多深度級階梯型偏振分束片的製作方法

2023-04-24 04:07:06 5

專利名稱：多深度級階梯型偏振分束片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使光束(包括可見、紅外和紫外波段)起偏分束的偏光器件。
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，而產生偏振光的偏光器件是該技術的基礎。
現有的偏光器件主要有[1]1、稜鏡起偏器和分束器。2、二向色起偏器。3、線柵起偏器和光柵起偏器。4、非正入射的布儒斯特角起偏器。
稜鏡起偏器或分束器具有極好的消光比和透射比性能，也即其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，故造價昂貴，體積、重量也較大；二向色起偏器具有薄片狀外形，其通光面積大，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，但因其將偏振分量之一吸收，故光能利用率低，也使其抗光損傷閾值低，另該種器件消光比，透射比性能不好；線柵起偏器由於要求其線柵間隔遠小於入射波長才有較理想的消光比，故除紅外波段外極難製作，而光柵起偏器因其起偏效應微弱也基本上沒有實際應用。
本實用新型的目的是提出一種表面具有多深度級階梯形結構的新型偏光器件。該器件與現有器件相比，具有高消光比，高透射比，較大的光束分離角和良好的抗光損傷性能，其具有薄片狀外形，從而體積小，重量輕並有大通光面積，造價也低廉。
本實用新型是這樣實現的採用具有雙折射性質且對所考慮波段有良好透過率的光學材料，例如雙折射晶體，雙折射光學塑料等做片基，在片基的表面採用二元光學工藝[2]或模壓複製[3]等製成具有N個深度等級(N一般取2-32之中值，N取值大則衍射效率高，但製作步驟增多)的階梯光柵型周期結構，如圖1所示。
圖中1是雙折射介質，2是片基外介質，設每個階梯有N個臺階所組成(即具有N個深度等級)，每個臺階的寬度為d(圖中3、4)，高度為t(圖中5)，兩相鄰平行光線6-8和7-9通過周期性結構界面後其光程差為ΔΔ＝nt+n′dsinθ′-n′tcosθ′ (1)式中n是片基介質折射率，對於偏振分量之一的尋常光o光是no，對於另一偏振分量非尋常光e光是ne，n′是片基外非雙折射介質的折射率，θ′是光線出射角(圖中10)。這裡為簡化分析，已設光線入射角θ為零(對於θ不為零的情況，分析類同，效果也將類似，此處省略)。光束幹涉的極大值條件為Δ＝mλ(m＝0，±1，±2，±3，……) (2)上兩式結合，即得階梯光柵分程nt+n′dsinθ′m-n′tcosθ′m＝mλ(m＝0，±1，±2，±3，……) (3)由(3)式可知，入射光通過界面後，o光與e光由於其折射率n值的不同，同一幹涉級次會有不同的出射角θ′m，從而可將兩偏振分量在出射空間分開。
因為出射光要滿足由單個臺階所決定的單縫衍射主極大，由單個階梯中N個臺階聯合作用所決定的多光束幹涉主極大和由多個階梯聯合作用所決定的多光束幹涉主極大這三個方向角條件才可能出現，故通過恰當的設計其具體的結構尺寸組合即可消除o光和e光的多餘其它級次而分別使其只保留1級。
選擇周期性結構的具體尺寸組合時，還要考慮使o光和e光的分離角儘可能大。
本實用新型與現有偏光器件相比，具有下述綜合性優點1、具有很好的消光比性能，因為上述器件可將入射光中的o光和e光在空間完全分開，而o光和e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，因該器件基於非吸收工作方式，入射光能可近乎全部出射。
3、可有較大的光束分離角，因通過其出射的o光與e光之間的分離角可由周期性結構的參數設計而改變，故手段靈活，分離潛力大。
4、有好的抗光損傷能力，因該器件對入射光能的吸收很小。
5、具有薄片狀外形，體積小，重量輕。因其表面周期性階梯的起伏高度僅為光波長量級，故器件可以做的很薄。
造價低，因器件呈薄片狀，故節省材料，另若用雙折射光學塑料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、通光面積大。
8、易加工成任意所要求的外形。
綜上所述，本實用新型提出的偏光器件同現有幾種偏光器件相比，具有著根本的實質性區別和明顯的技術進步。
下面結合實施例對本實用新型作進一步祥細的描述。
本實用新型的
圖1多深度級階梯型周期性結構示意圖圖2六深度級階梯型偏振分束器的一個實施例。
圖2是本實用新型的一個實施例的結構示意圖，其深度等級數N＝6。圖中11是器件，採用負單軸類雙折射材料製成，階梯式周期結構製作於其一個表面上，另一表面為光學平面，介質光軸與平面平行，與階梯的斜槽方向垂直(即平行於圖中12所示方向)，器件外介質為空氣(圖中13、14)。
入射光束15垂直平面入射，通過器件後，起偏分束，成為o光(圖中16)和e光(圖中17)出射。
當入射光垂直器件入射，設計每個臺階的深度(圖中18)t＝λ/(no-1)時，可使出射o光與入射光束同方向(式中λ為入射光束波長)，這在使用中會帶來方便。為使出射o、e光之間有大的分離角，臺階的寬度d(圖中19)需小些，例如當λ＝6328A，片基為方解石材料時，當d＝0.7μm時，o，e光束分離角為13°左右。
上述實施例中的片基介質的光軸方向亦可改為與片基平面平行，與階梯的斜槽方向也平行的方向，或甚至其它合適的方向；其片基介質亦可改用正單軸類雙折射材料；另光束可從有周期性結構的一面入射；另為了提高器件的透射比性能，可在其表面鍍增透膜。
將兩個上述器件適當組合，可製成本實用新型的兩片組合型起偏器或起偏分束器，這可有利於擴大o，e光束的分離角等性能。對於組合型器件，除其表面可鍍增透膜外，其片間所夾空隙還可填充有適當折射率的介質，例如液體、膠體等，以進一步提高其性能。
對於上述單片式或組合式器件，可在其一側外表面鍍反射膜而製成反射型工作器件。
參考文獻1、李景鎮，光學手冊，陝西科學技術出版社，497-562(1986)。
2、陳巖松，物理，21，4，197-200(1992)3、吳國安，光譜儀器設計，科學出版社，114-116(1978)。
權利要求1.一種使光束起偏分束的偏光器件，其特徵是用有雙折射性質的光學材料做片基，在其表面製作具有N個深度等級的階梯形周期性結構。
2.如權利要求1所述的偏光器件，其特徵是所說的深度等級數N一般等於2到32之間的數。
3.如權利要求1所述的偏光器件，其特徵是可由單片上述器件構成，也可用兩片上述器件適當組合裝配而成。
4.如權利要求3所述的偏光器件，其特徵是可在其通光的表面，含制有周期性結構的表面鍍增透膜，而對於由兩片合成的組合型器件，還可在片間空隙填充有適當折射率的介質，例如液體、膠體等。
5.如權利要求1所述的偏光器件，其特徵是所說的器件片基，對於其將應用的波段具有良好的透過率。
6.如權利要求5所述的偏光器件，其特徵是所說的器件將應用的波段可以是紅外或可見或紫外光波段。
專利摘要本實用新型提出一種使光束(包括可見、紅外和紫外波段)起偏分束的偏光器件，通過在光學雙折射材料片基的表面製作多深度級階梯型周期性結構，使入射光束經雙折射、衍射複合作用起偏分束。該器件消光比高，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G02B5/30GK2270235SQ9520377
公開日1997年12月10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