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Vorrichtung zur rechtwinidigen oder annähernd rechtwinkligen Ablenkung eines polarisierten Strahlen- bündels.
Zur Ablenkung räumlicher Strahlenbündel um 90 ohne grosse Lichtverluste benutzt man in der Regel ein total reflektierendes Prisma oder einen Metallspiegel. Auch Vorrichtungen mit mehreren reflektierenden Flächen werden angewandt, wenn gleichzeitig eine seitliche Versetzung des Strahlenbündels oder eine Seitenvertauschung oder völlige Umkehrung abbildender Strahlen beabsichtigt ist. Diese Vorrichtungen erfüllen ihren Zweck ohne nachteilige Folgen von Belang nur im unpolarisierten Licht. Im polarisierten Licht dagegen entstehen mit solchen ablenkenden Vorrichtungen Störungen im Polarisationszustand des räumlichen Strahlenbündels ; es verliert seine homogene lineare Polarisation, wird elliptisch polarisiert und im Azimut der Polarisation verändert.
Die Störungen wachsen mit der Öffnung und mit dem Bildwinkel des Strahlenbündels, so dass man für Messungen und Beobachtungen weder grosse Aperturen noch ein ausgedehntes Gesichtsfeld benutzen kann. Man muss vielmehr beide ungewöhnlich klein halten und ausserdem darf man nur zwei Polarisationsazimute verwenden, entweder das parallel oder das senkrecht zur Haupteinfallsebene der reflektierenden Vorrichtung. Diese Azimute müssen ausserordentlich genau innegehalten werden.
Neuerdings sind Vorrichtungen bekannt geworden, welche diese Störungen und ihre Nachteile teilweise beseitigen. Diese Verbesserungen werden bewirkt entweder durch Kombination von Lichtbrechungen mit einer Reflexion an Metall oder durch Kombination einer totalen Reflexion mit einer Reflexion an Metall.
Hiedurch wird nicht nur eine verbesserte Homogenisierung des Polarisationszustandes in einem Felde grösserer Ausdehnung erreicht, sondern es wird auch die Einjustierung des Polarisators mit seiner Schwingungsrichtung parallel bzw. senkrecht zur Haupteinfallsebene der reflektierenden Vorrichtung weniger heikel, so dass die Elliptizitäten und die azimutalen Inhomogenitäten in der Polarisation des Feldes bei kleinen Abweichungen in der geforderten Einstellung des Polarisators in solchem Ausmasse geringer bleiben als bei den früher benutzten Einrichtungen, dass man sich wenigstens bei qualitativen Beobachtungen optisch anisotroper Stoffer vor groben Entstellungen der optischen Verhältnisse schützen kann.
Sobald man indes auch quantitative Bestimmungen ausführen will, d. h. die optischen Konstanten der anisotropen Medien messen will, muss die lineare und azimutal homogene Korrektion des Polarisationszustandes für den Fall, dass die untersuchten Medien undurchsichtig sind und im reflektierten Licht beobachtet werden (Erze, Metalle) noch viel vollkommener sein. Eine solche Einrichtung ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Vorbedingung für die angestrebte Wirkung ist die Verwendung einer ungeraden Anzahl totaler Reflexionen, bei denen die Normalen der einzelnen reflektierenden Flächen nicht unter grossen Winkeln gegeneinander geneigt sind und abwechselnd entgegengesetzte Richtungen haben. Ablenkende Vorrichtungen dieser Art sind an sich bekannt. Aber man ist sich bisher nicht bewusst gewesen, dass solche Einrichtungen zugleich die besten Vorbedingungen zur Beseitigung der in Frage stehenden Störungen abgeben. Aber durch die genannte Anordnung total reflektierender Flächen allein wird die erfindungsgemäss beabsichtigte Wirkung noch nicht erreicht. Eine solche Einrichtung kann unter Umständen noch schlechter sein als ein einfaches totalreflektierendes Prisma. Ein Beispiel ist in der Fig. 1 dargestellt.
Sofern das rechtwinkelige Prisma mit einmaliger Totalreflexion und das trapezförmige Prisma mit drei-
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tungen für diagnostische Zwecke unmöglich. Bei dem trapezförmigen Prisma liegen unter den genannten Bedingungen die Verhältnisse hinsichtlich der Fehler gegen die Linearität der Polarisation noch ungünstiger. Es ergibt sich zwar als Fehler gegen das Azimut unter sonst gleichen Verhältnissen nur 1-7 ,
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Bei Vorhandensein solcher Fehlerbeträge ist eine zuverlässige Messung der optischen Konstanten des Anschliffs unmöglich.
Die Verhältnisse liegen noch wesentlich ungünstiger, wenn der Polarisator etwas gegen die geforderte Justierung zur Haupteinfallsebene des Prismas abweicht, selbst wenn das nur wenige Zehntelgrade sind, ein Fehler, mit dem auch bei sorgfältiger Einjustierung zu rechnen ist.
Für die Verwirklichung der Erfindung ist es wesentlich, dass die relativen Brechungsindizes zwischen Einfallsmedium und Aussenmedium an den totalreflektierenden Flächen so gewählt werden, dass die aus der Reflexion an allen Flächen resultierende Phasendifferenz der parallel und senkrecht zu ihrer Einfallsebene genommenen Komponenten für alle Strahlen des Bündels ein ungerades Vielfaches von # beträgt.
Betrachtet man nur den Hauptstrahl des Bündels allein, so hat die obige Forderung unendlich viele Lösungen. Man kann sie näherungsweise'zusammenfassend in folgender Form schreiben :
Die relativen Brechungsindizes n zwischen Einfallsmedium und Aussenmedium und die Anzahl z
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Solche Lösungen liefern für ein paralleles Strahlenbündel mit demEinfallswinkel 45 an jeder Fläche im Ergebnis einen Polarisationszustand, der frei von Elliptizitäten und auch azimutal in Ordnung ist.
Auch für ein nicht paralleles Strahlenbündel führen diese Lösungen zu merklichen Verbesserungen gegen- über den früher benutzten Vorrichtungen. Es bleiben aber dennoch Restfehler bestehen, da die resultierende Phasendifferenz nach Durchschreiten der ablenkenden Vorrichtung nicht für alle Strahlen des Bündels gleich ist, sondern sich mit dem Einfallswinkel ändert. Die beste Lösung ist die, bei welcher der aus der Formel resultierende n-Wert in der Nähe des Einfallswinkels 450 einen möglichst geringen Gang der Phasendifferenz bei Veränderung des Einfallswinkels zeigt. Das tritt für diejenigen Lösungen
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das Aussenmedlum bei jeder der totalen Reflexionen auf mindestens a% genau eingehalten wird.
Den Vorteil einer solchen Einrichtung gegenüber einem gewöhnlichen totalreflektierenden Prisma zeigt das folgende Ergebnis einer Durchrechnung :
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Bezeichnet man in einem räumlichen Strahlenbündel eine Reihe zentrisch symmetrisch zum Haupt- strahl A verteilter Strahlen wie in Fig. 2 dargestellt mit B, C,...
H, J, wobei die Öffnung B, A in Luft gleich 5 ist, so sind die Fehler der Polarisation nach 90 = Ablenkung des Strahlenbündels wenn der
Polarisator mit seiner Schwingungsrichtung um 10 gegen die Haupteinfallsebene im Prisma geneigt steht, a) bei einem einfachen totalreflektierenden Prisma aus Glas vom Brechungsindex n = 1. 516
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<tb>
<tb> für <SEP> den <SEP> Strahl <SEP> : <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP> B <SEP> F
<tb> Azimutfehler <SEP> : <SEP> +0. <SEP> +0-30 -3-30 -5. <SEP> 69 -4-75 <SEP> +0-04
<tb> Elliptizität: <SEP> +0#011 <SEP> +0#012 <SEP> +0#037 <SEP> +0#048 <SEP> +0#030 <SEP> +0#005
<tb> für <SEP> den <SEP> Strahl <SEP> : <SEP> G <SEP> H <SEP> J
<tb> Azimutfehler <SEP> :
<SEP> +4. <SEP> 980 <SEP> +6. <SEP> 050 <SEP> +3. <SEP> 870
<tb> Elliptizität <SEP> :-0-013-0-026-0-013
<tb>
b) bei einem Prisma mit trapezförmigem Querschnitt und drei totalen Reflexionen in Glas vom Brechungsindex n = 1. 74
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<tb>
<tb> für <SEP> den <SEP> Strahl <SEP> : <SEP> A <SEP> B <SEP> 0 <SEP> D <SEP> E <SEP> F
<tb> Azimutfehler <SEP> : <SEP> +0#00 <SEP> -0#00 <SEP> -0#04 <SEP> -0#00 <SEP> +0#04 <SEP> -0#00
<tb> Elliptizität: <SEP> -0#001 <SEP> +0#000 <SEP> +0#000 <SEP> -0#002 <SEP> -0#000 <SEP> +0#001
<tb> für <SEP> den <SEP> Strahl <SEP> : <SEP> G <SEP> H <SEP> J
<tb> Azimutfehler <SEP> :-0-04 <SEP> +0-08 <SEP> +0-04
<tb> Elliptizität <SEP> :
<SEP> +0-000 <SEP> +0-001-0-000
<tb>
Erfahrungsgemäss werden die quantitativen Bestimmungen schon beeinträchtigt, wenn die Azimutfehler der Polarisation wenige Zehntelgrad betragen und wenn die Elliptizität das Verhältnis 1 : 1000 merklich überschreitet.