一種偏振分束方法及其裝置的製作方法
2023-05-27 02:20:46 1
專利名稱：一種偏振分束方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學技術領域，具體是涉及一種基於光學全反射原理的偏振分束方法和偏振裝置。
背景技術：
偏振器是光學和光學工程，包括光纖光學的重要光學元器件。對於偏振裝置，最理想的情形是將入射光束分解成兩束振動方向相互垂直的偏振光束。傳統的偏振分束方法可分成如下三種1、薄膜偏振分束方法。2、Brewster角反射偏振法。3、雙折射偏振分束方法。薄膜偏振分束方法是在兩個直角稜鏡的接合界面上交替鍍上多層介質薄膜，使入射光的TE波的透射係數增加，而TM波的反射係數增加，因而使透射光束成為TE波，而與透射光束相垂直的反射光束成為TM波。薄膜偏振分束裝置的局限在於工作波段窄，一般為幾百納米，二是由於薄膜界面TE波的部分反射，使反射波束中含有部分TE波的成分。Brewster角反射偏振方法是當入射光的入射角為Brewster角(θB＝arctan(n))時，反射光束只有TE波的成分。這一方法的局限在於Brewster角與波長有關，因此針對某一給定的Brewster角，只有與之對應波長的反射光波是完全偏振的。另外，由於界面的反射率低，因此反射光波的強度較低。雙折射偏振器是較常採用的偏振分束方法，其原理是將透明的雙折射晶體切割成稜鏡，入射光束經過光學均質/雙折射界面透射和反射形成兩束振動方向相互垂直的偏振光束。常見的晶體材料為方解石、雲母、石英和金紅石。各種雙折射稜鏡偏振器通常是將沿著兩個不同結晶學方向切割的兩個光學稜鏡組合使用。兩個稜鏡或者用樹膠粘合，或者形成空氣間隙。常用的偏振分束稜鏡有Rochon稜鏡、Wollaston稜鏡、Nicol稜鏡、Glan-Thompson稜鏡等。這些雙折射稜鏡的局限在於如果採用樹膠粘合兩個稜鏡，則由於樹膠對入射光的吸收，使入射光的強度不能太高，否則產生老化或容易被擊穿，頻帶寬度也由此受到限制。如果兩稜鏡間存在空氣間隙，則由於光束在間隙中的多次反射，使反射偏振光束的消光比降低。
二
發明內容
1.發明目的本發明的目的在於提供一種具有應用頻率寬、兩偏振分束消光比高且相等、結構簡單並能應用於高強度入射光的偏振分束方法及其裝置。
2.技術方案一種偏振分束裝置，包括光源和透明雙折射晶體稜鏡，並由兩個稜鏡在切割面上膠合後組合使用，其特徵在於只採用一個雙摺晶體稜鏡或圓錐體或光劈狀，該晶體的切割角α應滿足反射的兩束光均為全反射光束，其光源的頻帶寬，且入射光強度高。
上述的光源可為紫外光、可見光或紅外波段的相干和非相干光。
上述晶體切割角α的範圍介於全反射角γ與90°之間，即γ≤α＜90°。
一種偏振分束方法，其特徵是由光源射出的入射光束沿光軸方向正入射進入單軸晶體，通過切割晶體的界面∑全反射在空間上分解出兩束相互垂直振動的偏振光，即e-光和o-光；確定晶體的切割角α的度數，使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，則分束效果最佳。
上述的單軸晶體可切割成稜鏡形，圓錐體或尖劈狀，使分解的偏振光波分別成束狀，帶狀或同心環狀。
上述的晶體切割角α的最佳度數分別為α-石英60.17度，蘭寶石59.59度，方解石56.16度，金紅石62.46度，BBO57.87度，LiNbO359.02度，YVO362.46度。
上述的兩束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。
當入射光束覆蓋某一波段時，分解出射的兩束相互垂直振動的偏振光均具有色散效用。
下面結合附圖闡述偏振分束方法的原理結合圖1，設光束沿光軸方向正入射進入由單軸晶晶體切割拋光的稜鏡。在這一方向晶體表現出均質性，只有一個折射率no，入射光至反射界面之後發生反射，通過界面∑反射之後分解出e-光與o-光，由於e-光與o-光的折射率不等，因此反射的e-光與o-光沿不同的方向在晶體內傳播。如果入射角α大於e-光及o-光的全反射角，則分解出的e-光和o-光在界面發生全反射，在界面∑反射的o-光的反射角與入射角相等，而e-光的反射角β不等於入射角α，因而實現由全反射偏振分束的目的。由於e-光波的法向遵循折射定律nosinα＝nesinβ (1)ne為e-光的折射率，β為其波法向的折射角，e-光的折射率ne取決於其在各向異性晶體內的傳播方向。對於單軸晶晶體，e-光的折射率只與e-光法向與光軸的夾角θ有關1ne2=cos2no2+sin2ne2---(2)]]>no和ne為單軸晶晶體的兩個主折射率。
對於正光性單軸晶晶體稜鏡(ne＞no)，其偏振分束型如圖1(a)所示，對於負光性單軸晶晶體稜鏡(ne＜no)，其偏振分束構型如圖1(b)所示。根據雙折射晶體e-光與o-光色散特性，即ne(λ)、no(λ)，確定稜鏡的切割角α，使透射的兩束相互垂直的偏振光束分離角δ最大。在圖1中正光性晶體的光束分束角δ＝α-β，負光性晶體δ＝β-α，e-光和o-光法向與光軸的夾角θ分別為θ＝α+β以及θ＝2α。在上述晶體光學基礎上優化稜鏡的切割變成在等式(1)，(2)的約束條件下求兩相互垂直偏振光束分束角δ的最大值，可採用拉格朗日乘數法求解。幾種主要單軸晶體(石英、藍寶石、方解石、金紅石， BaB2O4(BBO)LiNbO3、及YVO3)在不同入射波長範圍內計算的最佳切割角α列於表1，最大分離角的計算結果如圖2所示。其他透明雙折射晶體的切割優化可依上述步驟進行。
表1.由拉格朗日乘數法計算的幾種常見單軸晶全反射稜鏡的最佳切割角α
在正常色散波長範圍內(dnd0)]]>，介質折射率隨波長的增加而減少。由本發明裝置分離的偏振方向相互垂直的兩束間的分束角δ在正常色散波長範圍內隨波長的增加而略為減小。這一色散特性使本發明裝置還可用於分波測量的光譜儀器中。
3.有益效果本發明的偏振分束方法及其裝置與傳統的偏振器及方法相比，具有如下特點(1)、本發明裝置只採用單一雙折射晶體切割拋光的稜鏡、圓錐體或劈狀晶體製成，因此結構簡單。
(2)、本發明裝置由於無需其他膜層，沒有吸收，因此偏振分束的波段寬廣，其偏振分束應用範圍與雙折射晶體的透射範圍一致。
(3)、由於本發明裝置內沒有其他物理界面，因此可應用於高強度的入射光條件。
(4)、利用本發明裝置全反射的特點製成，本分束方法的兩束全反射的偏振分束具有很高(＞106)而且相等的消光比值。
(5)、對於同一晶體材料，本分束方法可以獲得最大的分束角，且其中一出射光束垂直於出射表面。
(6)、由於全反射具有色散特徵，因此本發明裝置不但具有偏振分束特點，而且具有偏振波分波的特點，因此可以用於光譜測量領域。
(7)、本發明裝置中單軸晶還可設計切割成尖劈型或圓錐型或圓錐體，入射光平行於尖劈對稱軸或者圓錐軸線入射，通過多次反射分解成多束帶狀或同心環形線性偏振光波。
四
圖1、偏振分束裝置示意圖a、稜鏡型 b、圓錐體型 c尖劈狀圖2、基於光學全反射原理的偏振分束稜鏡(a)正光性單軸晶體稜鏡偏振分束裝置(b)負光性單軸晶體稜鏡偏振分束裝置圖3、幾種常見單軸晶在不同入射波長範圍內計算的最大分束角(α-β)最大A、α-石英 B、藍寶石 C、方解石 D、金紅石E、BBO F、LiNbO3G、YVO3圖4、由α-石英稜面體構成的全反射偏振分束裝置五具體實施方式
實施例1偏振分束方法由石英滷素燈作為光源和α-石英雙折射晶體稜鏡構成的偏振分束裝置，見圖1(a)。當光源射出的入射光束正入射進入稜鏡界面∑全反射後在空間上分解出兩束相互垂直振動的偏振光，即o-光和e-光。稜鏡的切割角α為60.17°使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，其分束效果最佳。
實施例2、由He-Ne雷射器作為光源和用α-石英晶體切割成的圓錐體，構成的偏振分束裝置。
結合圖1(b)，當紫外光束入射到圓錐體的切割界面∑時發生全反射，在空間上分解出兩束偏振光，其中一束為o-光，另一束為e-光。
同理，用可見光作為光源和用金紅石晶體切割成尖劈狀構成的偏振分束裝置。結合圖1(c)，當光源發出的一束入射光進入晶體的切割界面∑後，發生反射，通過界面∑反射分解出兩束偏振光，其中一束為o-光，另一束為e-光。
實施例3、由石英滷素燈作為光源和α-石英稜面體構成的偏振分束裝置(見圖4)。為了說明本光學全反射偏振分束裝置，我們切割了如下所示的α-石英菱面體，用準直的石英滷素燈垂直於光軸方向入射，經45°角在菱面體內14次全反射後沿Y-軸方向出射。出射光分成三個斑點，將一偏振器置於出射光前，發現左右兩個光斑是振動方向相互垂直的線偏振光，轉動偏振器，左右兩個光斑發現交替消光。
權利要求
1.一種偏振分束裝置，包括光源和透明雙折射晶體稜鏡，並由兩個稜鏡在切割面上膠合後組合使用，其特徵在於只採用一個雙摺晶體稜鏡或圓錐體或尖劈狀，該晶體的切割角α應滿足反射的兩束偏振光均為全反射光束，其光源的頻帶寬，且入射光強度高。
2.根據權利要求1所述的偏振分束裝置，其特徵在於所述的光源可為紫外光、可見光或紅外波段的相干和非相干光。
3.根據權利要求1所述的偏振分束裝置，其特徵在於所述的晶體切割角α的範圍介於全反射角γ與90°之間，即γ≤α＜90°。
4.一種偏振分束方法，其特徵是由光源射出的入射光束沿光軸方向正入射進入單軸晶體，通過切割晶體的界面∑全反射後在空間上分解出兩束相互垂直振動的偏振光，即e-光和o-光；確定晶體的切割角α的度數，使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，則分束效果最佳。
5.根據權利要求3所述的偏振分束方法，其特徵在於所述的單軸晶體可切割成稜鏡形，圓錐體或尖劈狀，使分解的偏振光波分別成束狀，帶狀或同心環狀。
6.根據權利要求3所述的偏振分束方法，其特徵在於所述的晶體切割角α的最佳度數分別為α-石英60.17度，蘭寶石59.59度，方解石56.16度，金紅石62.46度，BBO57.87度，LiNbO359.02度，YVO362.46度。
7.根據權利要求3所述的偏振分束方法，其特徵在於兩束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。
8.根據權利要求3所述的偏振分束方法，其特徵在於當入射光束覆蓋某一波段時，分解出射的兩束相互垂直振動的偏振光均具有色散效應。
全文摘要
本發明公開了一種偏振分束方法和裝置，該裝置由光源及一個透明雙折射晶體構成，晶體可以是稜鏡、圓錐體或光劈形狀，其光源的頻帶寬，可為紫外光、可見光、或紅外波段的相干和非相干光，晶體的切割角要滿足反射的兩束偏振光均為全反射光束。偏振分束方法是當入射光波進入晶體反射界面之後，發生反射後被分解出兩束相互垂直振動的偏振光波，當入射光波覆蓋某一波段時，分解出的兩束狀，兩帶狀或兩個同心環狀的相互垂直振動的偏振光波或者多束錐形線性偏振光束均具色散特徵，該偏振分束方法及裝置具有結構簡單、偏振分束的波段寬廣，兩偏振線性分束的分束角大，且偏振分束具有極高而且相等的消光比值，可用於高強度入射光的偏振分束條件。
文檔編號G02B27/28GK1700057SQ20051003911
公開日2005年11月23日 申請日期2005年4月27日 優先權日2005年4月27日
發明者譚成忠 申請人:南京大學