Поляризационные призмы

Поляризацио́нные при́змы — оптические детали, частично или полностью изменяющие поляризацию попадающего в них излучения.

Выполняются из прозрачных сред.

Поляризационные призмы предназначены для получения поляризованного света и могут рассматриваться как один из видов поляризаторов.

Призма Николя́

Рис. 1. Схема и ход лучей в поляризационной призме Николя

Изобретена Уильямом Николя в 1828 году.

Призма Николя представляет собой линейный поляризатор, ход лучей в котором представлен на рисунке 1. Принцип действия призмы Николя основан на эффектах двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения. Геометрические параметры призмы Николя указаны на рисунке 1 в случае исландского шпата. Для призмы из этого материла угловая апертура полной поляризации составляет 29°.

Конструктивно призма Николя представляет собой две треугольные призмы, соединённые друг с другом гранями, противоположными прямому двугранному углу. Уильям Николя получил свою призму путём разрезания скошенного параллелепипеда из исландского шпата (орторомбическая кристаллическая модификация минерала кальцита, или карбоната кальция ${\ce {CaCO3}}$). Половинки параллелепипеда он склеил канадским бальзамом. Выбор вещества для склеивания было обусловлено специфическими свойствами канадского бальзама — прозрачностью, бесцветностью, сохраняющимся очень продолжительное время, и высокому показателю преломления (1,55). Впоследствии выяснилось, что канадский бальзам не пропускает ультрафиолетовое излучение, и применять призму Николя, склеенную канадским бальзамом, для поляризации УФ-излучения не используется.

Пучок света А, падающий на торец призмы, испытывает двойное лучепреломление и разделяется на два плоскополяризованных луча с взаимно перпендикулярной поляризацией. Обыкновенный луч имеет горизонтальную плоскость поляризации (луч AO), а необыкновенный — вертикальную плоскость поляризации (луч АE). Конструкция призмы Николя такова, что обыкновенны луч AO достигает границы раздела, образованной склейкой треугольных призм, под углом полного внутреннего отражения, и либо выходит из призмы, либо поглощается в зачернённой нижней грани призмы (в зависимости от задачи, нижнюю грань призмы Николя либо зачерняют, либо используют для отведения обыкновенного луча с горизонтальной поляризацией с целью пространственного разделения с необыкновенным лучом АE). Необыкновенный луч с вертикальной поляризацией достигает выходного торца призмы и выводится далее в оптическую систему.

В XX веке призма Николя перестала применяться в том виде, в каком её создал изобретатель, но в поляриметрии сохранилось название наблюдения: если плоскости поляризации двух поляризаторов, расположенных по разные стороны от исследуемого объекта взаимно перпендикулярны, то такое наблюдение называется «проведённым в скрещённых николях» (обозначаются николи Х, XN).

Семейство поляризационных призм Глана

Набор поляризационных призм с разными характеристиками назван в честь изобретателя одной из них, Пола Глана (Glan Paul).

Призма Гла́на — Фуко́

Рис. 2. Поляризационная призма Глана — Фуко. Кружки в левом верхнем углу означают, что оптическая ось материала призмы перпендикулярна плоскости диаграммы

Призма Глана — Фуко (т. н. призма Глана с воздушной прослойкой) — поляризационная призма, состоящая из двух прямоугольных призм (как правило, из кальцита), разделённых воздушным зазором (см. рисунок 2). Падающий пучок света разделяется на два, обыкновенный и необыкновенный, на границе воздушного зазора. Углы подобраны таким образом, чтобы обыкновенный луч испытал полное внутреннее отражение и вышел либо был поглощён зачерняющим покрытием нижней грани призмы Глана — Фуко (обладая p-поляризацией), а необыкновенный луч вышел из противоположной грани призмы, имея s-поляризацию. Недостатком призмы Глана — Фуко является узкий угол падения из-за воздушного зазора, а преимуществами — способностью работать с излучениями высокой интенсивности (лазерным, в частности) и относительно небольшими продольными размерами. Призмы Глана — Фуко из кальцита используются редко, поскольку созданы более совершенные поляризационные призмы, такие как призма Глана — Тейлора и другие. Призма Глана — Фуко является линейным поляризатором.

Призма Гла́на — Те́йлора

Рис. 3. Поляризационная призма Глана — Тейлора. Стрелочки в левом верхнем углу означают, что оптическая ось материала призмы расположены параллельно плоскости отражения

Призма создана Аркардом и Тейлором в 1948 году. Конструкция и ход лучей в призме Глана — Тейлора показана на рисунке 3. Она сходна с конструкцией призмы Глана — Фуко, но вырезана из кристаллов кальцита таким образом, чтобы оптические оси кристалла были расположены параллельно плоскости отражения. Призма Глана — Тейлора также пропускает только s-поляризованный свет. Благодаря такому взаимному расположению составляющих призм угол падения светового пучка на воздушный зазор приближается к углу Брюстера, что сильно ослабляет обыкновенный луч, обладающий частичной p-поляризацией. Это увеличивает пропускание призмы Глана — Тейлора по сравнению с призмой Глана — Фуко. Для работы с интенсивным излучением, например, лазерным, лазерную призму Глана — Тейлора делают с более крутым углом выреза.

Призма Глана — Тейлора является линейным поляризатором.

Призма Гла́на — То́мпсона

Рис. 4. Поляризационная призма Глана — Томпсона

Конструкция призмы показана на рисунке 4. Она также состоит из двух треугольных прямоугольных призм, склеенных между собой основаниями (гранями, расположенными напротив прямого двугранного угла) канадским бальзамом или синтетическим полимером. Оптические оси материала призмы (кальцита) ориентированы перпендикулярно плоскости отражения. После попадания на границу призма — слой клея свет, испытывая двойное лучепреломление, разделяется на два пучка — обыкновенный, поляризация которого остаётся неизменной (p-поляризация), и необыкновенный (s-поляризация). Из выходной грани призмы Глана — Томпсона выходит необыкновенный луч, плоскость поляризации которого повёрнута относительно плоскости поляризации входящего в призму света. Это позволяет использовать призму Глана — Томпсона как поляризационный делитель света и как обычный поляризатор.

Преимуществом призмы Глана — Томпсона является более широкая приёмная апертура для входящего светового пучка по сравнению с призмой Глана — Фуко, а недостатком — чувствительность к интенсивности входящего света, что не позволяет использовать её для мощного лазерного излучения. Однако, этот недостаток может быть исправлен, если для склеивания составляющих призм будет использовано вещество, способное выдержать прохождение мощного светового или лазерного излучения.

Рис. 4а. Призма Фостера — поляризационная призма, модификация призмы Глана — Томпсона

Одной из модификаций призмы Глана — Томпсона является призма Фостера, использующаяся для разделения световых пучков на углы 45° и 90°. Этот вид призмы ахроматичен для обоих лучей (обыкновенного и необыкновенного). Конструкция и схема хода лучей в призме Фостера показаны на рисунке 4а.

Призма Сенармона

Рис. 5. Поляризационная призма Сенармона

Конструкция и оптическая схема работы призмы Сенармона показаны на рисунке 5. Призма Сенармона напоминает призмы Глана — Фуко и Глана — Тейлора. Она также состоит из двух треугольных прямоугольных призм из кальцита, скреплённых длинными гранями (гранями напротив прямого двугранного угла). Отличие в работе призмы Сенармона состоит в том, что в ней входящий луч, испытав двойное лучепреломление на границе призма — слой клея, разделяется на обыкновенный луч (с s-поляризацией) и необыкновенный луч (с p-поляризацией), которые во второй части призмы пространственно разделяются. Обыкновенный луч проходит сквозь вторую часть призмы Сенармона без отклонения, изменив свою поляризацию, а необыкновенный луч преломляется, сохраняя поляризацию входящего пучка света, и по законам преломления слегка отклоняется на выходной грани призмы Сенармона.

Недостатком призмы Сенармона является малое пространственное разделение обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из неё, что сужает область применения данной призмы.

Призма Рошона

Рис. 6. Поляризационная призма Рошона

Ход лучей и конструкция призмы Рошона показана на рисунке 6. Она очень похожа на призму Сенармона, но, в отличие от неё, обыкновенный луч (с s-поляризацией) проходит сквозь призму, не изменяя своей поляризации, а необыкновенный луч (с p-поляризацией) свою поляризацию изменяет по сравнению с поляризацией входящего света. На выходной грани призмы Рошона, согласно закону преломления света, необыкновенный луч слегка отклоняется, причём, в отличие от призмы Сенармона, в сторону обыкновенного луча, что уменьшает степень пространственного разделения лучей и ограничивает область применения призмы Рошона.

Призма Волластона

Рис. 7. Поляризационная призма Волластона

Призма Волластона и ход лучей в ней показаны на рисунке 7. Как и в вышеописанных призмах, она состоит из двух склеенных длинными гранями прямоугольных призм, часто образуя куб. Материалы склеенных призм имеют взаимно перпендикулярные оптические оси, в результате из призмы Волластона выходят два луча с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, один из которых — обыкновенный луч (с s-поляризацией), а второй необыкновенный ((с p-поляризацией). Как правило, угол расхождения обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе составляет величину от 1 до 45°.

Рис. 7а. Поляризационная призма Номарского, модификация призмы Волластона

Одной из модификаций призмы Волластона является призма Номарского, показанная на рисунке 7а. Обычно её используют в дифференциально-интерференционно-контрастной микроскопии. Названа в честь своего изобретателя, польского и натурализованного французского физика Жоржа Номарского. Призма Номарского состоит из двух двулучепреломляющих кристаллических клиньев (например, кварца или кальцита), скреплённых вместе по большей грани. Один из клиньев имеет оптическую ось, ориентированную параллельно поверхности призмы, второй клин призмы модифицирован путём разрезания кристалла таким образом, что оптическая ось ориентирована наклонно по отношению к плоской поверхности призмы. Световый лучи в призме Номарского сходятся в фокальной точке за пределами самой призмы, что обеспечивает большую гибкость при настройке микроскопа, где она в основном и применяется.

Поляризационные призмы внешне напоминают делительные кубики, однако проигрывают им в пространственном разделении световых лучей на выходе.

Применение

Поляризационные призмы, функционально выполняющие роль линейных поляризаторов, используются в прецизионных оптических системах для получения излучения высокой степени линейной поляризации. Поляризационные призмы работают в широкой области спектра и некоторые из них в оптических системах, в которых используется мощное лазерное излучение.

Иногда в качестве склейки используют многослойные диэлектрические покрытия, что значительно улучшает КПД поляризационных призм. Обратной стороной этого является их удорожание.

К поляризационным призмам относят также призму Аренса, призму Глазенбрука, параллелепипед Френеля и призму Фуко.

Помимо призм, в качестве поляризаторов используют и более простые элементы, например, оптические стопы, в частности, стопу Столетова.

Литература

• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.
• Е. А. Иофис Фотокинотехника / И. Ю. Шебалин. — М.,: «Советская энциклопедия», 1981. — С. 251—253. — 447 с.

Ссылки

• Геометрическа оптика. Теория и практика
• Оптические детали

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Поляризационные призмы», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Поляризационные_призмы» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».