Призма Глана-Тейлора из кальцита

Кальцит (исландский шпат) является самым древним материалом поляризационной оптики и до настоящего времени самым употребительным. Широта спектральной области пропускания, высокое двупреломление, хорошее оптическое качество в смысле наличия дефектов структуры, высокая лучевая прочность и химическая устойчивость определяют его особое положение в оптике. Призмы Глана-Тейлора, изготовленные из кальцита, имеют самый широкий спектральный диапазон по сравнению с любыми другими кристаллическими материалами. Последнее определяется особыми характеристиками дисперсионной зависимости его показателей преломления.

В практических устройствах обычно имеют дело с осесимметричными пучками, поэтому основным принципом расчета углов среза призмы является симметричность угловой апертуры относительно оси призмы для наиболее важной длины волны.

В ЭЛАНе выпускаются призмы Глана-Тейлора (без специального заказа), оптимизированные для двух длин волн:

1. для УФ области (λ0 = 0,33 мкм) с углом среза θ = 38,5˚,
2. для всего диапазона прозрачности кальцита (λ0 = 0,5 мкм) с углом среза θ = 39,4 ˚.

Углом среза считается угол, тангенс которого равен отношению длины к апертуре призмы. Спектральные зависимости предельных углов падения, при которых призмы Глана-Тейлора из кальцита с указанными углами среза работают как поляризаторы, приведены на рис.1.

Рис.1. Предельные углы падения, при которых стандартные призмы Глана-Тейлора из кальцита работают как поляризаторы.

Ψo1(λ), Ψo2(λ) – максимальный угол падения, при котором о-луч испытывает полное внутреннее отражение для призм с углами среза 38,5˚ и 39,4˚, соответственно Ψе1(λ), Ψе2(λ) – минимальный угол падения, при котором е-луч проходит через призму.

V(λ) – показывает центральный луч, падающий по нормали

 

Полуугловые апертуры для пучка, симметричного относительно оси призмы при нормальном падении для центрального луча, приведены на рис.2.

Рис.2. Полуугловые апертуры стандартных призм Глана-Тейлора для пучков, симметричных относительно оси призмы при нормальном падении для центрального луча.

S1(λ), S2(λ) – угол среза 38,5˚ и 39,4˚.

 

Излом на зависимости S1(λ) при больших длинах волн обусловлен отрицательной величиной обоих предельных углов Ψo1(λ), Ψе1(λ) (см. рис.1). При таком поведении предельных углов падения призма не должна работать как поляризатор. Но в данном случае кальцит опять проявляет свою уникальность – призма Глана-Тейлора замечательно работает как поляризатор до 3 мкм. При длинах волн, больших 2,1 мкм кальцит становится дихроичным кристаллом. Обыкновенный луч испытывает заметное поглощение, спектр которого имеет выраженную линейчатую структуру (рис.3).

Рис.3. Поляризованное пропускание синтетического шпата толщиной 6 мм.

Те(λ) – пропускание необыкновенного луча, То(λ) – пропускание обыкновенного луча

 

Таким образом, при больших длинах волн призмы из кальцита работают еще и как дихроичные поляризаторы. Заметим, что спектральные зависимости апертуры на рис. 2-3 при длинах волн более 2,1 мкм некорректны относительно о-луча. Надежные экспериментальные данные по показателям преломления о-луча имеются до 2,1 мкм, далее для о-лучей начинается область аномальной дисперсии и показатель преломления для них должен увеличиваться, что не учтено в расчетах рис. 1-2.

Интегральное пропускание стандартных призм Глана-Тейлора рассчитывается интегрированием угловой зависимости пропускания е-луча (р-компонента в формулах Френеля) в пределах симметричной угловой апертуры с последующей нормировкой.

 

Рис.4. Интегральное расчетное пропускание (в %) стандартных призм Глана-Тейлора при падении осесимметричного пучка с полуугловой апертурой +/- 1˚ без просветления рабочих поверхностей и потерь на поглощение.

Т1(λ), Т2(λ) – углы среза 38,5˚ и 39,4˚, соответственно.

ТВ9(λ) – экспериментально измеренное пропускание призмы из кальцита марки ИШУ с углом среза 38,5˚ и апертурой 16х16 мм.

Пониженное пропускание при коротких длинах волн вызвано поглощением в кальците

 

При использовании призм Глана-Тейлора в максимально возможной угловой апертуре проявляется такой недостаток этих поляризаторов как различное пропускание рабочего луча для крайних углов падение (рис.5.)