Поляризационная призма

(51)5 6 0 0 НОТ,ОПИСАНИ ЕТЕЛЬСТ АВТОРСКО еский институ М.: Высшая шк 0 и 9.11. птикоэлектро ройства. Кие 18 ико тто ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1/ 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, напримерпри использовании поляризаторов при кодировании стереоскопических пар рентгенограмм большого размера, в не- которых 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 2(54) ПОЛЯРИЗАЦИОЙНАЯ ПРИЗМА (57) Использование: полученйе двух поляри. зованных пучков света во взаимно перпендикулярных плоскостях, разведенных на угол 90 между собой со степенью поляризации близкой к 100;4, Сущность изобретения; поляризационнаяпризма 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, Н ля, Волластона, Ромона, Б Сепармона, Ко на, Осипова-Кинга, Веста,Например, призма Волластона, представляющая собой два куска исландского шпата, соединенного слоем канадского бальзама так, что их оптические оси перпен- Я 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: ОЧ вершинеклина 0 и слегка меняется с дли- Ьд ной волны, бдДля призмы Волластона, как и для всехперечисленных двулучепреломляющих поляризационных призм, характерно то, что лучи на выходе составляют угол между собой у 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 расположенных поверхностей таковы, что коэффициент наибольшего главного пропускания К 1 = 0,90. При этом необыкновенный луч, выходит из призмы, не меняя направленияпо сравнению с падающим.Призма Глана-фуко-Тейлора обладаетрядом недостатков. Второй пучок света выходит из призмы под углом р Ф 90 к падающему, что затрудняет его использованиебез дополнительных юстировочных процедур, а также то, что он не является линейнополяризованнцм, так как в направленииобыкновенного луча, испытавшего полноевнутреннее отражеййе на границе кристалл-зазор, распространяется часть е-луча,приводящая к деполяризации выходящегопучка света.Наиболее близкой к предлагаемой является поляриэационная призма Фостера-, которая предназначена для получения двухлинейно-поляризованных лучей во взаимноперпендикулярных плоскостях, разведенных на угол 90,Призма Фостера обладает рядом существенных недостатков. Она йе может датьна выходе два линейно-поляризованныхпучка 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 такназываемого "обыкновенного" луча, имеющего составляющую необыкновенного луча(е-луча), присутствующую из-за многократных отражения -луча на границах кристаллвоздух (клей) в зазоре между двумясложенными призмами. И хотя второй лучвыходит под углом 90 к падающему лучу навходную грань (и е-лучу, прошедшему зазорбеэ отражения), но он значительно деполяризован, Состояние его поляризации отвечает общему случаю упорядоченнойструктуры 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 вдвух взаимно перпендикулярных направлениях,Целью изобретения является получениена выходе поляризационной призмы двухлинейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях пучков света,разведенных на угол 90 без изменения направления необыкновенного луча.Поставленная цель достигается тем, чтов 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 условия10 пслояагсэ 1 п а ) агсзп слояПслояпепогде пе и по - показатели преломления нео-.быкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соо ветственно, угОл между 15 гранями первой йризмы, противоположныйее входной грани, равен 45 о, угол прямоугольной призмы, прилегающий к углу 45 о 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 пара метры по и а связаны соотношением по = стд( а - 45),На чертеже изображена предлагаемая поляризационная призма. Она состоит из косоугольной призмы 1 и прямоугольной призмы 2, сложенных гранями КМ и КМ и разъединенных прокладкой 3 с образованием зазора, заполненного средой 4 с показателем преломления пслоя, Вместо прокладки 3 возможна склейка призмы с выполнением условия агсэл о аагсФП слояпслоя пслоя : где Ьслоя показатель преломления клея. Оптические оси материала составляющих призм параллельнывходной грани ДК и боковой нерабочей грани, параллельной 30 35 40 плоскости чертежа, Поляризационная призма имеет две взаимно перпендикулярныевыходные грани; грань Кй для обыкновен"5 ного луча (о-луча) и грань Мй для,необыкновенного луча (е-луча). Косоугольная призмаможет быть выполнена четырехугольнойили трехугольной (изображение штриховойлинией), но для решения поставленной за 50 дачи это несущественно, Выполнение призмы четырехугольной позволяет сэкономитьдорогостоящий материал,Устройство работает следующим образом.Параллельный пучок лучей естественного света (а-луч) падает на входную грань ДКкосоугольной призмы и, входя в призму,превращается в два линейно поляризованных луча, идущих в одной направлении. НаОМ грани КМ 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 В от- . раженной волны связана с амплитудой е падающей волны соотношением В " г е, а амплитуда прошедшей волны 0 - отношением Р = б е Величины г и д - это коэффициенты Френеля, Необыкновенный луч внутри слоя диэлектрика (зазора между сложенными призмами) испытывает многократные отражения на его границах;2 Л 1 слояЕсли д = в -т - разность фаз, соответствующая двукратному прохождению света через слой, толщиной (т.е. от одной его границы до другой и обратно), то с учетом многократных отражений для кбмплексной амплитуды отраженной волны можно записать Н Г+Л+гдеВ - комплексная амплитуда отраженной волны;е- комплексная амплитуда падающей волны;г 1 и гг - 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 В, плоскость колебанйй электрического вектора которой перпендикулярна плоскости колебаний электрического вектора о-луча, а также параллельна плоскости падения на боковую грань косоугольной призмы, Расположение боковоЗ грани косоугольной призмы ВМ под углом 45 к грани КМ и выполнение условия йо = =ст 9( аО) 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 получается100 ор поляризованная волна с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации необыкновенного луча, разведенная на угол р = 90 по отношению к необыкновенному . лучу на выходе.Преломленная волна на грани ВМ (под уг 5 лом 90 к отраженной, т.е. в направлениипадающего луча на входе призмы), в данномустройстве не используется,Устранение недостатков призмы Фостера, достигаемое в предлагаемом устрой 10 стве, позволяет использовать его каксветоделитель с углом разведения линейнополяризованных лучей на р = 90 О, что расширяет возможности использованияполяризатора в практике поляризационных15 измерений, упрощает юстировочные процедуры и экономит дорогостоящие крйсталлические материалы, поскольку не требуютсядополнительные поляризаторы в схемах,где необходимы два пучка линейно поляри 20 зованного света,Изобретение осуществляется следующим образом,Если световой диаметр падающего пучка равен а, то;25а-МИ=СИ, 1(5)соз 2 а+соз азп аатоазп (а+45 о )а= рБр +45 О, (7) Рьр =агс 9(8)1ОВО=а(тц а) зМ а . (9).40 При использовании в качестве двулучепреломляющего материала кристаллы Кальцита:по = (при А = 5983 А) = 1,6584; а ==76,089 и д 7 Бр = 31,089 О, При а = 10,0 мм;45 ВМ = 11,67 мм; КМ = 41,59 мм; Кй = 40,37мм; РК = 34,35 мм; ОМ = 47,14 мм.Выполнение поляризационной призмысогласно приведенным соотношениям позволило получить качественно новый техни ческий эффект, а именно; на выходе изпризмы, 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 линейно7 1755239 Калачниковентал Корректор С.Пекарь ставитель хред М.М ват едактор аз 2892 ВНИИПИ Госу Тираж Подписноеейного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-иэда кий комбин поляризованные пучки света (интерферометры. спектрофотометрц, поляриметры).Формула изобретенияПоляризационная призма, разводящая линейно-поляризованные во взаимно пер пендикулярных плоскостях пучки на угол 9 ОО, состоящая из двух разделенных оптической средой с показателем преломления и;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 15агс 31 п пслеЙагс 81 п пспо,где пе и по - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале призм соответственно, угол между гранями первой призмы, противоположный ее входной грани, равен 45, 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 щ 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 по и а связаны соотношениемпо = сц( а - 45).