Поляризатор света (его варианты)

Поляризатор света (его варианты)

Реферат

 

Использование: в поляризационно-оптических системах, в частности в модуляторах лазерного излучения. Сущность изобретения: поляризатор состоит из двух призм-клиньев, выполненных из одноосного кристалла, оптическая ось которого ориентирована параллельно в первом и перпендикулярно во втором к их главному сечению, и соединенных навстречу их вершинами без воздушного зазора в двойную призму, причем используются клинья с разными, но небольшими углами, при которых основной поляризационный луч преломляется на выходной грани второго клина под углом, близким или равным углу Брюстера. Угол первого клина выполнен произвольным в определенных пределах, а угол второго связан определенным соотношением с углом первого. Поляризатор света может быть снабжен дополнительной плоскопараллельной пластинкой, установленной перед его наклонной входной гранью с наклоном в противоположную сторону под соответствующим углом Брюстера и имеющей толщину, необходимую для компенсации параллельного смешения указанных лучей. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптическим элементам поляризационно-оптических систем и приборов, а именно к поляризаторам света.

Аналогом является поляризационная призма Волластона, преобразующая падающий неполяризованный луч в два выходящих ортогонально поляризованных луча, отклоненные в разные стороны от направления падающего луча [1] Прототипом является клиновой поляризатор, состоящий из двух тонких призм-клиньев [2] Недостатком аналога являются заметные световые потери на отражение от его входной, выходной и наклонных промежуточных граней, и появление в оптической системе паразитных отраженных лучей-бликов.

Недостатком прототипа являются световые потери на промежуточных гранях клиньев с воздушным зазором между ними, обусловленные заметно большим углом падения на них поляризованного луча по сравнению с соответствующим углом Брюстера (см. Кизель В.А. Отражение света, 1973, М. Наука, с. 39, рис. 8а).

Общим недостатком аналога и прототипа, а также других известных поляризаторов, состоящих из двух призм-клиньев, является вредное влияние на линейную поляризацию преломленного на выходной грани первой призмы-клина основного луча при его прохождении через вторую призму-клин из-за локальных изменений ориентировки оптической оси кристалла в ее объеме из-за внутренних напряжений на снижение степени его линейной поляризации на выходе из поляризатора.

Целью изобретения является достижение наиболее высокой степени поляризации; существенное снижение световых потерь на отражение; обеспечение при этом параллельности или соосности входящего и выходящего пучков лучей; расширение диапазона светопропускания в ИК-области спектра и повышение лучевой стойкости.

Достижение высокой степени поляризации достигается за счет углового разделения обыкновенного и необыкновенного лучей не на промежуточной, а на выходной грани второй призмы-клина.

Существенное снижение световых потерь на отражение и отчасти на поглощение достигается за счет использования клиньев с разными, но небольшими углами ₁ и ₂, при которых основной поляризованный луч преломляется на выходной грани второго клина под углом, близким или равным углу Брюстера, а также за счет оптического контакта или склейки клиньев.

Обеспечение параллельности входящего и выходящего пучков лучей достигается при определенном соотношении между произвольным в установленных пределах углом ₁ первого клина и зависящим от него углом ₂ второго клина. Соосность указанных пучков достигается с помощью дополнительной компенсационной плоскопараллельной пластинки, установленной перед поляризатором с наклоном в другую сторону к его оси под соответствующим углом Брюстера при необходимой для этого ее толщине.

Расширение диапазона светопропускания поляризатора в ИК-область спектра до 20 мкм и повышение лучевой его стойкости до 600 Вт/см²достигается за счет его выполнения из кристалла галогенида ртути, например, каломели Нg₂Сl₂.

На фиг. 1 показан клиновой поляризатор, выполненный из кристалла исландского шпата с двумя выходящими из него ортогонально поляризованными лучами с показателями преломления n_о, n_е где I первый входной клин; II второй выходной клин; 1 входная грань первого клина; 2 выходная грань I клина и входная грань II клина, посаженные на оптический контакт или склеенные; 3 выходная грань II клина; Z₁ оптическая ось кристалла в I клине, ориентированная под углами _е и _е+ ₁ к его граням 1 и 2 в главном его сечении; Z₂ оптическая ось кристалла во II клине, ориентированная перпендикулярно главному его сечению; о+е некогерентные ортогональные компоненты неполяризованного луча, падающего на грань 1 под углом Брюстера i₁=90^o- _e=arctgn_e; _e дополнительный угол Брюстера для необыкновенного луча е в I клине; о' и e' преломленные на грани 1 обыкновенный и необыкновенный лучи, которые после преломления на грани 2 во II клине распространяются как необыкновенный о'->>e'' и обыкновенный е'->>о'', которые, в свою очередь, после преломления на грани 3 обозначены как первоначальные ортогональные компоненты падающего неполяризованного луча о+е: o''->>e, e''->>o. При этом луч ео+е, а луч о отклоняется от него в сторону на угол i₃'; ₁ произвольный угол I клина; ₂ угол II клина, зависящий от угла ₁.

= ₁- ₂ угол двойного клина I+II -------------- плоскость, параллельная плоскости I; i_ко, i_ке и i_ко'; i_ке' углы падения и преломления на гранях k=1, 2, 3, промежуточные значения на фиг. 1 не обозначены.

На фиг. 2 клиновой поляризатор из кристалла исландского шпата только с одним основным выходящим из него линейно поляризованным лучом е, так как паразитный луч е'' испытывает полное внутреннее отражение на грани 3 и поглощается на зачерненной боковой грани клиньев I и II. Обозначения на фиг. 2 те же самые, что и на фиг. 1.

На фиг. 3 кривые, выражающие зависимость углов ₂, , i_зо->>e'', i'_зе->>o'', i'_{зо->> e''}, i'₃ i _{зo->> e''} i_зе->>o'' и коэффициентов отражения основного луча от грани 2 R₂, от грани 3 R₃ и суммарного R₂+R₃ от произвольного угла ₁ клина I; i_зе->>о'' угол падения обыкновенного луча o'' на выходную грань 3; i_зо->>е'' угол падения необыкновенного луча е'' на выходную грань 3; i'_зе->>о'' и i'_зо->>е'' соответствующие им углы преломления; ₁= 11,1^о угол клина I, при котором достигается нулевой минимум кривой R₃(₁) при i'_зе->>о''=i_об; ₁15^о угол клина I, при котором достигается практически нулевой минимум кривой R₂ (₁), ₁12^о угол клина I, при котором достигается минимум кривой [R₂(₁)+R₃(₁)]_min 0,01% _1max 60^о верхний предел допустимых значений произвольного угла ₁ клина I, при которых выходящий луч е параллелен падающему о+е; _1max'17^о промежуточный верхний предел допустимых значений произвольного угла ₁ клина I, при которых i_{30_ e e}= arcsin т.е. паразитный луч е'' испытывает полное внутреннее отражение на выходной грани 3 клина II.

Кривые рассчитаны для кристалла исландского шпата при =0,643 мкм, n_o= 1,65504; n_е=1,4849.

На фиг. 4 клиновой поляризатор с одним выходящим основным линейно поляризованным лучом о, параллельным падающему о+е, выполненный из кристалла каломели Нg₂Cl₂ с n_o=1,962<n<SUB>e>=2,621>=0,643 мкм. Обозначения аналогичны принятым на фиг. 2, в отличие от которых оптическая ось кристалла Z₁ в клине I ориентирована перпендикулярно его главному сечению, а Z₂ в II клине параллельно и под углами _e= arctg и _е+ ₂ к его граням 3 и 2 соответственно. В случае склейки клиньев канадским бальзамом или другим оптическим клеем с n1,5 луч е' в клине I испытывает полное внутреннее отражение на его обеих гранях (пунктир) и поглощается на боковой его зачерненной грани. В случае же посадки клиньев на оптический контакт этот необыкновенный луч е' после преломления на грани 2 становится обыкновенным о'' и, испытав полное внутреннее отражение на выходной грани 3, поглощается на боковой зачерненной грани клиньев. Основной линейно поляризованный луч о проходит в клине I как обыкновенный о', а в клине II, как необыкновенный е'' и, преломляясь под соответствующими углами Брюстера _о и _е на входной 1 и выходной 3 гранях поляризатора, не испытывает потерь на отражение. В случае оптического контакта граней 2 клиньев световые потери на отражение на этой грани 2 не превышают 0,4% На фиг. 5 соосный поляризатор, где 1 поляризующий элемент двойной кристаллический клин; 2 компенсационная пластинка, обеспечивающая соосность падающего неполяризованного луча о+е и прошедшего основного поляризованного луча е.

Из нижеследующего расчета хода ортогонально поляризованных лучей о и е через клинья I и II с произвольными углами ₁ и ₂ при использовании обозначений параметров на фиг. 1, можно установить зависимости углов их падения и преломления при заданных показателях преломления кристалла n_o>n_e исландского шпата. Используя эти зависимости, можно будет определить характерные пределы изменения произвольного угла ₁ для соответствующих модификаций предложенного клинового поляризатора.

Неполяризованный луч о+е падает на входную грань 1 под углом Брюстера для необыкновенного луча е' в первом клине.

i_eБ= i₁= 90-_e= arctgn_e, _e= arctg (1) Лучи о' и e' преломляются на грани 1 под разными углами i _e= arctg, i arcsin (2) и падают на грань 2 под углами: i_2e= i+₁= _e+₁, i₂₀= i + ₁= arcsin sin+₁ (3) После преломления на 2 грани обыкновенный луч о' становится необыкновеннымф e'', и наоборот необыкновенный луч е' становится обыкновенным о''. При этом углы их преломления на грани 2 определяются согласно закону их преломления: n_esin_2e= n₀sini ₀; n_osini₂₀= n_esini_{20 e} (4) C учетом предыдущих формул углы преломления можно выразить следующим образом: i ₀ arcsinsin+ (5) i _e arcsinsinarcsinsin+ Углы падения этих лучей с учетом равенства =₁-₂ i_{3e 0} i ₀ -₂= arcsinsin(_e+₁)-₁+ i_{30 e} i _e -₂= arcsinsinarcsinsin+ -₁+ (6) Наконец, углы преломления этих лучей на выходной грани 3: i= arcsin(n_osin_{3e o} )i _e arcsin(n_esini_{30 e} ) (7) и угол расхождения преломленных лучей i i _e -i (8) При заданных показателях преломления кристалла n_o и n_e углы (7) и (8) являются функциями двух независимых переменных: углов ₁ и ₂ или углов 1 и .

Для достижения одной из поставленных целей изобретения, а именно, для обеспечения параллельности падающего о+е и прошедшего основного луча е необходимым и достаточным для этого условием является следующее из фиг. 1 соотношение уравнение с одним неизвестным при произвольном ₁ i_зе'(₁, )-i₁= (9) Из решения этого уравнения в развернутом виде n₀sinarcsinsin(_e+₁)-₁+ sin(i₁+) (10) определяется угол как функция произвольного угла ₁ arctg- (11) где arcsinsin(_e+₁) При ₁= 0 sin i₁ и 0 и таким образом определяется нижний предел значений _1min=0 (12) Верхний предел произвольных значений угла ₁ можно определить из условия, чтобы основной линейно поляризованный луч ео'' падал на грань 3 клина II под углом меньше предельного i_{3e 0 0}= arcsin (13) и, преломляясь под углом меньше 90^о, i_зе' 90^о (14) С учетом (1) и (9) условие (14) преобразуется в следующее: _e.

С учетом (6) и (14) условие (13) преобразуется в следующее уравнение с одним неизвестным: sin i_{2e 0} sin(_e+₁) sin[₀-_e)+₁] из решения которого определяется соответствующий верхний предел произвольных значений угла ₁: tg_1max (15) Решить вопрос о возможности существования таких модификаций предложенного поляризатора (фиг. 1), через которые проходил бы только один основной поляризованный луч е, а паразитный луч ое'' испытывал бы на выходной грани 3 полное внутреннее отражение, можно из рассмотрения соответствующих условий: i_{30 e e}= arcsin; sin i 1 (16) из которых можно определить соответствующий промежуточный верхний предел ₁'_max изменения произвольного угла ₁ следующим образом с учетом (6), (5), (3): i_{30 e} i_{20 e} -₁- _e (17) Отсюда определяется угол как функция _{1 e} +₁-arcsinsinarcsinsin+ (18) C другой стороны, если общую зависимость (11) приравнять к (18), то получим уравнение с одним неизвестным углом tg+₁-arcsinsinarcsinsin+ (19) Из решения этого сложного уравнения находится ₁'_max численным методом последовательных приближений, так как аналитическое его решение не представляется возможным. При использовании (15) и (19) были вычислены верхний предел _imax 60^о и промежуточный предел ₁'_max17^опри n_o=1,65504, n_е= 1,4849, =0,643 мкм.

Следовательно, при ₁'_max< ₁< _1max из соответствующих модификаций предложенного поляризатора будет выходить только один основной поляризованный луч е, а паразитный о'' будет испытывать полное внутреннее отражение на его выходной грани 3. Пример выполнения одной из таких модификаций представлен на фиг. 2 при ₁=20^о; ₂=14,5^о; =5,5^о.

При 0< ₁< ₁'_max из соответствующих модификаций предложенного поляризатора помимо основного поляризованного луча е будет выходить из него и паразитный луч о, отклоненный от основного на угол i₃' (фиг. 1).

Одна из последних модификаций в указанных пределах представляет особый интерес, так как на выходной грани 3 соответствующего поляризатора основной поляризованный луч ео'' преломляется под соответствующим углом Брюстера i ₀ i_0Б= 90-₀= arctgn₀; i_{3e 0 0}= arctg (20) т.е. не испытывает потерь на отражение, как и на входной грани 1. Соответствующие углы i'_зе->>o'' и i_зе->>о'' можно определить из решения уравнений (20) с учетом (1), (5) и (6) i ₀ i_1eБ+ i (21) sin i_{2e 0} sin(_e+₁) sin[(_e-)+₁] В результате решения находим: =arctg n_o-arctg n_{e 1}= arctg (22) Для такой модификации поляризатора по формулам (2), (22) вычислены его параметры: ₁=11,1^о; ₂=8,26^о; =2,82^о.

На фиг. 1 изображен такой поляризатор, где i_зе'=i_oб=arctg n_o.

Общей характеристикой всей совокупности возможных модификаций предложенного поляризатора, определяемой произвольным выбором угла ₁клина I в вышеуказанных пределах, является система кривых, представленная на фиг. 3, выражающих зависимости от угла ₁ углов ₂, , i_зо->>е'', i_зе->>о'', i'_зе->>o'', i₃ и коэффициентов отражения от промежуточной 2 грани R₂, от выходной грани 3 грани R₃ и суммарного R₂+R₃, где отмечены также предельные значения угла ₁: _imax, ₁'_max, экстремальные его значения, соответствующие минимумам кривых R₂, R₃ и R₂+R₃. Пунктирные горизонтали соответствуют предельным углам падения _о- луча о''; _е луча e'' на выходную грань 3 и углу Брюстера i_об для луча о''.

Из рассмотрения фиг. 3 можно сделать следующие выводы: 1) Для модификаций поляризатора с двумя выходящими из него лучами (фиг. 1) в пределах изменения угла 5^о₁17^о угол двойного клина увеличивается в пределах 1^о5^о, угол отклонения паразитного луча о от основного е изменяется в пределах 3,5^о< i₃'<29<SUP>о>,>2+R₃0,1% минимум суммарных световых потерь не превышает (R₂+R₃)_min0,01^о при угле ₁ 12^о.

2) Для модификаций поляризатора только с одним выходящим основным поляризованным лучом е (фиг. 2) в пределах изменения угла 17^о₁30^оcуммарные световые потери возрастают в соответствующих пределах 0,1%R₂+R₃2% и соответственно возрастает угол двойного клина 5^о9,5^о.

В соответствии с назначением и конкретными требованиями к предложенному поляризатору можно выбрать подходящую его модификацию, т.е. угол ₁ клина I, руководствуясь системой кривых, представленных на фиг. 3. По вышеприведенным формулам можно затем рассчитать углы ₂, , i'₃ и ход лучей в поляризаторе.

Необходимо отметить чрезвычайно важное положительное качество предложенного поляризаторами, связанное с практической возможностью получения с его помощью уникально высокой степени поляризации основного поляризованного луча е на его выходе по сравнению со всеми известными поляризаторами, состоящими из двух призм-клиньев, в которых первая из них является поляризующим элементом, а вторая предназначена лишь для обеспечения параллельности или соосности выходящего поляризованного пучка лучей с входящим неполяризованным пучком лучей. Дело в том, что выходящий из первой призмы даже идеально линейно поляризованный луч при прохождении через вторую призму может на выходе из нее снизить степень своей линейной поляризации из-за оптической неоднородности в объеме кристалла, вызванной внутренними напряжениями, блочностью, при которых могут иметь место локальные вариации направлений главных осей оптической индекатрисы кристалла.

В предложенном же поляризаторе разделение обыкновенного и необыкновенного лучей происходит не на внутренней грани 2, а на выходной его грани 3. Поэтому из-за указанной оптической неоднородности кристалла в объемах клиньев основной поляризованный луч вблизи выходной грани клина II может приобрести паразитную ортогональную компоненту, т. е. стать эллиптически поляризованным, но соответствующий этой компоненте паразитный луч с другим показателем преломления n_е'' после преломления на этой грани отклонится в сторону от преломленного основного линейно поляризованного луча с показателем преломления n_о'' на угол, и поэтому степень поляризации последнего, в принципе, должна быть полной, т.е. 100%-ной.

Следовательно, с помощью предложенного поляризатора, можно достичь наиболее высокой степени поляризации света по сравнению с другими поляризаторами с двумя призмами-клиньями при всех прочих равных условиях.

Параллельное смещение выходящего из предложенного поляризатора линейно поляризованного луча е относительно входящего неполяризованного луча о+е (фиг. 1) препятствует его использованию в качестве вращаемого вокруг оси поляризационно-оптической системы, что является его недостатком.

Для устранения этого его недостатка предлагается дополнить его плоскопараллельной пластинкой, установленной непременно перед ним, т.е. на входе неполяризованного луча с наклоном в противоположную сторону к его оси падающему лучу под соответствующим углом Брюстера и выполненной с толщиной, необходимой для компенсации параллельного смещения указанных лучей, величина которого зависит от выбранных средних толщин клиньев. Расчет этой величины, угла наклона и толщины пластинки элементарен, и поэтому он не приводится (см. Справочник конструктора О-М приборов. Л. 1980, с. 187).

Все вышеприведенные расчетные формулы относятся к случаю выполнения предложенного поляризатора из отрицательного одноосного кристалла с n_о>n_е, например, исландского шпата. Однако изобретение не ограничивается этим частным случаем, а распространяется и на альтернативный случай выполнения его также из положительного одноосного кристалла с n_о<n<SUB>e>,>2Cl₂, обладающего уникально большим двупреломлением n= n_e-n_o0,7, лучевой стойкостью 600 Вт/см² и светопропусканием в видимой и ИК-области спектра до 20 мкм. Предложенный вариант поляризатора в этом случае отличается от предыдущего тем, что в первом клине 1 (фиг. 4) оптическая ось кристалла Z₁ ориентирована перпендикулярно его главному сечению, а во втором клине II параллельно. При этом входная 1 и выходная 2 грани клина I установлены под углами _о=arctg( 1/n_o) и _o-₁ к оси поляризатора, совпадающей с осевым лучом падающего неполяризованного пучка лучей, а входная 2 и входная 3 грани клина II ориентированы под углами arcsinsin(₀+₁) _e+₂ и -₂=₂ к оптической оси кристалла соответственно, а пределы произвольного угла ₁ и углы ₂, , i'₃ выполнены с указанными для предыдущего случая расчетными формулами и соотношениями, но при перемене в них местами nn_o и их функций _{0 e}, _{0 e}.

В качестве примера выполнения предложенного варианта поляризатора из кристалла с n_o<n<SUB>e>>2Cl₂, обладающий тем свойством, что из него выходит только один основной поляризованный луч о, а паразитный е->>о'' испытывает полное внутреннее отражение от грани 2 при склейке клиньев канадским бальзамом или от выходной грани 3 при посадке клиньев на оптический контакт, а также поэтому обладающий малыми световыми потерями на отражение только от промежуточной грани 2, так как входной о+е и выходной е лучи преломляются на гранях 1 и 3 под соответствующими углами Брюстера i₁=arctg n_o; i_зо'=arctg n_e.

Практическое использование предложенного поляризатора в прецизионных поляризационно-оптических измерительных системах и приборах, как например, поляриметрах, эллипсометрах, дихрографах и других, открывает возможность существенного повышения чувствительности и точности в соответствующих измерениях из-за большой его поляризующей способности степени поляризации и отсутствия отраженных в обратном направлении вдоль оси оптической системы паразитных лучей-бликов.

Формула изобретения

1. Поляризатор света, состоящий из двух призм-клиньев, соединенных навстречу их вершинами в двойную призму и выполненных из отрицательного одноосного кристалла ос n_о > n_е, оптическая ось которого ориентирована параллельно в первом и перпендикулярно во втором к их главному сечению, входная и выходная грани первого клина ориентированы под углами к оптической оси кристалла, где n_о, n_е показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, ₁ угол первого клина, отличающийся тем, что клинья соединены без воздушного зазора, первй клин выполнен с углом ₁ в пределах 0 < ₁< _{1 max}= arctg а угол второго клина выполнен в соответствии с соотношением ₂= ₁-arctg где предельный угол падения обыкновенного луча на выходную грань второго клина.

2. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что угол ₁ первого клина выполнен в пределах где удовлетворяет уравнению