Комбинированные деполяризаторы

Клиновой деполяризатор Ханле эффективно превращает линейно поляризованное излучение в псевдодеполяризованное, но только при одном условии – азимут электрического вектора падающего излучения составляет 45˚ по отношению к оптической оси деполяризатора (оптическая ось в клине). В остальных случаях деполяризация не эффективна, а при четырех ориентациях входной поляризации – 0, 90, 180, 270˚ - линейная поляризация проходит через деполяризатор без изменения при всех длинах волн. Это главный недостаток деполяризатора Ханле.

Часто встречающаяся и наиболее сложная задача – это деполяризация линейно поляризованного монохроматического излучения разных длин волн с произвольной, заранее не известной ориентацией азимута электрического вектора. Главное условие при проектировании такого деполяризатора – отсутствие выделенного направления по которому линейная поляризация в диапазонах длин волн может распространяться без трансформации. Для этого, элементы, имеющие оптическую ось и хорошо деполяризующие монохроматическое излучение, используются в композициях, исключающих подобное явление. Такие деполяризаторы называют комбинированными.

В рекламных материалах фирмы «ORIEL» предлагается комбинированный деполяризатор, в котором компенсирующий клин из изотропного материала (плавленый кварц) в деполяризаторе Ханле заменен на двупреломляющий клин из кристаллического кварца. Оптические оси во встречных клиньях развернуты друг относительно друга в азимутальной плоскости на 45˚. Утверждается, что данная комбинация деполяризаторов Лио и Ханле «объединяет достоинства и устраняет недостатки» последних. При этом минимальным размером пучка считается световой диаметр в 1 мм. Из приведенного в спецификации к деполяризатору углового расхождения в 3 угл.мин. мы оценили угол клиньев – не менее 4˚. Поэтому можно провести расчет деполяризационных характеристик предлагаемого комбинированного деполяризатора (см. рис. 5).

Методика расчета почти такая же такая же, как и для деполяризатора Ханле. На деполяризатор падает линейно поляризованное излучение с абсолютным поляризационным контрастом и произвольным азимутом поляризации относительно оптической оси первого клина (для определенности). Для луча с произвольным расположением в сечении пучка и длиной волны рассчитывается методом матриц Джонса преобразование состояния поляризации на выходе. Выходное излучение исследуется линейным анализатором. Интенсивности всех пучков с данным азимутом поляризации и длиной волны после анализатора суммируются интегрированием по сечению пучка. В качестве параметров выступают диаметр пучка с сечением в форме круга, угол встречных клиньев, азимутальный угол взаимной ориентации оптических осей в клиньях и толщины плоскопараллельных оснований в них (рис. 5). За меру качества деполяризации, как и ранее, принимается коэффициент деполяризации Kd, равный отношению наибольшей и наименьшей (или наоборот) интенсивностей в индикатрисе выходного излучения, т.е. степень отличия индикатрисы от круга. При расчете деполяризатора Ханле азимут входной поляризации относительно оси деполяризатора известен (45˚), поэтому известны азимуты главных осей эллипса выходной интенсивности. В данном случае в алгоритм расчета приходится включать программу поиска главных осей выходной индикатрисы для разных азимутов электрического вектора во входном излучении. Для сопоставления характеристик деполяризатора Ханле и комбинированного деполяризатора «ORIEL» выберем такие же параметры: угол клиньев q=3˚, световой диаметр D=10 мм, толщина плоскопараллельных оснований d=2 мм. Азимут входной поляризации относительно оси первого клина выберем для наиболее характерных точек α=0˚; α=45˚; α=22,5˚. Истинно характерными точками являются только азимуты α=0˚ и α=45˚. Значение α=22,5˚ просто промежуточное.

Рис.1. Спектральная зависимость коэффициента деполяризации комбинированного деполяризатора «ORIEL».

Световой диаметр D=10 мм, угол клиньев q=3˚, толщина плоскопараллельных оснований d= 2 мм. Азимут входной поляризации α: Kd1 – α=0˚, Kd2 - α= 22.5˚, Kd3 - α=45˚.

 

Результаты для других ориентационных углов будут повторять указанные (с точностью до обратных значений Kd). Для деполяризатора Ханле лучшая деполяризация будет при азимуте в 45˚, а при α=90˚ - он вообще не работает. Для деполяризатора «ORIEL» наоборот - ориентационный угол α=90˚ оптимальный, а при азимуте входной поляризации α=45˚ - деполяризация менее всего эффективна. Но линейную поляризацию без трансформации комбинированный деполяризатор действительно не пропускает при любых ориентационных углах и длинах волн. На рис.2 на одном графике для сравнения приведены спектральные характеристики деполяризаторов Ханле и «ORIEL» в наиболее благоприятных для каждого условиях.

Рис. 2. Сравнение спектральных зависимостей Kd  для деполяризаторов Ханле (Kdh) и «ORIEL» (Kd1).

D=10 мм, q=3˚, d= 2 мм. Kd1 – азимут входной поляризации α=0˚, Kdh - α=45˚. Кривые полностью идентичны.

 

Проверим теперь деполяризационные параметры деполяризатора «ORIEL» при указанном в спецификации минимальном рабочем световом диаметре D= 1 мм. Угол клина выберем в соответствии с указанным расхождением лучей (см. выше) q=4˚. Спектральную зависимость деполяризации рассчитаем для самой благоприятной α=0˚ и самой неблагоприятной ориентации входной поляризации α=45˚. Весь рабочий диапазон разделим на три участка для более подробной картинки (см. рис.3, 4, 5).

Рис. 3. Kd1 – азимут входной поляризации, α=0˚, Kd2 - α=45˚; V =1.

 

Рис. 4. Kd1 - α=0˚, Kd2 - α=45˚.

 

Рис. 5. Kd1 - α=0˚, Kd2 - α=45˚.

 

Из приведенных графиков следует, что при световом диаметре D=1мм и угле клина порядка 4˚, комбинированный деполяризатор приемлемо работает только при длинах волн, короче 0,5 мкм. При более длинных волнах он начинает работать, только как деполяризатор Лио и мало пригоден для монохроматиченского излучения.

Комбинированный деполяризатор описанного типа имеет в области благоприятных ориентационных углов входной поляризации такие же характеристики,  как и деполяризатор Ханле и предъявляет такие же требования к величине светового диаметра пучка и угла клина. Но его применение вместо деполяризатора Ханле целесообразно, поскольку ни при каком азимуте поляризации входного излучения он не пропускает линейно поляризованное излучение, существенно не понизив его контраст. Хотя при неблагоприятной ориентации, его Kd осциллирует с заметной амплитудой (рис. 1).