Решетка-поляризатор

РЕШЕТКА-ПОЛЯРИЗАТОР, выполненная в виде прозрачной плоскопараллельной пластинки со сформированными на одной из ее рабочих поверхностей штрихами ступенчатого профиля, на одну из граней которых нанесено металлическое покрытие, отличающаяся тем, что, с целью расширения рабочей области в коротковолновую часть спектра, угол между гранями штрихов ступенчатого профиля выполнен прямым, а на металлическое покрытие дополнительно нанесены чередующиеся слои из материала, прозрачного в рабочей области спектра и металла, причем количество всех металлических слоев N a/(t₁ + t₂), где a ширина второй грани штриха, t₁ толщина слоя металлического покрытия; t₂ толщина слоя покрытия из материала, прозрачного в рабочей области спектра.

Изобретение относится к поляризаторам электромагнитного излучения оптического диапазона и может быть использовано как переналагающаяся дифракционная решетка.
Цель изобретения расширение рабочей области в коротковолновую часть спектра.
На чертеже показано сечение решетки поляризатора плоскостью, перпендикулярной штрихам решетки (стрелками указано направление падения поляризуемого излучения при оптимальной ориентации решетки поляризатора).
Решетка-поляризатор выполнена в виде прозрачной плоско-параллельной пластинки 1 со сформированными на одной из ее рабочих поверхностей штрихами ступенчатого профиля, угол между гранями которых выполнен прямым. На одну из граней штрихов рабочую грань 2, ориентированную к поверхности решетки под углом нанесено основное металлическое покрытие 3. На это покрытие дополнительно нанесены чередующиеся слои из материала 4, прозрачного в рабочей области спектра, и металла 5, причем количество всех металлических слоев равно N a/(t₁+t₂), где а ширина второй грани 6 штриха; t₁ толщина слоев 3,5 металлического покрытия; t₂ толщина слоя 4 покрытия из материала прозрачного в рабочей области спектра.
Решетки-поляризаторы рассматриваемой конструкции изготавливают следующим образом. Исходя из заданной рабочей области спектра и условий эксплуатации, выбирают материал пластинки 1. Штрихи ступенчатого профиля формуют одним из известных способов в зависимости от выбранного материала либо нарезанием на делительной машине, либо путем снятия копии с матрицы, нарезанной на делительной машине. Перед нарезанием штрихов рабочую поверхность пластинки 1 полируют до требуемого качества оптической поверхности. Частоту штрихов решетки выбирают исходя из возможностей производства дифракционных решеток. Так как в отечественном производстве хорошо освоено изготовление дифракционных решеток со штрихами ступенчатого профиля с частотой штрихов 600 и 1200, то эти частоты являются предпочтительными при изготовлении рассматриваемых решеток-поляризаторов. При этом желательно, чтобы угол наклона рабочей грани 2 штриха был максимально большим, так как этим углом определяется оптимальная ориентация поляризатора относительно направления пучка поляризуемого света, соответственно с увеличением этого угла увеличивается эффективный световой размер решетки-поляризатора. Количество N металлических слоев 3,5 рассчитывают по приведенной выше формуле. Толщину металлических слоев 3,5 выбирают приблизительно равной 1/8 от самой короткой длины волны рабочего диапазона спектра, толщину слоев 4 из материала, прозрачного в рабочей области спектра, выбирают приблизительно такой же как и металлических с небольшими вариациями, связанными с известной ее зависимостью от показателя преломления материала слоя. Предельным минимальным значением толщины слоя металла является то значение, при котором коэффициент отражения слоя еще остается достаточно высоким, но при дальнейшем уменьшении которого указанный коэффициент также заметно уменьшается, т.е. слой становится прозрачным. Для алюминиевых слоев эта толщина составляет 0,7-0,1 мкм и зависит от качества слоя. Если при расчете количества слоев в результате получается дробное число, то толщину слоев уменьшают с таким расчетом, чтобы получилось целое число слоев. Количество слоев 4 из материала, прозрачного в рабочей области спектра, достаточно взять меньшим количества металлических слоев 3,5 на единицу. Нанесение покрытия производят на серийных вакуумных напылительных установках. Перед нанесением покрытия пластинку 1 с выполненными в ней штрихами ступенчатого профиля, ориентируют к испарителю под углом, равным углу наклона второй грани 6 штриха к поверхности решетки. Во избежание попадания паров металла на нерабочие грани 6 штрихов во время нанесения покрытия и затемнения их можно несколько уменьшить угол нанесения покрытия. Однако у реальных дифракционных решеток на нерабочих гранях 6 штрихов имеются навалы материала слоя, образующиеся при формировании штрихов методом пластической деформации, которые экранируют эти грани от осаждения на них металла в пропускающих частях и затемнения, в этом случае не происходит. Поэтому уменьшение угла нанесения металлического покрытия не всегда обязательно. Испарение материалов и контроль параметров слоев производится с использованием известных режимов, условий и методик для вакуумного нанесения материалов.
Устройство работает следующим образом.
Неполяризованное излучение падает на решетку-поляризатор в направлении, указанном на чертеже стрелками, и взаимодействует с ее периодической структурой. При этом часть излучения рабочего диапазона спектра с колебаниями электрического вектора, перпендикулярными направлению металлических слоев 3,5, проходит через решетку-поляризатор, а часть излучения с колебаниями электрического вектора, параллельными им, отражается от решетки. Поляризация излучения происходит за счет индуцирования сильных электрических токов, протекающих в направлении длины металлических слоев, которые создают отраженное электромагнитное поле, приблизительно равное одной из составляющих падающего излучения. Другая составляющая не может вызывать сильного электромагнитного поля ввиду малости поперечных размеров металлических слоев и почти беспрепятственно проходит через решетку-поляризатор. Оптические параметры рассматриваемой решетки-поляризатора подчиняются общим закономерностям для периодических структур. При этом в отличие от периодичности чередования штрихов для известных решеток-поляризаторов в этом случае учитывается периодичность чередования металлических слоев 3,5 на гранях штрихов, которая может быть значительно меньше первой, благодаря чему и обеспечивается расширение рабочей области в коротковолновую часть спектра.
Пример решетки-поляризатора для области спектра 1-7 мкм. Плоско-параллельная пластинка с выполненными в ней штрихами ступенчатого профиля изготовлена из фторопласта 32-Л путем копирования с решетки-матрицы, нарезанной на делительной машине в слое алюминия, нанесенного на стеклянную подложку. Решетка размером 35 25 мм² содержит 1200 штрихов на 1 мм. Штрихи имеют ступенчатый профиль, рабочая грань штриха наклонена к поверхности решетки под углом 50^o. Угол между гранями штриха равен 90^o. На рабочих гранях штрихов размещены в чередующемся порядке три слоя алюминия толщиной 0,09 мкм и два слоя из фтористого магния толщиной 0,12 мкм. Решетка-поляризатор имеет следующие оптические параметры для длины волны 1,06 мкм: поляризующая способность 95% коэффициент полного пропускания 30%