостях пучки на угол

90О, состоящая из двух разделенных оптической средой с показателем преломления n, слоя и вырезанных иэ двулучепреломляю- щего материала призм, вторая из которых 10 по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотенуэной грани прямоугольной призмы, выбран из условия 15 агс sin nc/ne > Q > агс sin пс/по, где п и no — показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45О, а угол прямоугольной призмы, прилежащий к углу 45 первой призмы, равен а,оптические оси составляющих призм параллельны входной грани и поляризационной призмы, о т л и ч аю ш, а я с я тем, что, с. целью повышения степени поляризации обыкновенного пучка, оптические оси составляющих призм параллельны боковой нерабочей грани поляриэационной призмы, указанные призмы выполнены из оптически неактивного материала, а параметрь h< и а связаны соотношением по = сц(а — 45 }.