УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и предназначена для дефектоскопии диэлектрических и полупроводниковых кристаллов кубической сингонии, для выявления дефектов, обусловленных наведенной внутренними напряжениями анизотропией, локальными нарушениями стехиометрии, слабым оптическим поглощением, наведенной поляризующей способностью и др.
Общеизвестно, что в кристаллической пластинке с входной гранью, параллельной оптической оси, линейно поляризованное излучение распространяется в виде двух лучей - обыкновенного и необыкновенного, направления колебаний векторов Е которых взаимно перпендикулярны и совпадают с главными направлениями пластинки. Из-за различия в скоростях распространения один луч опережает или отстает по фазе от другого луча, соответственно этому в пластинке различают медленное и быстрое направления, совпадающие с кристаллофизическими осями х и у. Результат сложения обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из пластинки зависит от поляризации излучения, падающего на пластинку, и от ее толщины. В общем случае при падении на пластинку монохроматического линейно поляризованного излучения на выходе из нее получается эллиптически поляризованное излучение.
Уравнение эллипса поляризации, оси которого не совпадают с осями пластинки, имеет вид:
x
y
х
где E, E - компоненты вектора напряженности излучения, вышедшего из кристаллической пластинки; а, в - большая и малая полуоси эллипса; Δ - фазовый сдвиг (разность фаз) между обыкновенным и необыкновенным лучами Е и
у
Е на выходе из пластинки. Оси эллипса поляризации всегда расположены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения.
х
у
На вид поляризации излучения влияют два фактора: величина фазового сдвига Δ, зависящая от толщины пластинки d, и величина проекций векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей Е и Е (амплитуды колебаний) на оси кристаллической пластинки, зависящая от взаимного расположения вектора Е входящего излучения и осей пластинки.
В зависимости от указанных факторов эллиптически поляризованное излучение включает в себя следующие возможные формы:
а) излучение с правой и левой эллиптическими поляризациями с различной ориентацией осей эллипса поляризации при 0<А<(2k+1)π/2 и (2k+1)π/2<Δ<kπ и различным положением эллипса в пространстве относительно входной грани пластинки;
у
б) излучение с правой и левой эллиптическими поляризациями с ориентацией осей эллипса поляризации, совпадающей с осями кристаллической пластинки при Δ=(2k+1)π/2 и Ех≠Е;
x
y
в) излучение с правой и левой циркулярными поляризациями с ориентацией осей окружности, совпадающей с осями кристаллической пластинки при Δ=(2k+1)π/2 и E=E;
г) линейно поляризованное излучение, сохраняющее первоначальное направление вектора Е, при Δ=kπ и четном k;
д) линейно поляризованное излучение с вектором Е, направление которого составляет угол 180°-2α с первоначальным направлением вектора Е, при Δ=kπ и нечетном k.
Формы поляризации излучения определяются по интенсивности излучения любыми известными методами, например, с помощью системы скрещенных поляризатора и анализатора. Ориентация осей эллипса поляризации определяется любыми известными методами эллипсометрии [1].
х
у
Известно устройство для преобразования форм поляризации излучения, в частности, циркулярной поляризации [2], основанное на изменении амплитуд колебаний векторов Е и Е обыкновенного и необыкновенного лучей при постоянном фазовом сдвиге между ними.
Устройство для преобразования форм поляризации излучения содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку, изготовленную из кристалла кварца, анализатор и фотоэлектрический прибор, установленные перпендикулярно оси оптической системы. Для исследования интенсивности прошедшего через систему излучения использована система скрещенных поляризатора и анализатора, оси пропускания которых расположены взаимно перпендикулярно. Фазовая четвертьволновая пластинка имеет заданную толщину d, определяемую фазовым сдвигом между обыкновенным и необыкновенным лучами, равным Δ=(2k+1)π/2. Оптическая ось фазовой пластинки расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с горизонтальной кристаллофизической осью у, и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Быстрая ось, совпадающая с вертикальной кристаллофизической осью х, также расположена в плоскости входной грани пластинки и составляет угол 90° с ее медленной осью. Оптическая ось фазовой пластинки составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора. Фазовая пластинка установлена с возможностью ее поворота вокруг оси оптической системы.
Работа устройства для преобразования форм поляризации излучения заключается в следующем.
0
Монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор, который преобразует излучение в монохроматическое линейно поляризованное излучение с интенсивностью I и направлением вектора Е под углом 45° к осям фазовой пластинки. Преобразованное излучение подается на фазовую пластинку, в которой разбивается на два луча
x
у
- обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е(E=Е). Обыкновенный и необыкновенный лучи между собой когерентны и на выходе из пластинки приобретают фазовый сдвиг Δ=(2k+1)π/2. В результате сложения таких обыкновенного и необыкновенного лучей после фазовой пластинки всегда получается циркулярно поляризованное излучение. Окружность лежит в плоскости входной грани пластинки.
При расположении вектора Е излучения между положительными направлениями быстрой оси х пластинки и медленной оси у на выходе из пластинки получается излучение с правой циркулярной поляризацией.
0
Полученное излучение с правой циркулярной поляризацией направляется на анализатор, после которого излучение становится линейно поляризованным с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора. Интенсивность излучения регистрируется фотоэлектрическим прибором. При этом интенсивность прошедшего через оптическую систему излучения равна 0,5 I, что обусловлено изначально заданными параметрами фазовой пластинки и вектора Е входящего излучения, и подтверждает получение циркулярной поляризации излучения.
х
у
Для получения эллиптически поляризованного излучения фазовая пластинка поворачивается вокруг оси оптической системы. При этом при любом повороте пластинки фазовый сдвиг Δ=(2k+1)π/2 остается всегда постоянным, и изменяются только амплитуды колебаний векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей Е и Е.
х
у
При постепенном повороте фазовой пластинки в интервале 0°-45° каждый луч входящего излучения разбивается на два когерентные между собой - обыкновенный и необыкновенный с различными амплитудами колебаний векторов Е(Е=Е) с фазовым сдвигом (2k+1)π/2.
х
у
х
у
При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча постепенно увеличивается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается. Изменение амплитуд векторов Е и Е приводит
к преобразованию излучения с правой циркулярной поляризации в излучение с правой эллиптической поляризацией. Эллипс поляризации с правым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под острым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
0
Интенсивность такого излучения, измеренная фотоэлектрическим прибором после пропускания через анализатор, уменьшается в пределах от 0,5 I до нуля, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после фазовой пластинки.
х
х
у
у
При повороте фазовой пластинки на 45° ее быстрая ось совмещается с направлением вектора Б. Амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча становится максимальной Е=Е, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча уменьшается до нуля Е=0.
На выходе из пластинки получается линейно поляризованное излучение с сохранением первоначального направления вектора Е, перпендикулярного оси пропускания анализатора, который такое излучение не пропускает.
Фотоэлектрическим прибором регистрируется интенсивность излучения, равная нулю, что является подтверждением линейной поляризации излучения с первоначальным направлением вектора Е после фазовой пластинки.
х
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 45°-90° процесс преобразования вида поляризации излучения в системе происходит аналогично тому, как описано выше при повороте в интервале 0°-45°. При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча постепенно увеличивается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается. При изменении амплитуд векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей на этом интервале углов поворота пластинки линейно поляризованное излучение преобразуется в излучение с левой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости
входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под тупым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
Интенсивность такого излучения увеличивается от нуля до 0,5 Io, что является подтверждением эллиптической поляризации излучения после фазовой пластинки.
При повороте фазовой пластинки на 90° излучение с левой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с левой циркулярной поляризацией. При таком повороте быстрая и медленная оси пластинки изменяют свое положение на 90° относительно своего первоначального положения.
0
Интенсивность такого излучения, измеренная фотоэлектрическим прибором после пропускания через анализатор, увеличивается до значения 0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения на выходе из фазовой пластинки.
х
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 90°-135° происходит преобразование излучения с левой циркулярной поляризацией в излучение с левой эллиптической поляризацией. При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча постепенно уменьшается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно увеличивается.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под острым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
0
Интенсивность такого излучения уменьшается в интервале от значения 0,5 I до нуля, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения на выходе из фазовой пластинки.
х
х
у
у
При повороте фазовой пластинки на 135° ее медленная ось совмещается с направлением вектора Е. Амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча уменьшается до нуля Е=0, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча увеличивается до Е=Е.
На выходе из пластинки получается линейно поляризованное излучение
с сохранением первоначального направления вектора Е, перпендикулярного оси пропускания анализатора, который такое излучение не пропускает.
Интенсивность излучения равна нулю, что является подтверждением линейной поляризации излучения с первоначальным направлением вектора Е на выходе из фазовой пластинки.
х
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 135°-180° амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча постепенно увеличивается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается. При изменении амплитуд колебаний векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей на этом интервале углов поворота пластинки линейно поляризованное излучение преобразуется в излучение с правой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с правым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под тупым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
0
Интенсивность излучения на этом угловом интервале снова увеличивается от нуля до значения 0,5 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после фазовой пластинки.
0
При повороте фазовой пластинки на 180° излучение с правой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с правой циркулярной поляризацией. При таком повороте быстрая и медленная оси пластинки занимают свое первоначальное положение. Интенсивность такого излучения равна 0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения после фазовой пластинки.
Таким образом, при повороте фазовой пластинки вокруг оси оптической системы в интервале 0°-180° наблюдают линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е под углом 90° к оси пропускания анализатора, циркулярно и эллиптически поляризованные излучения с правым и левым направлениями вращения с различными ориентациями в плоскости
входной грани осей эллипсов поляризации по отношению к первоначальной ориентации быстрой оси пластинки.
Достоинством устройства для преобразования форм поляризации излучения является возможность получения значительного диапазона эллиптической поляризации излучения при фазовом сдвиге Δ=(2k+1)π/2 с ориентацией эллипсов поляризации в плоскости входной грани пластинки.
Однако, возможность преобразования форм поляризации излучения ограничена величиной фазового сдвига Δ=(2k+1)π/2, не позволяющим получать поляризацию излучения при других значениях А, что является недостатком известного устройства.
Это обусловлено заданной толщиной пластинки, определяющей величину фазового сдвига А, которая остается постоянной при любом повороте пластинки.
Кроме того, при постоянном фазовом сдвиге Δ=(2k+1)π/2 изменение форм поляризации излучения происходит только за счет изменения амплитуд колебаний векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей, что приводит к получению после фазовой пластинки линейно поляризованного излучения с направлением вектора Е под углом 90°к оси пропускания анализатора и излучения с правой и левой циркулярными и эллиптическими поляризациями с различной ориентацией только в плоскости входной грани большой оси эллипса по отношению к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для преобразования форм поляризации излучения [3], которое основано на изменении амплитуд колебаний векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей при постоянной величине фазового сдвига между ними, и которое устраняет недостатки вышеописанного аналога.
Устройство для преобразования форм поляризации излучения содержит
последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, неподвижную фазовую кристаллическую пластинку, подвижную фазовую кристаллическую пластинку, анализатор и фотоэлектрический прибор, установленные перпендикулярно оси оптической системы. Для исследования интенсивности прошедшего через систему излучения использована система скрещенных поляризатора и анализатора, оси пропускания которых расположены взаимно перпендикулярно. Каждая кристаллическая пластинка изготовлена из слюды, имеет произвольную толщину и вносит соответствующий ей фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами так, что суммарный фазовый сдвиг составляет Δ>(2k+1)π/2. Оптическая ось каждой пластинки расположена в плоскости своей входной грани, является медленной осью, совпадающей с кристаллофизической горизонтальной осью у, и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Быстрая ось каждой пластинки, совпадающая с вертикальной кристаллофизической осью х, также расположена в плоскости входной грани и составляет угол 90° с ее медленной осью. Оптические оси пластинок параллельны между собой, и их направление составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора. Подвижная кристаллическая пластинка установлена с возможностью ее поворота вокруг оси оптической системы.
Работа устройства для преобразования форм поляризации излучения заключается в следующем.
0
x
у
Монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической системы через поляризатор, который преобразует излучение в монохроматическое линейно поляризованное излучение с интенсивностью I. Преобразованное излучение с направлением вектора Е под углом 45° к оптической оси неподвижной пластинки направляется на нее, разбиваясь на два луча - обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е(E=Е). Обыкновенный и необыкновенный лучи между собой когерентны и
1
приобретают фазовый сдвиг Δ>(2k+1)π/4, в зависимости от величины которого на выходе из пластинки получается одна из форм эллиптически поляризованного излучения.
2
х
у
2
Далее излучение подается на подвижную кристаллическую пластинку, в которой первоначально происходят процессы, аналогичные происходящим в неподвижной пластинке, то есть на толщине пластинки d обыкновенный и необыкновенный лучи с равными амплитудами колебаний векторов Е(Е=Е) приобретают фазовый сдвиг Δ>(2k+1)π/4.
2
1
2
1
2
4
3
Благодаря толщине d подвижной кристаллической пластинки увеличивается суммарная толщина d=d+d. Увеличение толщины приводит к увеличению оптического пути, который проходит излучение, и, как следствие, к увеличению суммарного фазового сдвига Δ=A+A. To есть неподвижную и подвижную пластинки можно рассматривать как одну пластинку с толщиной d и фазовым сдвигом Δ, равным, например, /π.
При заданных параметрах обеих пластинок на выходе из них всегда получается эллиптически поляризованное излучение. Эллипс поляризации лежит в плоскости входной грани пластинки. Большая ось эллипса составляет тупой угол с быстрой осью пластинки.
При расположении вектора Е излучения между положительными направлениями быстрой оси х пластинки и медленной оси у на выходе из пластинок получается излучение с правой эллиптической поляризацией.
3
4
0
0
0
Полученное излучение с правой эллиптической поляризацией направляется на анализатор, после которого излучение становится линейно поляризованным с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора. Интенсивность такого излучения измеряется фотоэлектрическим прибором. При этом для фазового сдвига Δ=/π интенсивность прошедшего через оптическую систему излучения равна 0,84 I, что обусловлено изначально заданными параметрами обеих пластинок и вектора Е входящего излучения. Интенсивность прошедшего излучения попадает в интервал 0<0,84I<I, что подтверждает
эллиптическую поляризацию излучения после пластинок.
х
у
Для преобразования форм поляризованного излучения подвижная пластинка поворачивается вокруг оси оптической системы. При любом повороте пластинки фазовый сдвиг остается всегда постоянным, и изменяются только амплитуды колебаний векторов Е обыкновенного и Е необыкновенного лучей.
х
у
При постепенном повороте фазовой пластинки в интервале 0°-28° амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча постепенно увеличивается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается, стремясь к равенству друг с другом.
0
0
Интенсивность такого излучения уменьшается в пределах от 0,841 I 0,5 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после пластинок.
х
у
При повороте подвижной пластинки на 28° амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча становится равной амплитуде колебаний вектора Е необыкновенного луча. При этом излучение с правой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с правой циркулярной поляризацией.
0
Интенсивность такого излучения, измеренная фотоэлектрическим прибором после пропускания через анализатор, уменьшается до значения 0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения после пластинок.
х
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 28°-45° амплитуда колебаний Е обыкновенного луча продолжает увеличиваться, а амплитуда колебаний Е необыкновенного луча постепенно уменьшается. При изменении амплитуд векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей излучение с правой циркулярной поляризацией преобразуется в излучение с правой эллиптической поляризацией. Эллипс поляризации с правым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под острым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
0
Интенсивность такого излучения продолжает уменьшаться от 0,5 I до нуля, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после пластинок.
х
у
у
При повороте подвижной пластинки на 45° ее быстрая ось совмещается с направлением вектора Е. Амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча становится максимальной Еx=Е, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча уменьшается до нуля Е=0.
На выходе из пластинки получается линейно поляризованное излучение с сохранением первоначального направления вектора Е, перпендикулярного оси пропускания анализатора, которое им не пропускается, и интенсивность равна нулю, что подтверждает линейно поляризованное излучение с сохранением первоначального направления вектора Е на выходе из пластинок.
x
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 45°-62° процесс преобразования вида поляризации излучения в системе происходит аналогично тому, как описано выше. При этом амплитуда колебаний вектора E обыкновенного луча постепенно увеличивается, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается. При изменении амплитуд векторов Е обыкновенного и необыкновенного лучей на этом интервале углов поворота пластинки линейно поляризованное излучение преобразуется в излучение с левой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под тупым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
o
Интенсивность такого излучения, измеренная фотоэлектрическим прибором после пропускания через анализатор, увеличивается от нуля до 0,5 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после пластинок.
х
у
При повороте фазовой пластинки на 62° излучение с левой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с левой циркулярной поляризацией. При таком повороте быстрая и медленная оси пластинки изменяют свое положение на 90° относительно своего первоначального положения. Амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча становится равной амплитуде колебаний вектора Е необыкновенного луча. При этом излучение с
0
левой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с левой циркулярной поляризацией. Окружность лежит в плоскости входной грани. Интенсивность такого излучения увеличивается до значения 0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения на выходе из пластинок.
х
у
При дальнейшем повороте фазовой пластинки в интервале 62°-90° происходит преобразование излучения с левой циркулярной поляризацией в излучение с левой эллиптической поляризацией. При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча продолжает увеличиваться, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча постепенно уменьшается.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под острым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
0
0
Интенсивность такого излучения увеличивается от 0,5I до 0,84 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после пластинок.
х
у
При повороте фазовой пластинки на 90° излучение сохраняет левую эллиптическую поляризацию. При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча не равна амплитуде колебаний вектора Е необыкновенного луча. Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости входной грани пластинки, и большая ось эллипса ориентирована под острым углом к первоначальному направлению быстрой оси пластинки.
o
Интенсивность такого излучения увеличивается до значения 0,84 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения на выходе из пластинок.
При дальнейшем повороте пластинки процесс изменения форм поляризации излучения повторяется. Изменением толщины одной из пластинок можно увеличивать суммарный фазовый сдвиг Δ и в итоге при разных значениях Δ на выходе из пластинок получить все формы поляризации излучения, оси эллипсов которых лежат в плоскости входной грани пластинки.
Достоинством известного устройства является расширение диапазона получения всех форм поляризации излучения при величине Δ>(2k+1)π/2, обусловленное
возможностью изменения итоговой толщины кристаллических пластинок.
Однако, преобразование форм поляризации излучения за счет изменения амплитуд колебаний векторов Б обыкновенного и необыкновенного лучей приводит к получению форм поляризации излучения только с частным расположением эллипсов поляризации в пространстве, а именно, в плоскости входной грани пластинки, что является ограничением.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке устройства для преобразования форм поляризации излучения, которое позволяет при постоянной толщине пластинки d на выходе из нее получить все формы поляризации излучения с различным положением эллипсов поляризации в пространстве за счет увеличения длины оптического пути, приводящего к изменению величины фазового сдвига А.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве для преобразования форм поляризации излучения, содержащем установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, фазовую кристаллическую пластинку, анализатор и фотоэлектрический прибор, в котором фазовая кристаллическая пластинка установлена с возможностью поворота, оси пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно друг к другу, оптическая ось фазовой кристаллической пластинки лежит в плоскости ее входной грани, а также в горизонтальной плоскости оптической системы и расположена под углом 45° к оси пропускания поляризатора, фазовая кристаллическая пластинка установлена с возможностью поворота вокруг ее кристаллофизической оси, перпендикулярной оси оптической системы.
Благодаря повороту фазовой кристаллической пластинки вокруг ее вертикальной кристаллофизической оси увеличивается длина оптического пути, пройденного излучением, что приводит к изменению величины фазового сдвига А при постоянной толщине пластинки d, что позволяет получить на выходе из фазовой пластинки все формы поляризации излучения с различным
положением эллипсов поляризации излучения в пространстве.
На фиг.1 представлена схема устройства для преобразования форм поляризации излучения.
На фиг.2 представлен график изменения интенсивности излучения, прошедшего через оптическую систему, от угла поворота фазовой кристаллической пластинки.
Устройство для преобразования форм поляризации излучения содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения 1, поляризатор 2, фазовую кристаллическую пластинку 3, анализатор 4 и фотоэлектрический прибор 5. Все элементы системы установлены перпендикулярно ее оптической оси. Для исследования интенсивности прошедшего через систему излучения используют систему скрещенных поляризатора и анализатора, оси пропускания которых расположены взаимно перпендикулярно. Фазовая кристаллическая пластинка 3 изготовлена из кварца и имеет заданную толщину d, определяющую фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами. Оптическая ось фазовой пластинки 3 расположена в плоскости входной грани, является медленной осью, совпадающей с горизонтальной кристаллофизической осью у, и лежит в одной горизонтальной плоскости с осью оптической системы под углом 90° к ней. Вертикальная кристаллофизическая ось х является быстрой осью пластинки 3 и составляет угол 90° с медленной осью в плоскости входной грани. Оптическая ось фазовой пластинки 3 составляет угол 45° с осью пропускания поляризатора. Фазовая пластинка 3 установлена с возможностью поворота вокруг ее вертикальной кристаллофизической оси.
Работа устройства для преобразования форм поляризации излучения рассмотрена для фазовой кристаллической пластинки с величиной Δ=(2k+1)π/2=47π/2, эквивалентной Δ=π/2, и осуществляется следующим образом.
Монохроматическое излучение пропускается вдоль оси оптической
0
x
у
системы через поляризатор 2, который преобразует излучение в монохроматическое линейно поляризованное излучение с интенсивностью I и направлением вектора Е под углом 45° к осям фазовой пластинки 3. Преобразованное излучение подается на фазовую пластинку 3, в которой разбивается на два луча - обыкновенный и необыкновенный с равными амплитудами колебаний векторов Е(E=Е). Когерентные обыкновенный и необыкновенный лучи на выходе из пластинки 3 приобретают фазовый сдвиг Δ=π/2, определяемый длиной оптического пути, равной толщине пластинки d. В результате сложения таких обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из фазовой пластинки всегда получается   циркулярно поляризованное излучение. Окружность лежит в плоскости входной грани пластинки 3.
При расположении вектора Е излучения между положительными направлениями быстрой оси х пластинки 3 и медленной оси у на выходе из пластинки 3 получается излучение с правой циркулярной поляризацией.
Полученное излучение с правой циркулярной поляризацией направляется на анализатор 4, после которого излучение становится линейно поляризованным с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора 4.
0
0
Интенсивность излучения регистрируется фотоэлектрическим прибором 5. При этом интенсивность прошедшего через оптическую систему излучения равна I=0,5 I, что обусловлено изначально заданными параметрами фазовой пластинки 3 и вектора Е входящего излучения. Значение 0,5 I линейного после анализатора 4 излучения подтверждает циркулярную поляризацию излучения после фазовой пластинки 3.
х
у
Для преобразования формы поляризации излучения фазовая пластинка 3 поворачивается вокруг своей вертикальной кристаллографической оси. На процесс преобразования форм поляризации влияют два фактора, а именно, изменение фазового сдвига Δ и изменение амплитуд колебаний векторов Е и Е обыкновенного и необыкновенного лучей.
При повороте нормаль к пластинке 3 отклоняется от направления
излучения на угол α, увеличивается длина оптического пути, пройденного излучением, что приводит к изменению первоначальной величины фазового сдвига Δ=π/2 при постоянной толщине пластинки d.
х
у
y
Кроме того, при отклонении нормали к пластинке 3 от направления излучения на угол а плоскость входной грани пластинки 3 поворачивается на этот же угол а относительно плоскости, перпендикулярной направлению излучения. При этом амплитуда колебаний вектора Е обыкновенного луча остается неизменной, а амплитуда колебаний вектора Е необыкновенного луча уменьшается до значения Ecosα. Изменение амплитуд оказывает влияние на преобразование форм поляризации излучения на выходе из фазовой пластинки 3.
х
у
Таким образом происходит одновременное изменение фазового сдвига и амплитуд колебаний векторов E и Е обыкновенного и необыкновенного лучей, причем в процессе преобразования форм поляризации излучения фактор фазового сдвига является превалирующим.
При повороте фазовой пластинки 3 на угол 0°<α<10° увеличивается длина оптического пути, пройденного излучением, до значения d/cosα, что приводит к увеличению фазового сдвига в интервале от первоначальной величины π/2 до значения π. Изменение величины фазового сдвига приводит к преобразованию излучения с правой циркулярной поляризацией в излучение с правой эллиптической поляризацией на выходе из пластинки 3.
При этом для каждого угла а эллипс поляризации не остается в плоскости входной грани пластинки 3.
Эллипс поляризации с правым направлением вращения для каждого угла а лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и которая составляет угол а с плоскостью входной грани пластинки 3. Большая ось эллипса ориентирована под тупым углом к быстрой оси пластинки.
o
0
Интенсивность такого излучения, измеренная фотоэлектрическим прибором 5 после пропускания через анализатор 4, увеличивается в пределах 0,5 I<I<I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после
фазовой пластинки 3.
0
При повороте фазовой пластинки 3 на α=10° величина фазового сдвига достигает значения я и на выходе из пластинки 3 получается линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора 4. Интенсивность такого излучения I достигает значения I=I, что подтверждает линейно поляризованное излучение с направлением вектора Е, параллельным оси пропускания анализатора 4, на выходе из фазовой пластинки 3. Вектор Е выходящего из пластинки 3 излучения лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и которая составляет угол α=10° с плоскостью входной грани пластинки 3.
При дальнейшем повороте фазовой пластинки 3 на угол 10°<α<13° процесс увеличения фазового сдвига продолжается, вследствие чего происходит преобразование линейно поляризованного излучения в излучение с левой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и которая составляет угол 10°<α<13° с плоскостью входной грани пластинки 3. Большая ось эллипса ориентирована под тупым углом к быстрой оси пластинки 3.
Интенсивность такого излучения I уменьшается в интервале 0,5 Io<I<Io, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после фазовой пластинки 3.
При повороте фазовой пластинки 3 на угол α=13° фазовый сдвиг достигает величины 3π/2 и излучение с левой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с левой циркулярной поляризацией.
Окружность лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и которая составляет угол α=13° с плоскостью входной грани пластинки 3.
0
Интенсивность такого излучения I, измеренная фотоэлектрическим прибором 5 после пропускания через анализатор, равна I=0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения после фазовой пластинки 3.
При дальнейшем повороте фазовой пластинки 3 на угол 13°<α<16° величина фазового сдвига изменяется в интервале от 3π/2 до 2π, вследствие чего происходит преобразование излучения с левой циркулярной поляризацией в излучение с левой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с левым направлением вращения лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и которая составляет угол 13°<α<16° с плоскостью входной грани пластинки 3. Большая ось эллипса ориентирована под острым углом к быстрой оси пластинки 3.
0
Интенсивность такого излучения I уменьшается в интервале 0<I<0,5I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения после фазовой пластинки 3.
При повороте фазовой пластинки 3 на угол α=16° величина фазового сдвига достигает значения 2π и на выходе из пластинки 3 получается линейно поляризованное излучение с сохранением первоначального направления вектора Е, перпендикулярного оси пропускания анализатора 4, который такое излучение не пропускает. Интенсивность излучения I равна нулю, что подтверждает линейно поляризованное излучение с сохранением первоначального направления вектора Е после фазовой пластинки 3. Вектор Е выходящего из пластинки 3 излучения лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, и расположенной под углом α=16° к плоскости входной грани пластинки 3.
При дальнейшем повороте фазовой пластинки 3 в интервале 16°<α<19° величина фазового сдвига изменяется в интервале от 2π до 5π/2, вследствие чего происходит преобразование излучения с линейной поляризацией в излучение с правой эллиптической поляризацией.
Эллипс поляризации с правым направлением вращения лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения и расположенной под углом 16°<α<19° к плоскости входной грани пластинки 3. Большая ось эллипса ориентирована под острым углом к быстрой оси пластинки 3.
Интенсивность такого излучения I увеличивается в интервале 0<I<
0
0,5 I, что подтверждает эллиптическую поляризацию излучения на выходе из фазовой пластинки 3.
При повороте фазовой пластинки 3 на угол α=19° фазовый сдвиг достигает величины 5π/2, и излучение с правой эллиптической поляризацией преобразуется в излучение с правой циркулярной поляризацией.
Окружность лежит в плоскости, перпендикулярной направлению излучения и расположенной под углом α=19° к плоскости входной грани пластинки.
0
Интенсивность такого излучения I, измеренная фотоэлектрическим прибором после пропускания через анализатор, равна 0,5 I, что подтверждает циркулярную поляризацию излучения после фазовой пластинки 3.
При дальнейшем повороте пластинки 3 на угол α>19° процесс изменения форм поляризации излучения повторяется.
Таким образом, при повороте фазовой кристаллической пластинки 3 с величиной Δ=47π/2 в интервале 0°<α<19° при постоянной толщине пластинки d на выходе из нее получены все формы поляризации излучения, а именно: линейно поляризованные излучения с параллельным и перпендикулярным направлениями векторов Е к оси пропускания анализатора, излучения с правой и левой циркулярными и эллиптическими поляризациями. Эллипсы поляризаций ориентированы под различными углами относительно быстрой оси х в различных плоскостях, составляющих углы 0°<α<19° с первоначальным положением плоскости входной грани пластинки 3.
В общем случае изменением утла поворота фазовой пластинки можно увеличивать длину оптического пути, определяющую фазовый сдвиг Δ, и в итоге при разных значениях фазового сдвига Δ на выходе из фазовой пластинки 3 получить все формы поляризации излучения, оси эллипсов которых лежат в различных плоскостях, не совпадающих с плоскостью входной грани пластинки 3.
Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре «Физика» ДВГУПС.
При проведении экспериментальных исследований в оптической системе
в качестве источника монохроматического излучения использован гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве фазовой кристаллической пластинки - кварцевая пластинка, вырезанная параллельно оптической оси толщиной d=3,304 мм. Поворот фазовой кристаллической пластинки осуществлен на гониометре ГС-5, при этом фазовая пластинка поворачивается вокруг вертикальной кристаллографической оси в интервале от 0° до ±30° через 0,5°. Определение величины интенсивности прошедшего через систему излучения осуществлено с помощью фотодиода ФД-20 (фотоэлектрический прибор).
Для определения формы поляризации излучения после фазовой пластинки использован метод исследования в сходящемся излучении с получением коноскопической картины фазовой кристаллической пластинки. Она представляет собой две системы гипербол, чередующихся по интенсивности (черных и светлых) и расположенных под углом 90° друг к другу. Коноскопическая картина дает общий вид распределения интенсивности излучения при прохождении расходящегося пучка излучения через фазовую кристаллическую пластинку. По коноскопической картине предварительно визуально определяется форма поляризации излучения на выходе из фазовой пластинки в пучке, направленном в данную точку картины.
Для подтверждения визуально определенной формы поляризации излучения измеряется интенсивность узкого пучка, направленного в данную точку коноскопической картины, с помощью анализатора и фотодиода.
Далее проводится наблюдение за изменением интенсивности узкого пучка при вращении анализатора.
0
При сохранении значения интенсивности, равного 0,5 I при вращении анализатора от 0° до 360°, делается вывод о циркулярной поляризации излучения в пучке на выходе из фазовой пластинки, направленном в данную точку коноскопической картины.
При уменьшении интенсивности пучка излучения при некотором
положении анализатора до минимального значения, равного нулю, делают вывод о линейной поляризации пучка с направлением вектора Е, перпендикулярным оси пропускания анализатора, на выходе из фазовой пластинки.
При уменьшении интенсивности пучка излучения при некотором положении анализатора до минимального значения, не равного нулю, делают вывод о эллиптической поляризации пучка после фазовой пластинки.
Таким образом последовательно исследуется форма поляризации излучения пучка после фазовой пластинки, направленного в каждую характерную точку на горизонтальной оси коноскопической картины.
Правое или левой направление вращения вектора Е определяется по взаимному расположению быстрой и медленной осей фазовой пластинки и направлению вектора Е входящего излучения.
Угловая зависимость интенсивности прошедшего излучения от угла поворота фазовой пластинки (фиг.2) представляет собой периодически осциллирующую кривую в интервале от 0° до ±30°. На интервале от 0°до ±19° получены все формы поляризации излучения после фазовой пластинки. После угла поворота 19° процесс преобразования форм поляризации излучения повторяется.
0
o
На интервале от 0° до ±19° наблюдаются один максимум со значением интенсивности I для угла поворота пластинки 10°, минимум со значением интенсивности 0,5 I для угла поворота 0° и минимум со значением интенсивности, равным нулю, для угла поворота пластинки 16°.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Волкова, Е.А. Поляризационные измерения/ Е.А. Волкова. - М.: издательство стандартов, 1974. 156 с.
2. Константинова, А.Ф. Оптические свойства кристаллов/А.Ф. Константинова, Б.И. Гречушников, Б.В. Бокуть, Е.Г. Валяшко. - Минск.: Наука и техника, 1995. 302 с.
3. Гольцер, И.В. Оптически активный аналог четвертьволновой пластинки / И.В.Гольцер, М.Я.Даршт, Б.Я.Зельдович, Н.Д.Кундикова // Квантовая электроника. - 1993. - т.20. - №9. - С.916 - 918. 22