Четвертьволновое устройство

(54) ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к прикладной on— тике и может использоваться для внесения разности фаз 90 между составляющими излучения с взаимно перпендикулярными поляризациями, в частности, в качестве компенсатора в зллипсометрии.

Известно четвертьволновое устройство, выполненное в виде прозрачного. параллелепипеда, две взаимно параллельные грани которого служат входом н выходом устройства, а две другие взаимно параллельные грани, составляющие определенный угол с предыдущими, являются отражающими. Излучение входит в параллелепипед через входную грань, испытывает полное вйутреннее отражение на каждой из двух отражающих граней н вы ходит из устройства. При полном внутрен-. нем отражении между составляющими излучения, поляризованными параллельно и перпендикулярно плоскости падения, возникает -2o разность фаз, определяемая углом падения излучения, а следовательно, углом между плоскостями, одна иэ которых параллельна входной и выходной граням, а вторая

2 отражающим граням. Этот угол выбран таким, чтобы полная вносимая разность фаэ составляла 90 (1).

Недостатком этого устройства .является m, что выходной луч смещен относительно вхо рного на значительное расстояние, что исключает применение этого устройства в случае, когда его необходимо вращать относительно оптической оси системы.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является чствертьволновое устройство, выполненное в виде прямой многогранной прозрачной призмы, содержащей параллельные и равные между собой входную и выходную грани, две равные грани, наклоненные относительно. входной и выходной граней на равные углы, вел нчина которых превышает угол полного внутреннего отражения для материала призмы, и образующие;крышу,, вырезанную в теле призмы, а также поверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крыши.

5О

3 99505

Указанная поверхность в этой призме выполнена s виде плоскости, .перпендикулярной входной и выходной граням. Излучение входит в призму такой конструкции по нормали, последовательно испытывает полные внут-5 ренине отражения на первой наклонной грани крыши, на грани, перпендикулярной к входной и выходной граням призмы, и на второй наклонной на .грани крыши, после чего опять же по нормали к выходной грани по- 10 кидает устройство. При этом величины углов падения излучения на отражающие грани приз- мы выбираются в соответствии с условием, что полная вносимая разность фаэ равна

90 (21. 15

Недостатком этого устройства является необходимость его точной юстировки, что обусловлено следующими соображениями.

При смещении входного луча, параллельно самому себе выходной. луч смещается также параллельно самому себе, но в противоположную сторону, т.е. происходит взаимное смещение входного н выходного лучей, что недопустимо при необходимости вращения устройства вокруг оптической осн. То же можно сказать о возникающей при нарушении нормальности падения излучения на призму неколлинеарности выходного и входного лучей.

Кроме того, нарушение нормальности падения входного луча на входную грань приводит к увеличению (уменьшению) всех углов отражения, вследствие чего уменьшается (увеличивается) вносимая каждым отражением разность фаэ, н суммарная раз35 ность фаз заметно изменяется.

Так, например, для устройства, изготовленного из германия, отклонение от нормальности величиной 4 вызывает изменение разности фаз величиной 6 . Другим недостат Ю ком рассмотренной конструкции является ее большая длина, что особенно относится, к устройствам для работы в ИК-диапазоне, большие значения, показателя преломления материала которых приводят к увеличению значений углов падения (длина устройства, выполненного из германия и имеющего входную площадку размером 5х5 мм, составляет 47,мм).

Цель изобретения — снижение требований к юстировке устройства и уменьшение его длины.

Поставленная цель. достигается тем, что в четвертьволновом устройстве, выполненном в виде прямой многогранной прозрачной призмы, содержащей параллельные и равные 55 между собой входную и выходную грани, две равные грани, наклоненные относительно входной и выходной грани на равные углы, величина которых превышает угол полного внутреннего отражения для материала призмы, н образующие крышу, вырезанную в теле призмы, а также поверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крыши, указанная поверхность полного внутреннего отражения также выполнена в виде крыши, грани которой равны и попарно, параллельны граням, образующим первую крышу, а угол а, образованный попарно параллельными гранями обеих крыш с входной и выходной гранямн, определяется из соотношения где n — показатель преломления материала призмы.

На фнг. 1 показана схема четвертьволнового устройства; на фиг. 2 — кривая зависимости вносимой разности фаз при одном полном внутреннем отражении от угла падения для германия.

Четвертьволновое устройство представляет собой прямую многогранную призму 1, изготовленную иэ, прозрачного для рабочего диапазона длин волн материала, имеющую параллельные и равные между собой входную 2 и выходную 3 грани, и четыре попарно параллельные и равные отражающие грани 4, 5 н 6, 7. Прн этом нижняя часть крыши, образованной гранями 4 и 7 н. вырезанной в теле призмы 1, и верхняя часть крыши, образованной гранями 5 и 6, могут быль срезаны как это показано на фиг. 1.

Углы а между отражающими гранями 4, 5 и 6, 7 и соответственно входной гранью 2 и выходной гранью 3 одинаковы и выбраны в соответствии с вышеуказанным соотношением такими, чтобы вносимая при одном отражении разность фаз составляла 112,5 . В случае изготовления призмы, например, иэ германия, для которого n = 4 угол a =

30 (фиг. 2).

В этом случае линейные размеры устройства, укаэанные на фиг. 1 определяются следующими оптимальными соотношениями:

d = 2,36; 1 = 0,5776; a=h;.h = 2h. Следуо ет отметить также, что угол а = 30 соответствует менее крутому спадающему участку ВС кривой .фиг. 2, благодаря чему могут быть снижены требования к точности изготовления призмы 1.

Четвертьволновое устройство работает следующим образом.

Излучение падает нормально на входную грань 2 призмы 1, последовательно испытывает четыре полных внутренних отражения ких целях, но и в промышленных конструкциях.

Четвертьволновое устройство, выполненное в виде прямой многогранной прозрачной призмы, .содержащей параллельные и равные между собой входную и выходную грани, две равные грани, наклоненные относительно входной и выходной граней на. равные углы, величина которых превышает угол полного внутреннего -отражения для материала призмы,; и образующие . крьцЬу, вырезанную в теле призмы, а также йоверхность полного внутреннего отражения, расположенную напротив этой крыши, о т л и ч а ю щ е е. с я тем, что, с целью снижения требований к Ьстировке устройства и уменьшения его длины, указанная поверхность полного внутреннего отражения также выпоЛнепа в виде крыши, грани которой-, равны и попарно параллельны граням, образуннпим первую крышу, а угол а, образованнь1й попарно параллельными гранями обеих крыш с входной и выходной гранями, определяется нз соотношения

9ю Й cosoL йй,f где и — показатель преломления материала призмы.

Источники информации, принятые во внимание при. экспертизе

1. Калнтеевский Н. И. Волновая оптика.

М., "Наука", 1971, с. 84 — 85;::

2. Азэам P., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М., "Мир", 1981, с. 423 (прототип);,— фри

":. -- -995051, от граней 4, 5 и 6, 7 и выходит из устройства по нормали к- выходной грани 3.

При этом благодаря -соответствующему выбору угла а,,.равного углу падения излучения на отражающие грани призмы 1, на каж- 5 дой иэ этих граней в излучение вноситсясдвиг фаз, соответствующий 112,5, Таким образом, общий сдвиг фаз равен 450 и эквивалентен 90 . Благодаря предложенной . конструкции призмы 1 параллельное смещение входного луча не вызывает взаимного смещения выходного и входного лучей, а при нарушении нормальности падения излучения на призму выходной луч остается па- . раллельным входному (при этом происходит И лишь. незначительное смещение выходного луча, равное, например, дпя.призмы нз германйя с h = 5 мм 0,12 мм при отклонении .от нопмальностй 4 ). Изменение вносимой разности фаз при Hapymemm нормальности зп мало, так как для двух отражении углы падения при этом увеличиваются, а для двух друтих — уменьшаются на те же значения. Поэтому обусловленные таким нарушением изменения вносимой разности фаз . " прп суммировании компенсируются. Так, например, для призмы из германия отклоне: ние от нормальности 44 -вызывает измене ние вносимой разности фаэ всего 0,1, что. -в 60 раз меньше. чем у известного устройства. И, наконец, длина предложенного устройства при выполнении его из германия составляет d 12 -мм при h = =5 мм или в 4 раза меньше дняны известной призмы. . Таким образом, использование предложенного устройства позволяет существенно снизить требования к юстировке при уменьшении . его длины, что - делает возможным применение четвертьволноваго устройства отражательного типа не только s исследовательс/

Ф о р м.у л. а и з о б р е т е н и я

995051

Л7 Ю 40 80

Уго т луА же а аыФ

Фы. Р фф ВНИИПИ Заказ 638/32 Тираж 509 Под исное

Филиал ППП Патент", г.Ужгород, ул,Проектная,4