каталог

Призмы Глана и поляризация света: принцип работы, конструкции, выбор и ТЗ

04.10.2026
3

Содержание

Что вы узнаете

Призма Глана — линейный поляризатор из двух трёхгранных призм исландского шпата, то есть кальцита CaCO₃, у которых оптическая ось лежит в плоскости входной грани, а между половинами оставлен воздушный зазор или слой клея.

В поляризаторе Глана обыкновенный луч на границе половин испытывает полное внутреннее отражение и уходит в сторону, а необыкновенный проходит дальше линейно поляризованным светом. Кальцит используют из-за сильного двулучепреломления: по Bennett (Handbook of Optics) при 589 нм n_o = 1,658 и n_e = 1,486, разность показателей 0,172.

У серийных призм Глана из кальцита коэффициент экстинкции 100 000:1 (Thorlabs), а по оценке RP Photonics лучшие двулучепреломляющие поляризаторы достигают 10⁶:1, простые плёночные только 500:1. Призма Глана-Тейлора с воздушным зазором работает в поле зрения 8° (Е. Ф. Ищенко и А. Л. Соколов, «Поляризационная оптика»). Воздушные призмы Thorlabs без покрытия выдерживают 20 Дж/см² (1064 нм, 10 нс).

У склеенной призмы Глана-Томпсона поле зрения шире: 15-42° при отношении длины к апертуре L/A 2,5-4 (Bennett). Лучевую стойкость склеенных призм ограничивает клей: 2 Дж/см² (1064 нм, 10 нс, Thorlabs).

Серийный рабочий диапазон кальцитовых призм 350 нм-2,3 мкм (Thorlabs), а для мощного ультрафиолета кальцит заменяют ортоборатом бария α-BBO (α-BaB₂O₄). Призмы Глана устанавливают в оптические изоляторы Фарадея, а поляризационные призмы работают поляризатором и анализатором в схемах с ячейками Поккельса, эллипсометрах и поляриметрах.

Где применяют призмы Глана: лазеры, эллипсометрия, поляриметрия

В простейшем изоляторе Фарадея ротатор на 45° стоит между двумя поляризаторами. Ось пропускания второго повёрнута на те же 45°: прямой пучок проходит с малыми потерями, а отражённый назад свет отсекает первый поляризатор (RP Photonics). Призма Глана работает поляризатором или анализатором и в других приборах.

  • Ячейка Поккельса служит быстрым оптическим затвором для модуляции добротности, вывода излучения из оптического резонатора и выделения импульсов.
  • Очистка поляризации: линейно поляризованный пучок с невысокой степенью поляризации пропускают через поляризатор с высокой экстинкцией. Внутри резонатора высокая экстинкция обычно не нужна, там хватает простой пластины Брюстера.
  • Нуль-эллипсометр поворачивает поляризатор, компенсатор и анализатор, пока сигнал на фотоприёмнике не погаснет, а по найденным углам рассчитывает эллипс поляризации.
  • По углу, на который раствор поворачивает плоскость поляризации, поляриметр находит концентрацию сахара, глюкозы или белка: так работают лаборатории пищевых и химических производств.
  • В квантовой оптике анализатором для коррелированных фотонов ИК-диапазона предпочитают призму Глана-Томпсона: у неё сочетаются высокая экстинкция и широкое поле зрения, нужное фотонам параметрической флуоресценции (RP Photonics).

Поляризация света: линейный поляризатор, анализатор и закон Малюса

 

Схема опыта с двумя поляризаторами: закон Малюса, яркость за анализатором падает до нуля при повороте на 90°

Рис. 1. Свет после поляризатора проходит анализатор, повёрнутый на угол φ: интенсивность меняется как cos²φ. У идеальной пары (k = 1) при 45° проходит 50 %, при 90° свет гасится полностью.

ГОСТ Р ИСО 12005-2013 в п. 3.1 определяет поляризацию света как «ограничение колебаний электрического вектора определенными направлениями». По п. 3.2 излучение бывает линейно или хаотически поляризованным, с круговой или эллиптической поляризацией и неполяризованным. При угле эллиптичности ε = ±45° поляризация круговая, при ε = 0° линейная (п. 3.6).

Линейный поляризатор света по п. 3.8 выдаёт линейно поляризованное излучение независимо от поляризации входного. Круговую и эллиптическую поляризацию стандарт проверяет вторым измерением, добавив в схему четвертьволновую пластинку.

В паре «поляризатор и анализатор» первый поляризует свет, второй обнаруживает поляризацию и находит её плоскость. В демонстрации с He-Ne лазером 632,8 нм и двумя кальцитовыми призмами Глана анализатор, повёрнутый на 90°, даёт тёмное поле, и пару называют скрещённой.

Промежуточные углы описывает закон Малюса, установленный в 1810 году:

I = k·I₀·cos²φ

Здесь I₀ и I обозначают интенсивность света до и после поляризатора, k задаёт коэффициент прозрачности, а φ равен углу между осью пропускания поляризатора и плоскостью колебаний падающего света.

При φ = 45° идеальный анализатор с k = 1 пропускает 50 % линейно поляризованного света, при 90° гасит его полностью. У реальной пары при 90° часть света проходит, и отношение максимума к этому минимуму называют коэффициентом экстинкции.

По данным RP Photonics, простые полимерные плёночные поляризаторы дают лишь 500:1, и критичной для них бывает интенсивность уже 1 Вт/см², а качественные двулучепреломляющие поляризационные призмы доходят до 10⁶:1. Ищенко и Соколов называют призменные поляризаторы «в принципе абсолютными».

Как работает призма Глана: двойное лучепреломление и критические углы

Ход лучей в призме Глана-Тейлора: o-луч отражается на воздушном зазоре, e-луч проходит поляризованным

Рис. 2. Ход лучей в воздушной схеме Глана-Тейлора (ось в плоскости рисунка). Разрез под 50° к боковой грани даёт угол падения на зазор 40°, он лежит в окне между θкр(o) и θкр(e): o-луч полностью отражается и уходит через выводное окно, e-луч проходит.

В 1669 году Расмус Бартолин описал двойное лучепреломление в исландском шпате. Показатели преломления обыкновенного (o) и необыкновенного (e) лучей кальцита различаются, и их разность Δn задаёт двулучепреломление (значения в таблице ниже).

В схеме Глана оптическая ось лежит в плоскости входной грани, оси двух половин параллельны. Осевой луч идёт перпендикулярно оси, поэтому показатель необыкновенного луча отличается от n_o максимально (Bennett). При нормальном падении o- и e-лучи идут до зазора вместе, но с разными показателями.

Критический угол полного внутреннего отражения (ПВО) для каждого луча задаёт его показатель n:

θкр = arcsin(1/n)

В воздушной призме Глана угол падения на зазор выбирают между θкр(o) и θкр(e): обыкновенный луч отражается полностью, необыкновенный проходит линейно поляризованным. У Ищенко и Соколова (табл. 7.1) разрез идёт под 50° к боковой грани, осевой луч падает на него под 40°, внутри окна 37,1-42,3° при 589 нм.

Расчёт редакции Кварц-Пром по показателям преломления Crystran (589 нм по Bennett); граница кальцит/воздух, призмы с воздушным зазором.

λ, мкмn_on_eΔnθкр(o), °θкр(e), °Окно, °
0,301,71961,51370,20635,5641,355,79
0,411,68011,49540,18536,5341,975,44
0,5891,65831,48640,17237,0942,285,20
0,641,65501,48490,17037,1742,335,16
1,041,64281,47990,16337,5042,515,01
1,501,63461,47740,15737,7242,604,88
1,911,62701,47570,15137,9242,664,73

Bennett приводит пример: призма Глана с полем зрения 8° на 0,4 мкм сохраняет на 2 мкм только 2°. Почему поле сужается вчетверо, если на 0,41-1,91 мкм окно уменьшается лишь с 5,4° до 4,7°, на 13 %?

Угол разреза в готовой призме фиксирован. С ростом длины волны θкр(o) увеличивается на 1,4° (с 36,5° до 37,9°) и подходит к углу падения на зазор: запас со стороны обыкновенного луча «съедается». Критический угол e-луча растёт меньше, на 0,7° (с 42,0° до 42,7°), и запас с другой стороны слегка увеличивается.

Одна половина поля сужается, другая расширяется: у Thorlabs поле со стороны выводного окна (FOV1) с ростом длины волны уменьшается, а противоположное (FOV2) растёт.

Внутренний угол Брюстера для e-луча по тому же расчёту равен 33,5-34,1° (0,30-1,91 мкм). Он ниже θкр(o), а угол падения на зазор не может быть меньше θкр(o), поэтому к углу Брюстера его можно лишь приблизить. У склеенных призм окно считают по показателю клея, а не воздуха, поэтому к схеме Глана-Томпсона таблица не применяется.

График критических углов кальцита от длины волны: окно полного отражения o-луча сужается к инфракрасной области

Рис. 3. Критические углы полного внутреннего отражения o- и e-лучей кальцита на границе с воздухом (расчёт редакции Кварц-Пром по показателям преломления Crystran, 589 нм по Bennett). На 0,41-1,91 мкм окно сужается с 5,44° до 4,73°, а угол разреза готовой призмы остаётся прежним: θкр(o) растёт на 1,4°, θкр(e) на 0,7°.

Исландский шпат (оптический кальцит): свойства, стойкость и ограничения

Оптические характеристики и марки шпата

Кристалл исландского шпата на белой карточке: линия под ним раздваивается из-за двойного лучепреломления

Рис. 4. Ромбоэдр исландского шпата на карточке с чёрной линией: кристалл делит луч на обыкновенный и необыкновенный, поэтому линия видна дважды (при 589 нм n_o = 1,658, n_e = 1,486). Иллюстрация.

Кальцит CaCO₃ относится к тригональной сингонии (пространственная группа R3̄c, спайность {101̄4}) и имеет плотность 2,71 г/см³ по данным Crystran. Слово «орторомбический» из некоторых описаний к кальциту не относится. По Bennett это отрицательный одноосный кристалл с двулучепреломлением по модулю 0,172 на 589 нм.

Необыкновенный луч кальцит пропускает в диапазоне 0,214-3,3 мкм, обыкновенный только в 0,23-2,2 мкм (Bennett), а Crystran даёт для кристалла 0,3-2,3 мкм. Серийные кальцитовые призмы Глана Thorlabs рассчитаны на 350 нм-2,3 мкм, пропускание у 350 нм типично 75 %.

Границы зависят и от соединения половин: призмы с воздушным зазором работают почти до 214 нм, где кальцит начинает сильно поглощать, а склеенные с УФ-прозрачным клеем до 250 нм. ИК-предел типичной склеенной конструкции Глана-Томпсона 2,7 мкм, хотя её применяли и до 3 мкм (Bennett). Встречающийся в описаниях диапазон «200-2500 нм» без указания луча и конструкции не совпадает ни с одной из этих цифр.

Российский производитель ЭЛАН делит в каталоге шпат для лазерных призм на марки ИШУ (УФ, 220-2300 нм), ИШВ (видимый, 350-2300 нм) и ИШИ (ИК, 600-2300 нм). Сорта «Экстра» и «Уникальный» там различаются лучевой прочностью.

Мы изготавливаем призмы Глана из исландского шпата, оптического кальцита CaCO₃ по ТУ, и исполнение подбираем под рабочую длину волны.

Механическая и химическая стойкость

Твёрдость кальцита 3 по Моосу и 155 по Кнупу (Crystran). По Bennett кристалл намного мягче стекла и легко раскалывается по трём плоскостям спайности. Обычная полировка кальцита на смоле даёт плоскостность в пределах 1/5 интерференционной полосы, а при аккуратной работе 1/10. Приём не срабатывает только на гранях, перпендикулярных оптической оси, где выкалываются мелкие тетраэдры.

В воде кальцит растворяется слабо: 0,0014 г на 100 г воды при 25 °C. При 825 °C он не плавится, а разлагается (Crystran).

Ограничения и деградация

  • Термоудар. ТКЛР кальцита анизотропен: +25×10⁻⁶ K⁻¹ вдоль оптической оси и −5,8×10⁻⁶ K⁻¹ поперёк неё (273 K, Crystran). При нагреве кристалл вдоль оси расширяется, поперёк сжимается и при термоударе трескается (Thorlabs).
  • Разброс свойств в ИК. По Thorlabs, природные кристаллы различаются кривой пропускания в основном дальше 2 мкм, а выше 2,3 мкм кальцитовые поляризаторы применять не рекомендуют: коэффициенты поглощения o- и e-лучей там расходятся.
  • Природное сырьё. Месторождение на восточном побережье Исландии выработано, оптический кальцит добывают в основном в Мексике, Африке и Сибири. Гибридным гель-растворным методом шпат выращивали, но ребро таких кристаллов всего 3-4 мм (Bennett), а Thorlabs указывает подложку «природный кальцит лазерного качества».
  • Неоднородность по объёму. Вариации кристалла сказываются и на пороге разрушения (Thorlabs), а для лазерной серии Thorlabs берёт только участки шпата, прошедшие тест на чувствительность к лазерному рассеянию.

Чем заменяют кальцит: α-BBO для УФ, YVO₄ для ИК, кварц и MgF₂

Кристалл ортобората бария α-BBO прозрачен в диапазоне 190-3500 нм (англ. Википедия) и заменяет кальцит в призмах Глана-Тейлора и Глана-Томпсона для мощного УФ-излучения.

МатериалКристалл, ΔnДиапазонПреимуществоОграничение
α-BBO (α-BaB₂O₄)отрицательный одноосный, Δn на уровне кальцита (ЭЛАН)призмы Thorlabs 210-450 нмпорог 5 Дж/см² на 355 нм, 10 нс (Thorlabs)гигроскопичен, выводные грани защищены покрытием MgF₂ (Thorlabs); угловая апертура сильнее зависит от длины волны (ЭЛАН)
YVO₄ (ортованадат иттрия)положительный одноосный, n_e > n_o; Δn = 0,2225 при 0,63 мкм, 0,2039 при 1,55 мкмближний и средний ИК (Thorlabs)мощные призмы типа Глана-Тейлора; призма Глана-Фуко из YVO₄ лучше поляризует отражённый луч и выдерживает больший порог, чем кальцитовые аналогидороже, узкий диапазон углов падения
Кристаллический кварц (SiO₂)положительный одноосный, Δn 0,009 (Ищенко и Соколов)до вакуумного УФ (Bennett)двулучевые призмы Рошона, Сенармона, Волластонарасхождение лучей 0,5° против 10° у кальцита, оптическое вращение (Bennett)

У кварца Δn 0,009, у MgF₂ 0,006 на 590 нм (англ. Википедия) против 0,172 у кальцита и 0,20-0,22 у YVO₄. Окно между критическими углами o- и e-лучей, на котором построена призма Глана, у них во много раз уже, а вместе с ним и поле зрения.

MgF₂, который RP Photonics относит к материалам поляризационных светоделителей, входит в перечень оптических материалов Кварц-Пром.

Поляризационные призмы Глана: конструкции и сравнение

По Ищенко и Соколову, больше дюжины разновидностей поляризационных призм делят на однолучевые и двулучевые. Все конструкции Глана однолучевые.

Сравнение воздушных поляризаторов Глана-Тейлора и Глана-Фуко: ось в плоскости рисунка или перпендикулярна ей

Рис. 5. Воздушные схемы Глана-Тейлора и Глана-Фуко с одинаковой геометрией (поле зрения 8°, L/A 0,83) отличаются ориентацией оптической оси. У Глана-Тейлора проходящая e-волна на зазоре p-поляризована, у Глана-Фуко s-поляризована, поэтому френелевские потери у Глана-Тейлора меньше

Призма Глана-Тейлора, лазерная призма Глана и призма Глана-Фуко

Призму с воздушным зазором П. Глан описал в 1880 году, за год до склейки Томпсона. Сейчас этот воздушный вариант схемы Глана-Томпсона называют схемой Глана-Фуко. Схему Глана-Тейлора, воздушный вариант призмы Липпиха 1885 года, впервые описали Дж. Ф. Арчард и А. М. Тейлор в 1948 году. На практике обе называют просто призмой Глана.

Проходящая e-волна на гранях зазора в схеме Глана-Фуко преломляется как s-компонента, а в схеме Глана-Тейлора как p-компонента (Ищенко и Соколов). Отсюда меньшие френелевские потери: по расчёту Bennett, пропускание Глана-Тейлора на 60-100 % выше, а многократные отражения в зазоре не превышают 10 % от уровня Глана-Фуко.

Лазерная призма Глана повторяет схему Глана-Тейлора с увеличенным углом разреза, просветлёнными торцами и выводными окнами или чёрным стеклом на боковых гранях. Осевой луч падает на зазор под меньшим углом, ближе к внутреннему углу Брюстера e-луча (33,5-34,1°): потери на отражение падают, но угол приближается и к θкр(o), поэтому полуполе сужается (Bennett).

Схема склеенного поляризатора Глана-Томпсона: o-луч отражается на слое клея, e-луч проходит

Рис. 6. Склеенная схема Глана-Томпсона: o-луч испытывает полное внутреннее отражение на слое клея (канадский бальзам, n_D = 1,550, лежит между n_e = 1,486 и n_o = 1,658), e-луч проходит. Ось перпендикулярна плоскости рисунка. При L/A 2,5-4 поле зрения 15-42° (Bennett).

Призма Глана-Томпсона и призма Николя

Склейка, которую С. П. Томпсон ввёл в 1881 году, расширяет поле до 15° у короткой формы с L/A 2,5 и до 26° у длинной с L/A 3. Канадский бальзам (n_D = 1,550) в склейке в основном вытеснен н-бутилметакрилатом.

Первую поляризационную призму сделал в 1828 году Уильям Николь, преподаватель физики в Эдинбурге. Призму Николя сегодня практически не применяют: конструкции Глана оптически предпочтительнее.

КонструкцияСоединение половинПоле зренияL/AЭкстинкцияЛучевая стойкость (условия)Главное ограничение
Глана-Тейлора, 1948воздушный зазор8°0,83100 000:1 (Thorlabs)20 Дж/см² без покрытия (1064 нм), 5 Дж/см² с просветлением (532, 810 или 1542 нм); 10 нс, Thorlabsтолько коллимированный пучок, поле сужается к ИК
Лазерная (Глан-лазер)воздушный зазор, выводные окна8° асимметричное (ЭЛАН)0,85 (ЭЛАН)100 000:1 (Thorlabs); деполяризация 1×10⁻⁴, из сырья I сорта 1×10⁻⁵ (ЭЛАН)20 Дж/см² без покрытия (1064 нм), 10 Дж/см² с просветлением (532, 810 или 1542 нм), 15 Дж/см² с V-coat (1064 нм); 10 нс, Thorlabs; 200 и 500 МВт/см² импульсно, шпат «Экстра» и «Уникальный» (ЭЛАН)узкое поле, только в световой апертуре
Глана-Фуко, 1880воздушный зазор8°0,83нет данныхнет данныхпропускание ниже, многократные отражения
Глана-Томпсона, 1881-1882склейка15-42° (Bennett); 40° типично, сумма FOV1 и FOV2 (Thorlabs)2,5-4от 2×10⁴:1 до 10⁶:1 (Bennett); 100 000:1 (Thorlabs)2 Дж/см² (1064 нм, 10 нс, Thorlabs)клей ограничивает стойкость и УФ-границу (250 нм)
Николя, 1828склейка, скошенные торцы27°3,28нет данныхнет данныхполяризация неоднородна по полю, боковое смещение изображения

Поле и L/A Глана-Тейлора, Глана-Фуко и Николя: табл. 7.1 Ищенко и Соколова.

Франк-Риттер, Аренс, Марпл-Хесс и частые ошибки в описаниях

В схеме Франка-Риттера главное сечение составляет 45° с плоскостью разреза, поле 19° при L/A 3,17 (Ищенко и Соколов). По Bennett, больше 80 % поляризационных призм в СССР делали по этой схеме, обычно двойными: из ромбоэдра шпата выходят две такие двойные призмы, но только одна призма Аренса того же сечения. Степень поляризации у них заметно ниже, чем у хорошей схемы Глана-Томпсона.

Призма Аренса, двойная схема Глана-Томпсона, даёт поле 35° при L/A 2,32 (Ищенко и Соколов). У призмы Марпла-Хесса 1960 года, по сути двух схем Глана-Тейлора спинками друг к другу, поле заметно шире и к ИК не сужается, L/A 1,8 (Bennett).

Двулучевые призмы Рошона, Сенармона и Волластона с перпендикулярными осями половин выводят оба ортогонально поляризованных луча. Призму Волластона описывает обзор других типов оптических призм.

Что встречается в описанияхКак по первоисточникам
Призму Глана-Тейлора в 1938 году запатентовали «Арчибальд Глан и Томас Тейлор»П. Глан описал воздушную призму в 1880 году, Арчард и Тейлор схему Глана-Тейлора в 1948 году (Bennett)
Призма Глана-Тейлора пропускает s-поляризациюПроходящая e-волна в ней p-поляризована (Ищенко и Соколов)
Клей в призме Николя преломляет сильнее обыкновенного лучаКанадский бальзам n_D = 1,550 лежит между n_e = 1,486 и n_o = 1,659 (Ищенко и Соколов)

Коэффициент экстинкции, поле зрения и лучевая стойкость призмы Глана

В паспорте призмы обычно задают световую апертуру, поле зрения и отношение длины к апертуре L/A (Bennett). Серийные апертуры: Thorlabs 5, 10 и 15 мм, ЭЛАН 10×10-19×19 мм, Rivoptics 5-40 мм.

Полуполе Bennett определяет как наибольший угол к оси, при котором луч остаётся полностью поляризованным при вращении призмы вокруг оси; поле зрения вдвое больше. Несимметричное «поле» некоторых каталогов, по Bennett, в большинстве случаев непригодно. В ТЗ задают симметричное поле на рабочей длине волны.

ГОСТ Р ИСО 12005-2013 (п. 3.9) называет критерий качества линейного поляризатора поляризационным контрастом τmin/τmax. Каталожный коэффициент экстинкции обратен ему: τmax/τmin, минимум получают поворотом поляризатора на 90° в линейно поляризованном пучке (Thorlabs).

Расчёт редакции, дБ = 10·lg(τmax/τmin):

ЭкстинкцияВ децибелахОстаточное пропускание
500:1 (простая плёнка)27 дБ0,2 %
100 000:1 (серийная призма Глана)50 дБ0,001 %
1 000 000:1 (лучшие призмы)60 дБ0,0001 %

Рассеянный обыкновенный луч искажает измерение. Кинг и Талим отсекли его двумя диафрагмами Ø4 мм и разнесли призму и фотоумножитель на 80 мм; без диафрагм при 20 мм измерение коэффициента экстинкции давало ошибку в 80 раз (Bennett). Переворот призмы торцами меняет экстинкцию до 6 раз (там же), поэтому в ТЗ пишут методику и направление хода луча.

Thorlabs испытывает призмы по ISO 21254 и указывает порог лучевого разрушения 20 Дж/см² без покрытия при 1064 нм, 10 нс, 10 Гц и пятне Ø0,433 мм. Можно ли сравнить его с 500 МВт/см² из другого каталога? Без длительности импульса нельзя: это плотность энергии и плотность мощности. Порог кальцита «100-500 МВт/см²» без длины волны и длительности импульса в ТЗ не переносят.

Какие ГОСТы применяют к призмам Глана

Отдельного ГОСТа на призмы Глана при проверке в октябре 2026 года мы не нашли. Требования собирают из стандартов на измерение поляризации, чертёж и чистоту граней.

СтандартЧто из него берутСтатус
ГОСТ Р ИСО 12005-2013термины «поляризация», «линейный поляризатор», «поляризационный контраст»; проверка линейной поляризации пучка; метка плоскости максимума пропускания на оправе (п. 4.3.2)действует с 01.01.2015
ГОСТ 11141-84классы чистоты граней и выводных окондействует
ГОСТ 2.412-81чертёж оптической детали, таблица параметровдействует

Класс чистоты в чертеже задают по назначению поверхности: у лазерных призм ЭЛАН входная и выходная грани P IV, выводные окна P VI, у Rivoptics грани P II, окна P III-IV.

Советский ГОСТ 7601-78 (в РФ утратил силу) определял показатель двулучепреломления как разность n_e − n_o.

Как изготавливают призмы Глана и какие дефекты встречаются

Призмы типа Глана дают намного больше отходов кальцита, чем призмы Николя, поэтому массовыми стали только после открытия новых месторождений, хотя разработаны ещё в XIX веке (Bennett). Арчард и Тейлор, раскраивая шпат по методу Аренса, использовали в готовой призме Глана-Тейлора 35 % исходного ромбоэдра.

С 2004 года мы ведём изготовление призм Глана по чертежу заказчика полным циклом:

  • подбор кристалла исландского шпата и раскрой заготовки;
  • шлифовка граней;
  • прецизионная полировка рабочих граней;
  • ориентация оптических осей двух половин;
  • сборка секций;
  • нанесение покрытий по согласованию.

После каждой операции мы проверяем размеры, углы, чистоту и плоскостность граней, а параметры поляризации измеряем по согласованным требованиям.

Воздушные призмы сделать сложнее, чем склеенные. Если углы среза половин различаются на малый угол α, клиновидная воздушная прослойка отклоняет прошедший луч на угол (Bennett):

δ′ ≈ α·n_e

Типовые дефекты готовой призмы по Bennett:

  1. Смещение пучка (squirm): осевой пучок смещается при вращении призмы, если оптические оси половин не строго параллельны.
  2. Отклонение луча при вращении из-за непараллельности торцов: для хорошего поляризатора Глана-Томпсона норма 3′, по спецзаказу 1′ и меньше, у Thorlabs Glan-Laser меньше 3′.
  3. Оптическая ось вне торцевой грани, часто самый серьёзный дефект. При наклоне оси к торцу φ = 5° из-за ошибки полировки и полуугле сходящегося пучка i = 3° плоскость колебаний на выходе меняется по апертуре на ±23′. Хорошей экстинкции по всей апертуре не получить даже в почти параллельном пучке.
  4. Неверный или разный в половинах угол разреза: поле зрения меняется при перевороте призмы торцами. Дефект особенно критичен для воздушных схем Глана-Фуко и Глана-Тейлора с их жёсткими угловыми допусками.
  5. Разное пропускание при повороте призмы на 180°.

Монтаж, юстировка и уход за призмой Глана

Thorlabs предписывает вскрывать упаковку с кальцитовым поляризатором не раньше чем через 6-8 часов, когда она придёт к тепловому равновесию с помещением. Иначе кристалл может треснуть от термоудара.

  • Пучок должен быть хорошо коллимирован: в сходящемся или расходящемся пучке воздушная призма не даёт правильной поляризации и расчётного угла падения на зазор (Thorlabs).
  • Поле зрения призмы Глана не превышают, а входную апертуру берут с запасом, чтобы призма не стала ограничивающей диафрагмой системы (Bennett).
  • До и после призмы ставят диафрагмы-бленды против рассеянного и неверно поляризованного света (Bennett).
  • Пучок держат внутри световой апертуры: за её границей половины призмы Глана-Тейлора разделяет вклеенная прокладка, не рассчитанная на большую мощность, и у лазерной серии Thorlabs она такая же.
  • Отведённый луч для поляризационных задач не годится: через боковое окно выходит весь обыкновенный луч и часть необыкновенного (Thorlabs), а два рабочих пучка даёт призма Волластона.
  • Плоскость максимума пропускания отмечают на оправе: для поляризатора измерительной установки этого требует ГОСТ Р ИСО 12005-2013, п. 4.3.2.
  • Мягкий кальцит Thorlabs поставляет в металлических оправах; просветлённые грани чистят растворителем и обдувом, выводные без покрытия протирают только смоченной растворителем ватой или необработанной салфеткой.

Что указать в ТЗ на призму Глана: итоговый чек-лист

Чек-лист ТЗ на призму Глана: 12 параметров от конструкции до оправы с числовыми ориентирами

Рис. 7. Чек-лист ТЗ: 12 параметров с числовыми ориентирами из каталогов производителей и справочников. Те же данные в таблице ниже.

Исполнение призмы Глана, как и других наших оптических изделий, мы выбираем по рабочей длине волны и задаче, а размеры, апертуру и класс чистоты граней фиксирует ТЗ.

ПараметрЧто указать в чертеже или ТЗОриентир
КонструкцияГлана-Тейлора, лазерная призма Глана, Глана-Томпсонамощный коллимированный пучок → воздушный зазор; сходящийся → склейка (Thorlabs)
Материалисландский шпат (марка, сорт), α-BBO или YVO₄кальцит серийно 350 нм-2,3 мкм (Thorlabs)
Рабочая длина волныλ или диапазон, нмполе зрения задают на ней (Bennett)
Световая апертурамм, допустимое L/A5-40 мм (Thorlabs, ЭЛАН, Rivoptics)
Поле зрениясимметричное (удвоенное полуполе)8° у воздушных, 15-42° у склеенных (Bennett)
Коэффициент экстинкциизначение и методика: диафрагмы, расстояние, ход луча100 000:1 серийно (Thorlabs)
Лучевая стойкостьДж/см² с λ, длительностью импульса, частотой, диаметром пятна2-20 Дж/см² по конструкции (Thorlabs, 1064 нм, 10 нс)
Отклонение прошедшего лучадопуск в угловых минутах3′, по спецзаказу 1′ (Bennett)
Оптическая осьв торцевой грани, оси половин параллельны, допуск ориентации±1′ (Rivoptics)
Граниплоскостность (N или доли λ на 633 нм), класс чистоты по ГОСТ 11141-84λ/6-λ/4; грани II-IV, окна III-VI (Rivoptics, ЭЛАН)
Покрытия и отвод o-лучаоптическое покрытие: просветление или V-coat; выводные окна или поглотительпод рабочую λ
Оправа и маркировкаметка плоскости пропускания и входного торцаметку плоскости на оправе требует п. 4.3.2 ГОСТ Р ИСО 12005-2013; переворот торцами меняет экстинкцию до 6 раз (Bennett)

Частые вопросы о призмах Глана

Чем призма Глана лучше плёночного поляризатора?

Серийные кальцитовые призмы дают коэффициент экстинкции 100 000:1 (Thorlabs), простая полимерная плёнка только 500:1 (RP Photonics). Для такой плёнки критичной бывает уже интенсивность 1 Вт/см², а воздушная призма без покрытия держит импульсы 20 Дж/см² (1064 нм, 10 нс).

Почему воздушной призме Глана нужен параллельный пучок?

Поле зрения воздушной призмы 8°, и к ИК оно сужается: по Bennett, 8° на 0,4 мкм превращаются в 2° на 2 мкм. Сходящиеся пучки пропускают через склеенный поляризатор Глана-Томпсона с полем 15-42°.

Можно ли использовать отражённый луч призмы Глана?

Отведённый луч призмы Глана для поляризационных задач не используют: с обыкновенным лучом через боковое окно уходит часть необыкновенного, и пучок поляризован частично (Thorlabs). Два ортогонально поляризованных пучка даёт призма Волластона, у кальцитовой расхождение обычно 10° (Bennett).

Какую призму Глана выбрать для импульсного лазера 1064 нм?

Для импульсного лазера 1064 нм берут лазерную призму Глана с воздушным зазором: у Thorlabs порог 20 Дж/см² без покрытия и 15 Дж/см² с V-coat (10 нс). Склеенный поляризатор Глана-Томпсона держит 2 Дж/см², и этот порог ограничивает клей.

Какие поляризационные призмы работают в ультрафиолете?

Серийные кальцитовые призмы Thorlabs работают от 350 нм (пропускание 75 %), воздушные по Bennett почти до 214 нм. Для мощного УФ берут α-BBO: у Thorlabs это 210-450 нм и порог 5 Дж/см² (355 нм, 10 нс), а ЭЛАН для короткого УФ рекомендует узкополосную призму на 180-233 нм.

Чем призма Глана отличается от призмы Николя?

У призмы Глана оптическая ось параллельна входной грани, поляризация почти однородна по полю и нет бокового смещения изображения (Bennett). Призма Николя 1828 года со скошенными торцами длиннее: отношение длины к апертуре L/A 3,28 против 0,83 у Глана-Тейлора (Ищенко и Соколов).

Как проверить, что лазерный пучок линейно поляризован?

По ГОСТ Р ИСО 12005-2013 линейный поляризатор вращают до максимума и минимума сигнала, считают контраст пучка (Px − Py)/(Px + Py) и повторяют измерение не менее 10 раз. Средний контраст больше 0,9 означает линейную поляризацию, а степень поляризации света равна контрасту (п. 4.5).

Призмы Глана из исландского шпата по ТУ изготавливаем любого размера по чертежу заказчика, с ориентацией оптических осей и покрытиями по согласованию. Пришлите чертёж или ТЗ, и мы подготовим коммерческое предложение.

 

Есть вопросы? Свяжитесь с нами!

Производство посуды для лабораторных исследований из кварца, кордиеритовой керамики, технического фарфора и корунда
Москва,
Балаклавский проспект, 24, к. 1, оф. 1/1
Главный офис