книги из ГПНТБ / Волкова, Е. А. Поляризационные измерения

I

Г л а в а II

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОПИСАНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

ЛИНЕЙНЫЕ ПОЛЯРИЗАТОРЫ

Действие линейных поляризаторов [29, 40, 41] основано на разделении падающего света на две линейно поляризованные составляющие с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Для разделения света на составляющие исполь­ зуют одно из следующих явлений: двойное лучепреломление, отражение или преломление на границах диэлектриков, дих­ роизм и поляризующие свойства щелей и решеток.

Различают два типа поляризаторов: выделяющий один ли­ нейно поляризованный пучок и выделяющий два пучка, пло­ скости колебаний которых взаимно перпендикулярны. Рассмот­ рим первый тип поляризаторов., В широко применяемых и сравнительно совершенных поляризационных призмах линей­ но поляризованный свет выделяют, используя явление полного внутреннего отражения. Каждая поляризационная призма со­ стоит из двух трехгранных призм из кристаллов. Плоскости этих призм составляют определенные углы с оптической осью кристалла. Призмы склеены веществом с показателем прелом­ ления, величина которого близка к среднему значению показа­ телей преломления для обыкновенного и необыкновенного лу­ чей (рис. 32). При угле падения на склеивающий слой, боль­ шем предельного, обыкновенные (или необыкновенные) лучи претерпевают полное внутреннее отражение и поглощаются боковой стенкой, а необыкновенные (или обыкновенные) про­ ходят. Вторую половину призмы, из которой лучи выходят, делают иногда из стекла.

При расчете поляризационных призм [29, 42] стремятся к получению призмы, которая при падении на нее сходящегося пучка с возможно большей угловой апертурой i' + i" (рис. 33) давала бы однородную поляризацию при наименьшей затрате материала.

Поляризационные призмы чаще всего изготовляют из ис­ ландского шпата (СаС03) — естественного одноосного кри­ сталла, прозрачного в области спектра от 210 до 1800 им [43].

61

Исландский шпат — отрицательный кристалл: для света с дли­ ной волны Л = 589,3 нм показатель преломления обыкновенного луча п0= 1,658, а необыкновенного луча пе= 1,486 (минимальное значение). Благодаря большой разности п0 и пе, равной 0,172, можно получить световые пучки с большим углом расхожде­ ния.

Рис. 32. Призма Аренса:

J — необыкновенный луч; 2 — обыкновенный луч; 3 — оптическая ось; /" — максимальные углы наклона лучей, падающих на

входную грань призмы; i ^ _ уГОл падения обыкновенного луча,

претерпевающего полное внутреннее отражение от гнпотенуэиой грани призмы

Рис. 33. Ход лучей в поляризационной призме

Призмы склеивают тонким слоем канадского бальзама с показателем преломления п = 1,55. Бальзам прозрачен для све­ та с длиной волны больше 330 нм, поэтому для ультрафиоле­ товой области в качестве склеивающего вещества применяют глицерин, касторовое масло и иногда вместо клея оставляют воздушный слой. Для ультрафиолетовой области спектра с длинами волн, меньшими 210 нм, призмы изготовляют из кристаллического кварца или из других кристаллов.

62

Первая конструкция поляризационной призмы из исланд­ ского шпата была предложена в начале XIX в. Николем (рис. 34). Эту призму сокращенно называют просто николем. Более чем столетие призма была единственным широко 'при­ меняемым поляризатором, поэтому многие авторы применяли слова «николь» и «поляризатор» как однозначные.

Для изготовления николя требуется 'сравнительно немного шпата, но его входная грань неперпендикулярна к падающему пучку. Это приводит к смещению выходящего пучка по отно­ шению к падающему и к неоднородности состояния поляриза­

Рис. 34. Призма Николя:

/ — оптическая ось; 2 — направление выходящих колебаний

ции в пределах поля зрения призмы, так как каждый выходя­ щий из призмы луч линейно поляризован, но направления ко­ лебаний лучей, проходящих вне центральной области поля зре­ ния, находятся под небольшим углом по отношению друг к Другу.

В настоящее время имеются более совершенные поляриза­ ционные призмы, у которых входная и выходная грани перпен­ дикулярны к оси призмы. Такие призмы позволяют получить в пределах поля зрения однородную поляризацию, поэтому пх называют призмами с'Нормальным полем; рекомендуется при­ менять только призмы с нормальным полем. Пропускание призм с нормальным полем сравнительно велико. Призма из исландского шпата в видимой области спектра пропускает почти 50% падающего света со степенью поляризации, превы­ шающей 99% [44, 45].

Призмы отличаются друг от друга материалом, расположе­ нием оптической оси кристалла по отношению к граням, отно­ шением длины к ширине (определяющим апертурный угол), а также веществом, заполняющим промежуток между частями призм. Ниже приведены описания нескольких призм из ис­ ландского шпата, склеенных канадским бальзамом, предназ­ наченных для видимой области спектра.

63

У призмы Томпсона (рис. 35, а) оптическая ось кристалла, ■нанесенная на рисунке штриховой линией, обозначенной бук­ вой О, расположена параллельно плоскости склейки. Отноше­ ние длины к ширине равно 4,15, апертурный угол равен 27,5°. Подобная призма с воздушным промежутком называется призмой Глан — Томпсона [46, 47]. Призма Глазебрука отли­ чается от призмы Томпсона отношением длины к ширине и апертурным углом.

О

Рис. 35. Призмы:

а — Томпсона; б — Франка — Рнттера

Рассмотрим на примере призмы Глазебрука (см. рис. 33), как рассчитывают углы и размеры поляризационных призм, если выбран кристалл и материал склейки. Этим выбором оп­ ределено значение показателя преломления клея пс и его отно­

/7 и 1"1 пройдут через склеивающий слой при любых углах па­ дения, так как пе < пс. Обыкновенные лучи должны быть за­ держаны. Для этого угол падения г для луча Г'1 на грань АС должен быть больше предельного угла. Угол преломления р луча S"I" на грани АВ составляет:

склеивающего материала, определяющего угол г, апертурный угол призмы будет тем больше, чем меньше а, т. е. чем больше отношение длины призмы к ее ширине.

64

В призме Франка — Риттера (рис. 35, б) оптическая ось кристалла находится под углом 45° к линии пересечения пло­ скости склейки с торцовой плоскостью.

Риттера.

В качестве поляризатора и анализатора в приборах обычно используют призмы одного типа. При этом существенной ха­ рактеристикой является коэффициент пропускания при скре­ щенных поляризаторе и анализаторе. Он зависит как от типа призм, так и от их качества. Для призм с нормальным полем значения этого коэффициента лежат в пределах 10~4— 10~7.

Рис. 37. Призмы для получения двух линейно поляризованных пучков:

о— Рошона; б — Сенармона; в — Волластона

Вполяризационных призмах, выделяющих два линейно поляризованных пучка, пучок лучей разделяется при прохож­ дении через призмы из кристаллического вещества. На рис. 37 показаны призмы из исландского шпата Рошона (а), Сенар­

мона (б) и Волластона (в). Расположение оптических осей О) и 0 2 показано штриховыми линиями.

В призме Волластона луч, идущий в первой половине, раз­ деляется на два — обыкновенный и необыкновенный, идущие в одном направлении. Во второй призме они меняются места-

М'И— первый становится необыкновенным и второй — обыкно­ венным. В результате в призме Волластона разведение пуч­ ков вдвое больше, чем в двух других. Эти призмы можно при­ менять только в параллельных световых пучках.

Для получения линейно поляризованного света применяют также поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую плен­ ку, обладающую дихроизмом, заклеенную между двумя пла­ стинками из стекла или другого прозрачного материала для предохранения от повреждений. По сравнению с поляризацион­ ными призмами поляроид менее совершенный поляризатор, его пропускание в большинстве случаев значительно меньше 50%, возможны некоторая неоднородность поляризации [48] и рас­ сеянный свет. Однако вследствие своей дешевизны и удобства установки в прибор поляроиды нашли широкое применение. Они незаменимы при больших диаметрах светового пучка

герапатита. Крупинки герапатита помещают в вязкий прозрач­ ный материал и вытягивают из него пленки. В процессе изго­ товления пленок кристаллики герапатита ориентируются опре­ деленным образом. Изготовленный поляризатор пропускает около 30% белого света, степень поляризации света около

97%.

Йодно-поливиниловые поляроиды [49] — пленки из поливи­ нилового спирта, растянутые в одном направлении и окрашен­ ные дихроичным веществом — раствором йода в йодистом калии. Эти. поляроиды пропускают более 30% света. Степень поляризации света для видимой области спектра 99%; апер­ турный угол около 80°.

Для использования в ультрафиолетовой области (до 250 нм) йодно-поливиниловые поляроиды изготовляют по несколько другой технологии [50].

Поливиниленовые поляроиды отличаются своей тепло- и влагоустойчивостыо. Они состоят из поливиниленовой пленки, обладающей сильным дихроизмом. Эти поляроиды пригодны для видимой области спектра. Для использования в ближней инфракрасной области поливиниленовые поляроиды подвер­ гают дополнительной обработке [51].

Кроме указанных, за последние годы разработано более десяти различных видов поляроидов, в том числе и для инфра­ красной области спектра [41].

Отражающие и преломляющие [52] поляризаторы широко применяются главным образом в инфракрасной области спект­ ра. Наибольшее распространение получили отражающие по­ ляризаторы. Действие поляризаторов этого типа основано на

66

том, что при отражении и преломлении света отраженная it преломленная составляющие поляризованы.

Поляризаторы, основанные на преломлении света, состоят из ряда пластин. Выходящий из стопы пластин (рис. 38) свет линейно поляризован. Степень поляризации света зависит от показателя преломления пластин и количества пластин в сто­ пе. Для получения максимальной степени поляризации с по­ мощью стопы свет направляют на нее под углом Брюстера. Оптимальное количество пластин в стопе зависит от их пока­ зателя преломления: чем больше показатель преломления, тем меньше требуется пластин. Например, для стопы из селе­

зации выходящего из нее света составляет 99 %• Селен иногда наносят на пластины из каменной соли, и из таких двухслой­ ных пластин составляют стопу.

Отражающие поляризаторы представляют собой пластин­ ки из диэлектрика с плоской поверхностью, полированной до зеркального блеска, на которые направляют свет под углом Брюстера. Эти зеркала делают из стекол, непрозрачных для используемой области спектра, из германия и некоторых других материалов. Апертура таких поляризаторов порядка 10°, ис­ пользуемый поток излучения невелик. К недостаткам следует отнести также то, что направление выходящего из поляриза-

Рис. 39. Зеркальные поляризаторы

торов светового пучка составляет с направлением падающего угол больше 90°, а это не всегда желательно. Чтобы устранить это явление, применяют двухзеркальные поляризаторы (рис. 39, а) и двухзеркальные с вспомогательным зеркалом

(рис. 39, б ) .

Обычные отражающие дифракционные решетки также об­ ладают поляризующим действием. Направления колебаний, пропускаемых решеткой, перпендикулярны к ее штрихам.

Технические характеристики некоторых линейных поляри­ заторов приведены в табл. I и II приложения.

КРУГОВЫЕ И ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ПОЛЯРИЗАТОРЫ

Для получения света с круговой (рис. 40) и эллиптической (рис. 41) поляризацией обычно применяют последовательно расположенные по ходу лучей линейный поляризатор П и за­ тем пластинку четверть волны (рис. 40, а и 41, о).

Рис. 40. Круговой поляризатор

Рис. 41. Эллиптический поляризатор

Для получения света с правой круговой поляризацией (рис. 40, б) пластинка должна быть расположена так, чтобы угол ц между направлением колебаний света, выходящего из линейного поляризатора (вектор ОС), и главным направле­ нием пластинки был равен 45°, причем направление векто-

68

pa OA должно соответствовать медленному направлению пла­

баний линейно поляризованного света должно быть повернуто на 90°.

Для получения света с круговой поляризацией предложено также применять поляризатор и две фазовые пластинки [54].

Правая эллиптическая поляризация (с формой эллипса, изображенной на рис. 41,6) получается в том случае, если

при этом быстрое направление пластинки совпадает

с вертикалью. Для получения левой поляризации необходимо повернуть направление плоскости колебаний света, падающего на пластинку, на угол 180° — 2г| (рис. 41, в).

Пластинки четверть волны изготовляют главным образом из слюды и кварца. Поскольку эти материалы обладают дис­ персией двойного лучепреломления, для разных длин волн толщины пластинок должны быть различными. Толщину пла­

где т — целое число, d — толщина пластинки.

Для т —0 толщина пластинки мала (для кварца порядка 15 мкм и слюды около 25 мкм), поэтому обычно применяют пластинки, у которых m= 1,2,3.

Чем больше т, тем уже должен быть используемый участок спектра для получения одно­ родной круговой поляризации.

Разработаны способы изго­ товления пластинок четверть волны из нескольких слоев кварца или слюды, которые

(рис. 42). Поляризующие свойства ромба Френеля объясня­ ются следующим образом. При падении света на границу раз­ дела двух сред степень поляризации в преломленной и отра­ женной волнах зависит от углов падения и преломления в со-

69