一種玻璃與冰洲石組合的45°偏振分束棱鏡的制作方法

本發明屬于光學元件的結構設計和材料選用領域，特別涉及一種玻璃與冰洲石組合的偏振分束棱鏡。

背景技術：

隨著偏振光學的發展，尤其是偏振檢測技術的迅速發展，偏振棱鏡一直是人們關注的對象，它是光路起偏、檢偏的核心器件。目前一般采用冰洲石晶體制作偏振棱鏡，但是天然的光學級冰洲石晶體資源日漸枯竭，尋找替代晶體或改進設計降低單只棱鏡中冰洲石材料的消耗就成為研究熱點。

技術實現要素：

本發明的目的在于通過新的棱鏡設計，采用光學玻璃與冰洲石組合的方法，設計一種組合的45?分束棱鏡，降低冰洲石材料消耗，同時具備45?分束格蘭?湯普遜棱鏡的偏振功能，此外組合棱鏡反向使用時也具有偏振分束的功能。

h-qk3l玻璃是一種常見光學窗口材料，作為一種光學玻璃，具備尺寸大、價格低的特點，其光學透過范圍為290nm~2400nm，覆蓋冰洲石晶體棱鏡的透過范圍，本發明選用h-qk3l玻璃的關鍵技術是其折射率色散曲線與冰洲石晶體中非常光的主折射率色散曲線近乎完美的重合，如圖1所示；在與冰洲石組合時，通過結構設計，可以使非常光近乎無折變的從冰洲石晶體進入玻璃。

本發明采用的技術方案為等腰梯形棱鏡和直角棱鏡通過甲醇膠、光學光敏膠或樹脂膠膠合在一起，如圖2所示：所述的等腰梯形棱鏡材質是冰洲石晶體，直角棱鏡材質是h-qk3l玻璃；所述的h-qk3l玻璃為光學玻璃，h-qk3l為光學領域對該玻璃的公認編號；所述的冰洲石晶體為天然光學級冰洲石晶體；所述的等腰梯形棱鏡的通光面為梯形的底面和兩個腰面，直角棱鏡的通光面為一個直角面和一個斜面；所述的等腰梯形棱鏡和直角棱鏡，通光面間的結構角s均相同，為67.5°；所述的冰洲石等腰梯形棱鏡中光軸的方向平行于梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面。

如圖2所示，自然光光束從棱鏡左側垂直入射，在冰洲石和玻璃（光膠的情況）或冰洲石和膠合劑（使用膠合劑的情況）界面上，尋常光發生全反射，垂直右上端面出射，非常光近乎無折變的入射玻璃或透過膠合劑后入射玻璃，最后近似水平從右側端面出射，兩偏振光束光線間夾角為45°。

現有的45?分束格蘭?湯普遜棱鏡結構如圖3所示，由兩塊冰洲石晶體棱鏡組成；本發明設計的玻璃與冰洲石組合的45?分束棱鏡比同規格的現有的45?分束格蘭?湯普遜棱鏡減少37%的冰洲石材料使用量，同時h-qk3l玻璃價格遠比冰洲石低廉，可以降低制造成本。

本發明設計的玻璃與冰洲石組合的45?分束棱鏡，采用的h-qk3l玻璃透光范圍覆蓋冰洲石晶體棱鏡透光范圍，因此該組合棱鏡可以完全覆蓋冰洲石45?分束格蘭?湯普遜棱鏡的適用波長范圍。

本發明設計的45?分束棱鏡中冰洲石等腰梯形棱鏡的光軸平行于等腰梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面，在冰洲石和玻璃或膠合劑的界面上，透射光束為振動方向在入射平面內的p光，其透射率較圖3所示常規冰洲石的45?分束格蘭?湯普遜棱鏡大，相應的反射率小，所以反射光光束的消光比要比圖3所示常規冰洲石的45?分束格蘭?湯普遜棱鏡高。

本發明設計的玻璃與冰洲石組合的45?分束棱鏡在反向使用時也具有偏振分束的功能，如圖4所示，自然光光束從右側端面垂直入射：在組合棱鏡使用光膠的情況中，在玻璃和冰洲石界面上，光束從玻璃雙折射進入冰洲石，根據折定律，因為玻璃折射率與冰洲石非常光主折射率近似相等，非常光近似水平，而尋常光偏離水平方向，并在左側出射端面再次偏折后出射；在組合棱鏡使用膠合劑的情況中，光束從玻璃折射進入膠合劑，之后在膠合劑和冰洲石界面上，光束從膠合劑雙折射進入冰洲石，根據折定律，因為玻璃折射率與冰洲石非常光主折射率近似相等，非常光折射方向近似為水平方向，而尋常光偏離水平方向，并在左側出射端面再次偏折后出射。

本發明的有益效果是：節省天然光學級冰洲石晶體資源，棱鏡制作成本低，光路分束功能與45?分束格蘭?湯普遜棱鏡相同，反射光束消光比比45?分束格蘭?湯普遜棱鏡高，可反向使用，反向使用時組合棱鏡具有偏振分束功能。

附圖說明：

圖1為本發明采用的h-qk3l玻璃的折射率色散曲線與冰洲石非常光主折射率色散曲線圖，其中ng為h-qk3l玻璃的折射率，ne為冰洲石非常光的主折射率；

圖2為本發明的玻璃與冰洲石組合的45?分束棱鏡結構示意圖，其中雙向箭頭表示晶體光軸的方向；

圖3為現有的冰洲石45?分束格蘭?湯普遜棱鏡結構示意圖，其中圓點表示方向垂直于紙面；

圖4為本發明的玻璃與冰洲石組合的45?分束棱鏡反向使用光路結構示意圖，其中雙向箭頭表示晶體光軸的方向。

具體實施方式

實施例一：如圖2所示，組成偏振棱鏡的等腰梯形棱鏡的材質是冰洲石晶體，直角棱鏡的材質是h-qk3l玻璃，冰洲石晶體光軸方向平行于梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面，兩棱鏡通光面之間通過光學光敏膠進行膠合，通光面間的結構角s為67.5?，取入射光波長為632.8nm，此時，光學光敏膠的折射率為1.5240，h-qk3l光學玻璃的折射率為1.48601，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，自然光光束從棱鏡左側垂直入射，在冰洲石和光敏膠界面上，根據折射定律，尋常光發生全反射，垂直右上端面出射，非常光透過膠合劑后入射玻璃，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，最后近似水平從右側端面出射，兩偏振光束光線間夾角為45°；將組合棱鏡反向使用，自然光光束從棱鏡右側垂直入射，在膠合劑/玻璃和冰洲石/膠合劑兩界面上，根據折射定律，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，非常光最后近似水平從左側端面出射，尋常光發生偏折，在左側端面上再次偏折后出射，兩光束夾角為19.2°。

實施例二：如圖2所示，組成偏振棱鏡的等腰梯形棱鏡的材質是冰洲石晶體，直角棱鏡的材質是h-qk3l玻璃，冰洲石晶體光軸方向平行于梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面，兩棱鏡通光面之間通過冷杉樹脂膠進行膠合，通光面間的結構角s為67.5?，取入射光波長為632.8nm，此時，冷杉樹脂膠的折射率為1.52，h-qk3l光學玻璃的折射率為1.48601，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，自然光光束從棱鏡左側垂直入射，在冰洲石和樹脂膠界面上，根據折射定律，尋常光發生全反射，垂直右上端面出射，非常光透過膠合劑后入射玻璃，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，最后近似水平從右側端面出射，兩偏振光束光線間夾角為45°；將組合棱鏡反向使用，自然光光束從棱鏡右側垂直入射，在膠合劑/玻璃和冰洲石/膠合劑兩界面上，根據折射定律，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，非常光最后近似水平從左側端面出射，尋常光發生偏折，在左側端面上再次偏折后出射，兩光束夾角為19.2°。

實施例三：如圖2所示，組成偏振棱鏡的等腰梯形棱鏡的材質是冰洲石晶體，直角棱鏡的材質是h-qk3l玻璃，冰洲石晶體光軸方向平行于梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面，兩棱鏡通光面之間通過甲醇膠進行膠合，通光面間的結構角s為67.5?，取入射光波長為632.8nm，此時，甲醇膠的折射率為1.519，h-qk3l光學玻璃的折射率為1.48601，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，自然光光束從棱鏡左側垂直入射，在冰洲石和甲醇膠界面上，根據折射定律，尋常光發生全反射，垂直右上端面出射，非常光透過膠合劑后入射玻璃，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，最后近似水平從右側端面出射，兩偏振光束光線間夾角為45°；將組合棱鏡反向使用，自然光光束從棱鏡右側垂直入射，在膠合劑/玻璃和冰洲石/膠合劑兩界面上，根據折射定律，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，非常光最后近似水平從左側端面出射，尋常光發生偏折，在左側端面上再次偏折后出射，兩光束夾角為19.2°。

實施例四：如圖2所示，組成偏振棱鏡的等腰梯形棱鏡的材質是冰洲石晶體，直角棱鏡的材質是h-qk3l玻璃，冰洲石晶體光軸方向平行于梯形的入射通光腰面，垂直于直角棱鏡的非通光直角面，兩棱鏡通光面之間光膠膠合，通光面間的結構角s為67.5?，取入射光波長為632.8nm，此時，h-qk3l光學玻璃的折射率為1.48601，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，自然光光束從棱鏡左側垂直入射，在冰洲石和玻璃界面上，根據折射定律，尋常光發生全反射，垂直右上端面出射，非常光折射進入玻璃，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，最后近似水平從右側端面出射，兩偏振光束光線間夾角為45°；將組合棱鏡反向使用，自然光光束從棱鏡右側垂直入射，在冰洲石和玻璃界面上，根據折射定律，發生雙折射，因冰洲石晶體的非常光主折射率與玻璃折射率近似相等，非常光最后近似水平從左側端面出射，尋常光發生偏折，在左側端面上再次偏折后出射，兩光束夾角為19.2°。