Устройство для определения и исследования распределения поляризации

Техническое решение относится к области оптики и может быть использовано при разработке и создании оптических приборов, позволяющих измерять состояние поляризации неоднородно поляризованных монохроматических световых полей, в режиме реального времени, в поляриметрии для исследования структуры и свойств веществ, в оптической промышленности для улучшения качества и надежности поляризационных оптических приборов.
В качестве прототипа выбран дифференциальный поляриметр, выполненный в виде компенсатора, состоящего из λ/4 пластины и поляризатора P, которые расположены перпендикулярно направлению распространения излучения и CCD камеры, подключенной к компьютеру, по ходу излучения, при этом плоскости λ/4 пластины, поляризатора P и CCD камеры расположены параллельно друг другу. (Патент UA №65939, опубл. 15.04.2004, Бюл. №4).
Недостатком такого технического решения является трудоемкость процесса получения распределения поляризации, при котором измерение профилей интенсивности, производится поэтапно, а не в режиме реального времени.
В основу полезной модели поставлена задача: создать дифференциальный поляриметр, позволяющий определять и исследовать распределение поляризации неоднородно поляризованных монохроматических световых полей в режиме реального времени.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения и исследования распределения поляризации, включающее He-Ne лазер, расположенные вертикально и перпендикулярно направлению распространения излучения, четвертьволновую пластину, ось которой расположена под углом 0° относительно вертикали, поляризатор P, ось которого расположена под углом 0°, относительно вертикали, и регистрирующее устройство, дополнительно содержит компенсатор, выполненный в виде дифракционной решетки и расположенный перпендикулярно к оптической оси монохроматического светового пучка, вторую четвертьволновую пластину , ось которой расположена под углом 45° относительно вертикали, три поляризатора P, причем ось второго поляризатора расположена под углом 90° относительно вертикали, ось третьего поляризатора расположена под углом 45°, ось четвертого поляризатора расположена под углом -45° относительно вертикали, а четвертьволновые пластины и поляризаторы расположены в параллельных плоскостях. Устройство позволяет определять и исследовать распределение поляризации неоднородно поляризованных монохроматических световых пучков, в режиме реального времени.
Общими существенными признаками являются: He-Ne лазер, четвертьволновая пластина  и поляризатор P, расположенные перпендикулярно направлению распространения излучения, регистрирующее устройство.
Отличительными признаками технического решения являются: компенсатор, выполненный в виде дифракционной решетки, вторая четвертьволновая пластина , три поляризатора P, компенсатор расположен параллельно четвертьволновым пластинам  и поляризаторам P и перпендикулярно к оптической оси монохроматического светового пучка. Причем ось первой четвертьволновой пластины расположена под углом 0° к вертикали, ось второй пластины расположена под углом 45° относительно вертикали, ось второго поляризатора расположена под углом 90° относительно вертикали, ось третьего поляризатора расположена под углом 45°, ось четвертого поляризатора расположена под углом -45° относительно вертикали.
Совокупность существенных признаков обеспечивает возможность определять и исследовать распределение поляризации неоднородно поляризованных монохроматических световых пучков в режиме реального времени за счет взаимного расположения пластин и поляризаторов и ориентации поляризаторов.
На Фиг. 1 представлено схематическое расположение конструктивных элементов.
На Фиг. 2 представлено изображение поляризованного излучения на основе сферы Пуанкаре.
Устройство содержит (фиг. 1) гелий-неоновый лазер (1), на пути излучения которого, расположены компенсатор, выполненный в виде дифракционной решетки (2), четвертьволновые пластины (3), (4), поляризаторы (5), (6), (7), (8), расположенные перпендикулярно к оптической оси пучка, регистрирующее устройство - CCD камеру (9).
x
y
r
l
45
-45
x
y
l
r
45
-45
Устройство работает следующим образом. Монохроматический световой пучок от He-Ne лазера 1 после прохождения компенсатора 2 в результате явления дифракции, расщепляется на шесть пучков для получения шести поляризованных компонентов интенсивности. Далее эти пучки проходят через две четвертьволновые пластины : четыре пучка через первую пластину 3, ось которой расположена под углом 0°, два пучка, через вторую пластину 4, ось которой расположена под углом 45° к вертикали. После этого пучки распространяются через четыре поляризатора P: один пучок, через поляризатор 5, ось которого расположена под углом 0°, второй пучок, через поляризатор 6, ось которого расположена под углом 90°, следующие два, через поляризатор 7, ось которого расположена под углом 45° и оставшиеся два, через поляризатор 8, ось которого расположена под углом -45° относительно вертикали. Таким образом, из исходного пучка, распространяющегося в такой системе, получаем поляризованные компоненты интенсивности необходимые для измерения поляризации светового излучения. Для определения поляризации методом Стокс-поляриметрии, в режиме реального времени, измеряют шесть картин распределения интенсивности пучка: два из которых, линейно поляризованные вдоль осей x(I)и y(I), два циркулярно-поляризованные - право (I) и - лево (I) и два со смешанными поляризациями, под углом 45° для (I) и -45° для (I) относительно оси Первый луч проходит через четвертьволновую пластину  3, ось которой расположена под углом 0° и поляризатор P 5, ось которого расположена под углом 0° относительно вертикали. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компоненты (I). Второй луч проходит через четвертьволновую пластину  3, поляризатор P 6, ось которого расположена под углом 90° относительно вертикали. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компоненты (I),. Третий луч проходит через четвертьволновую пластину  3, поляризатор P 7, ось которого расположена под углом 45° относительно вертикали. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компонент (I). Четвертый луч проходит через четвертьволновую пластину  3, поляризатор P 8, ось которого расположена под углом -45° относительно вертикали. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компоненты (I). Пятый луч проходит чрез четвертьволновую пластину  4, ось которой расположена под углом 45° относительно вертикали и поляризатор P 7. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компоненты (I). Шестой луч проходит чрез четвертьволновую пластину  4, ось которой расположена под углом 45° относительно вертикали и поляризатор P 8, ось которого расположена под углом -45°. Регистратор определяет значения интенсивности света для измерения компоненты (I).
Определять состояние поляризации, как полностью поляризованного, так и частично поляризованного светового пучка, удобно с помощью параметров Стокса. Параметры Стокса можно представить в виде:
0
S - Усредненная по времени полная мощность светового сигнала, мощность поляризованной и неполяризованной компонент.
1
S - Разность между мощностью линейной горизонтальной и линейной вертикальной поляризационными компонентами светового сигнала.
2
S - Разность между мощностью линейной 45° и линейной -45° поляризационными компонентами светового сигнала.
3
S - Разность между мощностью круговой правосторонней и круговой левосторонней поляризационными компонентами светового сигнала.
1
2
3
1
2
3
Параметры Стокса описывают световой сигнал в энергетическом представлении, что дает дополнительное удобство при экспериментальном исследовании - ток фотоприемника пропорционален мощности принимаемого оптического излучения. Мощности поляризованной и неполяризованной компонент света равны соответственно  и . Степенью поляризации SOP (принимает значения от 0 до 1) называют отношение мощности поляризованной части излучения ко всей мощности излучения . Наряду с S, S и S используют также нормированные параметры Стокса ,  и . Для поляризованного света . Таким образом, если ввести декартову систему координат с осями s, s и s, то множество всех точек, соответствующих поляризованному свету, образуют сферу радиуса 1, которая называется сферой Пуанкаре, фиг. 2. Состояние частично поляризованного света отображается вектором длиной SOP внутри сферы Пуанкаре. Неполяризованному свету SOP=0, соответствует точка начала координат.
Параметры Стокса позволяют определять состояния поляризации неоднородно поляризованного монохроматического светового пучка.
Пример.
В качестве регистратора использовалась CCD камера; четвертьволновые пластины  и поляризаторы P, расположены в параллельных плоскостях по ходу излучения и перпендикулярно к оси светового пучка.
Устройство позволяет определять и исследовать распределение поляризации неоднородно поляризованных монохроматических световых полей в режиме реального времени.