基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡的製作方法

2023-10-08 12:37:54 1

專利名稱：基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學領域，特別是一種基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡。
背景技術：
負折射作為一種獨特的物理現象是近幾年來一個新興的研究領域，它向人們展示了一個新奇的光學世界。到目前為止，人們只在左手材料，光子晶體和雙折射晶體的界面處觀察到負折射現象。由於自然界中並不存在左手物質和光子晶體，在雙折射晶體中所觀察到的負折射與在左手材料和光子晶體中所觀察到的負折射有著本質上的差別。近期的研究結果[X.L.Chen, Ming He, YinXiao Du, W.Y.Wang, D.F.Zhang, Negativerefraction: An intrinsic property of uniaxial crystals, Physical Review B 72，113111 (2005)]表明:在雙折射晶體中所觀察到的負折射仍然滿足波矢量、電場矢量和磁場矢量的右手旋法則，本質上是由於晶體折射率的各向異性所導致的入射光和折射光位於分界面法線同一側的光學現象。因此，只要選擇合適的入射角的角度範圍以及入射端面和晶體光軸的切角就能在雙折射晶體的界面處觀察到負折射現象，這些新的發現對於研究晶體元件中光傳輸的控制提供了一條新的思路。偏光分束稜鏡是偏光信息處理和偏光技術應用的核心兀件，主要包括光學薄膜偏光分束稜鏡和雙折射晶體偏光分束稜鏡兩大類，而目前使用較多的是雙折射晶體偏光分束稜鏡。由於人們長期以來一直認為雙折射晶體只能發生正折射現象，因而以往設計的雙折射晶體偏光分束稜鏡並未考慮負折射的應用。另外，傳統的雙折射晶體偏光分束稜鏡均採用入射端面垂直晶體光軸或平行於晶體光軸的多元設計方案，對原材料的消耗較大，加工工藝也較為複雜，且在大功率雷射應用中，多元晶體具有抗損傷閾值低等缺點。因此，利用雙折射晶體的負折射特性來設計新型、簡單、高效的晶體偏光分束稜鏡是十分必要的。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡。本實用新型採用的技術方案是:基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡是由單塊具有負折射特性的單軸晶體組成的直角三角形晶體偏光分束稜鏡。上述的負折射特性是指，由於晶體折射率的各向異性所導致的入射光和折射光位於分界面法線同一側的光學現象。上述偏光分束稜鏡的機理是指，自然光在單軸晶體中傳播時，由於晶體折射率的各向異性會產生尋常(O)光和非常O)光，O光在單軸晶體中發生正折射，e光在單軸晶體中發生負折射，從而實現偏振分束。上述偏光分束稜鏡的技術特徵包括兩個方面:I)晶體入射端面的法線和晶體光軸成一定的切角，且L同O光折射率化和e光折射率&之間滿足數學關係式tm ^0=包。2)直角三角形晶體銳角》的大小由e光發生負折射的角度範圍來決定，e光發生負折射的最大角度與n0、ne之間滿足數學關係式,的角度範圍
< + Oi
為 β η>< *〈2匕。本實用新型的有益效果是:本器件利用單軸晶體的正負折射特性實現了偏振分束，兩個偏振態的光束都工作在透射模式，具有小尺寸、工藝簡單、抗損傷閾值高、分束角大等優點。

圖1直角三角形晶體偏光分束稜鏡的結構示意圖。圖2稜鏡的偏光分束原理示意圖。圖中虛線表示晶體斜面的法線。
具體實施方式
如圖1所示，基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡是由單塊單軸晶體組成的直角三角形晶體偏光分束稜鏡，其特徵是晶體光軸和入射端面的法線成一定的切角β0,
且匕與之間滿足數學關係式tern O 0二 & ,直角三角形晶體銳角的大小由e光發生負折射的角度範圍來決定，e光發生負折射的最大角度&與之間滿足數學關係式
的角度範圍為〈2匕。如圖2所示，以直角三角形單軸晶體作為偏光分束元件，自然光垂直入射時，由於晶體折射率的各向異性會產生偏振態不同的ο光和e光。ο光在稜鏡中發生正折射,在斜面射出時，入射光和折射光分別位於斜面法線的兩側。e光在稜鏡中發生負折射，在斜面射出時，入射光和折射光分別位於斜面法線的同一側，從而把兩個偏振態的光束分開，實現偏振分束。實施例1基於釩酸釔晶體正負折射的偏光分束稜鏡本實施例採用的單軸晶體為釩酸釔(YVO4)晶體，YVO4晶體是一種正單軸晶體，在630nm時，YVO4晶體的折射率化=2.216 r = 1.993，根據匕與化、/ e之間的 數學關係式tern O 0二 '，可以確定YVO4晶體偏光分束稜鏡的晶體光軸和入射端面所成
ηΛ
的切角匕的大小約為42°。根據e光發生負折射的最大角度^與之間的數學
關係式=,可以確定直角三角形YVO4晶體銳角的角度範圍約為
^ + a
5.9°-ll.8°。ο光在該晶體偏光分束稜鏡中發生正折射，e光發生負折射,從而實現偏振分束。實施例2基於方解石晶體正負折射的偏光分束稜鏡本實施例採用的單軸晶體為方解石(CaCO3)晶體，CaCO3晶體是一種負單軸晶體，在630nm時，CaCO3晶體的折射率/ e=l.485, n=l.655,根據O0與n0、ne之間的數學
關係式
權利要求1.基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡，其特徵在於:由單塊具有負折射特性的單軸晶體組成的直角三角形晶體偏光分束稜鏡。
2.按權利要求1所述的基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡，其特徵在於:單軸晶體必須滿足產生負折射的前提條件，即單軸晶體入射端面的法線和晶體光軸成一定的切角沒，，且匕同ο光折射率化和e光折射率&之間滿足數學關係式ia/70,= I。
ne
3.按權利要求1所述的基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡，其特徵在於:直角三角形晶體偏光分束稜鏡銳角《的大小由e光發生負折射的角度範圍來決定，e光發生負折射的最大角度匕與/^、/^之間滿足數學關係式_1=^，的角度範圍為 % + aθ (α <2θ 。rm χ u rm °
專利摘要一種基於單軸晶體正負折射的偏光分束稜鏡。它是由單塊具有負折射特性的單軸晶體組成的直角三角形晶體偏光分束稜鏡，晶體光軸和入射端面的法線成一定的切角θ0，直角三角形晶體銳角α的大小直接由e光發生負折射的角度範圍來決定。當自然光垂直入射時，由於晶體折射率的各向異性會產生偏振態不同的o光和e光，o光在該偏光分束稜鏡中發生正折射，在斜面射出時，入射光和折射光分別位於斜面法線的兩側，e光在該偏光分束稜鏡中發生負折射，在斜面射出時，入射光和折射光分別位於斜面法線的同一側，從而把兩個偏振態的光束分開，實現偏振分束。本器件利用單軸晶體的正負折射特性實現了偏振分束，兩個偏振態的光束都工作在透射模式，具有小尺寸、工藝簡單、抗損傷閾值高、分束角大等優點。
文檔編號G02B5/30GK203101674SQ20132002743
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月19日 優先權日2013年1月19日
發明者杜銀霄, 袁慶新, 杜銀燦 申請人:鄭州航空工業管理學院