Патент на изобретение №2334959

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ СВЕТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в устройствах для преобразования поляризации света. Способ управления поляризацией света в оптической системе, содержащей источник света, поляризатор с плоскостью пропускания, лежащей в вертикальном сечении поляризатора, кристаллическую пластинку, плоскость главного сечения которой образует угол 0°<<90° с плоскостью пропускания поляризатора, анализатор с плоскостью пропускания, лежащей в горизонтальном сечении анализатора, заключается в получении поляризованного монохроматического света путем прохождения монохроматического светового потока через оптическую систему, преобразовании поляризации с заданными параметрами эллиптичности путем задания параметров эллипса по азимутальному углу и поворота плоскости главного сечения кристаллической пластинки на заданный азимутальный угол относительно горизонтального сечения кристаллической пластинки и в контроле полученных параметров заданной эллиптичности путем пропускания немонохроматического светового потока видимого диапазона, разложения его в спектр и получения интерференционной картины в виде сплошного спектра, пересеченного периодическими темными полосами, с последующей установкой плоскости пропускания анализатора под углом (90°±) к плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки и поворотом кристаллической пластинки до получения интерференционной картины в виде сплошного спектра, по которому делают вывод о получении заданного азимутального угла , которому соответствует заданная эллиптичность поляризации светового потока. Технический результат – повышение точности получения заданной эллиптичности поляризации и однозначное определение направления оптической оси кристаллической пластинки в оптической системе по азимутальному углу .

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в устройствах для преобразования поляризации света.

Известные способы управления поляризацией света для преобразования одного вида поляризации в другой, например линейной в эллиптическую или круговую, основаны на изменении интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей при прохождении через кристаллическую пластинку.

По изменению интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей оценивают эллиптичность поляризации :

где а и b – малая и большая полуоси эллипса соответственно, I_min и I_max – минимальная и максимальная интенсивности света соответственно, Е_o и Е_e – напряженности электрического поля для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

Изменение интенсивности при прохождении через кристаллическую пластинку осуществляют:

либо изменением разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, в соответствии с соотношением

где х, y – горизонтальная и вертикальная оси соответственно,

либо изменением угла между большой полуосью эллипса b и горизонтальной осью (азимутального угла ), в соответствии с соотношением

где Е – вектор напряженности электрического поля светового потока, падающего на кристаллическую пластинку.

Изменение разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами и азимутального угла позволяют с высокой точностью преобразовывать линейную поляризацию в эллиптическую или круговую и обратно.

Однако проблемой остается точное получение эллиптической поляризации с заданными параметрами.

Известен способ управления поляризацией света, основанный на изменении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, приводящий к преобразованию линейной поляризации в эллиптическую поляризацию [1].

Способ управления поляризацией монохроматического света заключается в получении поляризованного монохроматического светового потока, в преобразовании полученной поляризации в поляризацию с заданной эллиптичностью и в контроле полученной заданной эллиптичности.

Управление поляризацией света осуществляют в оптической системе, которая содержит источник света, компенсатор Бабине, анализатор и экран. Компенсатор Бабине представляет собой пару кварцевых клиньев, образующих вместе плоскопараллельную пластинку. Оптические оси в кварцевых клиньях ориентированы ортогонально и перпендикулярно оси оптической системы.

Для получения поляризованного света монохроматический световой поток пропускают через оптическую систему.

Для преобразования линейной поляризации в эллиптическую вначале задают величину эллиптичности , где а и b – малая и большая полуоси эллипса соответственно. Эта величина соответствует заданной разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Определяют разность пройденных световым лучом расстояний в кварцевых клиньях (l₁-l₂), соответствующей заданной разности фаз по соотношению

где – длина световой волны, n_о и n_е – главные показатели преломления кристалла, l₁ и l₂ – расстояния, пройденные световым лучом в первом и втором клиньях.

Затем компенсатор Бабине перемещают перпендикулярно монохроматическому световому потоку в направлении изменения толщины кварцевого клина до достижения (l₁-l₂). При этом на выходе из компенсатора Бабине получают заданную эллиптическую поляризацию, соответствующую заданной разности фаз .

Для проверки полученной заданной эллиптичности вращают анализатор. По отношению минимальной интенсивности I_min и максимальной интенсивностей света I_max прошедшего через анализатор оценивают заданную эллиптичность монохроматического светового потока . Если отношение заданных полуосей эллипса совпадает с отношением минимальной и максимальной интенсивностей светового потока, прошедшего через анализатор , то делают вывод о получении заданной эллиптичности.

Достоинством способа является получение всех видов поляризации монохроматического светового потока, в том числе с заданной эллиптичностью по разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Это обусловлено возможностью изменения разности пройденных монохроматическим световым лучом расстояний в кварцевых клиньях (l₁-l₂), что приводит к изменению разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, и, как следствие, к заданной эллиптичности .

Недостатком способа является высокая погрешность при получении поляризации с заданными параметрами. Это обусловлено зависимостью разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами для заданной эллиптичности от разности пройденных световым лучом расстояний в кварцевых клиньях (l₁-l₂). Точную разность пройденных монохроматическим световым лучом расстояний в кварцевых клиньях (l₁-l₂) достаточно трудно обеспечить. Малейшее смещение компенсатора перпендикулярно монохроматическому световому потоку дает отклонение от заданной величины пройденных расстояний монохроматическим световым лучом в кварцевых клиньях (l₁-l₂) и соответственно от заданной разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами и, как следствие, к отклонению от заданной эллиптичности поляризации.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков, технической сущности и достигаемому результату является способ управления поляризации светового потока, основанный на изменении азимутального угла [2].

Способ управления поляризацией монохроматического света заключается в получении поляризованного монохроматического светового потока, в преобразовании полученной поляризации в поляризацию с заданной эллиптичностью и в контроле полученной заданной эллиптичности.

Управление поляризацией света осуществляют в оптической системе, которая содержит источник света, поляризатор с плоскостью пропускания, лежащей в вертикальном сечении поляризатора, плоскопараллельную кристаллическую пластинку с плоскостью главного сечения, образующей некоторый угол 0°<<90° с плоскостью пропускания поляризатора, анализатор с плоскостью пропускания, лежащей в горизонтальном сечении анализатора и экран. Пластинка вырезана из одноосного анизотропного кристалла параллельно его оптической оси, то есть так, что оптическая ось кристалла параллельна входной грани кристаллической пластинки, на которую падает световой поток.

Для получения поляризованного света монохроматический световой поток пропускают через оптическую систему.

Для преобразования эллиптической поляризации вначале задают величину эллиптичности , где а и b – малая и большая полуоси эллипса соответственно. Затем кристаллическую пластинку поворачивают в плоскости, перпендикулярной световому потоку на угол, равный азимутальному углу , относительно горизонтального сечения кристаллической пластинки. В результате получают заданную эллиптичность поляризации , при этом на экране наблюдают интенсивность света в соответствии с заданной величиной азимутального угла , малой и большой полуосей эллипса а и b.

Для проверки полученной заданной эллиптичности вращают анализатор. По отношению минимальной интенсивности монохроматического светового потока I_min и максимальной интенсивностей светового потока I_min, прошедшего через анализатор, оценивают заданную эллиптичность светового потока . Если заданное отношение полуосей эллипса совпадает с отношением минимальной и максимальной интенсивностей монохроматического светового потока, прошедшим через анализатор , то делают вывод о получении заданной эллиптичности.

Достоинством способа является получение всех видов поляризации монохроматического светового потока, в том числе и с заданной эллиптичностью по азимутальному углу . Это обусловлено поворотом кристаллической пластинки вокруг оси пучка на азимутальный угол относительно горизонтального сечения пластинки. При этом проекции вектора Е обыкновенного и необыкновенного лучей монохроматического светового потока изменяются, что приводит к изменению интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей и величины полуосей эллипса а и b, а значит и получению заданной эллиптичности.

Недостатком способа является высокая погрешность при получении поляризации с заданными параметрами. Это обусловлено технологическими трудностями при изготовлении кристаллических пластинок. В идеальной кристаллической пластинке оптическая ось параллельна боковой грани пластинки. При изготовлении кристаллической пластинки достаточно сложно обеспечить параллельность оптической оси и боковой грани кристаллической пластинки, поэтому между оптической осью и боковой гранью кристаллической пластинки существует некоторый угол. Наличие такого угла приводит к погрешности точной ориентации оптической оси в оптической системе, так как в ней кристаллическая пластинка ориентирована по боковым граням. Это в свою очередь приводит к отклонению от заданного азимутального угла и заданной эллиптичности .

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления поляризации монохроматического светового потока, позволяющего повысить точность получения заданной эллиптичности поляризации и однозначно определить направление оптической оси кристаллической пластинки в оптической системе по азимутальному углу за счет исключения погрешности приближенной ориентации оптической оси кристаллической пластинки в оптической системе.

Для решения поставленной задачи в способе управления поляризации света в оптической системе, содержащей источник света, поляризатор с плоскостью пропускания, лежащей в вертикальном сечении поляризатора, кристаллическую пластинку, плоскость главного сечения которой образует некоторый угол 0°<<90° с плоскостью пропускания поляризатора, анализатор с плоскостью пропускания, лежащей в горизонтальном сечении анализатора, заключающемся в получении поляризованного монохроматического света путем прохождения монохроматического светового потока через оптическую систему, в преобразовании поляризации с заданными параметрами эллиптичности путем задания параметров эллипса по азимутальному углу и поворота плоскости главного сечения кристаллической пластинки на заданный азимутальный угол относительно горизонтального сечения кристаллической пластинки и в контроле полученных параметров заданной эллиптичности , для контроля полученных параметров заданной эллиптичности через оптическую систему пропускают немонохроматический световой поток видимого диапазона, прошедший через оптическую систему немонохроматический световой поток разлагают в спектр и получают интерференционную картину в виде сплошного спектра, пересеченного периодическими темными полосами, затем устанавливают плоскость пропускания анализатора под углом (90°±) к плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки и поворачивают кристаллическую пластинку до получения интерференционной картины в виде сплошного спектра, по которой делают вывод о получении заданного азимутального угла , которому соответствует заданная эллиптичность поляризации светового потока.

Существенные признаки «для контроля полученных параметров заданной эллиптичности через оптическую систему пропускают немонохроматический световой поток видимого диапазона, разлагают его в спектр и получают интерференционную картину в виде сплошного спектра, пересеченного периодическими темными полосами, затем устанавливают плоскость пропускания анализатора под углом (90°±) к плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки, поворачивают кристаллическую пластинку до получения интерференционной картины в виде сплошного спектра, по которой делают вывод о получении заданного азимутального угла , которому соответствует заданная эллиптичность поляризации светового потока», отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Наличие существенных отличительных признаков в совокупности с остальными существенными признаками заявляемого способа приводит к повышению точности получения заданной эллиптичности по азимутальному углу и однозначному определению направления оптической оси кристаллической пластинки в оптической системе. Это обусловлено следующим. Установка анализатора под углом (90°±) к горизонтальному сечению анализатора и кристаллической пластинки так, что угол между ее оптической осью и плоскостью пропускания анализатора составляет 90°, приводит к поглощению обыкновенного луча анализатором. Вследствие этого исключается возможность интерференции. Отсутствие интерференции в свою очередь обеспечивает исчезновение периодических темных полос из сплошного спектра при разложении светового потока видимого диапазона. Исчезновение периодических темных полос свидетельствует о точном получении заданного азимутального угла , определяющего заданную эллиптичность поляризации. При этом заданная эллиптичность поляризации обеспечивается вне зависимости от ориентации оптической оси кристаллической пластинки по отношению к боковым граням пластинки. Исчезновение периодических темных полос также свидетельствует об однозначном определении направления оптической оси кристаллической пластинки в оптической системе.

Причинно-следственная связь «существенные отличительные признаки – технический результат» в заявляемом решении явным образом не вытекает из известного уровня знаний, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявляемый способ управления поляризацией света основан на изменении азимутального угла эллипса поляризации .

Управление поляризацией света осуществляется в оптической системе, которая содержит последовательно установленные по оси системы источник монохроматического света, поляризатор, плоскопараллельную кристаллическую пластинку, анализатор и экран.

Поляризатор имеет плоскость пропускания, лежащую в вертикальной плоскости сечения поляризатора. Плоскопараллельная кристаллическая пластинка вырезана из одноосного анизотропного кристалла параллельно его оптической оси, то есть оптическая ось кристалла лежит в плоскости входной грани кристаллической пластинки. Анализатор имеет плоскость пропускания, лежащую в горизонтальном сечении анализатора.

Способ управления поляризацией монохроматического света заключается в получении поляризованного монохроматического светового потока, в преобразовании полученной поляризации в поляризацию с заданной эллиптичностью и в контроле полученной заданной эллиптичности.

Монохроматический световой поток направляют вдоль оси оптической системы. Поляризатор пропускает монохроматический световой поток с колебаниями вектора напряженности электрического поля Е светового потока в вертикальном сечении поляризатора. При этом на выходе из поляризатора формируется монохроматический световой поток с линейной поляризацией.

Для преобразования линейной поляризации в эллиптическую поляризацию с заданными параметрами вначале задают величину эллиптичности , которой соответствует определенный азимутальный угол между плоскостью главного сечения кристаллической пластинки и плоскостью горизонтального сечения кристаллической пластинки, определяемый согласно выражению (3) соотношением: . Затем кристаллическую пластинку поворачивают в плоскости, перпендикулярной световому потоку, на азимутальный угол по отношению к горизонтальному сечению пластинки. Оптическая ось пластинки также поворачивается на азимутальный угол по отношению к горизонтальному сечению пластинки.

При этом на выходе из кристаллической пластинки поляризованный монохроматический световой поток имеет либо точно заданные параметры эллиптичности, либо приближенно к заданным параметрам.

Для контроля полученной заданной эллиптичности света через оптическую систему пропускают немонохроматический световой поток видимого диапазона, разлагают его в спектр, например с помощью спектрального аппарата. При этом на экране получают интерференционную картину в виде сплошного спектра с периодическими темными полосами. Сплошной спектр является следствием отклонения каждого луча с соответствующей длиной волны видимого диапазона в спектральном аппарате на свой угол.

Периодические темные полосы обусловлены интерференцией обыкновенного и необыкновенного лучей некоторых длин волн видимого диапазона на выходе кристаллической пластинки. В кристаллической пластинке каждый луч светового потока видимого диапазона разбивается на необыкновенный с напряженностью Е_е в плоскости главного сечения кристаллической пластинки и обыкновенный с напряженностью Е_о в плоскости ортогональной плоскости главного сечения кристаллической пластинки. На выходе из кристаллической пластинки разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами соответствует соотношению

где – длина световой волны, n_о и n_е – главные показатели преломления кристаллической пластинки, d – толщина кристаллической пластинки.

Далее вектора электрической напряженности светового потока видимого диапазона обыкновенного Е_о и необыкновенного Е_е лучей для каждой длины волны проецируются на плоскость пропускания анализатора и интерферируют в нем. В результате на выходе из анализатора получается периодическое изменение интенсивности света для каждой длины волны светового потока видимого диапазона в соответствие с соотношением

где I₀ – интенсивность света, падающая на кристаллическую пластинку, – угол между плоскостью пропускания поляризатора и плоскостью главного сечения кристаллической пластинки, – угол между плоскостью пропускания анализатора и плоскостью горизонтального сечения кристаллической пластинки, – разность фаз между необыкновенным и обыкновенным лучами. В немонохроматическом световом потоке всегда есть лучи с разными длинами волн, у которых происходит набег фаз, равный . На выходе из анализатора обыкновенный и необыкновенный лучи с данными длинами волн гасят друг друга, то есть выполняется условие минимума интерференции. В результате на сплошном спектре появляются темные полосы для определенных длин волн.

После получения интерференционной картины в виде сплошного спектра с периодическими темными полосами устанавливают анализатор на угол (90°±) относительно плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки. На экране интерференционная картина остается прежней в виде сплошного спектра с периодическими темными полосами.

Далее поворачивают кристаллическую пластинку до исчезновения периодических темных полос на интерференционной картине. При этом интерференционная картина представляет собой только сплошной спектр.

Исчезновение темных полос обусловлено следующим. При повороте кристаллической пластинки вокруг светового потока на угол относительно плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки между плоскостью главного сечения кристаллической пластинки и плоскостью пропускания анализатора образуется угол 90°. При этом проекция вектора электрической напряженности обыкновенного луча равна нулю Е_о=0. В результате анализатор пропускает только проекцию вектора электрической напряженности необыкновенного луча Е_е для каждой длины волны светового потока видимого диапазона. Наличие одного необыкновенного луча для каждой длины волны исключает возможность интерференции соответственно, и периодические темные полосы исчезают в спектре. В интерференционной картине остается только сплошной спектр.

Получение сплошного спектра свидетельствует о том, что оптическая ось кристаллической пластинки составляет с горизонтальным сечением пластинки угол, равный азимутальному углу , которому соответствует заданная эллиптичность поляризации светового потока.

Эксперименты проведены в лаборатории оптики кафедры «Физика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

В оптической системе использованы в качестве монохроматического источника света гелий-неоновый лазер, в качестве источника света немонохроматического света лампа накаливания мощностью 25 Вт, два поляроида марки ПКС-500 в качестве поляризатора и анализатора, одноосный отрицательный кристалл ниобата лития, вырезанный в виде плоскопараллельной пластинки с оптической осью, расположенной в плоскости пластинки. В качестве спектрального аппарата использован спектрограф ДФС-452.

Использование изобретения позволяет уменьшить погрешность при получении заданной эллиптичности поляризации светового потока по сравнению с прототипом на 10% и с точностью до тысячных долей эллиптичности .

Источники информации

1. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. – 6-е изд., стереот. – М.: Физматлит, 2003. – 848 с.

2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник – М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1998. – 656 с.

Формула изобретения

Способ управления поляризацией света в оптической системе, содержащей источник света, поляризатор с плоскостью пропускания, лежащей в вертикальном сечении поляризатора, кристаллическую пластинку, плоскость главного сечения которой образует некоторый угол 0°<<90° с плоскостью пропускания поляризатора, анализатор с плоскостью пропускания, лежащей в горизонтальном сечении анализатора, заключающийся в получении поляризованного монохроматического света путем прохождения монохроматического светового потока через оптическую систему, в преобразовании поляризации с заданными параметрами эллиптичности путем задания параметров эллипса по азимутальному углу и поворота плоскости главного сечения кристаллической пластинки на заданный азимутальный угол относительно горизонтального сечения кристаллической пластинки и в контроле полученных параметров заданной эллиптичности, отличающийся тем, что для контроля полученных параметров заданной эллиптичности через оптическую систему пропускают немонохроматический световой поток видимого диапазона, разлагают его в спектр и получают интерференционную картину в виде сплошного спектра, пересеченного периодическими темными полосами, затем устанавливают плоскость пропускания анализатора под углом (90°±) к плоскости горизонтального сечения кристаллической пластинки и поворачивают кристаллическую пластинку до получения интерференционной картины в виде сплошного спектра, по которой делают вывод о получении заданного азимутального угла , которому соответствует заданная эллиптичность поляризации светового потока.