一種寬波段消色差波片結構及設計方法
2023-07-19 04:28:06
專利名稱：一種寬波段消色差波片結構及設計方法
技術領域：
本發明涉及光學元件，具體是指一種寬波段消色差波片結構及設計方法， 它適用於偏振光學系統、橢圓偏振測量領域、雷射技術等與偏振相關的領域及 儀器中，特別適用於偏振光檢測系統中。
背景技術：
隨著對光的偏振性研究的加深，人們逐漸認識到偏振信息的廣泛應用前 景，偏振技術也開始進入到實用化階段。在光學偏振遙感領域，利用提取目標 漫反射光的偏振信息來提高和改善對目標的識別能力；在量子通信領域，利用 光子的偏振態代替經典二進位碼(bit)對信號進行編碼，從而實現量子密鑰的 分發，達到量子保密通信的目的。總而言之，對光的偏振信息的利用逐漸稱為 一個熱門的研究課題，其研究成果也有著廣泛的應用前景。
而波片則是偏振研究領域最常用的偏振光學器件之一，波片也稱之為相位 延遲器，其應用覆蓋了整個偏振光應用技術領域，應用前景十分廣泛。目前工 程技術應用中，波片通常採用石英晶體、雲母或電光晶體等具有雙折射效應的 材料製作而成，其形狀成平行薄片狀，相位延遲與^" 一"。^"成正比，其中"、 "。為晶體材料非常光與尋常光的折射率，"為波片厚度，2為入射光波長，一 般用於單波長波片的設計。由雙折射晶體材料製作的波片雖然具備體積小、重 量輕的優點，但材料本身也存在著相位延遲誤差較大、相位延遲隨波長變化、 部分晶體產生的相位延遲對溫度變化敏感等缺點。
隨著偏振應用的深入，人們對波片的設計也提出了更高的要求，最好能在較寬的波段範圍內都具備高精度的相位延遲量，而雙折射晶體由於材料本身的 特性較難實現寬波段的要求，可以考慮利用全反射稜鏡實現相位延遲的功能。
目前國內外大部分的商用波片通常採用雙折射晶體製作而成，由於體積過大等 原因採甩反射稜鏡製作波片的情況較少；國內清華大學也有利用全反射稜鏡制 作1/4波片的相關研究，其發表的專利"三等腰稜鏡組成的消色差1/4延遲器"， 專利號為99127181. 5，採用三片全反射稜鏡的方式來產生相位延遲同時進行消 色差設計，其使用波段範圍為450mn-700nm，其相位延遲量誤差在士0.5。之內， 消色差波段範圍較窄，且效果不夠明顯，已無法滿足寬波段及高精度的要求。 本發明基於光學偏振理論及菲涅耳稜鏡的設計原理，利用偏振光在稜鏡上發生 全反射後的相位變化特性，並通過在入射面刻蝕透射光柵的方法產生色散，從 而補償不同色光由於折射率不同而引入的不同相位延遲量，從而實現消色差的
目的，同時對稜鏡進行相關設計，最終達到在寬波段範圍內消色差波片的設計。
發明內容
本發明的目的是提供一種寬波段消色差波片的結構，克服現有雙折射材料 製作波片時存在的相位延遲誤差大、相位延遲隨波長變化及其溫度變化敏感等 缺點，本發明基於全反射稜鏡的寬波段消色差1/4波片設計為例來進行說明， 其方法可以延伸至半波片及任意相位延遲角度的波片設計。
本發明的方法如附圖1所示，設計波段內的光束垂直入射到透射光柵面1 上，經過光柵後進入到稜鏡內部，入射到稜鏡內部時，不同波長的光束經光柵 色散後出射角度會有所不同，使得不同波長光束入射到全反射面2和3時的全 反射角度不同，全反射角度的變化可以補償不同色光由於折射率不同而引入的 不同相位延遲量，實現波片在寬波段內消色差的目的。所說的全反射稜鏡採用 Schott公司生產的BK7玻璃，其全反射面2和3的面形偏差RMS值不大於義/2 ，入射面上的透射光柵為普通光柵，其刻線寬度要根據所選玻璃材料進行相關， 使得設計消色差效果達到最優。
本方法的具體原理如下
在光學理論中，偏振光分成線偏光、圓偏振光和橢圓偏振光。任何一種偏
振光都可用瓊斯矩陣來表示，即認為偏振光矢量可以分解到x軸和^軸兩個偏
振方向上，即用通常所說的s、 p光來表示，任意偏振光可以表示為
formula see original document page 6
歸一化之後可以表示為
其中^^-《，表示s、 p光的相位差。
眾所周知，在光波從光密介質向光疏介質傳輸時，如果入射角度大於全反
射角，此時光波將發生全反射現象，對s、 p光來說，假設入射偏振光的狀態為 f五、
、￡〃
，根據菲涅耳公式可知，經過稜鏡全反射後的狀態為
、V乂
巧22 cos《—^sin2《 一 打^五 《cos《+ /^/sin2《-《 ^
cos《-/^/sin2《-cos《■ + /^/sin2《 -《
式中"12=2，",為入射光密介質的折射率， 為出射光疏介質的折射率，《為
，
入射光的入射角度。
由公式(3)可知，s、p偏振光發生全反射後，其振幅大小不變，即|￡/| = |五,
| '| = |￡p|，但是s、 p光都產生了相應的相位延遲，其相位延遲量《、^滿足:formula see original document page 7
則S、 P光的相對相位延遲量滿足:
formula see original document page 7
一般情況下，出射介質材料為空氣，則根據公式(5)可知，S、 P光的相
對相位延遲量僅與入射角度《和入射介質材料的折射率"i有關，當不同色光以 相同的入射角度入射時，由於所選玻璃材料對不同波長的光波的折射率會有所 不同，從而導致不同色光情況下S、 P光的相對相位延遲量不同，為了使得在 寬波段範圍內都能夠實現相同相位延遲的目的，可以在全反射前引入一定的色 散，從而改變不同色光的入射角度，使得不同色光的入射角度儘量與其相應相 位延遲所需角度相匹配，從而實現消色差的目的。
根據以上理論分析，本發明提出了如圖1所示的寬波段消色差1/4波片的 設計方法:該方法主要靠透射光柵面1引入一定的色散，此時為垂直入射即入
射角度為o，其色散角A與波長;i滿足以下關係-
dsin^義=/wA (6) 其中c/為光柵刻線的寬度，^為衍射角，m為衍射級次，義為波長大小。
通過光柵設計使得色散角度儘量與不同波長光束相匹配，其角度匹配曲線 如圖2所示。此時可以實現消色差的目的，由於光束在稜鏡內部發生全反射時 其反射率接近100%，此時影響出射光效率的主要因素在於透射光柵的衍射效 率。
以l/4波片為例，本設計的具體設計步驟如下1、 首先是選擇全反射稜鏡材料根據公式(5)可知，當sin、-^"時，
相位延遲最大值為1肌% = 1^，在設計兩次全反射情況下的1/4波片時，存
2 2
在加^1<^，即有 〈0.6682 ，當出射介質為空氣時，則在設計波段範圍內 2 2wj2
全反射稜鏡材料的折射率要求滿足w =丄> 1.4966 。
2、 光柵刻線寬度的設計當製作稜鏡的材料確定後，其折射率隨波長的
變化曲線則已知，根據折射率與相位延遲的關係可繪製出波長與產生90°相位 延遲所需全反射角度的相對關係，根據光柵色散方程(6)，設計光柵刻線寬度， 使得色散角度儘量與90。相位延遲所需全反射角度相匹配，如圖2所示。
3、 全反射稜鏡形狀的確定當光柵刻線寬度與玻璃材料確定後，以整個 波段的中心波長為基準，根據此中心波長的光柵衍射角，設計稜鏡的銳角 大小，使得中心波長光束的入射角剛好滿足相位延遲90 °所需角度。
4、 全反射稜鏡長邊長度的確定按照入射光口徑大小來確定入射孔 徑大小，要求稜鏡全反射面能夠足夠長以滿足在有效通光孔徑內的光束都 能發生兩次全反射後經出射面4出射。
本設計的優點在於1、本設計的結構簡單，通過在稜鏡表面刻蝕光柵的 方法實現寬波段範圍內高精度l/4波片的設計,波片只需單個全反射稜鏡即可; 2、工作波段範圍較寬，其工作波段範圍為0.4um-1.8um; 3、其相位延遲精度 較高，理論設計表明，消色差後相位延遲量誤差在±0.25°之內。與專利 99127181. 5的設計結果相比，其結構更加緊湊、精度更高、工作波段更長。
圖1為寬波段消色差1/4波片設計原理圖；圖2為不同波長光柵色散角與90°相位延遲所需角度匹配曲線；圖中曲線 a表示經過光柵後波長與色散角度的關係，曲線b表示波長與產生90°相位延 遲所需全反射角度的相對關係。
圖3為寬波段消色差1/4波片相位延遲隨波長變化曲線；圖中曲線a表示 未經消色差處理的1/4波片相位延遲隨波長變化曲線，曲線b表示消色差後1/4 波片相位延遲隨波長變化曲線。
具體實施例方式
本發明設計的一種寬波段消色差1/4波片實施例如圖1所示，結合附圖詳 細說明如下
本實施例選用Schott公司生產的BK7玻璃製作成全反射稜鏡，如圖1所
示，全反射稜鏡的橫切面形狀為平行四邊形，其中平行四邊形銳角^為57。，
橫切面所在平面即光波的入射面。設計的工作波段為0.4um-1.8um，在工作波
段範圍內BK7的折射率n隨波長;i變化公式為
2/，、 ， 1.04(U2 2.318xl0U2 l.Ol(U2 ,7、
義2—6.001xl(T3義2—2.002xl(T2義2-1.036x102
如圖1所示，在稜鏡的入射面1上刻蝕透射型光柵，根據理論設計光柵常數為
22um，當入射面孔徑為lOmm時，平行四邊形的長邊約為40mm左右。
光波垂直入射在光柵面1上，不同波長光束的衍射光以不同的衍射角進入
到稜鏡內部，其衍射角與波長變化趨勢見圖2中曲線a所示，經過第一個全反
射面2反射時，由於不同波長光束以不同入射角入射，部分補償了不同色光因
折射率不同導致全反射後相位延遲量的變化，使得S、 P光的相位延遲角都接
近45° ，再經過另一塊全反射面3反射後，相位延遲角與第一次反射時相同，
經兩次相位延遲後S、 P光形成90°相位差，實現400nm-1800nm波段範圍內消色差l/4波片的設計，其相位延遲誤差約為±0.25° 。所設計波片相位延遲隨 波長變化曲線如圖3中曲線b所示，其中圖3中曲線a顯示的是未經消色差處 理的1/4波片的相位延遲隨波長變化曲線，對比可知，經消色差設計後，其相 位延遲量的誤差範圍將近提高了一個數量級。
對全反射稜鏡l來說，要求光學面面形誤差RMS值不大於義/4，稜鏡的銳 角角度製造公差為57。 ±1',入射面上的透射光柵的刻線寬度為22土1 um。
權利要求
1. 一種寬波段消色差波片，它由光柵和全反射稜鏡組合而成，其特徵在於透射光柵刻蝕在平行四邊形的全反射稜鏡的入射面(1)上，寬波段光束從刻有透射光柵的全反射稜鏡的入射面(1)上垂直入射進入稜鏡體中，經全反射面(2)和另一全反射面(3)反射後從出射面(4)出射。
2. 根據權利要求1所述的一種寬波段消色差波片，其特徵在於所述的透射光柵在工作波段範圍內的衍射效率高於40%。
3. 根據權利要求1所述的一種寬波段消色差波片，其特徵在於所述的 全反射稜鏡的全反射面(2)和(3)以及出射面(4)的面形偏差RMS值小於義"， 稜鏡材料的折射率誤差小於2%，稜鏡角度9加工誤差小於1'。
4. 一種如權利要求1所述的寬波段消色差1/4波片的設計，其特徵在於它包括以下設計步驟A. 首先是選擇全反射稜鏡材料 反射稜鏡材料的折射率要求滿足"> 1.4966 ;B. 光柵刻線寬度的設計-當製作稜鏡的材料確定後，其折射率隨波長的變化曲線則已知，根據折射 率與相位延遲的關係可繪製出波長與產生90。相位延遲所需全反射角度的相對關係，根據光柵色散方程設計光柵刻線寬度，使得色散角度與90°相位延遲所需全反射角度相匹配；C. 全反射稜鏡角度0的確定光柵刻線寬度與玻璃材料確定後，以整個波段的中心波長為基準，根據此 中心波長的光柵衍射角，設計稜鏡的銳角^大小，使得中心波長光束的入 射角剛好滿足相位延遲90 °所需角度；D.全反射稜鏡邊長的確定按照入射光束口徑大小來確定稜鏡入射面(1)的邊長，全反射面(2) 邊長要求能夠足夠長以滿足在有效通光孔徑內的光束都能發生兩次全反 射後經處射面(4)出射。
全文摘要
本發明公開了一種寬波段消色差波片的結構及設計方法，它採用光柵及稜鏡組合來實現寬波段範圍內的消色差波片設計，特別適用於在寬波段範圍內都要求高精度的相位延遲的應用領域。該方法基於菲涅耳光學偏振理論，利用在全反射稜鏡的入射面上刻蝕光柵的方法來補償不同色光由於折射率不同而引入的不同相位延遲量，再輔以相應的稜鏡形狀，從而實現在寬波段範圍內消色差波片的設計。
文檔編號G02B27/00GK101546010SQ20091004910
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月10日 優先權日2009年4月10日
發明者何志平, 吳金才, 楊世驥, 王建宇, 嶸 舒 申請人:中國科學院上海技術物理研究所