CS204077B1

CS204077B1 - Polarizátor

Info

Publication number: CS204077B1
Application number: CS616478A
Authority: CS
Inventors: Barta Cestmir Ing; Cestmir Barta; Leonid M Beljajev; Jaroslav Trnka
Original assignee: Cestmir Barta; Leonid M Beljajev; Jaroslav Trnka
Priority date: 1978-09-23
Filing date: 1978-09-23
Publication date: 1981-03-31
Also published as: JPS5555304A

Description

Předmětem vynálezu je polarizátor na bázi opticky auisotropního iontového monokrystalu. Přesněji řečeno, vynález se týká polarizátorů, jejichž účinnou .složkou je dvojlomný monokrystal ze skupiny zahrnující například halogenidy rlufné, islandský vápenec a dusičnan sodný. Rozsah použitelnosti a celková hodnota polarizátorů závisí na rozsahu optické propustnosti použitého monokrystalu, na charakteru a hodnotě optického dvojlomu a na hodnotě mezného úhlu a úhlu štěpení. Proto při výrobě polarizátorů je výhodné použití monokrystalů o co možná vysoké hodnotě optického dvojlomu, to jest rozdílu mezi indexem lomu paprsku řádného n„ a paprsku mimořádného n_e, přičemž dále jsou zvláště výhodné: positivní charakter dvojlomu, co nejmenší mezný úhel totální reflexe a co největší úhel štěpení paprsku rádného a paprsku mimořádného.

Při zkoumání, zda určité dvojlomné krystaly jsou vhodné pro výrobu polarizátorů, se z výše uvedených důvodů prověřuje zejména rozsah spektrální oblasti optické propustnosti, velikost a charakter optického dvojlomu, mezný úhel totálního odrazu a úhel štěpení řádného a mimořádného paprsku. Přitom oblast optické propustnosti má být pokud možno široká a má zasahovat co nejdále do infračervené oblasti spektra.

Dosud užívané typy polarizátorů, jejichž účinnou součástí jsou dvojlomné monokrystaly, byly až clo současné doby vytvářeny převážně ve fo>rmě volných nebo trvale spojených a nejméně dvoudílných optických soustav. Tak například je znám Nicolův hranol, sestávající z dvojlomnébo monokrystalu islandského vápence (uhličitanu vápenatého — kalcitu] nebo křemene, rozdělený uhlopříčným řezem a slepený kanadským balsámem; dále je znám Glan-Thompsonův hranol, vyrobený například z dusičnanu sodného. Je také znám dvojnikol, vytvořený z Nicolova hranolu svislým podélným řezem, šikmým zbroušením takto vzniklých ploch a spojením obou polovin. Konečně je znám Lippichův polarizátor, sestávající ze dvou částí z kalcitového hranolu a pomocného polohranolu a celá řada dalších konstrukcí, které se od sebe liší krystalografickou orientací. Index lomu mimořádného paprsku n_eje do značné míry závislý na krystalografické orientaci, kdežto index lomu řádného paprsku n₀ je isotropní, z čehož vyplývá nevýhodná závislost polarizátorů konstruovaných z islandského vápence a dusičnanu sodného na dané Struktuře použitého monokrystalu. V následující tabulce I jsou uvede204077 ny hlavní fyzikální veličiny používaných mo- uvedené monokrystaly jsou velmi vhodné nokrystalů islandského vápence (kalcituj a pro práce v ultrafialové oblasti spektra, dusičnanu sodného, z kterých je zřejmé, že

TABULKA I:

Fysikální vlastnosti některých dvojlomných monokrystalů

Vlastnost: Druh monokrystalu:

íslandský dusičnan rtuíné sloučeniny

	vápenec	sodný	chlorid	bromid	jodid
oblast optické propustnosti	0,23—2,3	0,28—3,5	0,38—20	0,42—30	0,53—46
v mikrometrech
optický dvojlom pro 0,589 mikrometrů	0,172	0,251	0,681	0,894	1,640
charakter optického dvojlomu	negativní	negativní	positivní	positivní	positivní
mezný úhel totální reflexe pro
0,589 mikrometrů
paprsek řádný	37,1°	39,1°	30,5°	27,9°	23,9°
paprsek mimořádný	42,3°	48,5°	22,1°	19,3°	14,1°
štěpný úhel pro 0,589 mikrometrů	6,26°	9,82°	16,75°	19,63°	28,04°

Ve světové technice se ukázalo jako potřebné, aby byl vyřešen nový druh polarizátorů, který se bude hodit také pro práce v infračervené oblasti, přičemž v podstatě bude mít vlastnosti podobné polarizátorům z monokrystalů islandského vápence (kalcituj a dusičnanu sodného. V čs. pat. čís. 147 476 (1968) a v brit. pat. č. 1310 432 (1970) je popsána výroba halogenidů rtuťných v uzavřené soustavě vyhovující podmínkám pro výrobu polarizátorů, kompensátorů a jiných optických zařízení založených na využití dvojlomu, vysokého indexu lomu a vysoké optické disperse. Je také znám hranolový polarizátor z chloridu rtuťného, sestávající ze dvou dílů spojených přilnutím vyleštěných ploch anebo stmeleným vhodným pojivém.

Zmíněné monokrystaly halogenidů rtuťných mají výhodu v příznivě vysoké optické hustotě. Jejich mezné úhly vykazují mimořádně nízké hodnoty tak, že tloušťka polarizátorů běžně známých druhů může být neobvykle nízká, jak je zřejmé z tab. II.

TABULKA II:

Dvoudílný polarizační Thompsonův hranol z halogenidů rtuťných

Chemické složení Pracovní oblast monokrystalu: v mikrometrech:

chlorid rtuťný 0,38 až 20 bromid rtuťný 0,42 až 30 jodid rtuťný 0,53 až 45

Polarizátory na bázi monokrystalů halogenidů rtuťných mají proti dosud známým polarizátorům výhodu ve své menší tloušťce, avšak vzhledem k vysokým hodnotám indexu lomů nedostatkem je jejich menší zorný úhel a poměrně velké ztráty reflexí.

Poměr délky a šířky polarizátorů:

bez imerse imerse n=l,54 imerse n=l,487

0,4888 0,933 0,839

0,445 0,781 0,754

0,384 0,649 0,625

K zlepšení tohoto stavu může se sice použít imerze, čímž se sice zorný úhel zvětší a sníží ztráty reflexí, to si však vyžádá přibližně dvojnásobné prodloužení polarizátoru, přičemž ztráty reflexí zůstávají ještě poměrně vysoké, jak je zřejmé z tab. III.

TABULKA III:

Ztráta světla o vlnové délce 0,6328 mikrometrů při kolmém dopadu na polarizátor typu Glan-Thom psonova % světla proniklého monokrystalem

Druh polarizátoru: chlorid rtuťný bromid rtuťný jodid rtuťný bez imerse 39,3 imerse n = 1,487 64,8

Poměrně vysoké ztráty způsobené reflexí jsou společným znakem všech dosud známých dvoudílných polarizátorů, tedy i na bázi kalcitu a dusičnanu sodného. Nevýhodou dvoudílných polarizátorů je také jejich technicky náročná a poměrně nákladná výroba. Výhodou polarizátorů z monokrystalů halogenidů rtuťných je kromě jejich propustnosti daleko do infračervené oblasti spektra i skutečnost, že jsou opticky positivní a tedy méně náročné na jakost použitých krystalů než například opticky negativní isíandský vápenec (kalcit) a dusičnan sodný. (Viz tab. I.)

Uvedené nevýhody jsou úplně odstraněny anebo alespoň ho značné míry zlepšeny až tímto vynálezem, jehož předmětem je polarizátor na bázi opticky anisotropního iontového krystalu, jako jsou halogenid rtuťný, například kalomel, dále isíandský vápenec a dusičnan sodný. Podstatou vynálezu je provedení polarizátorů, jehož účinnou složkou

je monolytický krystal o tvaru daném obecnými rovnicemi:
CE = AB + BC . tg£2	+ 10 % — 5 %	(1)
— ^AB	+ 10	%
BC — tg£l	— 5	%	(2)
p ~ are tg	n_e n₀	30 %	(3)

kde znamená:

AB — průmět vstupní plochy monokrystalu,

CE — průmět celkové výstupní plochy monokrystalu rovný součtu průmětu výstupní plochy CD řádného paprsku n„ a průmětu výstupní plochy DĚ mimořádného paprsku n_c,

BC — délku monokrystalu, _ει — úhel sevřený plochami o průmětu

BC a BD, ea — úhel sevřený plochami o průmětu AE a AD, p — úhel sevřený hlavní krystalografickou osou C a podélnou osou monokrystalu.

Při tom šikmé bočná stěna monokrystalu znázorněná průmětem AĚ může být směrem ke spodin výstupní ploše znázorněné průmětem DE seříznuta rovinou s plochou bočné stěny o úhel 90° + 15 °/o, nebo monofcrys32,7 23,6

58,0 43,1 tal může být seříznut rovnoběžně s podélnou osou, přičemž celková šířka polarizátoru znázorněná průmětem výstupní plochy CG je dána obecnou rovnicí:

CG = AB + 0,5 BC . tg _ε2 ±5 % (4)

Ke vstupní nebo výstupní ploše polarízátoru, popřípadě k oběma může být pomocí imerze připojena destička ze skla a/nebo monokrystalu, opatřená antireflekční vrstvou. Při tom zmíněná destička má být nepropustná pro elektromagnetické záření, a to v případě monokrystalu chloridu rtuťnatého ve spektrální oblasti pod 0,38 mikrometrů, v případě bromidu rtuťného. ve spektrální oblasti pod 0,42 mikrometrů, v přípajodidu rtuťného na spektrální oblasti pod 0,53 mikrometrů a naopak má být propustná ve viditelné a infračervené oblasti spektra.

Vynález je založen na poznatku, že monolitické krystaly na bázi například halogenidů jednomocné rtutě, islandského vápence (kalcitu] a dusičnanu sodného jsou mnohem vhodnější nežli dvoudílné monokrystaly rozdělené úhlopříčným řezem a potom stmelené nebo slepené, přičemž v celém rozmezí propustnosti mají výhodné parametry.

Při prozkoumání údajů z tab. I je zřejmé, že k pracím v ultrafialové oblasti spektra se nejlépe hodí polarizátory z monokrystalů islandského vápence (kalcitu) a dusičnanu sodného, avšak pro práce v infračervené oblasti jsou nejvhodnější polarizátory z monokrystalů halogenidů jednomocné rtutě. Převažující výhodou polarizátoru podle vynálezu je použití jeho účinné složky ve tvaru monolitického monokrystalu, neboř výroba je mnohem jednodušší, nežli je tomu u dosavadních polarizátorů na bázi monokrystalů dělených příčným řezem a potom spojených. Mimoto u monolitických polarizátorů ztráty způsobené reflexí jsou mnohem nižší, nežli jaké se projevují u známých dvoudílných polarizátorů. Za účelem dalšího snížení ztrát reflexí monolitický polarizátor se může na vstupní a/nebo výstupní ploše opatřit antireflexní vrstvou nanesenou buď přímo na plochu monolitického monokrystalu, nebo na destičku ze skla a/nebo z monokrystalu s vhodnou absorpční charakteristikou, která se k uvedeným plochám monolitického monokrystalu připojí. Výhody takového opatření pro případ, kdy monokyrstaly jsou halogenidy rtuťné, jsou zřejmé z údajů uvedených v tab.IV.

TABULKA IV

Ztráta světla reflexí u monolitického monokrystalu na bázi halogenidu rtuťného

Druh polarizátoru: % propuštěného světla o vlnové délce

0,6328 mikrometrů chlorid rtuťný bromid rtuťný jodid rtuťný monolitický polarizátor bez antireflexní úpravy monolitický polarizátor opatřený na vstupní i výstupní ploše skleněnou destičkou s antireflexní vrstvou

80.1 75,9 64,8

96.1 93,6 88,9

Zkoumají-li se procentuální ztráty svazku paprsku, které dopadají na vstupní plochu polarizátoru na bázi Glan-Thompsonova hranolu z halogenidu rtuťnatého, zjistí se tyto skutečnosti:

a— dvoudílný polarizátor z monokrystalu halogenidu rtuťného se vzduchovou mezerou: ztráty reflexí jsou u monokrystalu chloridu rtuťného 61 °/o, u bromidu rtuťného 67 procent a u jodidu rtuťného 76 %, počítáno na celkové množství dopadajícího světla;

b — dvoudílný polarizátor z monokrystalu halogenidu rtuťného s imerzí o n = 1,487; ztráty reflexí jsou u monokrystalu chloridu rtuťného 35 °/o, u bromidu rtuťného 42 % a u jodidu rtuťného 57 %, počítáno na celkové množství dopadajícího světla;

c — monolitický polarizátor z monokrystalu halogenidu rtuťného podle tohoto vynálezu bez antireflexní vrstvy: ztráty reflexí jsou u monokrystalu chloridu rtuťného 20 %, u bromidu rtuťného 24 % a u jodidu rtuťného 35 %, počítáno na celkové množství dopadajícího světla;

d — monolitický polarizátor z monokrystalu halogenidu rtuťného podle tohoto vynálezu, kde ke vstupní a výstupní ploše pomocí imerze o n = 1,487 jsou připojeny skleněné destičky opatřené antireflexní vrstvou: ztráty reflexí jsou u monokrystalu chloridu rtuťného 4 °/o, u bromidu rtuťného 6 % a u jodidu rtuťného 11 %, počítáno na celkové množství dopadajícího světla.

Na připojeném výkrese jsou znázorněny dva příklady provedení polarizátoru na bázi opticky anisotropního monolitického monokrystalu chloridu rtuťného (kalomelu), kde na obr. 1 je znázorněn průřez monolitickým polarizátorem, kde úsečka AB označuje průmět vstupní plochy světelného svazku, úsečka CD představuje průmět výstupní plochy řádného paprsku n,, úsečka DE značí průmět výstupní plochy mimořádného paprsku n_e a úsečka FG znamená průmět zúžení polarizátoru pro práci s jedním paprskem. Plocha znázorněná v průmětu úsečkou DG může být popřípadě opatřena černým povlakem a stejným způsobem mohou být upraveny i plochy znázorněné_v průmětu úsečkami GF, AF a BC. Úsečka DH znázorňuje průmět možného seříznutí polarizátoru na plochu, na níž kolmo dopadá mimořádný paprsek n_e a kterou je monokrystal chloridu rtuťného seříznut v případě, že je třeba, aby eventuální vnitřní depolarizace odraženého mimořádného paprsku s indexem loipu n_e byla snížena.

Úsečka D) znázorňuje průmět seříznutí polarizátoru na plochu, z níž mimořádný paprsek n_e vystupuje bez ztrát pod tak zvaným Brewsterovým úhlem, εΐ představuje úhel sevřený plochami o průmětu BC a BD, £2 je úhel sevřený plochami o průmětu AE a AD. Úhel p znamená úhel krystalografické orientace polarizačního hranolu, to jest úhel sevřený podélnou osou hranolu či normálou na jeho vstupní plochu a směrem krystalografické osy C monolitického monokrystalu, z kterého je polarizační hranol vyroben. Výhody tohoto řešení jsou zřejmé z následujících příkladů provedení, které objasňují podstatu vynálezu, aniž by ho jakýmkoliv způsobem omezovaly.

Příklad 1

Monolitický polarizátor se vyrobí z monokrystalu chloridu rtuťného podle obr. 1 ve tvaru, jehož průmět je vymezen značkami A B C E, přičemž úhel ει je roven 14°, úhel £2 je 21°, vzdálenost AB je rovna 10 mm, vzdálenost BC je 39 mm a úhel p se rovná 54°.

Příklad 2

Monolitický polarizátor se vyrobí z monokrystalu bromidu rtuťného podle obr. 1 ve tvaru, jehož průmět je vymezen značkami A B C Ď H, přičemž úhel εΐ je 16°, úhel sa je rovný 22°, vzdálenost bodů AB je 15 mm, BC je 52,5 mm a úhel p se rovná 55°.

Příklad 3

Monolitický polarizátor se vyrobí z monolitického monokrystalu jodidu rtuťného podle obr. 1 ve tvaru, jehož průmět je vymezen značkami ABCDJ, přičemž úhel si je 20°, úhel sa se rovná 27°,_vzdálenost AB je rovna 10 mm, vzdálenost BC činí 28 mima úhel p se rovná 58°.

Příklad 4

Monolitický polarizátor se vyrobí z monokrystalu chloridu rtuťného podle obr. 1 o tvaru, jehož průmět je vymezen značkami ABCE a který se seřízne rovnoběžně s podélnou osou řezem FG při celkové šířce polarizátoru 17,5 mm.

Příklad 5

Monolitický polarizátor se vyrobí z monokrystalu uhličitanu vápenatého (kalcitu) podle obr. 1 o tvaru, jehož průmět je vymezen značkami ABCDH a který má úhel εΐ rovný 5,5°, úhel ε₂ rovný 10,7^e, vzdálenost AB rovnou 10 mm, vzdálenost BC rovnou 98,8 mm a úhel p rovný —41°.

Příklad 6

Monolitický polarizátor se vyrobí z monokrystalu dusičnanu sodného podle obr. 1 o tvaru, jehož průmět je vymezen značkami ABCE a který má úhel εΐ rovný 9,6°, úhel ε₂rovný 10,9°, vzdálenost AB rovnou 10 mm, vzdálenost BC rovnou 59,1 mm a úhel p rovný —40°.

Příklad 7

Monolitický polarizátor podle obr. 2 se vyrobí z monokrystalu chloridu rtuťného shodným způsobem jako je uvedeno v příkladu 1, avšak s tím rozdílem, že se ke vstupní ploše o průmětu AB monokrystalu 1 na bázi imerze připojí skleněná destička 2 opatřená antireflexní_vrstvou 5 a k výstupní ploše o průmětu CE monokrystalu 1 se pomocí imerze připojí skleněná destička 3 opatřená antireflexní vrstvou 4.

Claims

pRedmEt vynalezu

1. Polarizátor na bázi opticky anisotropního iontového krystalu, jako jsou halogenid rtuťný, například ikalomel, islandský vápenec a dusičnan sodný, vyznačený tím, že účinnou složkou polarizátoru je monolitický krystal charakterizovaný obecnými rovnicemi:

BC tg εΐ p = are tg

tg€2 — 5 % (1) + 10 — 5 % % (2) n_e ± 30 % í ‘11 n„ P J

kde znamená:

AB — průmět vstupní plochy monokrystalu^

CE — průmět celkové výstupní plochy monokrystalu rovný součtu průmětu výstupní plochy CD řádného paprsku n„ a průmětu výstupní polohy DE mimořádného paprsku n„,

BC — délku monokrystalu, _εΐ — úhel sevřený plochami

BG a BD,

ε.3 — úhel sevřený plochami o průmětu AE a AD, p — úhel sevřený hlavní krystalografickou osou C a podélnou osou monokrystalu.

2. Polarizátor podle bodu 1, vyznačený tím, že šikmá bočná stěna monokrystalu znázorněná průmětem AE je směrem ke spodní výstupní ploše nznázorněná průmětem DE seříznuta rovinou svírající s plochou bočné stěny úhel 90 ± 15 %.

3. Polarizátor podle bodu 1, vyznačený tím, že monokrystal je seříznut rovnoběžně s podélnou osou, přičemž celková šířka polarizátoru znázorněná průmětem výstupní plochy CG je dána obecnou rovnicí:

CG = AB 4- 0,5 BC . tg ε₂ ± 5 % .

4. Polarizátor podle bodu 1, vyznačený tím, že ke vstupní ploše o průmětu AB a/nebo k výstupní ploše o průmětu CG nebo CE monokrystalu (1) je pomocí imerze připojena destička (2, 3) ze skla a/nebo monokrystalu, opatřená antireflexní vrstvou (4, 5).

2 listy výkresů