專利名稱：三等腰棱鏡組成的消色差1/4波片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種適用于偏振光學系統(tǒng)、橢圓偏振測量技術(shù)、激光技術(shù)和其它光學實驗裝置或儀器中產(chǎn)生90°(1/4波長)的相位延遲的消色差1/4波片結(jié)構(gòu)設(shè)計。
目前工程技術(shù)中通常通常采用的四分之一波片由石英晶體或云母等雙折射材料的平行薄片制成，其相位延遲正比于2π(ne-no)d/λ，式中ne、no為材料的非常光、尋常光折射率，d為波片厚度，λ為入射光波長。這類波片的具有相位延遲誤差往往較大，且相位延遲隨波長變化而改變的缺點。一般石英波片的相位延遲對溫度也十分敏感。克拉朋等(P.B.Clapham et al，Opt.Acta，vol.18，p.563，1971ThinSolids Films，vol.4，p.291，1969)采用低色散光學材料研制出的1/4波片，如

圖1所示。
圖1中的棱體由兩塊相同的四棱鏡11、12組成。每個棱鏡的四個棱角中有兩個棱角為直角，一個銳角為α，一個鈍角為(180°-α)。兩個四棱鏡對稱連接，鈍角和相鄰直角之間的平面連接在一起。其工作原理為，垂直于棱鏡11左側(cè)表面入射的光束在棱鏡的斜面上發(fā)生全內(nèi)反射，入射角和反射角均為α。斜面的反射光束以入射角β＝2α-90°照射到底面上，發(fā)生第二次全內(nèi)反射，再經(jīng)過棱鏡12的斜面發(fā)生第三次全內(nèi)反射，最后垂直于棱鏡12的右側(cè)表面出射。出射后光的兩分量之間由于連續(xù)三次全內(nèi)反射而產(chǎn)生相位延遲Δ。根據(jù)菲涅爾公式可以得到，滿足下式關(guān)系時，相位延遲Δ為90度，該四棱體組就成為了1/4波片。
式中n是中心波長或主要波長的折射率。當棱鏡材料為低色散光學材料時，波長在一定范圍內(nèi)改變折射率變化很小，因而由(1)式計算出的相位延遲和90度也相差甚小，從而使該棱體組成為一定波長范圍內(nèi)的消色差1/4波片。
上述兩塊相同的四棱鏡構(gòu)成的消色差1/4波片有如下缺點①底邊中心的光束反射發(fā)生在棱鏡11和12的直角棱角附近，而棱角處由于不可避免的工藝原因使應(yīng)力雙折射通常較大，這會產(chǎn)生不規(guī)則的附加相位延遲誤差；②在膠合面處，由膠合引起的應(yīng)力雙折射也可以導致較大的相位延遲誤差；③光束傾斜穿過棱鏡11和12的交界面，根據(jù)菲涅爾公式可以得知，傾斜光束通過界面會使偏振態(tài)有所變化，因而使波片產(chǎn)生附加的相位延遲誤差；④棱鏡直角部不可避免地有缺陷或倒角，如果底邊的反射光束中心在兩個四棱鏡的直角連接處，就會嚴重影響傳輸?shù)牟嫣匦?，而要避開這一點，必然會使波片的有效孔徑減小，同時使波片整體的左、右側(cè)入射、出射光束的中心不在同一直線上。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計出一種用三等腰棱鏡組成的消色差1/4波片，使其不但具有光透過率顯著高于云母波片，相延的溫度穩(wěn)定性高于單石英晶體波片；而且避免了由于斜入射界面引起的相位改變，使90°相位延遲值準確；使有效通光孔徑增加；加工和檢測工藝較簡單，便于批量制造。
本發(fā)明設(shè)計的一種三等腰棱鏡組成的消色差四分之一波片，其特征在于由三個等腰棱鏡組成，其中底角相同為α且倒立的第一、第二個等腰棱鏡的側(cè)面分別粘貼于第三個正立的底角為β的等腰棱鏡的兩側(cè)面，底角α和低色散棱鏡材料的中心折射率n之間滿足方程式4arctan(1-(nsinα}-2)1/2tanα+2arctan(1-(nsin(2α-90)}-2)1/2tan(2α-90)=90]]>，且β＝2α-90°，所說的第一、第二個等腰棱鏡可以缺省或切去其頂角。
所說的第一、第二個等腰棱鏡切去其頂角后的平面與所說的第三個棱鏡的底面可構(gòu)成一個平面。
所說的兩連接面可采用粘接引力小且折射率基本匹配的材料膠合。
本發(fā)明的工作原理結(jié)合如圖2說明如下。圖中，參數(shù)相同的等腰棱鏡21(ABC)和22(DEF)的底角A、B、E和D分別為α，等腰棱鏡23(IGH)的底角G和H分別為β，各等腰棱鏡的頂角附近的部分(如圖2中的虛線部分)可以缺省、削去或降低加工要求。K9玻璃、K8玻璃或光學石英玻璃等常用低色散材料的中心折射率為n時，兩等腰棱鏡的底角α滿足下列方程(角度單位為度)。4arctan(1-(nsinα}-2)1/2tanα+2arctan(1-(nsin(2α-90)}-2)1/2tan(2α-90)=90---(1)]]>另一等腰棱鏡的底角為β＝2α-90本發(fā)明的特點為(1)由于底角滿足關(guān)系式(1)和β＝2α-90°，本發(fā)明中平面AA’和平面EE’互相平行且都垂直于平面GH，這樣垂直于平面AA’的入射光束出射時光束也和平面EE’垂直，經(jīng)AB面反射的光束垂直于BB’和IG的交界面，經(jīng)GH面反射的光束垂直于IH和DD’的交界面，避免了由于斜入射界面引起的相位改變；BB’和IG的界面、IH和DD’的界面分別用低應(yīng)力且折射率基本匹配的材料粘接，基本避免了粘接應(yīng)力引起的附加相位延遲，使90°相位延遲值準確。光透過率顯著高于云母波片，相延的溫度穩(wěn)定性高于單石英晶體波片。
(2)本發(fā)明底邊中點是光學表面GH的中心部分而平面度好且基本無應(yīng)力，使有效通光孔徑增加。
(3)本發(fā)明的等腰三棱鏡加工和檢測工藝較簡單，便于批量制造。
附圖簡要說明圖1為已有的1/4波片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的消色差1/4波片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實施例相位延遲隨波長變化的曲線示意圖。
本發(fā)明設(shè)計的一種消色差1/4波片的實施例如圖3所示，結(jié)合附圖詳細說明如下本實施例是選用優(yōu)質(zhì)K9玻璃制成的三個等腰棱鏡切割、粘接而成，如圖3所示。圖3中面A’B’、D’E’和GH基本在同一平面內(nèi)。在633nm時K9玻璃材料折射率為1.51466。由(1)式計算得，等腰棱鏡的底角角度分別為角度α＝74°和β＝58°，工藝要求其角度誤差限均為±1’。
消色差1/4波片器件總長為78.1mm、高度為18.5mm，寬度為19mm。對應(yīng)圖3中的相應(yīng)尺寸分別為A’E’為78.1mm，AA′(或EE’)長18.5mm，A′G長29.6mm，BG長10.0mm，GH長18.9mm，AB長36.3mm，整個菱體左右對稱。膠合用應(yīng)力小的光敏膠材料，其折射率與K9玻璃比較接近。
根據(jù)K9玻璃的色散參數(shù)計算所得的相位延遲隨波長變化的曲線如圖4所示。在633nm處相延理論值應(yīng)當為89.9°，角度制造公差為α＝74°±1’和β＝58°±1’，實際相延誤差能不大于0.5°。適當減小角度制造公差并測準材料樣品的折射率，可以進一步減小相延誤差。
權(quán)利要求
1.一種三等腰棱鏡組成的消色差四分之一波片，其特征在于由三個等腰棱鏡組成，其中底角相同為α且倒立的第一、第二個等腰棱鏡的側(cè)面分別粘貼于第三個正立的底角為β的等腰棱鏡的兩側(cè)面，底角α和低色散棱鏡材料的中心折射率n之間滿足方程式4arctan(1-(nsinα}-2)1/2tanα+2arctan(1-(nsin(2α-90)}-2)1/2tan(2α-90)=90,]]>且β＝2α-90°，所說的第一、第二個等腰棱鏡可以缺省或切去其頂角。
2.如權(quán)利要求1所述的消色差四分之一波片，其特征在于，所說的第一、第二個等腰棱鏡切去其頂角后的平面與所說的第三個棱鏡的底面構(gòu)成一個平面。
3.如權(quán)利要求1所述的消色差四分之一波片，其特征在于，所說的兩連接面采用粘接引力小且折射率基本匹配的材料膠合。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域,由三個等腰棱鏡組成,其中底角相同為α且倒立的第一、第二個等腰棱鏡的側(cè)面分別粘貼于第三個正立的底角為β的等腰棱鏡的兩側(cè)面,底角α和低色散棱鏡材料的中心折射率n之間滿足方程式(1),且β=2α—90°,所說的第一、第二個等腰棱鏡可以缺省或切去其頂角。本發(fā)明不但具有光透過率高,相位延遲的穩(wěn)定性高,使90°相位延遲值準確;使有效通光孔徑增加;且加工和檢測工藝較簡單,便于批量制造。
文檔編號G02F1/01GK1258849SQ9912718
公開日2000年7月5日 申請日期1999年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者朱鶴年, 呂正德, 柯偉平 申請人:清華大學