Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 2 9) ( 1 ц 5 О 02 В 5 04 ЬО )л )ИЯ П ВТО МУ СВИДЕТЕЛЬС ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗОБРЕ(54) ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения на грань полного внутреннего отражения (ПВО). Цель изобретения - повышение светопропускания р-компоненты, расширение номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения. Элемент выполнен в виде прямой призмы, имеющей в основаИзобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), предназначенным для спектроскопических исследований.Известны элементы НПВО, предназначенные для получения спектров НПВО при различных углах падения света на грань полного внутреннего отражения (ПВО), что позволяет применять их для исследования сильнопоглощающих образцов и для определения оптических постоянных без необходимости в воспроизведении контакта нии равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями ПВО, проходящими через ее основания, причем нижняя граница светового отверстия, соответствующего одному из двух заданных углов падения излучения на меньшую грань ПВО, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью ПВО, а нижняя граница светового отверстия, соответствующего второму заданному углу падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия, длина призмы вдоль большей и вдоль меньшей граней ПВО, а также высота основания призмы определяется из соотношения, приведенного в тексте описания, Размер светового отверстия а 1, отсчитываемый, как и размер а 2, в направлении, перпендикулярном граням ПВО, определяется из соотношения приведенного в тексте описания. 2 ил. ом и элементом. Такие элеменляют собой равнобедренную риэму, входные грани которойтак, что нормали к этим граьны осевому лучу падающего , обеспечивая таким образом ы при нескольких значениях на грань НПВО,ние данного призменного элетребует наличия перестраивах зеркал, что не позволяет новременное измерение при лах падения и усложняет кинесхему устройства (приставки между объектты представодинарную исошлифованьням параллелна них пучкаработу призмугла паденияПрименемента НПВОемых плоскипроводить одразличных угматическую5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 НПВО), в которой установлен элемент НПВО, Указанные недостатки устранены в призме с переменным углом падения на грань ПВО, в которой вместо сошлифованных под различными углами входных граней введена дополнительная грань ПВО.Известен призменный элемент, являющийся наиболее близким к предлагаемому. Он представляет собой симметричную призму, нижняя грань которой является гранью полного внутреннего отражения, угол наклона входной грани к нижней грани ПВО равен углу падения 0 осевого луча на нижнюю грань ПВО и образована верхняя грань ПВО, параллельная нижней грани П ВО, длина призмы вдоль этих граней ра в-. на 1 вах/вп = (т 9 /3+ст 9 ) (" + 1 )эп2 О)аг, а высота призмы равна Ьх = (1 +21 )аг, где 1 вх - длина нижней грани;0 - угол падения на верхнюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием а 1;1 пь - длина верхней грани;ф = 180 - ЗО - угол падения на верхнюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием призмы а 2;Ч - параметр призмы, удовлетворяющий соотношению 1Ч ст 9 О.Использование поляризованного света позволяет с помощью уравнений Френеля, связывающих экспериментально измеренные значения коэффициента отражения поляризованного света с оптическими постоянными исследуемой среды, определять значения последних и повышать степень контраста спектра.,Наибольшее усиление контраста достигается при использовании р-поляризованного света.Ввиду нормального падения пучков на входную грань прототипа часть светового потока отражается от его входной грани, не попадая в призму, причем величина этих потерь не зависит от поляризации падающего на призму света и растет с ростом значений показателя преломления призмы по.С другой стороны, характер спектра НПВО исследуемого объекта с показателем преломления и определяется разностью углов падения О - О, где 0 = агс эп п .и - критический угол падения, зависящий от значения п. Как видно из выражений для угла ф = 180 - ЗОюп и для независимого параметра Ч = ст 9 Ошах = 1, значения угла2лежат в диапазоне 30О45, которыйне зависит от показателя преломления призмы и не позволяет таким образом изменять ширину этого диапазона или смещать его. Кроме того, данный диапазон не позволяет использовать известное соотношение между коэффициентами отражения параллельно и перпенрикулярно поляризованного света Яо = Вз, выполняющиеся при О = 45 и позволяющее определять качество контакта элемента НПВО с изотропным объектом или степень изотропности последнего, Так как пригодность оптического материала для изготовления из него элемента НПВО определяется, как спектральным диапазоном пропускания, ограничивающим область, где. возможно получение спектров НПВО, химической активностью, которая может возрастать приконтакте с химически активными объектами и физическим состоянием (твердым или жидким), которое может определить возможность получения контакта с объектом исследования (например, если он имеет не- плоскую форму) и технологичность изготовления элемента НПВО,С этой точки зрения около половины из известных оптических материалов, используемых для изготовления элементов НПВО, включая все жидкие среды и уникальный по своим характеристикам лейкосапфир А 20 з, обладающий сочетанием исключительной твердости, позволяющей очищать рабочую грань НПВО от загрязнений без ее повреждения металлическим напильником и широкого спектрального диапазона пропускания от дальней ультрафиолетовой до ближней ИК-области, не позволяют поддерживать у прототипа необходимую для записи спектра величину разности О - Ос.Цель изобретения - повышение светопропускания Р-компоненты, расширение номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения,Указанная цель достигается тем, что в известном оптическом элементе НПВО с изменяемым углом падения излучения, выполненном в виде прямой призмы, имеющей в основании равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями ПВО, проходящими через ее основания, причем нижняя граница световогоотверстия аг, соответствующего одному издвух заданных углов ф падения излучения на.меньшую грань ПВО, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью ПВО, а нижняя граница светового отверстия а, соответствующего второму заданномууглу О падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия а 2, длина призмы вдоль большей 1 аах и вдоль меньшей Ъ граней ПВО определяется из соотношенийф = 180 - (О + 2 В ); где о - 1 1/ -2 8 поагсзп х=агс анью и боль где 0 - угол междушей гранью ПВО;по - показательла призмы;Ч - параметрщий соотношению хо О пии измы, удовлетворяю Ч с 9 Ос ношений учок под м пропуся, достирюстера, показатедения на значенияего опедложенныифик зависи О и от пока т входную верхнюю ней грани 1 п,ах/1 юп =. (тц р + стц О) (1+ )аг2 высота основания призмы стах из соотношения а размер светового отверстия а 1, отсчитываемый, как и размер а 2, в направлении, перпендикулярном граням полного внутреннего отражения, из соотношения сов и С 030 д 1 щп,созагсяп ( и;" сов 0)преломления материаВыполнение указанных соотпозволяет направлять падающий иуглом к входной грани, при котороскание Р-компоненты увеличиваетгая 100 о при падении под углом БФункциональная зависимость отля преломления призмы угла пагрань ПВО позволяет влиять напоследнего путем подбора подходящтического материала,На фиг. 1 изображен прэлемент НПВО; на фиг. 2 - грамости угла падения на грань ПВзателя преломления призмы по.Оптический элемент содержигрань 1, нижнюю грань 2 ПВО,грань 3 ПВО, параллельную ниж2, и выходную грань 4,Оптический элемент работает следующим образом. 5 10 15 20 25 0 5 0 5 Падающий на входную грань 1 параллельно грани 2 осевой луч пучка а преломляется ею и, отразившись от нижней грани ПВО 2 под углом О, направляется к верхней грани ПВО 3, расположенной параллельно нижней. После отражения от верхней грани ПВО 3 под углом 0 он вновь направляется к нижней грани 1 и, отразившись от нее, выходит, преломившись через выходную грань 4, оставаясь на одной прямой с падающим на призму лучом а, Осевой луч пучка Ь, параллельный осевому лучу пучка а, после отражения от нижней . грани ПВО 2 направляется вновь к выходной грани 1, на которой испытывает ПВО, после чего падает на верхнюю грань ПВО 3 под углом Р ) и. Отразившись от верхней грани ПВО 3, осевой луч пучка Ь испытывает ПВО от выходной грани 4 и после отражения от нижней грани П ВО 3 покидает элемент через выходную грань 4, преломившись на ней таким образом, что, выйдя из призмы, он также лежит на одной прямой с падающим на призму осевым лучом пучка Ь,На фиг. 2 кривые (е) и ф изображают зависимости от показателя преломления призмы значений углов падения ограничивающих диапазон углов О для предлагаемой призмы, прямые (- - -) указывают границы диапазона углов О для прототипа, кривая (+) соответствует зависимости от показателя преломления призмы по значений 0 -1= 90 - агссд по+ агсяп (по зпоагсщ по), при которых пропускание предлагаемой призмы составляет 100 о в параллельно поляризованном свете, кривая Д обозначает зависимость от показателя преломления критического угла падения Ос = агсзп по для случая отражения от грани ПВО, находящейся в контакте с воздухом. Из графика следует, что диапазон допустимых значений О для предлагаемой призмы не пересекается кривой Ос, располагаясь выше ее, что подтверждает возможность использования всех оптических материалов для изготовления таких элементов НПВО, В тоже время, для прототипа положение интервала допустимых значений углов О позволяет использовать материалы с по2.Изгиб кривых Оп 1 ах и Опа суменьшением по позволяет смещать весь диапазон допустимых значений углов О вдоль оси ординат, расширяя тем самым его.Пересечение области, ограниченной кривыми (а) и ф), кривой (+) подтверждает возможность построения оптических элементов предложенной конструкции, в которых за счет использования наклона входной грани под углом Брюстера к падающей на него Р-компоненте удается значительно увеличить пропускание.Выполнение приведенных выше соотношений для угловых и линейных величин оптического элемента с изменяемым углом падения излучения позволяет повысить пропускание р-компоненты при О = 500, по = 2,4 в 1,4 раза, расширить диапазон углов падения в 1,8 раза, за счет изменения по от 1,5 до 4,0, использовать для изготовления призмы, позволяющей проводить одновременные измерения при двух углах, все известные оптические материалы, применяемые для изготовления элементов НПВО, Кроме того, это позволяет предельно упростить оптическую схему и конструкцию приставки НПВО, повысить качество поляризации света, используя призму как дополнительный поляризатор.Формула изобретения Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, имеющей в основании равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями полного внутреннего отражения, проходящими через ее основания, причем нижняя граница светового отверстия а 2, соответствующего одному из двух заданных углов ф падения излучения на меньшую грань полного внутреннего отражения, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью полного внутреннего отражения, а нижняя граница светового отверстия а 1, соответствующего второму заданному углу О падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстияа 2,отл ичающийсятем,что,с цельюповышения светопропускания Р-компоненты, расширения номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения, длина призмы вдоль боль шейщах и вдоль меньшей 1 пп граней полного внутреннего отражения определяется из соотношения 10 высота основания призмы Ъх - из соотношения 15 2 1 ах=(1+1 )а 2,а размер светового отверстия а 1, отсчитываемый, как и размер а 2 в направлении, пер пендикулярном граням полноговнутреннего отражения, - из соотношения а 1 25 гдер = 180 - (О+ 2 0); по па +80 О= агсщсоз О- угой гранью и большейннего отражения;- показатель преломления ма л между гранью пол 1 парамет отношени1727093 г ЮЫ Составитель А,ЯковлеРедактор Г.Мозжечкова Техред М.Моргентал орректор М.Шар СССР ственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1 Пр Заказ 1277 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при113035, Москва. Ж, Раущская наб 4/5