雙折射衍射複合光束起偏法及器件的製作方法
2023-05-03 10:00:31
專利名稱：雙折射衍射複合光束起偏法及器件的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種使光束(包括可見、紅外和紫外波段)起偏振或起偏分束的方法及實施該方法的偏光器件。
偏光技術是光學技術的重要分支，其應用滲透到了與光學技術有關的各個領域，而產生偏振光的方法以及相關的偏光器件是偏光技術的基礎。
現有的產生偏振光的方法及相關的偏光器件主要有以下四類[1]1、利用雙折射效應起偏或起偏分束的稜鏡起偏器和分束器。2、利用二向色特性起偏的二向色起偏器。3、利用衍射效應起偏的線柵起偏器和光柵起偏器。4、利用布儒斯特角反射特性起偏的非正入射起偏器。
利用雙折射效應起偏或起偏分束一般是用稜鏡起偏器或分束器來實現，其具有極好的消光比和透射比性能，也即利用該方法所產生的偏振光束偏振度高，光能損耗小，但由於製作稜鏡需用大三維尺寸，光學性質均勻的雙折射晶體，否則通光孔徑和o、e光束分離角更加受到限制，故造價昂貴，體積，重量也較大；利用二向色特性起偏的二向色起偏器，具有薄片狀外形，其通光面積(即孔徑)大，能用於大發散角光束，且重量輕，造價低，易加工成任意所要求的外形，在實際中使用最為廣泛，但由於該方法是基於將偏振分量之一吸收的原理，這一是使其光能利用率不高，即不能起偏分束，二是使其器件的抗光損傷閾值低，另該方法消光比、透射比性能不好，無法適用於高要求場合；線柵起偏器的原理是當入射波長遠大於線柵的間隔時，垂直於線柵的偏振分量透過，平行於線柵的分量反射而進行起偏的，由於入射波長要遠大於線柵間隔才有較理想的消光比，而製作如此小間隔的線柵目前極其困難，這使該方法除紅外波段外不能實際應用；光柵型衍射起偏器的原理則是利用在其衍射光中，偏振平行和垂直於刻槽方向的分量有不同的反射率，但該效應對於一般(包括閃耀型)光柵是微弱的，對於小階梯光柵其消光比也難於滿足實用要求，故基本上沒有實際應用。
本發明的目的是提出一種利用雙折射(或加全反射)、衍射、幹涉複合作用而使光束起偏振或起偏分束的方法及實施該方法的一類偏光器件。該方法及器件與現有方法及器件相比，具有消光比高，透射比高，通光孔徑大，光束分離角大，抗光損傷性能好，器件呈薄片狀，重量輕，易於加工成任意所要求的外形，可採用模壓複製工藝生產，使造價低廉，因此有良好的實用前景。
本發明是這樣實現的採用具有雙折射性質的光學材料，例如雙折射晶體，雙折射光學塑料等做片基，在片基的表面，經合適的加工工藝，例如機械刻劃[2]，光電刻蝕[3]，模壓複製[4]等製成與衍射光柵類似的周期性結構，例如圖1所示的閃耀光柵型結構，當入射光通過此有周期性結構的界面時，由於兩相互垂直的偏振分量在雙折射片基中折射率不同，其相鄰光線的光程差也就不同，再經衍射，幹涉作用，其不同偏振分量的合成光束的主極大方向就不同，從而達到將兩偏振分量在空間分開，也即起偏振或偏振分束的目的。
例如對於圖1所示的結構(圖中1是雙折射介質，2是片基外介質)，設其周期為d(圖中3)，兩相鄰平行光線7-8和9-10在通過界面後光程差Δ為Δ＝ndsinθn′dsinθ (1)式中n是片基介質的折射率，對於偏振分量之一的o光(即尋常光)，其折射率是no，對於另一偏振分量e光(即非常光)，其折射率是ne，n′是片基外非雙折射介質，例如空氣的折射率，θ是光線入射角(圖中4)，θ′是出射角(圖中5)，式中「-」 號表示入射光線和出射光線在光柵宏觀平面法線的異側，「+」號則表示在同側。光束幹涉的極大值條件為Δ＝mλ(m＝0，±1，±2，±3，……)(2)(1)與(2)式結合，即得光柵方程nsin+-nsinm=md]]>(m＝0，±1，±2，±3，……)(3)由(3)式可知，當入射光以入射角θ通過界面後，入射光中的o光偏振分量和e光分量由於其對應的折射率不同，其相同的幹涉級次有著不同的出射角θ′m，從而可將兩偏振分量在出射空間分開，同時由於閃耀光柵可將出射光能集中到某單一級次上，從而可通過光柵的結構參數的恰當設計，消除其它級次，使出射o光和e光只保留1級，從而達到具有高消光比和透射比的偏振起偏或分束目的。
本發明對於圖1所示的閃耀光柵型結構，還可以這樣來實現由於周期性傾斜斜面具有一定的閃耀角α(圖1中6)，而入射光中的o光和e光分量因在片基中折射率不同，通過傾斜面時會有不同的全反射角，於是利用使其中一偏振分量折射透過，而另一分量全反射的方法也可起偏分束，這很易由閃耀角α和λ射角θ的恰當組合來實現。例如對於no大於ne的介質片基，其o光全反射角ico小於e光全反射角ice，由於入射光以i(i＝θ+α)角入射到傾斜面，於是選擇角i，使ico＜i＜ice時，o光全反射，而e光折射透過界面，從而可以起偏振。
上述的周期性結構，可以製作在器件片基的一個表面上(另一面製作成光學平面或曲面)，也可以製作在相對的兩個表面上，且兩表面的結構特徵可以相同，也可以不同。另外，還可將兩個或多個已制好的上述單片基器件適當組合，而製成多片組合型器件，從而獲得更好的起偏分束性能，例如擴大o光和e光的出射分離角等。另選用具有合適透過率的雙折射介質做片基，可做成適用於可見、紅外、紫外波段的上述類型器件。
本發明與現有幾種起偏振方法和偏光器件相比，具有下述綜合性優點1、具有很好的消光比性能，因為上述方法和器件可將入射光中的o和e光在空間完全分開，而o光和e光，也即尋常光和非常光都是偏振性質極其純淨的光束，從而其輸出的光束偏振度很高。
2、具有很好的透射比性能，上述方法和器件是基於一種透射式或透射，全反射結合式的工作原理，其器件只要所選用的片基材料本身吸收小，加上該類器件可以做成薄片狀(見下述)，故器件總吸收損耗很小，尤其是上述方法和器件可以起偏分束，從而使入射光能近似全部變成偏振光束出射。
3、可有很大的光束分離角，因依據上述方法，其器件的不同偏振分量的出射分離角可通過周期性結構參數的設計而改變，故手段靈活，分離潛力大，例如對於一分量透射，一分量全反射式結構，其分離角可接近或大於90°。
4、有好的抗光損傷能力，因上述方法基於一種非吸收工作方式，如上所述，入射光能近乎全部出射，其器件只要選用本身吸收小的介質，就可具有很高的抗光損傷閾值。
5、其器件可加工成薄片狀外形，體積小，重量輕，因上述器件是一種與平面型光柵類似的器件，其有周期性結構的表面的起伏高度僅與光波長同量級(或至多大一、兩個量級)，其片基的厚度也只需有足夠的力學機械強度即可，故器件可以做的很薄。
6、器件造價低，因為其器件可做成薄片狀，故可大幅度節省材料，另對片基材料的光學均勻性要求降低，因只需其在很薄的片基厚度範圍內光學性質均勻即可，另若用雙折射光學塑料(例如賽璐玢，有預應力的莎綸透明紙[5]等)通過模壓複製等工藝批量製作，則更可大大降低製造成本。
7、器件的通光面積(或孔徑)大，尤其是採用光學塑料做片基時，易制出通光面積很大的器件。
8、器件易加工成任意所要求的外形，尤其是對經模壓複製工藝製作出的器件。當片基為光學塑料時，牢固度也比晶體稜鏡類或金屬線柵類(金屬絲很細)器件好。
綜上所述，本發明提出的光束起偏振或起偏分束方法及器件與前述現有的幾種方法和器件相比，具有著根本的實質性不同，其中與雙折射起偏方法和器件，二向色起偏方法和器件以及布儒斯特角入射起偏方法和器件的區別是明顯的，此處不贅述，而且與前述的衍射光柵(包括閃耀光柵和階梯光柵)起偏方法和器件也是本質不同的。
因為本發明所提的起偏方法及器件並不僅僅是將閃耀光柵和階梯光柵的製作材料變成雙折射材料(儘管這種改變本身也是新穎的)，而且是基於完全不同的工作原理。
前已述，現有的光柵起偏器的原理是光柵對偏振平行於刻槽方向和偏振垂直於刻槽方向的光束具有不同的反射率，而使光束起偏的，從而其起偏光束的偏振方向帶有由刻槽方向所決定的特徵，且通常只能是部分起偏。
而本發明所提的方法和器件，其工作原理是基於一種新型的雙折射-衍射-幹涉或雙折射-全反射-衍射-幹涉的複合作用，其起偏光束的偏振方向由雙折射介質的光軸方向而決定，且能做到完全起偏。
這種起偏分束原理的實質性個同，使本發明所提的方法及器件具有上述若干實用性優點，與現有技術相比，具有顯著的進步。
下面結合附圖和三個實施例對本發明作進一步祥細的描述。
圖1閃耀光柵型周期性結構界面示意圖。
圖2本發明的單面閃耀光柵型起偏器或起偏分束器的一個實施例圖3本發明的單面閃耀光柵型起偏分束器的另一個實施例圖4本發明的兩片組合型起偏器或起偏分束器的一個實施例圖2是本發明的單面閃耀光柵型起偏器或起偏分束器的一個實施例。圖中11是由雙折射介質做成的器件，介質為負單軸類材料，其o光折射率no大於e光折射率ne，閃耀光柵形周期結構只製作在其一個表面，周期為d(圖中14)，閃耀角為α(圖中15)，另一表面為光學平面，介質光軸與該平面平行，與另一面的斜槽方向垂直(即平行於圖中16所示方向)，器件外介質為空氣(圖中12，13)。
入射光束18以角θ(圖中17)從平面一側入射，由於雙折射在器件內分為兩束，o光(圖中19)在下，e光(圖中20)在上。調整入射角θ，使o光和e光分別入射到周期性結構的斜面時，o光光線在斜面法線的上側(即入射角為正)，而e光光線在斜面法線的下側(入射角為負)，從而o，e光線經(每一個)單斜面衍射(相當於單縫衍射)而出射時，其0級主極大方向(圖中21和22，遵從折射定律)分別在斜面法線的兩側，從而使o，e光光線的出射角距離進一步擴大。
出射的o，e光的單斜面衍射的0級主極大半角寬近似等於 其中λ是光束波長，L是單斜面寬度L＝d/cosα，d，α值的選擇要使o、e光的0級半角寬明顯小於其之間的分離角距離(通常，這要求d值大些，而λ值可用所考慮波段內的最大波長值代入)，這樣不同的偏振分量出射後將不會重疊(單縫衍射的高級次主極大因強度弱，且迅速衰減，實際上無影響)。
由光柵方程式(3)可知，從有周期性結構的界面出射的光束因多光束幹涉會產生各級幹涉主極大，當上述o光的單斜面衍射的0級主極大方向又恰好是多光束幹涉的某一級主極大的方向時，則在該方向上，o光就會真正出現(即出射)，從而起偏獲得o光，由於單斜面衍射的0級主極大總有一定寬度，而當光柵周期d較大時，多光束幹涉的各級主極大的角間距又較密，故通過對器件的結構參數的設計而很易實現上述兩方向的重合，加上光線入射角θ可以微調，從而還有輔助校準作用，故實際中實現不困難。對於e光也與上述同理，從而也可起偏獲得e光。
上述的出射o，e光可分別單獨獲得(此時另一分量以不能理想起偏的形式出射)，此時器件可做為光束起偏器使用，也可同時獲得，此時器件便成為光束起偏分束器。
圖3是本發明的單面閃耀光柵型起偏分束器的另一個實施例，圖中23是器件，24，25是器件外介質。其片基材料，光軸取向，外形特徵與圖2所示實施例相同(周期d，閃耀角α具體值不同)，但其工作原理基於雙折射-全反射-衍射-幹涉複合方式。
入射光束29從平面一側垂直入射，由於入射角為零，在片基內o，e光重合而不分開，以相同的入射角i(圖中28)入射到周期性結構的斜面，此時入射角i等於閃耀角α(圖中27)。若器件設計時，選擇α角大於o光全反射角而小於e光全反射角(對於負單軸材料，o光全反角小於e光全反角)，則e光分量折射透過，而o光分量全反射折回，折回的o光在平面一側會再次發生全反射，最後由另一組斜面折射透出，從而最終獲得在空間分開的o，e光束(圖中30，31)。
本實施例的o，e光束由於分離角距離大，故充許周期d(圖中26)的值小些，這樣可使單斜面衍射的0級主極大寬度變大，從而更易使其和多光束幹涉的某一級主極大方向重合。
本實施例的優點是o，e光束分離角大，另入射光可垂直器件入射，從而使用上方便，但器件設計，製作要求較高，否則出射o光的透射比和平行性會降低。
對於圖2，3中的實施例，其片基介質的光軸方向可改為與平面平行，與另一面的斜槽方向也平行(即垂直各圖的圖面)的方向，或甚至其它合適的方向；其片基介質可改用正單軸類雙折射材料；另待起偏光束可從有周期性結構的一面入射；且為了提高其透射比性能，可在它們的表面(例如平面，曲面或有周期結構的表面)鍍增透膜(對於圖3的實施例，在其斜槽面鍍膜要謹慎！)；另外，在上述器件的一側表面也可鍍反射膜，而構成另一類雙折射-反射-衍射-幹涉複合作用式器件。
將兩個(或兩個以上)上述器件適當組合，可製成本發明的多片組合型起偏器或起偏分束器，圖4即是一實施例。圖中32和33是兩個單面閃耀光柵型起偏分束器，兩者平行並相互倒置，它們的光柵周期(圖中34，35)和閃耀角α(圖中36，37)相同，但其片基介質的光軸方向相互垂直，其中分束器1的介質光軸平行於器件平面，並平行於圖面，而分束器2的介質光軸平行於器件平面，但垂直於圖面，兩片狀器件中間所夾空隙可填入有適當折射率的介質(例如液體，膠體等)，以增加器件的總透過率或擴大o，e光束的分離角等。
對於每一組相對的兩個斜面段而言，其構造特徵相當於一個微小的渥拉斯頓起偏分束稜鏡[6](但兩相鄰斜面未貼合或膠合)故其起偏分束和能使o，e光分離角增大的原理這裡不細述，需要提及的是現在不僅有雙折射，而且有衍射，幹涉的複合作用，故為同時滿足衍射極大和幹涉極大的條件，需按以上對有關圖2的實施例所做的說明和設計方法，確定器件的最佳製作參數。
顯然，本組合型實施例的設計方法即使組合型器件中，其周期性組合結構中的每一組合單元，例如圖4中的每一組相對的兩個斜面段，其構造特徵相當於一個微小的某種起偏稜鏡或起偏分束稜鏡的方法是可以類推的(相鄰斜面可以不貼合或不膠合)，由於現有技術中已有多種經過精心設計的此類起偏振或起偏分束稜鏡[7]，例如尼科耳稜鏡、洛匈稜鏡，格蘭稜鏡等，於是可用上述方法製成多個各具不同特性的組合型起偏器和偏振分束器，從而得到一系列的新型的偏光器件。
權利要求
1.一種使光束起偏振或起偏分束的方法，其特徵是用有雙折射性質的光學材料做片基，在其表面製作能產生合適的衍射和幹涉作用，或對偏振分量之一能產生合適的衍射和幹涉作用，對另一偏振分量能產生全反射和合適的衍射、幹涉作用的細小的形狀周期重複的結構，入射光束在雙折射、衍射和幹涉，或在雙折射、全反射、衍射和幹涉的複合作用下，其不同偏振分量的最終合成光束傳播方向不同，從而使光束起偏振或起偏分束。
2.實施權利要求1所述方法的偏光器件，其特徵在於用具有雙折射性質的光學材料(例如雙折射晶體，雙折射光學塑料等)做片基，在其表面採用適當的加工工藝(例如機械刻劃、光電刻蝕、模壓複製等)製作能產生上述合適的衍射、幹涉或全反射、衍射、幹涉作用的細小的形狀周期重複的結構，該類結構可以製作在片基的一個表面(另一面製作成光學平面或曲面)，也可以製作在片基的兩個表面。
3.如權利要求2所述的偏光器件，其特徵是所述的製作於其表面的周期性結構的形狀與閃耀型光柵類似，並依據所需的衍射，幹涉或全反射、衍射、幹涉效果確定該結構的周期值和閃耀角值。
4.如權利要求2或3所述的偏光器件，其特徵是可由單片上述器件構成，也可由兩片或多片上述器件組成而成。
5.如權利要求4所述的偏光器件，其特徵是對於其中由兩片或多片組合成的組合型器件，其周期性組合結構中的每一組合單元，其構造特徵與現有某種起偏稜鏡或起偏分束稜鏡相同，僅尺寸減小，另相鄰斜面可以不貼合或不膠合。
6.如權利要求2或3或4或5所述的偏光器件，其特徵是可在其通光的平面，曲面和或有周期結構的表面鍍增透膜，而對於由兩片或多片合成的組合型器件，還可在其片間空隙填充有適當折射率的介質，例如液體或膠體等。
7.如權利要求2或3或4或5或6所述的偏光器件，其特徵是可在其通光的某一外側表面，例如平面，曲面或有周期結構的表面鍍反射膜，製成反射式工作器件。
8.如權利要求2或3或4或5或6或7所述的偏光器件，其特徵是所述的器件片基，對於其將應用的波段，例如可見或紅外或紫外具有良好透過率。
全文摘要
本發明提出一種使光束(包括可見、紅外與紫外)起偏振或起偏分束的方法及器件，通過在光學雙折射片基的表面製作細小的周期性衍射結構，使入射光在雙折射、衍射、幹涉複合作用下起偏振或起偏分束。該種器件消光比高，透射比高，通光孔徑大，且光束分離角和抗光損傷性能好，器件呈薄片狀，重量輕，易於加工成任意所要求的外形，可採用模壓複製工藝生產，使造價低廉，因此具有良好的實用性能。
文檔編號G02B5/30GK1148178SQ9510128
公開日1997年4月23日 申請日期1995年2月27日 優先權日1995年2月27日
發明者柳尚青, 陳巖松 申請人:中國科學院物理研究所