Принцип работы фазосдвигающего оптического элемента

Большинство поляризационных элементов основано на эффекте двулучепреломления кристаллических сред, но двулучепреломляющие среды (исландский шпат, кристаллический кварц и др.) обычно имеют низкую лучевую стойкость, либо высокую стоимость. Поэтому для управления поляризацией высокоинтенсивных пучков излучения такие среды не пригодны. В данном случае требованиям лучевой стойкости будут удовлетворять только оптические стекла, но они не имеют двулучепреломляющих свойств.

Существует и другой механизм управления поляризацией излучения, имеющий преимущество не только в лучевой стойкости, но и в ахроматичности. Он основан на поляризационных эффектах, наблюдаемых при отражении от границ раздела сред, в качестве которых могут использоваться и оптические стекла. Поляризационные аномалии наблюдаются около критических углов падения света на границу раздела. Такими критическими углами являются угол Брюстера и критический угол ПВО.

Пусть плоская произвольно поляризованная волна падает на фазосдвигающий элемент. В общем случае кривая, которую описывает конец колеблющегося электрического вектора волны в произвольной точке пространства, имеет проекции (являющиеся соответственно s - и p -составляющими поляризации света) на оси x и y декартовой системы координат, ось y лежит в плоскости падения:

(2.1)

где a_{s , p} – амплитуды колебаний векторов s - и p -составляющих поляризации света, ω – частота света, t – время, δ_{0 s, p} – начальные фазы s - и p -составляющих поляризации, хранящие информацию о состоянии поляризации падающего света: Δδ = δ_{0 s} – δ_{0 p} = 0 – линейная поляризация; Δδ = π/2 – круговая поляризация; при других значениях Δδ – эллиптическая поляризация.

Исключим из уравнений (2.1) параметр ω t, описывающий динамику колебаний векторов s - и p -составляющих поляризации. Для этого воспользуемся тригонометрическим тождеством для косинуса суммы аргументов, после этого преобразованные уравнения системы (2.1) умножим соответственно на (sinδ_{0 p} + cosδ_{0 p} ) и (sinδ_{0 s} + cosδ_{0 s} ), далее оба уравнения возводим в квадрат и складываем, получим

(2.2)

– это уравнение конического сечения, имеющее в общем случае форму эллипса c длинами а и b полуосей и наклоном ψ полуоси а относительно координатной оси x, определяющимися следующим образом:

(2.3)

где введен вспомогательный угол φ = arctg(a_p / a_s), который при Δδ = δ_{0 s} – δ_{0 p} = 0 имеет смысл наклона вектора линейной поляризации падающей волны относительно координатной оси x (перпендикулярной плоскости падения);

. (2.4)

При полном внутреннем отражении появляется дополнительный сдвиг фаз δ между s - и p -поляризационными составляющими, поэтому эллипс поляризации преобразуется так, что полный сдвиг фаз становится равным Δδ = δ_{0 s} – δ_{0 p} + δ. Это подставляется в формулы (2.3)–(2.4), и по новому углу наклона ψ, а также соотношению а и b определяется выходное состояние поляризации волны после прохождения фазосдвигающего элемента.