Polarisationseinrichtung. Es sind Interferenzanordnungen aus einer Mehrzahl übereinanderliegender Schichten vorgeschlagen worden, deren optische Dicke (also das Produkt aus der wahren Dicke der Schicht und deren Brechungszahl) höchstens je ein niedrigzahliges Vielfaches der mittleren Wellenlänge des auffallenden Lichtes beträgt und deren Brechungszahl abwechselnd immer ein und denselben niedrigen Wert (n1) und ein und denselben hohen Wert (n2) hat, wobei die Schichten in ihrer Dicke so bemessen sind, dass gewisse Wellenlängenbereiche durch In terferenzwirkungen so stark reflektiert wer den, dass nur ein geringer Bruchteil des Lich tes dieses Wellenlängenbereiches durch die Anordnung hindurchgeht.
Nach der Erfin dung werden diese Anordnungen dadurch als Polarisatoren, die in einem gewissen Wellen- längenbereieh (insoweit nicht Schwächungen durch Zerstreuung oder Absorption eintre ten) die eine polarisierte Komponente des darauffallenden Lichtes fast völlig reflektie ren, während die andere fast völlig hindurch gelassen wird, verwendbar gemacht, dass man dafür sorgt, dass die zwischen je zwei Schich ten liegende Grenzfläche von dem auf sie fallenden Liebt ungefähr unter dem Brewster- schen Winkel getroffen wird.
Dabei ist, wie bekannt, der Brewstersche Winkel derjenige Neigungswinkel des Lichteinfalles gegen die Normale, bei dem der an der Grenzfläche der betreffenden beiden Stoffe reflektierte Strah- lenanteil auf dem gebrochen von dem einen Stoff in den andern übertretenden senkrecht steht. Dies ist dann der Fall, wenn für den Winkel a, unter dem das einfallende Licht beim Übergange aus einem Stoff von der Brechungszahl n1 in einen Stoff von der Bre chungszahl n2 gegen die Normale der Grenz- fläche geneigt ist, die Gleichung erfüllt ist tg u = n2/n1.
Sind z. B. die beiden Stoffe Siliziumdioxyd (n1 =1,46) und Titandioxyd (n2=2,47), so ist tg a = 1,69, der Brewstersche Winkel beträgt hier also a= 59 24'.
Der durch die Erfindung erzielte Fort schritt ergibt sich aus folgender Überlegung: Geht Licht aus einem Stoff von der Brechung n1 in einen Stoff von der Brechung n2 über, so gilt für die Amplitude r, des senkrecht zur Einfallsebene schwingenden, polarisiert reflek tieren Anteils die von Fresnel aufgestellte Glei- ehung r,=-sin (a-ss)/sin (a+ss), worin a der Neigungswinkel der einfallenden Strahlen und ss der Neigungswinkel der ge brochenen Strahlen gegen die Normale ist.
Aus dieser Gleichung ergibt sich bei Berück sichtigung der für den Einfall unter dem Brewsterschen Winkel geltenden Gleichungen a + ss = 90 und tg a =nt2/n1 die Gleichung rs = (n12-n22)/(n12 +ni22).
Bei senkrechtem Einfall würde sich dagegen die beträchtlich kleinere Amplitude (n1-n2)/(n1 + n2 ergeben. So ist z. B. bei dem oben angenom menen Fall von n1 =1,46 und n2 = 2,47 (n1-n2)/(n1 +n2)=-0,257 (n12-n22)/(n12 +n22) =-0,482, was einen Zuwachs der Amplitude von 88 % bedeutet. Infolge dieser starken Erhöhung der Amplitude genügen schon sehr wenige Schielh- ten, um einen sehr hohen Anteil des reflektier ten polarisierten Lichtes zu erzielen. Es besteht nämlich zwischen der Amplitude rs des von einer solchen Anordnung zurück geworfenen Strahlungsanteils, dem Durchlass vermögen Do im Maximum der Reflexion und der Mindestanzahl m der hochbrechenden Schichten die Beziehung 1-Do = #g2 (2mrs).
Infolgedessen würden bei senkrecht auffal lendem Licht und Verwendung von Silizium dioxyd und Titandioxyd mindestens sechs Schichten aus Titandioxyd und fünf zwischen diesen liegende Schichten aus Siliziumdioxyd erforderlich sein, um bei Abwesenheit von Verlusten durch Zerstreuung und Absorption eine Minimaldurehlässigkeit Do von 2 %, also eine Maximalreflexion von 98 % zu erzielen.
Lässt man jedoch das Licht unter dem Brew- sterschen Winkel auffallen, so genügen schon drei Schichten aus Titandioxyd und zwei Schichten aus Siliziumdioxyd, uni dieselbe Minimaldurchlässigkeit von 2 % zu erzielen, und bei Verwendung von vier Schichten aus Titandioxyd und drei Schichten aus Silizium- dioxy d würde die Minimaldurchlässigkeit auf 0,1% sinken.
Die parallel zur Einfallsebene schwingende Komponente des Lichtes geht bei Einfall unter dem Brewsterschen Winkel ohne Reflexions- verloste und infolgedessen, insoweit nicht Verluste durch Zerstreuung und Absorption eintreten, ungeschwäeht durch die Anordnung hindurch.
Die polarisierenden Schichten darf man dabei jedoch nicht an Luft grenzen lassen. Hat nämlich der Körper, aus dem heraus das Licht in eine Doppelschieht n1, n2 eintritt, die Brechungszahl no, so werden die Schichten dann unter dem Brewstersehen Winkel dureh- laufen, wenn das Licht in dem Körper mit der Normalen zur äussersten Schicht einen Winkel ao bildet, der der Bedingung genügt
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Nun ist z. B. für die oben genannten Werte von n1 = 7,46 und n.2 =2),47 der Wert der Wurzel gleich 0,796. Da sin @co aber höchstens gleieh 1 sein kann, so muss also
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sein; der Körper darf also nicht aus Luft (n = 1) bestehen. Ebenso überzeugt man sich leicht für alle andern praktisch in Frage kommenden Werte von n1 und n2, dass no grösser als 1 sein muss.
Es ist daher nicht möglich, die Schichten an Luft grenzen zu lassen, sondern es muss noch ein, gegebenen falls aus einer Flüssigkeit bestehender und dann von der Luft durch eine Deekplatte zu trennender Körper zwischengeschaltet werden, dessen Breehungszahl grösser als 7 ist. Ist ein solcher zwisehengeselialteterKörper ein plan paralleler, so besteht aber auch für ihn wieder die Bedingung, dass er nicht an Luft grenzen darf. Führt man jedoch diesen Körper oder einen weiterhin an ihn grenzenden als bre chendes Prisma aus, so kann man durch ent sprechende Wahl. des brechenden Winkels des Prismas erreichen, dass das aus der Luft in die Anordnung eintretende Licht unter dem gewünschten Winkel auf die Schichten trifft..
Wie man sieh leicht überzeugen kann, muss hierzu der brechende Winkel mindestens gleich a"-aresin (1/ia.") sein. Um schädliche Reflexionen nach Möglichkeit zu vermeiden, sorgt man zweckmässig dafür, dass die zwi schen jeder äussersten Schicht und der Luft liegenden Körper mit ihrer Brechungszahl ungefähr mit der Brechungszahl der einen oder der andern Schichten übereinstimmen. Hat der Prismenwinkel den geringstzulässigen Wert, so trifft das auffallende Licht streifend in das Prisma ein.
Da hierbei und überhaupt bei gsossen Einfallswinkeln hohe Reflexions verluste eintreten würden, macht man zweck mässig den Prismenwinkel mindestens so gross, dass das Lieht unter einem Winkel von 50 gegen die Normale der Eintrittsfläche geneigt ist. Entsprechende Überlegungen wie für den Eintritt des Lichtes gelten auch für den Aus tritt des durch die Schichten hindurchgegan genen und des an ihnen reflektierten Lichtes.
Will man nur den an den polarisierenden Schichten refektierten Anteil ausnutzen, so bringt man zweckmässig hinter der zuletzt von den Strahlen getroffenen Schicht ein absorbierendes Mittel, z. B. eine Schicht aus schwarzem Lack oder einen Körper aus Schwarzglas an, um den hindurchgegangenen Anteil zu vernichten. Es ist für die Herstel lung in der Regel empfehlenswert, die pola risierenden Schichten nicht unmittelbar auf dlas brechende Prisma aufzubringen, sondern zunächst auf eine planparallele Platte und diese dann auf das Prisma aufzukitten. Die Kittung zwischen der planparallelen Platte und dem Prisma muss gut lichtdurchlässig sein.
Da dies für ultraviolettes Licht Schwie rigkeiten macht, so kann man vorteilhaft ein Flüssigkeitsprisma verwenden; Kalzium- ehloridlösungen z. B. sind bis über 250 mu hinaus praktisch völlig durchlässig. Man ver meidet dadurch die Verwendung des kost spieligen Quarzes.
Soll nur der reflektierte Anteil des ein fallenden Lichtes ausgenutzt werden und ver wendet man ein brechendes Flüssigkeitsprisma, so lässt man zweckmässig eine mit den polari sierenden Sehichten versehene planparallele Platte mit ihrer unbelegten Fläche an die Flüssigkeit grenzen, so dass die Schichten vor der Berührung durch die Flüssigkeit geschützt sind und bringt auf der freien Seite der Schichten wieder ein absorbierendes Mittel, z. B. eine Schicht aus schwarzem Lack oder eine Schwarzglasplatte an.
Für die polarisierenden Schichten steht bei ultraviolettem Licht nur eine beschränkte Anzahl geeigneter Stoffe zur Verfügung. Als zweckmässig hat sich Bleichlorid als hoch brechende Schicht erwiesen, das ungefähr bis zu 290 m durchlässig ist. Für ultrarotes Licht lassen sich vorteilhaft Antimonsulfid, die Chalkogenide (also die Verbindungen mit Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur) des Kadmiums und des Zinks sowie die Halogenide des Thalliums, des Bleis und des Silbers ver wenden; all diese Stoffe lassen sich durch Aufdampfen im Vakuum aufbringen.
Schaltet man mehrere der genannten Pola- risatoren hintereinander, so lässt sich eine besonders weitgehende Auslöschung der einen Komponente erreichen. Man kann aber auch, indem man von doppelbrechenden Platten, die mit ihrer Dicke nach einer geometrischen Reihe ansteigen, immer je eine zwischen je zwei Polarisatoren schaltet, sehr enge Spek- tralbereiche ausfiltern. Da bei der Hinter einanderschaltung von Polarisatoren das Licht zwischen je zwei Polarisatoren nicht in die Luft auszutreten braucht, so kann man plan parallele Körper zwischen die Polarisatoren schalten.
Diese Körper können wieder aus Flüssigkeit bestehen, was dann besonders zweckmässig ist, wenn man die erwähnten dop pelbrechenden Platten in den Strahlengang bringen will.
In Abb.l der Zeichnung ist in einem Schnitt durch ein schematisch gezeichnetes Beispiel die Wirkungsweise einer erfindungs gemässen Polarisationseinrichtung dargestellt; Abb. 2 bis 6 zeigen weitere Beispiele.
In Abb.l sind mit a1, a2 und a3 drei Schichten aus Siliziumdioxyd (n1 =1,46) be zeichnet, von denen die Schichten a1 und a2 sowohl wie die Schichten a., und a3 je durch eine Schicht b1 bzw. b2 aus Titandioxyd (n2=2,47) voneinander getrennt sind.
Die optische Dicke der Schichten a1, a.2 und a3 beträgt je 186 m,y, die wahre Dicke also je 128 my, und die optische Dicke der Schichten b1 und b2 je 92 mcc, die wahre Dicke also 37 n . Die fünf genannten Schichten sind nacheinander aufgebracht auf ein Prisma c, während sich gegen die Schicht a3, ein Prisma d legt. Die beiden Prismen c und d bestehen aus einem Glase von der Brechungszahl 2n, = 1,52. Die Normale der Schichten ist gegen die Nor male der Fläche cl des Prismas c unter einem Winkel von 55 48' geneigt.
Das Prisma d weist an seinem äussern Ende eine unter 45 gegen die Fläche cl geneigte Fläche dl auf. Lm den Strahlenverlauf innerhalb der Schich ten darstellen zu können, ist deren Dieke, wie durch die oben angegebenen Dickenabmessun gen der Schichten bestätigt wird, in der Zeichnung ausserordentlich stark übertrieben.
Tritt von links her weisses Licht senkrecht zur Fläche cl in das Prisma c ein, so wird beim Übergang von c in die Schicht a1 infolge des geringen Unterschiedes der Brechungs zahlen von c und a1 nur ein Betrag von 0,16% der Intensität des auffallenden Liehtes von ihm durch Reflexion abgespalten, der seiner Kleinheit wegen unberücksichtigt blei ben kann. Das aus dem Prisma c in die Schicht a1 übertretende Licht erleidet. eine geringe Breehung, so dass seine Neigung gegen die Normale der Schichten 59 24' beträgt, also, wie weiter oben berechnet, die auf die Grenz- fläche zwischen den Schichten a1 und b1 tref fenden Strahlen unter dem Brewsterschen Winkel gegen die Normale der Schichten geneigt sind.
Infolgedessen wird innerhalb eines gewissen Wellenlängenbereiches ein erheblicher Anteil der Strahlen an der Glrenz- fläehe so polarisiert reflektiert, dass seine Sehwingungsriehtung senkrecht auf der Ein fallsebene steht; der übrige Teil des Lichtes wird gebrochen und tritt in die Schicht b1 ein. Dieser Teil trifft die Grenzfläche zwischen den Schichten b1 und a2 wieder so, dass der Brewsterschen Bedingung genügt wird. Es wird daher wieder ein beträchtlicher Teil reflektiert, während von dem hindurchtre tenden Teil die Komponente, deren Schwin gungsebene senkrecht auf der Einfallsebene steht, im Verhältnis zu der Komponente, deren Sehwingungsebene parallel zur Einfallsebene ist, immer mehr zurücktritt.
Dieser Vorgang wiederholt sieh entsprechend an den übrigen Grenzflächen, bis schliesslich der nicht durch Reflexion abgespaltene Anteil des Lichtes unter einer leichten Breehung in das Prisma d übertritt, an dessen Fläche dl reflektiert wird und dann senkrecht zu der Fläche d2 austritt, und zwar in einem Polarisations zustande, bei dem die Komponente, deren Schwingungsebene zur Einfallsebene parallel ist, die andere Komponente weitaus über wiegt. Die durch Reflexion abgespaltenen Anteile treten parallel zueinander und senk recht zu der Fläche c2 aus dem Prisma c aus, und zwar mit einer Sehwingungsebene, die auf der Einfallsebene senkrecht steht.
Da durch die Wirkung des beschriebenen Polari- sators die beiden Komponenten nur von einander getrennt werden, ohne dass also eine von ihnen vernichtet wird, so lassen sie sich z. B. zu Farbenmisehzwecken wieder mit einander vereinigen. Will man jedoch nur den reflektierten Anteil ausnutzen, so kann man den hindurehgegangenen Anteil z. B. durch Schwärzung der Fläche d2 vernichten; umge kehrt mag man die Fläche c., sehwärzen, wenn man nur den hindurehgegangenen Anteil aus nutzen will.
Die geschilderte Wirkungsweise erinnert in gewisser Hinsicht: an die der als Polari- sationseinrichtiniy bekannten CTlasplattensätze. Diesen gegenüber hat. der beschriebene Pola- risator jedoch den Vorteil einer beträchtlich höheren Wirksamkeit bei geringerem Raum bedarf und dabei der Vermeidung der teuern Herstellung zahlreicher polierter Flächen.
Da ferner das vom beschriebenen Polarisator reflektierte Licht nur denjenigen Wellen längenbereieh enthält, für den das Filter ein Reflexionsmaximum hat, so kann der Polari- sator gleichzeitig als Filter dienen. Dies ist. nicht nur deshalb von Bedeutung, weil man infolgedessen die Einfügung besonderer Filter in den Strahlengang entbehren kann, sondern insbesondere deshalb, weil. man mit solchen Polarisatoren Filterwirkungen in Wellen längenbereiehen erzielen kann, wo, wie im Ultravioletten und im >ultraroten, im allge meinen keine andern Filter zur Verfügung stehen.
Die Benutzung des reflektierten Lich tes an Stelle des hindurchgelassenen wird in der Regel vorteilhafter sein, weil häufig, insbesondere im Ultravioletten, mit uner wünschter Absorptionswirkung der Schichten zu rechnen sein wird.
Das in Abb. 2 dargestellte Beispiel zeigt einen Fall, bei dem nicht nur auf die polari sierende Wirkung, sondern ganz besonders auch auf die Filterwirkung der neuen Pola risatoren Wert zu legen ist. Ein Glasprisma e trägt eine Anzahl Schichten, beispielsweise, wie sie in Abb. 1 dargestellt sind; sie sind in Abb. 2 insgesamt nur durch eine einzige dicke Linie f wiedergegeben. Die Schichten f sind bedeckt durch ein Glasprisma g. Von dem in die Fläche e1 des Prismas e eintretenden Licht wird ein gewisser Wellenlängenbereich an den Schichten f durch Reflexion polari siert und abgelenkt und tritt durch die Fläche c2 aus dem Prisma e aus, der übrige Teil geht durch die Schichten f hindurch und wird durch eine Schwärzung der Fläche g0 des Prismas g unwirksam gemacht; dasselbe liesse sich erreichen, indem man das Prisma g aus Schwarzglas herstellte.
Der durch die Fläche e.2 austretende Anteil geht durch eine doppelbrechende Quarzplatte h zur Phasen änderung hindurch und trifft dann auf eine als Analysator wirkende Gruppe i, j, kc, die der Gruppe e, f, g entspricht. Der an den Selhiclhten j reflektierte Anteil tritt aus dem Prisma i durch dessen Fläche io aus, während der übrige Teil aus dem Prisma k durch des sen FIäiehe ko austritt. Wünscht man den ersteren der Anteile nicht auszunutzen, so kann man ihn durch Schwärzen der Fläche io vernichten; entsprechendes gilt für den andern Anteil und die Fläche ko, wobei wieder die gewünschte Strahlenvernichtung auch da durch erzielt werden kann, dass man das Prisma 1k ans Schwarzglas ausführt.
Die in Abb. 2 dargestellte Anordnung ent spricht in ihrer Wirkung einer bekannten Filtereinrichtung, die nur einen schmalen Wellenlängenbereich hindurehlassen soll, und bei der vor dem doppelbrechenden Mittel statt der Gruppe e, f, g ein Polarisator be- kannter Art und hinter dem brechenden Mittel statt der Gruppe i, j, k ein Analysator bekannter Art liegt, ausserdem aber noch die Anbringung eines Absorptionsfilters erfor derlich ist, um gewisse sonst im hindurch gelassenen Licht noch vorhandene Wellen längenbereiche fernzuhalten.
Die diesem Ab sorptionsfilter obliegende Aufgabe wird bei der Anordnung nach Abb. 2 unmittelbar von den Schichten<I>f</I> und j neben deren Polarisa tionswirkung erfüllt und kann von ihnen selbst für solche Wellenlängenbereiche über nommen werden, für die es keine befriedi genden Absorptionsfilter gibt.
In Abb.3 ist aus vier miteinander ver kitteten, planparallelen Glasplatten ml bis M4 ein Glastrog von Parallelogrammquerschnitt hergestellt, der unten und oben je durch eine weitere Platte geschlossen zu denken ist. Auf die Platte ml sind innen zwei planparallele Glasplatten n1 und n3 und auf die Platte<I>m2</I> innen zwei planparallele Glasplatten n2 und n4 gekittet.
Die Platten n1 bis<I>n4</I> sind je auf ihrer Rückseite mit einer Mehrzahl o von polarisierenden Schichten ähnlich denen bei Abb.1 näher beschriebenen (jeweils wieder dargestellt durch eine dicke Linie) belegt; diese sind dann mit schwarzem Lack über zogen. Der Trog ist gefüllt mit einer Flüssig keit, z. B. mit einer Lösung von Kalziiun- chlorid, deren Brechungszahl ungefähr mit der der äussersten Schicht der Platten n, bis n4 übereinstimmt.
Die Winkel des Quer schnittsparallelogramms sind so gewählt, dass senkrecht zur Platte % in den Trog ein tretendes Licht auf die äusserste Schicht der Platte n1 ungefähr unter dem Brewsterschen Winkel trifft. Infolgedessen trifft das Licht auch bei den Platten n2 bis n4 auf die äusserste Schicht ungefähr unter dem Brewsterschen Winkel lind verlässt den Trog senkrecht zur Platte na4, so dass die gesamte Einrichtung geradsichtig ist.
Im Strahlengang zwischen den Platten n1 und n,2 liegt eine Kalkspat platte p1. Zwischen den Platten n2 und 9a?, liegt eine Kalkspatplatte p2, deren Dicke dop pelt so gross ist wie die der Platte p1, und zwischen den Platten n?, und n4 liegt eine Kalkspatplatte p3, deren Dicke doppelt so gross wie die der Platte p2 ist.
In Abb. 4 ist eine planparallele Glasplatte q vom Parallelogrammquerschnitt an den zu den längeren Parallelogrammseiten gehören den Flächen je mit einer Mehrzahl qo von polarisierenden Schichten belegt, die aussen mit schwarzem Lack überzogen sind. Der Strahlengang entspricht dem der Abb. 3, nur fehlen hier die doppelbrechenden Platten. Die Brechungszahl des Glases stimmt unge fähr mit der der äussersten Schichten überein, und die Winkel sind wieder so gewählt, dass senkrecht eintretendes Licht unter dem Brewsterschen Winkel auf die Schichten trifft. Die beiden Reihen von polarisierenden Schichten der Abb. 3 sind hier je zu einer fortlaufenden Mehrzahl von Schichten umge bildet.
Wie leicht ersichtlich, wächst die von den Einrichtungen nach Abb. 3 und 4 aufgenom mene Lichtmenge proportional zu der Ab messung, die man der Einrichtung senkrecht zur Zeichenebene gibt. Auch in der Zeichen ebene liesse sieh eine Erhöhung der aufge nommenen Lichtmenge durch eine Vergrösse rung des gegenseitigen Abstandes der beiden Schichtenreihen erzielen, wobei wieder die aufgenommene Lichtmenge proportional mit dem genannten Abstand wüchse, sieh aber gleichzeitig auch eine erhebliche Verlängerung dieser Einrichtungen ergäbe.
Diese Verlänge rung kann man vermeiden, wenn man eine Mehrzahl solcher Einrichtungen aufeinander- sehiehtet. Das Ergebnis einer solchen Auf- einanderschiehtung von Polarisationseinrich tungen nach Abb. 4 zeigt Abb. 5. Ein Stapel dünner, planparalleler Glasplättchen r ist treppenförmig aufgebaut (wie die gestrichelt gezeichneten Teile erkennen lassen). Jede der Platten ist auf beiden Seiten mit. einer Mehr zahl von polarisierenden Schiehten bedeckt und mit der nächstfolgenden durch einen schwarzen Kitt verbunden. Die äussere Fläche des ersten und die des letzten Plättchens ist schwarz lackiert.
Der ganze Stapel ist dann an den Stirnseiten in einer fortlaufenden, ebenen Fläche abgeschliffen, so dass die gestrichelt gezeichneten Teile wegfallen, wobei die ge nannte Fläche gegen die Plättchen so geneigt ist, dass senkrecht einfallendes Lieht unge fähr unter dem Brewsterschen Winkel auf die Schichten trifft. Wie der bei einem der Plättehen eingezeichnete Mittelstrahl erken nen lässt, bietet hier jede der beiden Seiten jedes Plättchens vier Spiegelflächen dar. Wie aus Abb. 5 leicht abzunehmen, ergibt sich bei gleicher Zahl der Spiegelungen eine um so grössere Verkürzung der Einrichtung, je dün nere Plättehen im Verhältnis zur Gesamt dicke man verwendet.
Den Polarisationseinrichtungen naelh Abb.4 und 5 ist gemeinsam, dass zwar das austre tende Lieht dem eintretenden parallel, die Einrichtung also geradsichtig ist, das Ge samtbündel jedoch eine Parallelversetzung erleidet. Diese Versetzung kann man dadurch aufheben, dass man hinter einer dieser Ein richtungen eine mit ihr spiegelbildlich über einstimmende anordnet. Ein Beispiel hierfür zeigt Abb. 6. Hinter ein Prisma s1 von Par allelogrammquerschnitt ist ein spiegelbildlich mit ihm übereinstimmendes Prisma s2 geschal tet, indem die Eintrittsfläche des Prismas s2 mit der Austrittsfläehe des Prismas s1 durch einen liehtdurchlässigen Kitt verbunden ist.
Jedes der beiden Prismen ist auf seinen zu den längeren Parallelogrammseiten gehören den Flächen mit einer Mehrzahl t von polari sierenden Schichten versehen, von denen die äusserste mit schwarzem Lack überzogen ist. Wie leicht ersichtlieh, liesse sieh auf entspre ehende Weise auch bei den Einrichtungen nach Abb. 2, Abb. 3 und Abb. 5 erreichen, dass die Parallelversetzung des hindurchgehenden Strahlenbündels wiederauf-ehoben wird.
Polarization device. Interference arrangements made up of a plurality of superimposed layers have been proposed whose optical thickness (i.e. the product of the true thickness of the layer and its refractive index) is at most a low multiple of the mean wavelength of the incident light and whose refractive index always alternates with the same low value (n1) and one and the same high value (n2), the thickness of the layers being such that certain wavelength ranges are reflected so strongly by interference effects that only a small fraction of the light of this wavelength range passes through the arrangement .
According to the invention, these arrangements are used as polarizers, which in a certain wavelength range (insofar as there are no attenuations due to scattering or absorption) almost completely reflect one polarized component of the light falling on it, while the other is almost completely let through, made usable by ensuring that the interface between each two layers is hit by the love falling on it at approximately Brewster's angle.
As is known, Brewster's angle is the angle of inclination of the incidence of light with respect to the normal at which the portion of the rays reflected at the interface between the two substances in question is perpendicular to that which is refracted from one substance into the other. This is the case if the equation tg u is fulfilled for the angle a at which the incident light is inclined in the transition from a substance with the refractive index n1 to a substance with the refractive index n2 relative to the normal of the boundary surface = n2 / n1.
Are z. B. the two substances silicon dioxide (n1 = 1.46) and titanium dioxide (n2 = 2.47), then tg a = 1.69, the Brewster's angle is here a = 59 24 '.
The progress achieved by the invention results from the following consideration: If light passes from a substance from the refraction n1 into a substance from the refraction n2, then the following applies to the amplitude r, of the polarized reflecting portion that oscillates perpendicular to the plane of incidence Fresnel equation r, = - sin (a-ss) / sin (a + ss), where a is the angle of inclination of the incident rays and ss is the angle of inclination of the refracted rays from the normal.
Taking into account the equations a + ss = 90 and tg a = nt2 / n1 that apply to the incidence at Brewster's angle, the equation rs = (n12-n22) / (n12 + ni22) results from this equation.
In the case of normal incidence, on the other hand, the considerably smaller amplitude (n1-n2) / (n1 + n2 would result. For example, in the case of n1 = 1.46 and n2 = 2.47 (n1-n2 ) / (n1 + n2) = - 0.257 (n12-n22) / (n12 + n22) = -0.482, which means an increase in amplitude of 88%. As a result of this strong increase in amplitude, very few squints are sufficient to To achieve a very high proportion of the reflected polarized light. The relationship 1-Do = # exists between the amplitude rs of the proportion of radiation thrown back by such an arrangement, the transmission capacity Do at the maximum of the reflection and the minimum number m of high-index layers. g2 (2mrs).
As a result, with vertically incident light and the use of silicon dioxide and titanium dioxide, at least six layers of titanium dioxide and five layers of silicon dioxide between these would be required to achieve a minimum permeability Do of 2%, i.e. a maximum reflection of To achieve 98%.
However, if the light is allowed to fall at Brewster's angle, three layers of titanium dioxide and two layers of silicon dioxide are sufficient to achieve the same minimum permeability of 2%, and when using four layers of titanium dioxide and three layers of silicon dioxide d the minimum transmission would drop to 0.1%.
The component of the light, which oscillates parallel to the plane of incidence, passes through the arrangement without any reflection and, as a result, insofar as there are no losses due to scattering and absorption, without being weakened.
However, the polarizing layers must not be allowed to adjoin air. If the body from which the light enters a double layer n1, n2 has the refractive index no, the layers will then pass at the Brewster's angle if the light in the body makes an angle ao with the normal to the outermost layer forms that meets the condition
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Now z. B. for the above values of n1 = 7.46 and n.2 = 2), 47 the value of the root is 0.796. Since sin @co can at most be equal to 1, so must
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be; the body must therefore not consist of air (n = 1). It is also easy to convince oneself for all other practically possible values of n1 and n2 that no must be greater than 1.
It is therefore not possible to have the layers bordered by air, but a body, if necessary consisting of a liquid and then to be separated from the air by a Deek plate, has to be inserted, the number of which is greater than 7. If such a two-sided body is a plane parallel one, then again the condition exists that it must not border on air. However, if you run this body or one that continues to adjoin it as a breaking prism, you can make the appropriate choice. of the refractive angle of the prism ensure that the light entering the arrangement from the air hits the layers at the desired angle.
As you can see, the refractive angle must be at least equal to a "-aresin (1 / ia."). In order to avoid harmful reflections as far as possible, it is expedient to ensure that the refractive index of the bodies lying between each outermost layer and the air roughly corresponds to the refractive index of one or the other layers. If the prism angle has the lowest permissible value, the incident light strikes the prism.
Since high reflection losses would occur here and in general at large angles of incidence, it is expedient to make the prism angle at least so large that the light is inclined at an angle of 50 to the normal of the entrance surface. Similar considerations as for the entry of light also apply to the exit of the light that has passed through the layers and the light reflected from them.
If you only want to use the portion that is reflected by the polarizing layers, it is advisable to place an absorbing agent behind the layer last hit by the rays, e.g. B. a layer of black lacquer or a body made of black glass to destroy the portion that has passed through. For the production it is generally advisable not to apply the polarizing layers directly to the refracting prism, but first to cement it onto a plane-parallel plate and then cement it onto the prism. The cement between the plane-parallel plate and the prism must be transparent to light.
Since this makes difficulties for ultraviolet light, a liquid prism can advantageously be used; Calcium chloride solutions z. B. are practically completely permeable up to 250 microns. This avoids the use of expensive quartz.
If only the reflected portion of the incident light is to be used and if a refracting liquid prism is used, it is expedient to let a plane-parallel plate provided with the polarizing layers with its unoccupied surface border the liquid, so that the layers are in contact with the Liquid are protected and brings on the free side of the layers again an absorbent, e.g. B. a layer of black lacquer or a black glass plate.
Only a limited number of suitable substances are available for the polarizing layers in the case of ultraviolet light. Lead chloride has proven to be useful as a highly refractive layer which is permeable up to approximately 290 m. For ultra-red light, antimony sulfide, the chalcogenides (i.e. the compounds with oxygen, sulfur, selenium or tellurium) of cadmium and zinc and the halides of thallium, lead and silver can be used advantageously; all of these substances can be applied by vacuum evaporation.
If several of the named polarizers are connected in series, one component can be extensively extinguished. But one can also filter out very narrow spectral ranges by switching one between each two polarizers of birefringent plates, which increase in thickness according to a geometric row. Since when polarizers are connected one behind the other, the light does not have to escape into the air between two polarizers, so you can connect flat parallel bodies between the polarizers.
These bodies can again consist of liquid, which is particularly useful when you want to bring the above-mentioned double refractive plates into the beam path.
In Fig.l of the drawing, the mode of operation of a polarization device according to the invention is shown in a section through a schematically drawn example; Fig. 2 to 6 show further examples.
In Fig. 1, three layers of silicon dioxide (n1 = 1.46) are designated with a1, a2 and a3, of which layers a1 and a2 as well as layers a., And a3 each have a layer b1 or b2 Titanium dioxide (n2 = 2.47) are separated from each other.
The optical thickness of the layers a1, a.2 and a3 is 186 m, y each, the true thickness is 128 my each, and the optical thickness of the layers b1 and b2 is 92 mcc each, the true thickness is 37 n. The five layers mentioned are applied one after the other to a prism c, while a prism d lies against the layer a3. The two prisms c and d consist of a glass with the refractive index 2n = 1.52. The normal of the layers is inclined to the normal male of the surface cl of the prism c at an angle of 55 48 '.
At its outer end, the prism d has a surface dl which is inclined at 45 ° to the surface cl. In order to be able to show the course of the rays within the layers, their thickness is extremely exaggerated in the drawing, as is confirmed by the thickness dimensions of the layers given above.
If white light enters the prism c from the left perpendicular to the surface cl, at the transition from c to the layer a1, due to the small difference in the refraction numbers of c and a1, only 0.16% of the intensity of the incident light becomes split off from it through reflection, which due to its smallness can be disregarded. The light passing from prism c into layer a1 suffers. a slight extension, so that its inclination against the normal of the layers 59 is 24 ', that is, as calculated above, the rays striking the interface between layers a1 and b1 are inclined at Brewster's angle to the normal of the layers are.
As a result, within a certain wavelength range, a considerable proportion of the rays at the interface are reflected polarized in such a way that their Sehwingungsrichtung is perpendicular to the plane of incidence; the rest of the light is refracted and enters layer b1. This part meets the interface between layers b1 and a2 again in such a way that Brewster's condition is satisfied. A considerable part is therefore reflected again, while the component whose plane of oscillation is perpendicular to the plane of incidence is increasingly receding from the part whose plane of sight is parallel to the plane of incidence.
This process is repeated accordingly at the other interfaces until finally the portion of the light not split off by reflection passes under a slight extension into the prism d, is reflected on its surface d1 and then emerges perpendicular to the surface d2, namely in a polarization in which the component whose plane of vibration is parallel to the plane of incidence outweighs the other component by far. The components split off by reflection emerge parallel to one another and perpendicular to the surface c2 from the prism c, with a plane of visual vibrations that is perpendicular to the plane of incidence.
Since the two components are only separated from one another by the action of the polarizer described, without one of them being destroyed, they can be B. reunite with each other for purposes of color misunderstanding. However, if you only want to use the reflected portion, you can use the previous portion z. B. destroy by blackening the area d2; conversely, one might like to blacken the area c., if one only wants to use the part that went past.
The described mode of operation is reminiscent in a certain respect: of the sets of C glass plates known as polarization devices. Has this opposite. the polarizer described, however, has the advantage of being considerably more effective with less space required and thereby avoiding the expensive production of numerous polished surfaces.
Furthermore, since the light reflected by the polarizer described only contains those wavelengths for which the filter has a reflection maximum, the polarizer can serve as a filter at the same time. This is. This is not only important because as a result the insertion of special filters in the beam path can be dispensed with, but in particular because. With such polarizers, filter effects can be achieved in wavelengths where, as in the ultraviolet and in the> ultrared, generally no other filters are available.
The use of the reflected light instead of the transmitted light will as a rule be more advantageous because often, especially in the ultraviolet, undesirable absorption effects of the layers can be expected.
The example shown in Fig. 2 shows a case in which importance should not only be placed on the polarizing effect, but also, in particular, on the filter effect of the new polarizers. A glass prism e carries a number of layers, for example as shown in Fig. 1; they are shown in Fig. 2 by a single thick line f. The layers f are covered by a glass prism g. From the light entering the surface e1 of the prism e, a certain wavelength range is polarized and deflected at the layers f by reflection and exits the prism e through the surface c2, the remaining part goes through the layers f and becomes through a Blackening of the surface g0 of the prism g rendered ineffective; the same could be achieved by making the prism g from black glass.
The portion exiting through the surface e.2 passes through a birefringent quartz plate h to change the phase and then encounters a group i, j, kc which acts as an analyzer and which corresponds to group e, f, g. The portion reflected by the mirror j emerges from the prism i through its surface io, while the remaining portion exits from the prism k through its sen surface ko. If one does not wish to utilize the former of the components, one can destroy it by blackening the surface; the same applies to the other portion and the surface ko, again the desired radiation destruction can also be achieved by making the prism 1k on the black glass.
The arrangement shown in Fig. 2 corresponds in its effect to a known filter device, which should only allow a narrow wavelength range, and in front of the birefringent means instead of the group e, f, g a polarizer of a known type and behind the refractive means instead of the group i, j, k there is an analyzer of a known type, but also the attachment of an absorption filter is necessary in order to keep away certain wavelength ranges that are otherwise still present in the light passed through.
The task of this absorption filter is fulfilled in the arrangement according to Fig. 2 directly by the layers <I> f </I> and j in addition to their polarization effect and can be taken over by them even for those wavelength ranges for which there is no satisfactory low absorption filter.
In Fig. 3, a glass trough with a parallelogram cross-section is made from four plane-parallel glass plates cemented together and cemented to one another. Two plane-parallel glass plates n1 and n3 are cemented on the inside of plate ml and two plane-parallel glass plates n2 and n4 on the inside of plate <I> m2 </I>.
The plates n1 to <I> n4 </I> are each covered on their rear side with a plurality of polarizing layers similar to those described in more detail in FIG. 1 (each shown again by a thick line); these are then covered with black lacquer. The trough is filled with a liquid speed, for. B. with a solution of calcium chloride whose refractive index roughly corresponds to that of the outermost layer of the plates n to n4.
The angles of the cross-sectional parallelogram are chosen so that light entering the trough perpendicular to the plate% hits the outermost layer of the plate n1 approximately at Brewster's angle. As a result, in the case of plates n2 to n4, the light hits the outermost layer approximately at Brewster's angle and leaves the trough perpendicular to plate na4, so that the entire device is straight.
In the beam path between the plates n1 and n, 2 there is a calcite plate p1. Between the plates n2 and 9a ?, there is a calcareous plate p2, the thickness of which is twice as great as that of the plate p1, and between the plates n ?, and n4 there is a calcareous plate p3, the thickness of which is twice as great as that of the plate p2 is.
In Fig. 4, a plane-parallel glass plate q with a parallelogram cross-section is covered on the surfaces belonging to the longer parallelogram sides with a plurality qo of polarizing layers which are coated on the outside with black lacquer. The beam path corresponds to that of Fig. 3, only the birefringent plates are missing here. The refractive index of the glass roughly corresponds to that of the outermost layers, and the angles are again chosen so that light entering perpendicularly hits the layers at Brewster's angle. The two rows of polarizing layers in Fig. 3 are each formed here in reverse to form a continuous plurality of layers.
As can be easily seen, the amount of light absorbed by the devices according to Fig. 3 and 4 increases proportionally to the measurement from which the device is perpendicular to the plane of the drawing. In the drawing plane, too, an increase in the amount of light absorbed could be achieved by increasing the mutual distance between the two rows of layers, the amount of light absorbed again increasing proportionally with the distance mentioned, but at the same time also resulting in a considerable lengthening of these facilities.
This extension can be avoided by looking at a plurality of such devices on top of one another. The result of such a superimposition of polarization devices according to Fig. 4 is shown in Fig. 5. A stack of thin, plane-parallel glass plates r is built up in a staircase (as can be seen from the parts shown in broken lines). Each of the panels is on both sides with. a plurality of polarizing layers covered and connected to the next by a black cement. The outer surface of the first and the last plate is painted black.
The whole stack is then ground down on the front sides in a continuous, flat surface, so that the parts shown in broken lines are omitted, the surface being inclined towards the platelets so that perpendicular light hits the layers at about Brewster's angle . As the central ray drawn in one of the platelets shows, here each of the two sides of each platelet presents four mirror surfaces. As can be easily seen from Fig. 5, with the same number of reflections, the thinner the shorter the device, the greater the shortening Flattening in relation to the total thickness is used.
The polarization devices according to Fig. 4 and 5 have in common that, although the emerging light is parallel to the incoming one, the device is therefore straight, but the entire bundle suffers a parallel offset. This shift can be canceled by arranging a mirror image of one that agrees with it behind one of these facilities. An example of this is shown in Fig. 6. Behind a prism s1 with a parallelogram cross-section is a mirror-inverted prism s2 connected to it, in that the entrance surface of prism s2 is connected to the exit surface of prism s1 by a light-permeable cement.
Each of the two prisms is provided on its surfaces belonging to the longer parallelogram sides with a plurality of polarizing layers, of which the outermost is coated with black lacquer. As is easy to see, it can be achieved in a corresponding manner with the devices according to Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 5 that the parallel offset of the beam passing through is canceled again.