專利名稱：單元非常折射洛匈棱鏡及非常折射偏光分束方法
技術領域：
本發明公開了一種在單軸雙折射晶體棱鏡中尋常光(o光)直接透射，非常光(e 光)經非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及單元結構非常折射偏光分束棱鏡， 屬于光學器件技術領域。
背景技術：
偏光器件是激光技術和偏光應用技術領域中的重要器件，偏光分束棱鏡是偏光器 件的一個重要門類。其研究與開發對光通信、光信息處理、光學測試、激光技術及光計算等 現代光學技術的發展具有重要意義。本發明作出以前，常見的偏光器件常采用多元設計，抗 光損傷閾值較低，膠合層在某些條件下對器件的結構及性能會有影響，器件的功能也較單 一，給實驗與應用帶來諸多不便。 激光和光調制應用技術的發展和新應用領域的開拓，對偏光分束棱鏡提出了一 些新的要求(l)要求盡量減少設計、加工過程中對器件分束、起偏性能有影響的方法和步 驟，并盡可能使棱鏡具有更大的分束角和更高的消光比，以適應高技術和精密測試應用的 需要。(2)要求器件盡可能具有更多的功能，以利于儀器設備及實驗裝置的簡單化和小型化 以及單一器件的多種用途，從而提高其可靠性和性價比。 目前常用的偏光分束棱鏡主要有渥拉斯頓棱鏡、雙渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡、分束 格蘭，湯普遜棱鏡和薩瓦爾板等，這些器件的設計多為多元晶體結構使用膠合劑組合而成， 這種結構的器件分束性能、消光比、透射比等主要技術指標較好，但抗光損傷閾值較低且結 構的溫度穩定性能較差，而少數單元結構的設計一般功能單一，如薩瓦爾板只能產生較小 的橫向剪切差。因此研制一種既具有簡單的單元結構，以保證具有較高的性能指標和整體 結構的溫度穩定性，又可產生較大分束角的偏光分束器件，以滿足現代科技發展需要是十 分必要的。
發明內容
本發明提供了一種在單軸雙折射晶體棱鏡中尋常光(o光)直接透射，非常光(e 光)經非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及一種具有較高性能指標，利用單元 晶體棱鏡結構實現類似洛匈棱鏡分束效果的單元非常折射洛匈棱鏡。 本發明所述的偏光分束方法，其機理是光在單軸各向異性晶體棱鏡中傳播，分成 兩束振動方向相互垂直的平面偏振光，常稱o光和e光；o光直接經出射端面出射；e光在入 射端面發生非常折射，達到晶體棱鏡的側面發生全反射，而后在出射端面再次非常折射以 一定角度出射，從而o、 e光產生一定的分束角。由于偏振分束的過程是由單元晶體結構棱 鏡完成的，不受膠合層的影響，這是本發明偏光分束方法透射比、消光比和抗光損傷閾值高 的原因。 本方案是通過如下技術措施實現的一種單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是它 由冰洲石晶體制成單塊長方體結構橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光；晶體光 軸角a。(晶體光軸與直角坐標系x軸的夾角)取值范圍是46.6。 46.3° ，光束入射 角為-3° 3° ，適用的波長范圍300nm 1800nm;光束正入射時對應的分束角范圍是 23.94° 18. 46° ;光束入射角為_3° 3°時對應的分束角范圍是12. 51° 30. 14° 。
這一方案的具體特點還有，晶體光軸角a。取值46.6。，光束正入射且適用的波長 范圍300nm 351nm，對應的分束角范圍是23.94。 22. 44° 。 晶體光軸角a 。取值46. 5° ，光束正入射且適用的波長范圍352nm 482nm，對應 的分束角范圍是22.41。 20.63° 。 晶體光軸角a。取值46.4。，光束正入射且適用的波長范圍483nm 1172nm，對 應的分束角范圍是20. 62° 18. 91° 。 晶體光軸角a。取值46.3。，光束正入射且適用的波長范圍1173nm 1800nm，對 應的分束角范圍是18. 90° 18. 46° 。 晶體光軸角a 。優化取值46. 42° ，適用的波長范圍300nm 1800nm、光束入射角 范圍-3° 3° ，對應的分束角變化范圍是12.35。 12. 19° 。 —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°的入射角度范圍射入 單元非常折射洛匈棱鏡； 所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體結構橫向布置的單軸 雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、 出射端面和反射界面拋光；晶體光軸角a。(晶體光軸與直角坐標系x軸的夾角)取值范圍 是46. 6° 46. 3° ; o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發 生非常折射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內表面發生一次全反射，到達出射端面再次經過 非常折射，出射后將會與出射的o光產生分束角。 以下詳細介紹發明構成一種單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成的單塊長 方體構成，其特征一是棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;其特征二是單軸雙折射晶體棱鏡的 入射端面、出射端面和反射界面拋光；其特征三是晶體光軸角a 。的取值為(l)若棱鏡使 用于單一波長或小的光譜范圍，且光正入射，獲得最大分束角的a。取值見附表l ;(2)若棱 鏡使用于大的光譜范圍，a。優化取值46.42。。 —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°角度范圍射入單元非 常折射洛匈棱鏡；o光直接透射，e光經非常折射_全反射_非常折射的過程出射，兩束光在 出射端面出射后將會產生分束角。 本發明工作時，光束可以正入射，也可以在-3° 3°范圍傾斜入射，o光直接透 射，且保持與入射光同向；e光在入射端面發生非常折射，達到晶體棱鏡的側面會發生全反 射，而后在出射端面再次非常折射以一定角度出射，從而o、e光產生一定的分束角。棱鏡的 使用光譜范圍300nm 1800nm。 本發明中的偏光分束棱鏡的技術效果是①利用了單軸雙折射晶體中e光的非常 折射特性，在入射端面完成起偏與o、 e光的離散，在側面完成e光的全反射，在出射端面 完成o、 e光較大分束角的產生，從而實現了器件的起偏與分束功能。②采用的是單元晶 體結構設計，較之先前的洛匈棱鏡等二元或三元組合棱鏡，避免了膠合層對光的偏振分束過程的影響；由于沒有膠合層，棱鏡的使用光譜范圍直接取決于冰洲石晶體中o、 e光的透 明區，即300nm 1800nm，較之二元或三元組合棱鏡，將紫外使用光譜由350nm拓展到了 300nm ;由于是單元晶體結構，提高了器件的抗光損傷閾值，結構也更加牢固。③偏振分束效 果類似羅匈棱鏡，即出射的o光始終與入射光方向平行，僅e光偏折產生分束角；當入射角 在-3° 3°的范圍變化時，分束角可在大于12。的范圍連續變化。很顯然單元非常折射 洛匈棱鏡具有偏振分束、分束角可調、起偏及檢偏多種功能一體化的特征。本發明是根據雙 折射晶體內e光的非常折射特性，設計研制的一種全新的偏光分束器件，其分束效果類似 洛匈棱鏡，故我們稱之為非常折射洛匈棱鏡。獨特的分束方法，可獲得大于20。的分束角， 是洛匈棱鏡能夠產生的分束角的2 3倍。本發明的特點是單元晶體結構棱鏡，整體結構 牢固，抗光損傷閾值高，分束角大且可調，具有偏振分束、起偏及檢偏多重功能，實用性強， 這些都是其優于現有偏振分束棱鏡的重要特征，使該類器件的應用領域較之現有的器件更 加廣泛，適用于偏振分束及起、檢偏的科學實驗及實用裝置；具有高的技術性能和可靠性， 這在激光技術、光學測試、光學調制等應用領域中具有極為重要的意義。
附圖l是本發明結構示意圖；附圖2是正入射時的偏振分束光路示意圖；附圖3是 傾斜入射時的偏振分束光路示意圖。
具體實施方式
實施例1 如圖1所示單元非常折射洛匈棱鏡是由冰洲石晶體制成單塊長方體結構橫向布 置的單軸雙折射晶體棱鏡，所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射界面、出射界面和反射界面 拋光；晶體光軸角a。取值范圍是46.6。，光束波長取值300nm，光束正入射的分束角是 23.94° 。 如圖2、圖3所示，一種非常折射偏光分束方法，將光束以一3。 3°入射角度范 圍射入單元非常折射洛匈棱鏡；所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體 結構橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比(L/A)8 10 ;所述單軸雙折射晶 體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光，晶體光軸角a。取值范圍是46.6 46.3。； o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發生非常折 射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內表面發生一次全反射，到達出射端面再次經過非常折射 以一定角度出射，從而o、 e光產生一定的分束角。棱鏡材料為光學級的冰洲石晶體；圖中 a 。稱為光軸角(即晶體光軸與直角坐標系x軸的夾角)，若棱鏡使用于單一波長或小的光 譜范圍，且光正入射，獲得最大分束角小_的a。取值見附表l ;若棱鏡使用于大的光譜范 圍，a。取46. 42° 。 附圖2是正入射時的偏振分束光路示意圖。當光束正入射時，不同波長可獲得的 最大分束角見附表l。 附表1.正入射獲得最大分束角9max的光軸角a 。與波長A對應表
實施例^ (nm) (Q )9max (o )實施例、(nm)<Pmax (o )
130023.94100019.07
32046.623.265106046. 419.01
35122.44117218.91
35222.41117318.90
241046.521.39124018.85
48220.636130018.80
48320,62136018.76
55020.17142018.71
60019.93148018.67
365019.747154018,63
70046.419.59160018.59
76019.45166018.55
82019.33173018.50
488019.238180018.46
94019.15 附圖3是傾斜入射時的偏光分束光路示意圖。對于a。取46.42。的棱鏡，當光的入射角在-3° 3°的范圍變化時，在300nm 1800nm分束角的可調范圍見附表2。 附表2入射角i分別為3。、_3°時分束角(p與波長A對應表
實施例(pi=-3。 O實施例X (nm)Oi=3。 (o)
930017.7930.14100012.9925.20
32017.1229.4513106012.9325.13
34016.5728.88112012,8725.07
36016.1228.41118012.8225.02
1039015.5727.85124012.7724.97
44014.9227.1814130012.7224.92
49014.4626.71136012.6824.88
55014.0726.31142012.6324.83
60013.8426.07148012.5924.79
1165013.6525.8815154012.5524.75
70013.5025.72160012.5124.71
76013.3625.57166012.4724.67
82013.2425.46173012.4324.62
1288013.1425.3516180012.3824.57
94013.0625.27 實施例2 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值46.5° ，光束波長取值410nm，光束正入射的分束角是21.39。。
實施例3 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
646.4° ，光束波長取值650nm，光束正入射的分束角是19. 74° 。
實施例4 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.4° ，光束波長取值880nm，光束正入射的分束角是19. 23° 。
實施例5 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.4° ，光束波長取值1060nm，光束正入射的分束角是19.01° ,
實施例6 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1300nm，光束正入射的分束角是18.80° ,
實施例7 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1540nm，光束正入射的分束角是18.63° ,
實施例8 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處 46.3° ，光束波長取值1800nm，光束正入射的分束角是18.46° ,
實施例9 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處
46.42° ，光束波長取值300nm，光束入射角取值3' 17. 79° 30. 14° 。
實施例10 本實施例與實施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值390nm，光束入射角取值3 15. 57° 27. 85° 。
實施例11 本實施例與實施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值650nm，光束入射角取值3 13. 65° 25. 88° 。
實施例12 本實施例與實施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值880nm，光束入射角取值3 13. 14° 25. 35° 。
實施例13 本實施例與實施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值1060nm，光束入射角取值3 12. 93° 25. 13° 。
實施例14 本實施例與實施例1相同之處不再贅述
46.42° ，光束波長取值1300nm，光束入射角取值3
-3'
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
不同之處 -3° ，
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
在于晶體光軸角a。取值
對應的分束角cp的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對應的分束角9的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對應的分束角(P的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對應的分束角CP的范圍是
在于晶體光軸角a。取值 對應的分束角9的范圍是
在于晶體光軸角a。取值
對應的分束角cp的范圍是12. 72° 24. 92° 。 實施例15 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
46.42° ，光束波長取值1540nm，光束入射角取值3。 _3° ，對應的分束角cp的范圍是12. 55° 24. 75° 。 實施例16 本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處在于晶體光軸角a。取值
46.42° ，光束波長取值1800nm，光束入射角取值3。 _3° ，對應的分束角9的范圍是12. 38° 24. 57° 。
8
權利要求
一種單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是它由冰洲石晶體制成單塊長方體結構橫向布置的單軸雙折射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比8～10；所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和反射界面拋光；晶體光軸角αo取值范圍是46.6°～46.3°，光束入射角為-3°～3°，適用的波長范圍300nm～1800nm。
2. 根據權利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 6° ，光束正入射且適用的波長范圍300nm 351nm。
3. 根據權利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 5° ，光束正入射且適用的波長范圍352nm 482nm。
4. 根據權利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 4° ，光束正入射且適用的波長范圍483nm 1172nm。
5. 根據權利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。取值 46. 3° ，光束正入射且適用的波長范圍1173nm 1800nm。
6. 根據權利要求l所述的單元非常折射洛匈棱鏡，其特征是晶體光軸角a。優化取值 46.42° ，光束入射角范圍-3° 3°且適用的波長范圍300nm 1800nm。
7. —種非常折射偏光分束方法，其特征是將光束以-3° 3°的入射角度范圍射入單 元非常折射洛匈棱鏡；所述單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成單塊長方體結構橫向布置的單軸雙折 射晶體棱鏡，棱鏡的長度孔徑比8 10 ;所述單軸雙折射晶體棱鏡的入射端面、出射端面和 反射界面拋光；晶體光軸角a。取值范圍是46.6。 46. 3° ;o光直接通過單軸雙折射晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發生非 常折射的e光在單軸雙折射晶體棱鏡內表面發生一次全反射，到達出射端面再次經過非常 折射，出射后將會與出射的o光產生分束角。
全文摘要
一種單元非常折射洛匈棱鏡由冰洲石晶體制成的單塊長方體構成，晶體光軸角α。可根據使用波長在46.6°～46.3°的范圍取值；棱鏡的適用波長范圍300nm～1800nm消光比優于10-5。非常折射偏光分束方法是將光束射入單元單軸雙折射晶體棱鏡，o光直接通過晶體棱鏡，出射后保持與入射光束同向；在入射端面發生非常折射的e光在晶體棱鏡內表面發生一次全反射，到達出射端面再次經過非常折射；兩束光在出射端面出射后將會產生分束角。這是一種具有較高的技術指標，可實現多種性能的偏振分束方法和單元非常折射洛匈棱鏡，該棱鏡的分束特點表明它具有偏振分束、分束角隨入射角可調、起偏與檢偏多種功能，在激光技術、光學測試、光學調制等應用技術領域中具有極其重要的實際意義。
文檔編號G02B27/28GK101782690SQ20101011006
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月20日 優先權日2010年2月20日
發明者任廷琦, 吳福全, 吳聞迪 申請人:曲阜師范大學