專利名稱：單元非常折射洛匈棱鏡及非常折射偏光分束方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種在單軸雙折射晶體棱鏡中尋常光(o光)直接透射，非常光(e 光)經(jīng)非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及單元結(jié)構(gòu)非常折射偏光分束棱鏡， 屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
偏光器件是激光技術(shù)和偏光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中的重要器件，偏光分束棱鏡是偏光器 件的一個(gè)重要門類。其研究與開發(fā)對(duì)光通信、光信息處理、光學(xué)測試、激光技術(shù)及光計(jì)算等 現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本發(fā)明作出以前，常見的偏光器件常采用多元設(shè)計(jì)，抗 光損傷閾值較低，膠合層在某些條件下對(duì)器件的結(jié)構(gòu)及性能會(huì)有影響，器件的功能也較單 一，給實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用帶來諸多不便。 激光和光調(diào)制應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，對(duì)偏光分束棱鏡提出了一 些新的要求(l)要求盡量減少設(shè)計(jì)、加工過程中對(duì)器件分束、起偏性能有影響的方法和步 驟，并盡可能使棱鏡具有更大的分束角和更高的消光比，以適應(yīng)高技術(shù)和精密測試應(yīng)用的 需要。(2)要求器件盡可能具有更多的功能，以利于儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)裝置的簡單化和小型化 以及單一器件的多種用途，從而提高其可靠性和性價(jià)比。 目前常用的偏光分束棱鏡主要有渥拉斯頓棱鏡、雙渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡、分束 格蘭，湯普遜棱鏡和薩瓦爾板等，這些器件的設(shè)計(jì)多為多元晶體結(jié)構(gòu)使用膠合劑組合而成， 這種結(jié)構(gòu)的器件分束性能、消光比、透射比等主要技術(shù)指標(biāo)較好，但抗光損傷閾值較低且結(jié) 構(gòu)的溫度穩(wěn)定性能較差，而少數(shù)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般功能單一，如薩瓦爾板只能產(chǎn)生較小 的橫向剪切差。因此研制一種既具有簡單的單元結(jié)構(gòu)，以保證具有較高的性能指標(biāo)和整體 結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性，又可產(chǎn)生較大分束角的偏光分束器件，以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展需要是十 分必要的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在單軸雙折射晶體棱鏡中尋常光(o光)直接透射，非常光(e 光)經(jīng)非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及一種具有較高性能指標(biāo)，利用單元 晶體棱鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似洛匈棱鏡分束效果的單元非常折射洛匈棱鏡。 本發(fā)明所述的偏光分束方法，其機(jī)理是光在單軸各向異性晶體棱鏡中傳播，分成 兩束振動(dòng)方向相互垂直的平面偏振光，常稱o光和e光；o光直接經(jīng)出射端面出射；e光在入 射端面發(fā)生非常折射，達(dá)到晶體棱鏡的側(cè)面發(fā)生全反射，而后在出射端面再次非常折射以 一定角度出射，從而o、 e光產(chǎn)生一定的分束角。由于偏振分束的過程是由單元晶體結(jié)構(gòu)棱 鏡完成的，不受膠合層的影響，這是本發(fā)明偏光分束方法透射比、消光比和抗光損傷閾值高 的原因。 本方案是通過如下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的一種單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是它 由冰洲石晶體制成單塊長方體結(jié)構(gòu)橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光；晶體光 軸角a。(晶體光軸與直角坐標(biāo)系x軸的夾角)取值范圍是46.6。 46.3° ，光束入射 角為-3° 3° ，適用的波長范圍300nm 1800nm;光束正入射時(shí)對(duì)應(yīng)的分束角范圍是 23.94° 18. 46° ;光束入射角為_3° 3°時(shí)對(duì)應(yīng)的分束角范圍是12. 51° 30. 14° 。
這一方案的具體特點(diǎn)還有，晶體光軸角a。取值46.6。，光束正入射且適用的波長 范圍300nm 351nm，對(duì)應(yīng)的分束角范圍是23.94。 22. 44° 。 晶體光軸角a 。取值46. 5° ，光束正入射且適用的波長范圍352nm 482nm，對(duì)應(yīng) 的分束角范圍是22.41。 20.63° 。 晶體光軸角a。取值46.4。，光束正入射且適用的波長范圍483nm 1172nm，對(duì) 應(yīng)的分束角范圍是20. 62° 18. 91° 。 晶體光軸角a。取值46.3。，光束正入射且適用的波長范圍1173nm 1800nm，對(duì) 應(yīng)的分束角范圍是18. 90° 18. 46° 。 晶體光軸角a 。優(yōu)化取值46. 42° ，適用的波長范圍300nm 1800nm、光束入射角 范圍-3° 3° ，對(duì)應(yīng)的分束角變化范圍是12.35。 12. 19° 。 —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°的入射角度范圍射入 單元非常折射洛匈棱鏡； 所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體結(jié)構(gòu)橫向布置的單軸 雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、 出射端面和反射界面拋光；晶體光軸角a。(晶體光軸與直角坐標(biāo)系x軸的夾角)取值范圍 是46. 6° 46. 3° ; o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發(fā) 生非常折射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內(nèi)表面發(fā)生一次全反射，到達(dá)出射端面再次經(jīng)過 非常折射，出射后將會(huì)與出射的o光產(chǎn)生分束角。 以下詳細(xì)介紹發(fā)明構(gòu)成一種單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成的單塊長 方體構(gòu)成，其特征一是棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;其特征二是單軸雙折射晶體棱鏡的 入射端面、出射端面和反射界面拋光；其特征三是晶體光軸角a 。的取值為(l)若棱鏡使 用于單一波長或小的光譜范圍，且光正入射，獲得最大分束角的a。取值見附表l ;(2)若棱 鏡使用于大的光譜范圍，a。優(yōu)化取值46.42。。 —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°角度范圍射入單元非 常折射洛匈棱鏡；o光直接透射，e光經(jīng)非常折射_全反射_非常折射的過程出射，兩束光在 出射端面出射后將會(huì)產(chǎn)生分束角。 本發(fā)明工作時(shí)，光束可以正入射，也可以在-3° 3°范圍傾斜入射，o光直接透 射，且保持與入射光同向；e光在入射端面發(fā)生非常折射，達(dá)到晶體棱鏡的側(cè)面會(huì)發(fā)生全反 射，而后在出射端面再次非常折射以一定角度出射，從而o、e光產(chǎn)生一定的分束角。棱鏡的 使用光譜范圍300nm 1800nm。 本發(fā)明中的偏光分束棱鏡的技術(shù)效果是①利用了單軸雙折射晶體中e光的非常 折射特性，在入射端面完成起偏與o、 e光的離散，在側(cè)面完成e光的全反射，在出射端面 完成o、 e光較大分束角的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)了器件的起偏與分束功能。②采用的是單元晶 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較之先前的洛匈棱鏡等二元或三元組合棱鏡，避免了膠合層對(duì)光的偏振分束過程的影響；由于沒有膠合層，棱鏡的使用光譜范圍直接取決于冰洲石晶體中o、 e光的透 明區(qū)，即300nm 1800nm，較之二元或三元組合棱鏡，將紫外使用光譜由350nm拓展到了 300nm ;由于是單元晶體結(jié)構(gòu)，提高了器件的抗光損傷閾值，結(jié)構(gòu)也更加牢固。③偏振分束效 果類似羅匈棱鏡，即出射的o光始終與入射光方向平行，僅e光偏折產(chǎn)生分束角；當(dāng)入射角 在-3° 3°的范圍變化時(shí)，分束角可在大于12。的范圍連續(xù)變化。很顯然單元非常折射 洛匈棱鏡具有偏振分束、分束角可調(diào)、起偏及檢偏多種功能一體化的特征。本發(fā)明是根據(jù)雙 折射晶體內(nèi)e光的非常折射特性，設(shè)計(jì)研制的一種全新的偏光分束器件，其分束效果類似 洛匈棱鏡，故我們稱之為非常折射洛匈棱鏡。獨(dú)特的分束方法，可獲得大于20。的分束角， 是洛匈棱鏡能夠產(chǎn)生的分束角的2 3倍。本發(fā)明的特點(diǎn)是單元晶體結(jié)構(gòu)棱鏡，整體結(jié)構(gòu) 牢固，抗光損傷閾值高，分束角大且可調(diào)，具有偏振分束、起偏及檢偏多重功能，實(shí)用性強(qiáng)， 這些都是其優(yōu)于現(xiàn)有偏振分束棱鏡的重要特征，使該類器件的應(yīng)用領(lǐng)域較之現(xiàn)有的器件更 加廣泛，適用于偏振分束及起、檢偏的科學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)用裝置；具有高的技術(shù)性能和可靠性， 這在激光技術(shù)、光學(xué)測試、光學(xué)調(diào)制等應(yīng)用領(lǐng)域中具有極為重要的意義。
附圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是正入射時(shí)的偏振分束光路示意圖；附圖3是 傾斜入射時(shí)的偏振分束光路示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖1所示單元非常折射洛匈棱鏡是由冰洲石晶體制成單塊長方體結(jié)構(gòu)橫向布 置的單軸雙折射晶體棱鏡，所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射界面、出射界面和反射界面 拋光；晶體光軸角a。取值范圍是46.6。，光束波長取值300nm，光束正入射的分束角是 23.94° 。 如圖2、圖3所示，一種非常折射偏光分束方法，將光束以一3。 3°入射角度范 圍射入單元非常折射洛匈棱鏡；所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體 結(jié)構(gòu)橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶 體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光，晶體光軸角a。取值范圍是46.6 46.3。； o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發(fā)生非常折 射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內(nèi)表面發(fā)生一次全反射，到達(dá)出射端面再次經(jīng)過非常折射 以一定角度出射，從而o、 e光產(chǎn)生一定的分束角。棱鏡材料為光學(xué)級(jí)的冰洲石晶體；圖中 a 。稱為光軸角(即晶體光軸與直角坐標(biāo)系x軸的夾角)，若棱鏡使用于單一波長或小的光 譜范圍，且光正入射，獲得最大分束角小_的a。取值見附表l ;若棱鏡使用于大的光譜范 圍，a。取46. 42° 。 附圖2是正入射時(shí)的偏振分束光路示意圖。當(dāng)光束正入射時(shí)，不同波長可獲得的 最大分束角見附表l。 附表1.正入射獲得最大分束角9max的光軸角a 。與波長A對(duì)應(yīng)表
實(shí)施例^ (nm) (Q )9max (o )實(shí)施例、(nm)<Pmax (o )
130023.94100019.07
32046.623.265106046. 419.01
35122.44117218.91
35222.41117318.90
241046.521.39124018.85
48220.636130018.80
48320,62136018.76
55020.17142018.71
60019.93148018.67
365019.747154018,63
70046.419.59160018.59
76019.45166018.55
82019.33173018.50
488019.238180018.46
94019.15 附圖3是傾斜入射時(shí)的偏光分束光路示意圖。對(duì)于a。取46.42。的棱鏡，當(dāng)光的入射角在-3° 3°的范圍變化時(shí)，在300nm 1800nm分束角的可調(diào)范圍見附表2。 附表2入射角i分別為3。、_3°時(shí)分束角(p與波長A對(duì)應(yīng)表
實(shí)施例(pi=-3。 O實(shí)施例X (nm)Oi=3。 (o)
930017.7930.14100012.9925.20
32017.1229.4513106012.9325.13
34016.5728.88112012,8725.07
36016.1228.41118012.8225.02
1039015.5727.85124012.7724.97
44014.9227.1814130012.7224.92
49014.4626.71136012.6824.88
55014.0726.31142012.6324.83
60013.8426.07148012.5924.79
1165013.6525.8815154012.5524.75
70013.5025.72160012.5124.71
76013.3625.57166012.4724.67
82013.2425.46173012.4324.62
1288013.1425.3516180012.3824.57
94013.0625.27 實(shí)施例2 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值46.5° ，光束波長取值410nm，光束正入射的分束角是21.39。。
實(shí)施例3 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
646.4° ，光束波長取值650nm，光束正入射的分束角是19. 74° 。
實(shí)施例4 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.4° ，光束波長取值880nm，光束正入射的分束角是19. 23° 。
實(shí)施例5 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.4° ，光束波長取值1060nm，光束正入射的分束角是19.01° ,
實(shí)施例6 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1300nm，光束正入射的分束角是18.80° ,
實(shí)施例7 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1540nm，光束正入射的分束角是18.63° ,
實(shí)施例8 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1800nm，光束正入射的分束角是18.46° ,
實(shí)施例9 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處
46.42° ，光束波長取值300nm，光束入射角取值3' 17. 79° 30. 14° 。
實(shí)施例10 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值390nm，光束入射角取值3 15. 57° 27. 85° 。
實(shí)施例11 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值650nm，光束入射角取值3 13. 65° 25. 88° 。
實(shí)施例12 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值880nm，光束入射角取值3 13. 14° 25. 35° 。
實(shí)施例13 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值1060nm，光束入射角取值3 12. 93° 25. 13° 。
實(shí)施例14 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值1300nm，光束入射角取值3
-3'
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
對(duì)應(yīng)的分束角cp的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對(duì)應(yīng)的分束角9的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對(duì)應(yīng)的分束角(P的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對(duì)應(yīng)的分束角CP的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對(duì)應(yīng)的分束角9的范圍是
在于晶體光軸角a。取值
對(duì)應(yīng)的分束角cp的范圍是12. 72° 24. 92° 。 實(shí)施例15 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
46.42° ，光束波長取值1540nm，光束入射角取值3。 _3° ，對(duì)應(yīng)的分束角cp的范圍是12. 55° 24. 75° 。 實(shí)施例16 本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
46.42° ，光束波長取值1800nm，光束入射角取值3。 _3° ，對(duì)應(yīng)的分束角9的范圍是12. 38° 24. 57° 。
8
權(quán)利要求
一種單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是它由冰洲石晶體制成單塊長方體結(jié)構(gòu)橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比8～10；所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光；晶體光軸角αo取值范圍是46.6°～46.3°，光束入射角為-3°～3°，適用的波長范圍300nm～1800nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 6° ，光束正入射且適用的波長范圍300nm 351nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 5° ，光束正入射且適用的波長范圍352nm 482nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 4° ，光束正入射且適用的波長范圍483nm 1172nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 3° ，光束正入射且適用的波長范圍1173nm 1800nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。優(yōu)化取值 46.42° ，光束入射角范圍-3° 3°且適用的波長范圍300nm 1800nm。
7. —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°的入射角度范圍射入單 元非常折射洛匈棱鏡；所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體結(jié)構(gòu)橫向布置的單軸雙折 射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和 反射界面拋光；晶體光軸角a。取值范圍是46.6。 46. 3° ;o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發(fā)生非 常折射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內(nèi)表面發(fā)生一次全反射，到達(dá)出射端面再次經(jīng)過非常 折射，出射后將會(huì)與出射的o光產(chǎn)生分束角。
全文摘要
一種單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成的單塊長方體構(gòu)成，晶體光軸角α。可根據(jù)使用波長在46.6°～46.3°的范圍取值；棱鏡的適用波長范圍300nm～1800nm消光比優(yōu)于10-5。非常折射偏光分束方法是將光束射入單元單軸雙折射晶體棱鏡，o光直接通過晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發(fā)生非常折射的e光在晶體棱鏡內(nèi)表面發(fā)生一次全反射，到達(dá)出射端面再次經(jīng)過非常折射；兩束光在出射端面出射后將會(huì)產(chǎn)生分束角。這是一種具有較高的技術(shù)指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)多種性能的偏振分束方法和單元非常折射洛匈棱鏡，該棱鏡的分束特點(diǎn)表明它具有偏振分束、分束角隨入射角可調(diào)、起偏與檢偏多種功能，在激光技術(shù)、光學(xué)測試、光學(xué)調(diào)制等應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中具有極其重要的實(shí)際意義。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101782690SQ20101011006
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月20日
發(fā)明者任廷琦, 吳福全, 吳聞迪 申請(qǐng)人:曲阜師范大學(xué)