CS224117B1 - Interferenční polarizační hranol - Google Patents

Description

(54) *

Interferenční polarizační hranol

227 117

Vynález se týká interferenčního polarizačního hranolu s větším stupněm volnosti konstrukčních parametrů, o bázi obecného čtyřúhelníka, jehož dělicí pracovní úhlopříčka je opatřena polarizujícími interferenčními vrstvami a u kterého je respektován požadavek vzájemné kolmosti svazku dopadajícího a odraženého světla.

Jedním ze způsobů, jak získat polarizované světlo pomocí interference světla na tenkých vrstvách je odraz v tzv.

Mac Neilleově polarizačním hranoli^ jak je znázorněno na obr. l.< 224 117

227 117

Jedná se o pravoúhlý hranol, jehož přepona byla před setmelením opatřena soustavou střídavých Λ /4 vrstev o jistém vyšším indexu lomu n_H a nižším indexu lomu n^. Princip polarizatoru je založen na tom, že vrstvotvomé materiály o indexech lomu njj, n^ jsou voleny tak, aby na jejich styčném rozhraní uvnitř interferenční soustavy docházelo k Brewsterovu odrazu, kdy p-složka polarizace se neodráží. Odrazivost systému se buduje pouze z nenulových doprovodných s-oložek fresnelovského odrazu.

Podmínka pro Brewsterovský odraz na vnitřních rozhraních je n^² sin Qq²

2 ⁿH · . ⁿL ⁿH ^{+ n}L kde ng je index lomu hranolového skla a je úhel dopadu světelných paprsků na úhlopříčku u, n^, n^ jsou indexy lomu vrstvotvorných materiálů.

Z experimentálních důvodů je žádoucí, aby intenzity odraženého paprsku Jg a průchozího paprsku Jp byly realizovány v paprscích vzájemně kolmých. Z tohoto důvodu je zvolen pravoúhlý hranol se čtvercovou základnou a úhel dopadu , na úhlopříčku je roven β 45°. Pro tento případ je možno vypočítat následující tabulku, která udává, jaké indexy skel n^ jsou zapotřebí pro různé technologicky výhodné dvojice vrstvových materiálů n^, n^I

1,7	1.7	2,35	2,22	2,48	2,22	2,35	2,48
1,38	1,49	1,38	1,49	1,49	1,7	1,7	1,7
1,515	1,585	1,683	1,750	1,806	1,910	1,948	1,960

227 117

Z uvedené tabulky vyplývá, že pro technologicky ověřené dvojice typu n^/n^, běžně používané v sériově výrobě vícenásobných interferenčních vrstev, tj. 2,22/1,49, metodou reaktivní lodičkové technologie použitím Si02/Ti02_/řnebo 2,48/1,49 , v techno logii s elektronovým dělem použitím Ti02/Si02^nebo 2,35/1,38, standardním ohmickým ohřevem ppužitím ZnS/MgP2, je pro hranoly zapotřebí vysokoindexových skel z oblasti indexů lomu 1,65 - 1,75· Tato tzv· těžká skla však mají řadu nevýhod, jsou například zatížena absoa4^ hůře se opracovávají a nemají dostatečnou odolnost proti atmosférickým vlivům·

Z těchto důvodů konstrukce optických přístrojů, v nichž se používá polarizačních filtrů, požaduje realizaci těchto hranolů na bázi lehkých skel s indexem lomu v oblasti 1,5 ^1,6, Podle výše uvedené tabulky lze určit, že taková skla by byla přístupná pro indexové dvojice 1,7/1,38 nebo 1,7/1,49 při použití MgO/MgP nebo Mg0/Si02· Takové řešení však není rovněž výhodné, pokud příslušné výrobní složky nemají technologii tzv· středního indexu lomu, vyvinutou do běžného sériového použití·

Z uvedených důvodů je. třeba vyvinout takový druh polarizačního hranolu, jehož výroba by zaručovala maximální technologickou jednoduchost vrstvotvorného procesu stejně jako technologičnost hranolových skel při zachování funkčních vlastností dosud vyráběných polarizačních hranolů.

Tento úkol řeší předmět vynálezu, kterým je interferenční polarizační hranol o bázi obecného čtyřúhelníka, jehož dělicí

227 117 pracovní úhlopříčka je opatřena polarizujícími interferenčními vrstvami a u kterého je respektován požadavek vzájemné kolmosti svazku dopadajícího a odraženého světla.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že polarizující hranol je tvořen dvojicí hranolů z nízkoindexového optického skla, jejichž celkový půdorys má tvar obecného čtyřúhelníka, přičemž úhel dopadu paprsku na dělicí pracovní úhlopříčku je volným konstrukčním parametrem hranolu volitelným podle použité technologie vrstev podle vztahu:

₂ ⁿH² . ⁿL^{2 Q &} v ⁺ V a jehož výstupní stěna svírá se vstupní stěnou úhel , daný vztahem:

/3 = 90° - 26 - i, kde 6 = ~ ⁴⁵° » přičemž veličina 3. je implicitně dána vztahem:

sin i (n^j cos i - Vl - n_G ² sin² i ) = sin 2 6 Polarizační hranol může být rovněž tvořen dvěma identickými hra noly o průřezu ve tvaru pravidelných lichoběžníků, u něhož na vstupní stěnu dopadá svazek vstupních paprsků pod úhlem , a pro úhel mezi úhlopříčkou a vstupní stěnou platí vztah:

Λ - ⁴⁵° ⁺ £ + |.

kde opět £. + - 45° * a pro úhel Cc/ bočních sten platí vztah:

4/ = 180° Hlavní výhoda polarizačního hranolu podle vynálezu spočívá především v tom, že je možno použít k jeho výrobě nízkoindexových skel a při využití výhodných polaria^ících interferenčních vrstev je dosaženo při obecném tvaru půdorysu

227 117 hranolu kolmosti odraženého a propouštěného svazku paprsků.

Na výaíkresu je schematicky znázorněn polarizující hranol, kde představuje:

obr. 1 známé provedení polarizujícího hranolu^ obr. 2 teoretický příklad nové úpravy polarizujícího hranolu obr. 3 praktický příklad pro n_G = 1,52, n_L = 1,39, n_H = 2,22 Λ obr. 4 příklad symetrické stavby polarizujícího hranolu pro n_G = 1,58, n^ = 1,39, n_H = 2,22.

Na obr. 2 je uveden příklad polarizujícího hranolu, podle kterého lze demonstrovat příslušné vztahy, potřebné k vytvoření praktického provedení. Je tvořen dvěma hranoly 1 a 2 vyrobený ze dvou vhodně volených optických skel.

Jejich styčná plocha, tvořící vlastní úhlopříčku u celkovému hranolu, svírá se stěnou úhel (b- 45° - v uvedeném případě je Pak nutný úhel dopadu svazku na úhlopříčku u je Θ_β = 45° + £/, pokud dopad paprsku J v bodě A na vstupní stěnu je nadále kolmý. Pootočení úhlopříčky u vůči dopadajícímu paprsku AB o úhel & má za následek, že odra ženy paprsek BG se oproti směru, který by měl při úhlu dopadu 45° odchýlil ve směru hodinových ručiček o úhel 2 č>..

Výstupní stěna S^. je nově orientována tak, aby úhel dopadu i. paprsku BG byl orientován jak je znázorněno na obr.2, a to pro C 0, případně obráceně, kdy pro £<L0 by kolmice dopadu K byla

227 117 vpravo od paprsku BC. Pro výstupní lom světla tedy platí: n_G sin i = sin r , přičemž tento lom způsobí deviaci |r - i/směrem k vertikálnímu odrazu, Má-li výstupní paprsek J opět mířit vertikálním směrem musí platit r - i = 2 £ _z tedy sin (r - i) = sin 2 6/.

Pokud se rozepíše levá strana uvedené rovnice podle součtové věty a vyloučí-li se úhel r pomocí zákonu lomu, obdrží se implicitní rovnice pro úhel i.

ěin i (n_Q cos i - i/l - n_n_² sin² i ) = sin 2 &

tuto rovnici je možno numericky řešit s libovolnou př^ostí.

Jakmile je k danému n_G a £ určen úhel i, lze určit úhel výstupní steny 8^ vůči vstupní s—těně S-^ podle vztahu /3= 90° - 2 £ - i a tedy pro 6 0 je β

Následující tabulka shrnuje příklad výpočtu pro tři typická lehkoindexová skla o indexu lomu kolem 1,52 a 1,58 a křemene o indexu lomu kolem 1,46 v konfiguraci s technologicky výhodnými kombinacemi indexů lomu n_G, n^, n_L vrstvotvornýoh materiálů. Pro každou tuto trojici byl podle vztahu siny# vypočítán potřebný depolarizační pracovní úhel Q^resp, odpovídající hodnoty € = &_G - 45°. K těmto hodnotám £pak byly určeny úhly zkosení hranolu ·

227 117

227 117

Na obr. 3 je znázorněn příklad konkrétního provedení polarizačních hranolů u níařkoindexového skla 1,52 v úpravě pro technologii 2,22/1,49. Výstupní stěna je navíc zkosena o nevyužitou plochu u vrcholu /3 ·

Na obr. 4 je znázorněna varianta polarizujícího hranolu symetrické stavby, složeného ze dvou stejných částí 1, 2 o průřezu pravidelných lichoběžníků. U takto vytvořeného polarizujícího hranolu lze vnější úhly refrakce -áyvýstupního paprsku Jg a vnitřní úhel jy- paprsku vypočítat dle vztahu uvedeného předcházejícího příkladu nebo podle uvedené tabulky,s tím, že získané výsledky i se dělí dvěma.

Pro úhel ý⁴⁷ zrcadlící úhlopříčky u a vstupní stěny platí:

f = 45° + £ + 2 a pro úhel 0 stěny S₂ a platí:

(i? = 180* Při využití této varianty dochází k mírnému rovnoběžnému posunutí procházejícího paprsku Jp vůči vstupnímu paprsku J o hodnotu ,4 , která je závislá na velikosti úhlu r a na dílu dráhy L v hranolu. Pro velikost posuv pak platí:

Δ = L · sin £✓,

Výhodou tohoto řešení je . že obě části hranolu 1 a 2 jsou totožné, není tedy potřebné vyrábět dva různé typy hranolů.

Nově vyřešený polarizační hranol plně nahrazuje hranoly s obdobným účinkem a lze jej využít u všech přístrojů, vyžadujících takové prvky, zvláště u laserinterferometrů.

Claims (3)

1. Předmět vynálezu

   227 117

   1, Interferenční polarizační hranol o bázi obecného čtyřúhelníka, jehož dělicí pracovní úhlopříčka je opatřena polarizujícími interferenčními vrstvami a u kterého je respektován požadavek vzájmené kolmosti svazku dopadajícího a dosaženého světla, vyznačující se tím, že je tvořen dvojicí hranolů ( 1,2 ), vyrobených z libovolného, zejména nízkoindexového optického skla, jejichž celkový půdorys má tvar obecného čtyřúhelníka, přičemž úhel dopadu (®q) paprsku (J) na dělicí pracovní úhlopříčku (u) je volným konstrukčním parametrem hranolu volitelným podle použité technologie vrstev podle vztahu:

   “h^{2 n}G² · ^sin ~ n^2 ^~n£7 a jehož výstupní stěna (S^) svírá se vstupní stěnou (S-^) úhel (_;6), daný vztahem:

   /b = 90° - 2 6- i, kde 6 = % ⁴⁵°» přičemž veličina i je implicitně dána vztahem:

   sin i (n_G cós i - ία- n^² sin² i ) = sin 2 <6
2. 2, Interferenční polarizační hranol podle bodu,vyznačující se tím, že je tvořen dvěma identickými hranoly ( 1, 2 ) o průřezu ve tvaru pravidelných lichoběžníků, u něhož na vstupní stěnu (S^) dopadá svazek vstupních paprsků (J) pod úhlem -r? a pro úhel^mezi úhlopříčkou (u) a vstupní stěnou (S-p platí vztah:

   - 45° + £/ + —£

   227 117 a pro úhel bočních stěn ( S₂, sp Platí vztah:
3. 3e Interferenční polarizační hranol podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že referenční plochy jsou u vrcholu (/Neříznuty.