DE630359C - Vorrichtung zur rechtwinkligen oder annaehernd rechtwinkligen Ablenkung eines polarisierten Strahlenbuendels - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur rechtwinkligen oder annähernd rechtwinkligen Ablenkung - eines polarisierten Strahlenbündels . Zur Ablenkung räumlicher Strahlenbündel um go° 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 bekanntgeworden, 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. Hierdurch 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 Stoffe 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 daher im reflektierten Licht beobachtet werden (Erze, Metalle), noch viel vollkommener sein. Eine solche Einrichtung ist Gegenstand der vorliegenden Erfindurig.
• Vorbedingung für die angestrebte Wirkung ist die Verwendung einer ungraden Anzahl totaler Reflexionen, bei denen die Normalen der einzelnen reflektierenden Flächen nicht unter großen Winkeln gegeneinander geneigt sind und abwechselnd entgegengesetzte Rich= tungen haben. Ablenkende Vorrichtungp"e j dieser Art sind- an sich bekannt. Aber m#: 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 total reflektierendes Prisma. Ein Beispiel ist in der Fig. i dargestellt. Sofern das rechtwinklige Prisma mit einmaliger Totalreflexion und das trapezförmige Prisma mit dreimaliger Totalreflexion aus demselben Glas "D =1,5z6 bestehen, kommen in einem Strahlenbündel bei einem halben Bildwinkel von 4' und bei einer Apertür von i', wenn die Polarisationsebene des. Polarisators genau senkrecht zur Haupteinfallsebene im Prima liegt, Fehler gegen die geforderte homogen lineare Polarisation für das rechtwinklige Prisma im Azimut bis zu 5,8° und in der Linearität der Polarisation, durch das Verhältnis der Hauptachsen der Polarisationsellipse gemessen, bis zu vor. Solche Störungen; die an sich relativ klein erscheinen mögen, machen aber unter Umständen eine Verwertung der Beobachtungen 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 1,7D, aber als Fehler gegen die Linearität mehr als vorhin, nämlich Beide Fehlbeträge sind viel zu hoch, um den Polarisationszustand des Strahlenbündels als genügend homogen und linear. gelten 'zu lassen. 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 total reflektierenden 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 umgrades Vielfaches yon n beträgt. Betrachtet man nur den Haupt= 'iträhl des Bündels allein, so hat die obige Forderung unendlich viele Lösungen. Man kann sie näherungsweise zusammenfassend in folgender Form schreiben: Die relativen Brechungsindizes ii zwischen Einfallsmedium und Außenmedium und die Anzahl z 'der totalen Reflexionen müssen der Bedingung genügen Hierin bedeutet die Summation des nachstehenden Wurzelausdrucks über z reflektierende Flächen, wo z eine ungerade Zahl ist, ferner ist p eine beliebige Zahl aus der geraden Reihe o, z, 4, 6.... Wenn man z. B. nur solche Lösungen betrachtet, bei denen für alle z Flächen 7a denselben Wert hat, so daß sich also die reflektierenden Flächen sämtlich an demselben Glaskörper anschleifen lassen, so ergibt sich aus obiger Formel als Bedingung für n wo ist. Man erhält danach z. B. für fünf reflektierende Flächen (z = 5) einen brauchbaren Wert für den Brechungsindex nur mit p_= o, nämlich 7a = 1,495; für sieben reflektierende Flächen erhält man einen brauchbaren Wert für n nur mit p = o, nämlich n = 1,453. Solche Lösungen liefern für ein paralleles Strahlenbündel mit dem Einfallswinkel 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 gegenüber 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 n ist,, sondern sich mit -dem Einfallswinkel ändert. Die beste Lösung ist die, bei welcher der aus der Formel resultierende it-Wert 'in der Nähe des Einfallswinkels 45' einen möglichst geringen Gang der Phasendifferenz bei Veränderung des Einfallswinkels zeigt. Das tritt für diejenigen Lösungen ein, bei denen die Zahl der reflektierenden Flächen z = 6 q + 3 ist, wo q eine Zahl aus der Reihe o, i, z, 3 . . . bedeutet. Alle diese Fälle führen auf den Brechungs-:: index und für diesen ist beim Ein-,-fallswinkel 45' die Phasendifferenz ein' Maximum. Die günstigste wiederum dieser speziellen Lösungen ist die mit drei reflektierenden Flächen. Hierbei ist es gleichgültig, ob die drei reflektierenden Flächen an einen Glaskörper oder an mehreren Glaskörpern mit etwas verschiedenen Brechungsindizes angeschliffen sind, wenn nur die Bedingung n - Y-3 für den relativen Brechungsindex des Einfallsmediums gegen das Außenmedium bei jeder der totalen Reflexionen auf mindestens 5 010 genau eingehalten wird. Den Vorteil einer solchen Einrichtung gegenüber einem gewöhnlichen total reflektierenden Prisma zeigt das folgende Ergebnis einer Durchrechnung.
• Bezeichnet man in einem räumlichen Strahlenbündel eine Reihe zentrisch symmetrisch zum Hauptstrahl A verteilter Strahlen, wie in Abb. -9 dargestellt, mit B, C ... H, I, wobei die Öffnung (B, A) in Luft gleich 5 ° ist, so sind die Fehler der Polarisation nach go°-Ablenkung des Strahlenbündels, wenn der Polarisator mit seiner Schwingungsrichtung um 1° gegen die Haupteinfallsebene 'im Prisma geneigt steht, a) bei einem einfachen total reflektierenden Prisma aus Glas vom Brechungsindex 7z =1,5i6

  für den Strahl I A I B I C I D E ( F I G I H I J

  Azimutfehler -j- 0,230 -j- 0,30° -3,3o° -5,59° -475° -I- 0,049 -I- 4,980 -I- 6,050 -I- 3,870

  Elliptizität + 0,011 -f- 0,01a + 0,037 -E- 0,048 -E- 0,030 + 0,005 -0,0i3 -0,0a6 -0,0i3

  b) bei einem Prisma mit trapezförmigen Querschnitt und drei totalen Reflexionen in Glas 70 vom Brechungsindex n =1,74

  für den Strahl ( A I B I C I D E F G I H I J

  Azimutfehler + o,oo°-010o' -0,04° + 0,0o0 + 0,04° -0,000 -0,o4° -i- 0,o8° + 0,o4°

  Elliptizität - 0,001 +.0,000 + 0,000 - 0,002 - 0,000 + 0,001 + 0,000 + 0,001 - 0,000

  Erfahrungsgemäß werden die quantitativen Bestimmungen schon beeinträchtigt, wenn die Azimutfehler der Polarisation,,ivenige Zehntelgrad betragen und -wenn die Elliptizität das Verhältnis 1 : iooo merklich überschreitet.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCI'i: Aus einem oder aus mehreren durchsichtiger@ Körpern bestehende Vorrichtung zur rechtwinkligen oder annähernd rechtwinkligen Ablenkung eines polarisierten Strahlenbündels mit Hilfe von drei totalen Reflexionen, bei denen die Normalen der reflektierenden Flächen abwechselnd entgegengesetzte Richtungen haben, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer linearen und azimutal homogenen Korrektion des Polarisationszustandes im abgelenkten Licht der oder die relativen Brechungsindizes zwischen Einfallsmedium und Außenmedium an den drei total reflektierenden Flächen den Wert mehr als 5 °/o abweichen. haben oder von diesem um nicht