Поляризационная призма

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 602 В 5/2 И К АВТОРСК ический институт М.: Высшая шко 10 и 9.11.Оптико-электройстройства. Киев:с. 18,СЛ Ю ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Годжаев Н.М. Оптикала, 1977, с, 232-233, рис,Ванюрихйн А.И. и дрные поляризационныеТехника, 1984, с, 34-35, р Изобретение относится к оптике, преимущественно к устройствам для поляризации света, и может быть использовано в спектрофотометрических, поляризационных и интерференционно поляризационных приборах, Специфической областью применения поляризаторов, когда необходимо иметь два поляризованных пучка света в одной плоскости, является интерферометрия и различные ее приложения (неразрушающий контроль прозрачных и непрозрачных обьектов, диагностика плазмы, измерение показателя преломления среды и т,д.);Известны двулучепреломляющие поля. ризационные устройства на основе кристаллов, дающие на выходе один или два значительно разведенных по углу луча, ко- . лебания которых происходят в какой-либо плоскости, называемые поляризаторами. К таким устройствам относятся призмы Аренса, Николя, Волластона, Рошона, Сенармона, Коттона, Осипова-Кинга, Веста,Например, призма Волластона, пред. ставляющая собой два куска исландского Ц. 1755237 2(54) ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ПРИЗМА (57) Использование; получение двух поляризованных пучков света в одной плоскости, разведенных на угол 90 между собой, со степенью поляризации, близкой к 100 ф, Сущность изобретения: поляризационная призма состоит из двух призм(косоугольной и прямоугольной); изготовленных иэ одноосного двулучепреломляющего кристалла так, что оптические оси кристаллов призм параллельны входной грани и перпендикулярны нерабочим боковым гоаням, 1 ил,шпата, соединенного слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпендикулярны. Призма Волластона дает два ортогонально поляризованных пучка. Она разлагает падающий свет на две поляризо- Я ванные компоненты и обе пропускает, отклоняя в разные стороны. Общий угол разложения лучей ф зависит от угла при ф вершине клина О и слегка меняется с длиной волны. Для призмы Волластона, как и (Л для всех перечисленных двулучепреломляющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой ф 90.Известна поляризационная призма Глана-Фуко, состоящая из двух прямоугольных призм, вырезанных из кальцита таким образом, что оптические оси их параллельны входной и перпендикулярны верхней граням. При этом необыкновенный луч выходит из призмы, не меняя направления по сравнению с падающим. Необыкновенйый луч (е-луч) испытывает большие потери интенсивности при отражении от границ кристалл-заЗор(исландский шпат - воздух), так,1755237 10 20 25 30 40 что величина наибольшего главного пропускания М 1 составляет лишь около 0,50, К недостаткам призмы Глана-Фуко относятся также и то, что обыкновенный луч (о-луч) выходит из призмы под углом рф 90 к падающему, что затрудняет его испольэование без дополнительных юстировочных процедур, и то, что в том же направлениираспространяется часть е-луча, приводящаяк деполяризации выходящего пучка света,Известна поляризационная призма Фостера, которая предназначена для получения двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях,разведенных на 90, Призма Фостера йо ряду признаков (выполнение одной из составляющих ее призм, косоугольной, разведение выходящих лучей на 90 о) близка к предлагаемой двулучевой призме. Хотя она все же выполняет решение другой задачи (не совсем удачно) - получение двух линейно-поляризованных лучей во взаимно перпендйкулярных плоскостях. разведенных на угол 90 о, может быть взята в качестве прототипа.Призма Фостера обладает"рядом существенных недостатков. Она не может дать на выходе два линейно-поляризованных пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях с высокой степенью поляризации. 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-эа многократных отражений е-луча на границах кристалл воздух (клей) в зазоре между двумя сложенными призмами, Хотя второй луч выходит под углом 90 о к. падающему лучу на входную грань(и е-лучу, прошедщему 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 разными скоростями и различной амплитуды колебаний электрического вектора, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях,Целью изобретения является получение.на выхбде поляриззционной,призмы двухлинейно поляризованных в параллельных плоскостях пучков света, разведенных на угол 90 без изменения направления необыкновенного луча.Поставленная цель достигается тем, что в поляризованной призме, разводящей поляризованные пучки на угол 90 о, состоящей из двух, разделенных оптической средой с показателем преломления и слоя и вырезанных из двулучепреломляющего материала призм, вторая из которых по ходу излучения . выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотенузной грани прямоугольной призмы, выбран из условиязгсзп ) а ) агсзп слояП слоя Пслояпе По где пеи йо - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45 о, угол прямоугольной призмы, прилежащий к углу 45 первой призмы, равен а, а оптические оси Составляющих призм параллельны входной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы; параметры по и а связаны соотношениеми, = С 19 ( а - 45)На чертеже изображена предлагаемая поляризационная призма.Она состоит из косоугольной призмы 1 и прямоугольной призмы 2, сложенных гранями КМ и КМ и разьединенных прокладкой 3 с образованием зазора, заполненного СРВДОЙ 4 С ПОКазатВЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Пслоя. Вместо прокладки 3 возможна склейка призмы с выполнением условия.агсзпП слоя) а ) агсэиПслояПе По где пслоя - - показатель преломления клея.Оптические оси материала составляющих призм параллельны входной грани ДК и перпендикулярны нерабочей грани, параллельной плоскости чертежа. Поляризационная призма имеет две взаимно перпендикулярные выходные грани; грань для "обыкновенного" луча ("о"-луча) КМ и грань ММ для необыкновенного луча (е-луча). Косоугольная призма может быть выполнена четырехугольной или трехугольной (изображение штриховой линией), но для решения поставленной задачи зто не существенно. Выполнение призмы четырехугольной позволяет сэкономить дорогостоящий материал.Устройство работает следующим образом.Параллельный пучок лучей естественного света (а-луч) падает на входную грань ДК косоугольной призмы и, входя в призму, превращается в два линейно поляризованных луча, идущих в одном направлении. На грани КМ имеет место явление полного внутреннего отражения для обыкновенного1755237 5луча, так кэк для этого луча оптическая среда в зазоре является менее плотной средой,При этом часть е-луча проходит через зазорлишь слегка сместившись параллельно падающему и выходит из призмы 2. Другая 5часть е-луча при отражении от границ кристалл-зазор распространяется в направлении обыкновенного луча (о-луча). Этообъясняется следующим образом,При однократном отражении света комплексная амплитуда В отраженной волнысвязана с амплитудой с падающей волнысоотношением В = г е, э амплитуда прошедшей волны Д - соотношением Д = б еВеличины г и б - коэффициенты Френеля, 15Они зависят от поляризации света и определяются формулами Френеля для з- и рсоставляющих падающей волны (в нашемслучае о и е-лучей). Необыкновенный луч с.амплйтудой электрического вектора, отраженный в точке А в направлении распространения О-луча, испытавшего полноевнутреннее отражение в точке А, имеет туже частоту колебаний электрического вектора; плоскости колебаний 0-луча и отраженной части е-луча взаимно перпендикулярны;Кроме того, свет внутри слоя диэлектрика(зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его2 дпсгояе 30границах. Если д = в -Л в - -- разностьфаз, соответствующая двухкратному прохождению света через слой 1(т,е. от одноего границы КМ до другой КМ и обратно)то с учетом многократных отражений длкомплексной амплитуды отраженной волнможно написать.1ВО=э(19 а) залпа, (9)При использовании в качестве двулучепреломляющего материала кристалловкальцита:50 и, = (при Л - 5983 А) = 1,6584; а ==76,089 и р Бр = 31,089. При а = 5,0 мм;ВМ = 5,8 мм; КМ = 20,80 мм; Кй = 20,19 мм;ДК=17,17 мм; ДМ =2337 мм; ДВ" =14,74мм.55 Выполнение поляризациойной призмысогласно приведенным соотношениям позволило получить качественно новый технический эффект, а именно: на выходе изпризмы имеется два взаимнб перпендикуВ Г 1+Г 2 Е где - коэффициенты Френеля нэ грани КМ и КМ для е-луча, Физически выражение (+) означает, что амплитуда отраженной части е-луча может быть значительной (больше, чем 8 = г 1 е) из-за многократного отражения на границах зазора между призмами.Расположение боковой грани косоугольной призмы ВМ под углом 45 к грани КМ и выполнение условия по = с 19( а - 45 О) приводит к тому, что угол падения пучка света на нее равен углу Брюстера и в этом случае в направлении, перпендикулярном г 1 + б 1 б 1 гз е + Фй г 1 гг г- 21 д1( 1)2 3 - Згд откудападающему пучку света на входе в призму, отражается только волна, в которой электрический вектор Е колеблется перпендикулярно плоскости падения (В = О, Я 1 = 0) и нэ выходе имеем 100 поляризованную волну в плоскости поляризаций необыкновенного луча. разведенную на угол р = 90 О по отношению к необыкновенному лучу на выходе, В месте падения обйкновенногЬ"луча на грань ВМ преломленная волна (под углом 90 к отраженнойт.е, в найравлении падающего луча на входе призмы) в данном устройстве не используется.Устранение недостатков призмы Фостера, достигаемое в предлагаемом устройстве, позволяет использовать его как светоделитель с углом разведения линейнополяриэованных лучей на р=90 О, что расширяет воэможности использования поляризатора в практике поляризационных измерений, упрощает юстировочные процедуры и экономит дорогостоящие кристаллические материалы, поскольку не требуются дополнительные поляризаторы в схемах, где необходимы два пучка линейно поляризованного света,Изображение осуществляется следующим образом,Если световой диаметр падающего пучка равен э, то:(.Пека Ре Подписноетета по изобретениям и открытиям при ГКНТа, Ж, Раушская наб., 4 Б аз 2892 ВНИИП Тираж осударственного ко 113035, МоПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 лярных пучка света линейно поляризованных в параллельных плоскостях, степень поляризации пучков близка к 100 фф; устройство упрощает юстировочные процедуры и его применение уменьшает затраты на изготовление поляризаторов при создании оптических приборов и схем, где необходимы линейно поляризованные пучки света (интерферометры, спектрофотометры, поляриметры),Формула изобретения Поляризациойная призМа; разводящая поляризованные пучки на угол 90, состоящая из двух разделенных оптической средой с йокаэателем преломления о, и вырезанных из двулучепреломляющего ма териала призм, вторая из которых по ходу излучения выполнена прямоугольной, причем угол а между входной гранью первой призмы и ее гранью, прилегающей к гипотеиузной грани прямоугольной призмы, выбран из условияагсзл пс/пе а агсзп пспгде пе и ло - показатели преломления нео 5 быкновенноге и обыкновенного лучей в материале призм соответственно,угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45 О,угол прямоугольной призмы, прилежащий к10 углу 45 первой призмы, равен а, а оптические оси составляющих призм параллельнывходной и перпендикулярны боковой нерабочей граням поляризационной призмы,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью15 формирования на ".:,ыходе пучков, линейнополяризованных в параллельных плоскостях, параметры по и а связанысоотношением .ло= с 1:1 а - 45)20