Отражательная призма для поворота плоскости поляризации

 

Отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на произвольный заданный угол содержит три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения, а также входную и выходную грани, расположенные под углом Брюстера к оптической оси. Отражающие грани ориентированы относительно друг друга и относительно входной и выходной граней в соответствии с приведенными соотношениями. Линейные размеры призмы обеспечивают определенное отношение оптических путей светового пучка между отражениями внутри призмы в соответствии с приведенными соотношениями. Призма может быть выполнена как из монолитного блока, так и в виде системы из трех отражательных призм с входными и выходными гранями, расположенными под углом Брюстера к световому пучку. На вторую отражающую грань может быть нанесено зеркальное покрытие. Обеспечивается устранение поперечного смещения светового пучка после прохождения призмы. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для поворота плоскости поляризации.

Известна отражательная призма, содержащая три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения по отношению к падающему на них с внутренней стороны световому пучку и под углом 60^o одна к другой и нормальные к световому пучку входную и выходную грани [1].

Недостатками известной призмы являются значительные световые потери вследствие отражений от входной и выходной граней, поперечное смещение светового пучка после прохождения призмы, а также ограниченная возможность поворота плоскости поляризации: только на 90^o. Значительные световые потери вследствие отражений от входной и выходной граней затрудняют использование известной призмы внутри резонаторов лазеров для управления поляризацией генерируемого излучения, так как приводят к значительному уменьшению его мощности, а в случае непрерывных лазеров, имеющих не очень высокий коэффициент усиления, могут привести к срыву генерации.

Известна также отражательная призма, выбранная в качестве прототипа, содержащая три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения по отношению к световому пучку, а также входную и выходную грани, расположенные под углом Брюстера к оптической оси, причем отражающие грани призмы ориентированы относительно друг друга и относительно входной и выходной граней таким образом, что обеспечивается поворот плоскости поляризации на произвольный заданный угол α [2].

Недостатком известной призмы является поперечное смещение светового пучка после прохождения призмы. Подобное смещение ограничивает практическое применение известной призмы, например, в лазерных спектрометрах комбинационного рассеяния с внутрирезонаторной схемой, так как приводит к необходимости сложной переюстировки оптических систем при переходе от одной поляризации возбуждающего излучения к другой.

Целью изобретения является устранение поперечного смещения светового пучка.

Указанная цель достигается тем, что в отражательной призме, содержащей три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения по отношению к световому пучку, а также входную и выходную грани, расположенные под углом Брюстера к оптической оси, согласно изобретению первая отражающая грань расположена под углом β = (arctg[(n²+1)sinα/(n²-1)/(1+cosα)])/2, где n - показатель преломления материала призмы, к первой плоскости преломления и к световому пучку, причем первая плоскость отражения ортогональна плоскости преломления, вторая отражающая грань расположена под углом к первой плоскости отражения и к световому пучку, причем вторая плоскость отражения ортогональна первой плоскости отражения, третья отражающая грань расположена под углом β ко второй плоскости отражения и к световому пучку, причем третья плоскость отражения ортогональна второй плоскости отражения, вторая плоскость преломления ортогональна третьей плоскости отражения, а линейные размеры призмы обеспечивают отношение оптического пути светового пучка между входной гранью и первой отражающей гранью к оптическому пути между первой и второй отражающими гранями, равное причем оптические пути светового пучка внутри призмы попарно равны и симметричны относительно центра второй отражающей грани.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая призма отличается ориентацией отражающих граней относительно друг друга и относительно входной и выходной граней, что при выполнении дополнительного условия о соотношении оптических путей светового пучка между отражениями внутри призмы обеспечивает достижение цели изобретения. Для прототипа в принципе не может быть найдено какое-либо соотношение оптических путей, при котором отсутствовало бы поперечное смещение светового пучка.

Таким образом, заявляемая призма соответствует условию новизны.

Известны устройства, которые обеспечивают поворот плоскости поляризации при отсутствии поперечного смещения светового пучка [3-4]. Однако траектория светового пучка в этих устройствах существенно несимметрична и осуществима только при использовании зеркал для поворотов светового пучка, что приводит к существенным световым потерям после прохождения устройств.

Таким образом, заявляемая призма соответствует условию изобретательского уровня.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена призма, обеспечивающая поворот плоскости поляризации на угол α против часовой стрелки; на фиг. 2 представлена призма, обеспечивающая поворот плоскости поляризации на угол α по часовой стрелке; на фиг.3 и фиг.4 изображены две призмы, обеспечивающие поворот плоскости поляризации на 90^o; на фиг.5 и фиг.6 представлены отдельные отражательные призмы, из которых может быть выполнена заявляемая призма.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения: 1. α - угол поворота плоскости поляризации; 2. n - показатель преломления материала, из которого изготовлена призма; 3. ϕ_Б - угол Брюстера, определяемый равенством ϕ_Б = arctgn;
4. направление колебаний электрического вектора в световом пучке;
5. β = (arctg[n²+1)sinα/(n²-1)/(1+cosα)])/2;
6.
7. γ = 180°-δ-ϕ_Б;
8.
9. d - максимальный диаметр светового пучка, пропускаемого призмой;
10. b1=dn;
11. c1 = d(1+sin2β+cos2β);
12. e1 = d(2ρ-1+(ρ-1)ctgβ+nρctgδ)/2;
13. a1 = d+e1+d(ctgβ+cos2β);
14.
15.
На фиг. 1 изображена отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол α против часовой стрелки (если смотреть вдоль первоначального направления распространения светового пучка). Входная грань призмы ABCD располагается под углом Брюстера к световому пучку, причем она составляет с гранью BCFGKL угол, равный углу Брюстера. Боковая грань CDEF ортогональна грани BCFGKL и параллельна первоначальному направлению распространения светового пучка. Первая отражающая грань EFGH ортогональна грани BCFGKL и расположена под углом β к грани CDEF. Грань HGKL'N' ортогональна грани BCFGKL и составляет с гранью EFGH угол β. Вторая отражающая грань KLK'L' ортогональна грани HGKL'N' и расположена под углом δ к грани BCFGKL. Грань B'C'F'G'K'L' расположена под углом δ к грани KLK'L'. Грань NLK'G'H' параллельна грани HGKL'N'. Третья отражающая грань ортогональна грани B'C'F'G'K'L' и составляет с гранью NLK'G'H' угол β. Боковая грань C'D'E'F' ортогональна грани B'C'F'G'K'L' и расположена под углом β к грани E'F'G'H'. Выходная грань A'B'C'D' ортогональна грани C'D'E'F' и составляет с гранью B'C'F'G'K'L' угол, равный углу Брюстера. Расстояние между центрами граней EFGH и KLK'L' равно расстоянию между центрами граней KLK'L' и E'F'G'H'. Расстояние между центром грани EFGH и точкой пересечения оси светового пучка со входной гранью равно расстоянию между центром грани E'F'G'H' и точкой пересечения оси светового пучка с выходной гранью, причем отношение этого расстояния к расстоянию между центрами граней EFGH и KLK'L' равно ρ. Призма имеет ось симметрии второго порядка, перпендикулярную грани KLK'L' и проходящую через ее центр.

Призма действует следующим образом.

Световой пучок, поляризованный в плоскости, параллельной боковой грани CDEF, падает на входную грань призмы ABCD под углом Брюстера и без отражения проходит внутрь призмы, следуя в ней параллельно граням CDEF и BCFGKL. Затем световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от первой отражающей грани EFGH, причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы ортогонально первой плоскости отражения, а угол падения светового пучка на грань EFGH равен 90°-β. Потом световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от второй отражающей грани KLK'L', причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы во второй плоскости отражения, а угол падения светового пучка на грань KLK'L' равен 90°-δ. Затем световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от третьей отражающей грани E'F'G'H', причем падающий и отраженный световые пучки поляризованы ортогонально третьей плоскости отражения, а угол падения светового пучка на грань E'F'G'H' равен 90°-β. Потом световой пучок без отражения выходит из призмы под углом Брюстера к выходной грани A'B'C'D', причем направление светового пучка совпадает с первоначальным, поперечное смещение отсутствует, а плоскость поляризации повернута на угол α против часовой стрелки. Анализ условий отражения показывает, что единственной проблемой является обеспечение полного внутреннего отражения от второй отражающей грани, так как необходимо выполнение условия 90°-δ>arcsin(l/n), то есть показатель преломления материала призмы должен удовлетворять требованию Величина в правой половине неравенства достигает максимума при α = 90° и составляет около 1.5538. Если по каким-либо причинам необходимо применение материала с меньшим показателем преломления, то на вторую отражающую грань нужно нанести зеркальное покрытие. Поскольку потери на таком покрытии могут быть сведены к незначительной величине, то наличие только одного зеркального покрытия не окажет существенного влияния на параметры призмы.

Призма может быть выполнена в виде системы из трех отражательных призм с входными и выходными гранями, расположенными под углом Брюстера к световому пучку: BCFGKLMADEH, KHN'L'K'LNH' и B'C'F'G'K'L'M'A'D'E'H'. Первая и третья призмы идентичны и имеют в основании шестиугольник, в котором ∠CBL = ∠BCF = ∠GKL = 90°,∠CFG = ∠FGK = 180°-β, грани ABCD и KLMH составляют с основанием BCFGKL угол, равный углу Брюстера, а остальные боковые грани ортогональны основанию. Призма KHN'L'K'LNH' прямая, имеет в основании равнобедренную трапецию с углом при основании ∠HKLʹ = γ. Тонкие линии НК и Н'К' на фиг. 1 соответствуют призме, выполненной в виде системы из трех отражательных призм с "нулевым" зазором между ними, однако он может быть увеличен до любой необходимой величины при условии соответствующего изменения расстояния между первой и третьей призмами с тем, чтобы световой пучок без апертурных ограничений проходил через всю систему.

На фиг.2 изображена отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол α по часовой стрелке. Эта призма обладает теми же существенными признаками, что и призма, изображенная на фиг. 1, так как является ее зеркальным вариантом. Различие между этими двумя вариантами заключается в ориентации первой отражающей грани, что приводит к различному направлению отклонения светового пучка этой гранью: в призме, изображенной на фиг.1, первая отражающая грань отклоняет световой пучок на угол 2β против часовой стрелки, если смотреть со стороны грани BCFGKL, а в призме, изображенной на фиг.2, первая отражающая грань отклоняет световой пучок на угол 2β по часовой стрелке, если смотреть со стороны грани BCFGKL. Обозначения граней на фиг.2 таково, что к изображенной на ней призме полностью применимы описание устройства и действия призмы, изображенной на фиг.1 (с той только разницей, что направление поворота плоскости поляризации меняется на противоположное).

На фиг. 3 и фиг.4 изображены два варианта отражательной призмы для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на 90^o, существование которых обусловлено отсутствием различия между поворотами плоскости поляризации на 90^o против часовой стрелки и по часовой стрелке.

На фиг. 5 и фиг.6 изображены отдельные отражательные призмы, из которых может быть выполнена заявляемая призма (один из двух возможных зеркальных вариантов), а также приведены основные размеры этих призм, на основании которых могут быть вычислены все остальные рабочие размеры. Пропорции на фиг.5 и фиг. 6 соответствуют углу поворота плоскости поляризации α = 90° и материалу СТК-19, имеющему показатель преломления n=1.7515 для излучения с длиной волны 515 мкм. Показатель преломления для этого материала в диапазоне длин волн от 488 мкм до 546 мкм изменяется весьма незначительно (от 1.7549 до 1.7476 соответственно), поэтому одна и та же призма может быть применена для различных практических задач (например, связанных с использованием лазера на ионизированном аргоне с длинами волн генерируемого излучения 488 мкм и 515 мкм), а отсутствие склеивающего материала позволяет применять эту же призму и для импульсных лазеров с высокой плотностью мощности (например, для излучения второй гармоники лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, имеющего длину волны 532 мкм).

Использование предлагаемой призмы внутри резонаторов лазеров позволит управлять поляризацией генерируемого излучения, при этом отпадут проблемы, связанные со сложными операциями переюстировки оптических элементов при переходе от одной поляризации генерируемого излучения к другой.

Источники информации:
1. А.с. СССР 1144073, G 02 В 5/04, 1983.

2. А.с. СССР 1657935, G 01 В 5/04, 1991.

3. A.R.Chraplyvy, Applied Optics, v.15, n.9, p.2022, 1976.

4. Патент США 4252410, G 02 F 1/01, 1981.

Формула изобретения

1. Отражательная призма для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на произвольный заданный угол α, содержащая три отражающие грани, расположенные под углом полного внутреннего отражения, а также входную и выходную грани, расположенные под углом Брюстера к оптической оси, отличающаяся тем, что, с целью устранения поперечного смещения светового пучка, первая отражающая грань расположена под углом

где n - показатель преломления материала призмы,
к первой плоскости преломления и к световому пучку, вторая отражающая грань расположена под углом

к первой плоскости отражения и к световому пучку, третья отражающая грань расположена под углом

ко второй плоскости отражения и к световому пучку, а линейные размеры обеспечивают отношение оптического пути светового пучка между входной гранью и первой отражающей гранью, равного оптическому пути между третьей отражающей гранью и выходной гранью, к оптическому пути между первой и второй отражающими гранями, равному оптическому пути между второй и третьей отражающими гранями, составляющее

2. Призма по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде системы из трех отражательных призм с входными и выходными гранями, расположенными под углом Брюстера к световому пучку, первая и третья из которых идентичны и представляют собой прямую усеченную призму, имеющую в основании шестиугольник с тремя прямыми углами и двумя углами, равными

причем две боковые грани составляют с основанием угол Брюстера, а вторая представляет собой прямую призму, имеющую в основании равнобедренную трапецию с углом при основании, равным

3. Призма по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на вторую отражающую грань нанесено зеркальное покрытие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6