Способ определения "быстрой" оптической оси четвертьволновой пластинки
METHOD FOR DETERMINING THE "FAST" OPTICAL AXIS OF A QUARTER-WAVE PLATE

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения «быстрой» оси четвертьволновых пластинок.
Четвертьволновые пластинки применяются для превращения линейно поляризованного света в эллиптически или циркулярно поляризованный. Их действие основано на эффекте двойного лучепреломления. Двулучепреломление - оптическое свойство материала, показатель преломления которого зависит от поляризации и направления распространения света. В любом двулучепреломляющем материале существует хотя бы одно направление, при распространении вдоль которого свет сохраняет свою начальную поляризацию. Такое направление называют оптической осью. Материалы, имеющие одну оптическую ось, называются одноосными, а имеющие две таких оси - двуосными. Обычно четвертьволновые пластинки изготавливают из одноосных материалов, при этом рабочие грани пластинки, через которые происходит ввод и вывод излучения, располагают параллельно оптической оси. В плоскости рабочей грани выделяют две взаимно перпендикулярные оси: обыкновенную и необыкновенную, отличающиеся показателем преломления. При этом необыкновенная ось расположена параллельно оптической оси. За счет двойного лучепреломления нормально падающее на пластинку излучение разделяется в ней в общем случае на два линейно поляризованных луча, колебания вектора электрического поля в которых происходят вдоль обыкновенной и необыкновенной осей. Поскольку излучение падает по нормали, то траектории указанных лучей в пластинке и за ее пределами совпадают, то есть на выходе из пластинки лучи снова складываются, а поляризация излучения меняется. На практике для удобства вместо обыкновенной и необыкновенной осей различают соосные им, в зависимости от материала, «быструю» и «медленную» оси четвертьволновой пластинки. Для волны, поляризованной вдоль «быстрой» оси, пластинка имеет меньший показатель преломления, а для волны, поляризованной вдоль «медленной» оси, показатель преломления пластинки больший. В оптоэлектронике часто возникает потребность в достоверном определении, какая из осей четвертьволновой пластинки является «быстрой», а какая - «медленной», поскольку от этого зависит направление вращения вектора электрического поля (знак циркулярной поляризации) в прошедшем через четвертьволновую пластинку свете. Аналогичная задача может возникать и при производстве четвертьволновых пластинок, например, для проверки правильности указания осей в готовом изделии.
Известен способ определения «быстрой» оси четвертьволновой пластинки, в котором параллельное монохроматическое излучение пропускают через оптическую систему, содержащую установленные перпендикулярно ее оси поляризатор, анализируемую четвертьволновую пластинку, рассеиватель, анизотропную кристаллическую пластинку, входная грань которой перпендикулярна ее оптической оси, анализатор, ось пропускания которого расположена взаимно перпендикулярно оси пропускания поляризатора, и экран, предназначенный для наблюдения интерференционной картины. Затем путем поворота анализируемой четвертьволновой пластинки вокруг оси оптической системы получают на экране интерференционную коноскопическую картину в виде светлого «мальтийского креста» с двумя симметричными относительно центра картины черными точками. После чего по параллельности с линией, соединяющей две черные точки в коноскопической картине, устанавливают положение оптической оси анализируемой четвертьволновой пластинки [RU 2442972 С1]. Исходя из информации о материале пластинки, делают вывод о том, является ли данная ось «быстрой» или же «медленной».
Недостатком данного способа является отсутствие возможности визуально определять «быструю» ось четвертьволновой пластинки для излучения с длиной волны, лежащей за пределами видимого диапазона.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ определения «быстрой» оси четвертьволновой пластинки, включающий пропускание через анализируемую четвертьволновую пластинку нормально падающего линейно поляризованного излучения на рабочей длине волны пластинки, анализ прошедшего излучения при помощи поверочной четвертьволновой пластинки, анализатора и фотоприемника и определение «быстрой» оси анализируемой четвертьволновой пластинки по направлению вращения вектора электрического поля в прошедшем излучении [Физический практикум. Электричество и оптика. Изд. 2-е. Под ред. Проф. В.И. Ивероновой. М: Наука, 1968. С. 564-574].
Недостатками указанного способа являются использование дополнительных поляризационных оптических приспособлений: поверочной четвертьволновой пластинки и анализатора, а также ограниченность спектральных диапазонов работы анализатора, поверочной четвертьволновой пластинки и фотоприемника. Например, отсутствуют фотоприемники на внутреннем фотоэффекте, одинаково функциональные в области длин волн от дальнего ультрафиолета до средней инфракрасной области, а простые четвертьволновые пластинки нулевого порядка рассчитаны на работу только на одной длине волны.
Задачей изобретения является разработка способа определения «быстрой» оси четвертьволновой пластинки в широкой области спектра с использованием наименьшего числа дополнительных поляризационных оптических приспособлений.
Поставленная задача решается тем, что через анализируемую четвертьволновую пластинку пропускают нормально падающее линейно поляризованное излучение на рабочей длине волны пластинки, плоскость поляризации которого совпадает с биссектрисой угла между «быстрой» и «медленной» осями пластинки, регистрируют прошедшее излучение при помощи фотоэлектрического преобразователя, обладающего свойством генерации под действием циркулярно поляризованного излучения электрического сигнала, полярность которого зависит от направления вращения вектора электрического поля в регистрируемом излучении, а «быструю» ось анализируемой четвертьволновой пластинки определяют по полярности электрического сигнала.
Техническим результатом является реализация способа определения «быстрой» оси четвертьволновой пластинки в широкой области спектра без использования дополнительных поляризационных оптических приспособлений.
вх
вых
вх
o
e
o
e
Фиг. 1 показывает пример осуществления изобретения: 1 - нанокомпозитная пленка, состоящая из кристаллических фаз селенида меди и селена; 2 - измерительные электроды; 3 - стеклянная подложка; 4 - электроизмерительное устройство; 5 - четвертьволновая пластинка; k - волновой вектор падающего излучения; Е и Е - электрический вектор падающего излучения на входе и выходе из четвертьволновой пластинки соответственно; n - нормаль к поверхности подложки; σ - плоскость падения; ось ξ лежит в плоскости σ (ξ||Е ⊥ k); n и n - «быстрая» и «медленная» оси четвертьволновой пластинки соответственно (n ⊥ n); «+» и «-» - соответственно положительный и отрицательный входы электроизмерительного устройства; измерительные электроды параллельны σ.
Фиг. 2 показывает нормированные на максимальное значение осциллограммы сигнала фотоэдс, полученные при наклонном облучении циркулярно поляризованным лазерным излучением с длиной волны 795 нм фотоэлектрического преобразователя, изготовленного из нанокомпозитной пленки толщиной 125 нм, состоящей из кристаллических фаз селенида меди и селена. Облучение проводилось под углом 45°, электрический сигнал измерялся по схеме, представленной на Фиг. 1.
Способ определения «быстрой» оси четвертьволновой пластинки по данному изобретению осуществляется следующим образом. Через анализируемую четвертьволновую пластинку пропускают нормально падающее линейно поляризованное излучение с длиной волны, находящейся в интервале рабочих длин волн пластинки. При этом плоскость поляризации данного излучения совпадает с биссектрисой угла между «быстрой» и «медленной» осями пластинки. Прошедшее через анализируемую пластинку излучение, имеющее циркулярную поляризацию, регистрируют при помощи фотоэлектрического преобразователя. В зависимости от направления вращения вектора электрического поля в падающем на фотоэлектрический преобразователь излучении последний генерирует электрический сигнал соответствующей полярности. Если полярность электрического сигнала соответствует излучению с правой циркулярной поляризацией, то «быстрой» является та ось анализируемой четвертьволновой пластинки, которая первой встречается при мысленном обходе пластинки по часовой стрелке от положения плоскости поляризации падающего на пластинку излучения при взгляде со стороны источника излучения. В случае регистрации электрического сигнала противоположной полярности, соответствующей излучению с левой циркулярной поляризацией, «быстрой» будет та ось, которая первой встречается при соответствующем мысленном обходе пластинки против часовой стрелки.
Пример осуществления способа
Четвертьволновая пластинка работает следующим образом. Нормально падающее на четвертьволновую пластинку линейно поляризованное излучение распространяется внутри нее в виде двух взаимно перпендикулярных волн, колебания вектора электрического поля в которых происходят вдоль «быстрой» и «медленной» осей пластинки, а амплитуды колебаний соответствуют проекциям вектора электрического поля входящей в пластинку волны на направления указанных осей. Вследствие различия показателей преломления материала пластинки между этими двумя волнами возникает фазовый сдвиг, который на выходе из пластинки составляет четверть длины волны, что приводит в общем случае к превращению линейно поляризованного излучения в излучение с эллиптической поляризацией. Если плоскость поляризации нормально падающего на пластинку линейно поляризованного излучения совпадает с ее «быстрой» или «медленной» осью, то одна из двух взаимно перпендикулярных волн внутри пластинки вырождается и такое излучение проходит через пластинку без изменения состояния поляризации. При совпадении плоскости поляризации нормально падающего на пластинку излучения с биссектрисой угла между «быстрой» и «медленной» осями пластинки амплитуды обеих взаимно перпендикулярных волн внутри пластинки становятся равными и излучение на выходе из пластинки приобретает циркулярную поляризацию. Направление вращения вектора электрического поля в выходящем из пластинки циркулярно поляризованном излучении определяется расположением плоскости поляризации падающего на пластинку излучения относительно ее «быстрой» и «медленной» осей. Если при взгляде со стороны источника излучения при мысленном обходе пластинки по часовой стрелке от положения плоскости поляризации падающего на пластинку излучения первой встречается «быстрая» ось, то излучение на выходе будет поляризовано вправо. Если же при аналогичных обстоятельствах первой встречается «медленная» ось, а «быстрая» ось встречается первой при мысленном обходе пластинки против часовой стрелки, то излучение на выходе будет поляризовано влево. Из этого следует, что по знаку циркулярной поляризации выходящего из четвертьволновой пластинки излучения можно достоверно определить, какая из осей пластинки является «быстрой», а какая - «медленной».
Известен ряд фотоэлектрических явлений, в результате которых в материале может происходить генерация электрического сигнала, имеющего полярность, зависящую от знака циркулярной поляризации падающего излучения. В качестве примера можно привести поверхностный фотогальванический эффект, наблюдаемый, в частности, в поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленке, состоящей из кристаллических фаз селенида меди и селена, которую получают методом последовательного вакуумного термического напыления на диэлектрическую подложку слоев селена и меди в едином вакуумном цикле [Mikheev G.М., Kogai V.Y., Mikheev K.G., Mogileva Т.N., Saushin A.S., Svirko Y.P. Polarization-sensitive photoresponse of the CuSe/Se nanocomposite prepared by vacuum thermal deposition // Materials Today Communications. 2019. V. 21. P. 100656(1-6)]. При наклонном падении на фотоэлектрический преобразователь, изготовленный из такой пленки, импульсного циркулярно поляризованного лазерного излучения (см. Фиг. 1) в нем возникает импульсная однополярная фотоэдс (фототок) в широком диапазоне длин волн падающего излучения. Амплитуда данного электрического сигнала линейно зависит от мощности падающего излучения, а полярность определяется направлением вращения вектора электрического поля в падающем излучении. В качестве электроизмерительного устройства для определения полярности электрического сигнала можно использовать осциллограф или любой другой регистратор разнополярного импульсного напряжения, который, например, может состоять из усилителя с широкой полосой пропускания, схемы хранения-выборки и вольтметра. На Фиг. 2 представлены осциллограммы, экспериментально полученные нами при облучении циркулярно поляризованным лазерным излучением фотоэлектрического преобразователя, изготовленного из поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки толщиной 125 нм, состоящей из кристаллических фаз селенида меди и селена. Пленка была изготовлена методом последовательного вакуумного термического напыления на стеклянную подложку слоев селена и меди в едином вакуумном цикле. Длительность лазерных импульсов с длиной волны 795 нм составляла 120 фс. Верхняя осциллограмма соответствует случаю, когда облучение пленки происходило так, что при взгляде со стороны источника излучения и мысленном обходе четвертьволновой пластинки по часовой стрелке от положения плоскости поляризации падающего на пластинку излучения первой встречалась «быстрая» ось (см. Фиг. 1, а). Нижняя осциллограмма получена по схеме, когда при аналогичных обстоятельствах первой встречалась «медленная» ось (см. Фиг. 1, б). На вставках показано соответствующее направление вращения вектора электрического поля в регистрируемом излучении в том и другом случае при наблюдении навстречу лучу. Видно, что имеется однозначная взаимосвязь между полярностью регистрируемого электрического сигнала и взаимным расположением «быстрой» оси четвертьволновой пластинки и плоскости поляризации падающего на пластинку линейно поляризованного излучения. Эксперименты показали, что такая взаимосвязь наблюдается в широком диапазоне длин волн от 266 нм до 2000 нм.
Следует отметить, что если плоскость поляризации падающего на анализируемую четвертьволновую пластинку излучения будет находиться в промежуточном положении между «быстрой» или «медленной» осью пластинки и направлением по биссектрисе между данными осями, то прошедшее пластинку излучение будет эллиптически поляризовано. Эллиптически поляризованное излучение может быть представлено как суперпозиция линейной и циркулярной составляющих. При регистрации такого излучения фотоэлектрическим преобразователем, обладающим свойством генерации под действием циркулярно поляризованного излучения электрического сигнала, полярность которого зависит от направления вращения вектора электрического поля в регистрируемом излучении, линейная составляющая может давать дополнительный произвольный по полярности вклад в электрический сигнал и нарушать тем самым однозначную интерпретацию результатов измерений. Во избежание указанных затруднений плоскость поляризации падающего на анализируемую четвертьволновую пластинку излучения должна совпадать с биссектрисой угла между «быстрой» и «медленной» осями пластинки.
При отсутствии первоначальных данных о расположении «быстрой» и «медленной» осей анализируемой четвертьволновой пластинки задачу по их обнаружению также можно решить при помощи поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки, состоящей из кристаллических фаз селенида меди и селена. Для этого следует, вращая анализируемую четвертьволновую пластинку в плоскости, перпендикулярной падающему излучению, провести измерения электрического сигнала, возбуждаемого в нанокомпозитной пленке, по схеме, представленной на Фиг. 1, и определить, при каких угловых положениях четвертьволновой пластинки сигнал обращается в нуль. При полном обороте пластинки таких положений должно быть найдено четыре. Они соответствуют положению ее «быстрой» и «медленной» осей, поскольку линейная поляризация, сохраняемая проходящим через анализируемую пластинку излучением в данном случае, дает нулевой вклад в регистрируемый сигнал [Mikheev G.М., Kogai V.Y., Mikheev K.G., Mogileva Т.N., Saushin A.S., Svirko Y.P. Polarization-sensitive photoresponse of the CuSe/Se nanocomposite prepared by vacuum thermal deposition // Materials Today Communications. 2019. V. 21. P. 100656(1-6)].
Таким образом, используя для регистрации прошедшего через четвертьволновую пластинку излучения фотоэлектрический преобразователь, обладающий свойством генерации под действием циркулярно поляризованного излучения электрического сигнала, полярность которого зависит от направления вращения вектора электрического поля в регистрируемом излучении, можно определять «быструю» ось четвертьволновой пластинки в широкой области спектра без использования дополнительных поляризационных оптических приспособлений.