專利名稱：一種偏振分束方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種基于光學(xué)全反射原理的偏振分束方法和偏振裝置。
背景技術(shù)：
偏振器是光學(xué)和光學(xué)工程，包括光纖光學(xué)的重要光學(xué)元器件。對(duì)于偏振裝置，最理想的情形是將入射光束分解成兩束振動(dòng)方向相互垂直的偏振光束。傳統(tǒng)的偏振分束方法可分成如下三種1、薄膜偏振分束方法。2、Brewster角反射偏振法。3、雙折射偏振分束方法。薄膜偏振分束方法是在兩個(gè)直角棱鏡的接合界面上交替鍍上多層介質(zhì)薄膜，使入射光的TE波的透射系數(shù)增加，而TM波的反射系數(shù)增加，因而使透射光束成為TE波，而與透射光束相垂直的反射光束成為TM波。薄膜偏振分束裝置的局限在于工作波段窄，一般為幾百納米，二是由于薄膜界面TE波的部分反射，使反射波束中含有部分TE波的成分。Brewster角反射偏振方法是當(dāng)入射光的入射角為Brewster角(θB＝arctan(n))時(shí)，反射光束只有TE波的成分。這一方法的局限在于Brewster角與波長(zhǎng)有關(guān)，因此針對(duì)某一給定的Brewster角，只有與之對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的反射光波是完全偏振的。另外，由于界面的反射率低，因此反射光波的強(qiáng)度較低。雙折射偏振器是較常采用的偏振分束方法，其原理是將透明的雙折射晶體切割成棱鏡，入射光束經(jīng)過(guò)光學(xué)均質(zhì)/雙折射界面透射和反射形成兩束振動(dòng)方向相互垂直的偏振光束。常見(jiàn)的晶體材料為方解石、云母、石英和金紅石。各種雙折射棱鏡偏振器通常是將沿著兩個(gè)不同結(jié)晶學(xué)方向切割的兩個(gè)光學(xué)棱鏡組合使用。兩個(gè)棱鏡或者用樹(shù)膠粘合，或者形成空氣間隙。常用的偏振分束棱鏡有Rochon棱鏡、Wollaston棱鏡、Nicol棱鏡、Glan-Thompson棱鏡等。這些雙折射棱鏡的局限在于如果采用樹(shù)膠粘合兩個(gè)棱鏡，則由于樹(shù)膠對(duì)入射光的吸收，使入射光的強(qiáng)度不能太高，否則產(chǎn)生老化或容易被擊穿，頻帶寬度也由此受到限制。如果兩棱鏡間存在空氣間隙，則由于光束在間隙中的多次反射，使反射偏振光束的消光比降低。
二
發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種具有應(yīng)用頻率寬、兩偏振分束消光比高且相等、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能應(yīng)用于高強(qiáng)度入射光的偏振分束方法及其裝置。
2.技術(shù)方案一種偏振分束裝置，包括光源和透明雙折射晶體棱鏡，并由兩個(gè)棱鏡在切割面上膠合后組合使用，其特征在于只采用一個(gè)雙折晶體棱鏡或圓錐體或光劈狀，該晶體的切割角α應(yīng)滿足反射的兩束光均為全反射光束，其光源的頻帶寬，且入射光強(qiáng)度高。
上述的光源可為紫外光、可見(jiàn)光或紅外波段的相干和非相干光。
上述晶體切割角α的范圍介于全反射角γ與90°之間，即γ≤α＜90°。
一種偏振分束方法，其特征是由光源射出的入射光束沿光軸方向正入射進(jìn)入單軸晶體，通過(guò)切割晶體的界面∑全反射在空間上分解出兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光，即e-光和o-光；確定晶體的切割角α的度數(shù)，使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，則分束效果最佳。
上述的單軸晶體可切割成棱鏡形，圓錐體或尖劈狀，使分解的偏振光波分別成束狀，帶狀或同心環(huán)狀。
上述的晶體切割角α的最佳度數(shù)分別為α-石英60.17度，蘭寶石59.59度，方解石56.16度，金紅石62.46度，BBO57.87度，LiNbO359.02度，YVO362.46度。
上述的兩束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。
當(dāng)入射光束覆蓋某一波段時(shí)，分解出射的兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光均具有色散效用。
下面結(jié)合附圖闡述偏振分束方法的原理結(jié)合圖1，設(shè)光束沿光軸方向正入射進(jìn)入由單軸晶晶體切割拋光的棱鏡。在這一方向晶體表現(xiàn)出均質(zhì)性，只有一個(gè)折射率no，入射光至反射界面之后發(fā)生反射，通過(guò)界面∑反射之后分解出e-光與o-光，由于e-光與o-光的折射率不等，因此反射的e-光與o-光沿不同的方向在晶體內(nèi)傳播。如果入射角α大于e-光及o-光的全反射角，則分解出的e-光和o-光在界面發(fā)生全反射，在界面∑反射的o-光的反射角與入射角相等，而e-光的反射角β不等于入射角α，因而實(shí)現(xiàn)由全反射偏振分束的目的。由于e-光波的法向遵循折射定律nosinα＝nesinβ (1)ne為e-光的折射率，β為其波法向的折射角，e-光的折射率ne取決于其在各向異性晶體內(nèi)的傳播方向。對(duì)于單軸晶晶體，e-光的折射率只與e-光法向與光軸的夾角θ有關(guān)1ne2(θ)=cos2θno2+sin2θne2---(2)]]>no和ne為單軸晶晶體的兩個(gè)主折射率。
對(duì)于正光性單軸晶晶體棱鏡(ne＞no)，其偏振分束型如圖1(a)所示，對(duì)于負(fù)光性單軸晶晶體棱鏡(ne＜no)，其偏振分束構(gòu)型如圖1(b)所示。根據(jù)雙折射晶體e-光與o-光色散特性，即ne(λ)、no(λ)，確定棱鏡的切割角α，使透射的兩束相互垂直的偏振光束分離角δ最大。在圖1中正光性晶體的光束分束角δ＝α-β，負(fù)光性晶體δ＝β-α，e-光和o-光法向與光軸的夾角θ分別為θ＝α+β以及θ＝2α。在上述晶體光學(xué)基礎(chǔ)上優(yōu)化棱鏡的切割變成在等式(1)，(2)的約束條件下求兩相互垂直偏振光束分束角δ的最大值，可采用拉格朗日乘數(shù)法求解。幾種主要單軸晶體(石英、藍(lán)寶石、方解石、金紅石， BaB2O4(BBO)LiNbO3、及YVO3)在不同入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)計(jì)算的最佳切割角α列于表1，最大分離角的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。其他透明雙折射晶體的切割優(yōu)化可依上述步驟進(jìn)行。
表1.由拉格朗日乘數(shù)法計(jì)算的幾種常見(jiàn)單軸晶全反射棱鏡的最佳切割角α

在正常色散波長(zhǎng)范圍內(nèi)(dndλ<0)]]>，介質(zhì)折射率隨波長(zhǎng)的增加而減少。由本發(fā)明裝置分離的偏振方向相互垂直的兩束間的分束角δ在正常色散波長(zhǎng)范圍內(nèi)隨波長(zhǎng)的增加而略為減小。這一色散特性使本發(fā)明裝置還可用于分波測(cè)量的光譜儀器中。
3.有益效果本發(fā)明的偏振分束方法及其裝置與傳統(tǒng)的偏振器及方法相比，具有如下特點(diǎn)(1)、本發(fā)明裝置只采用單一雙折射晶體切割拋光的棱鏡、圓錐體或劈狀晶體制成，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
(2)、本發(fā)明裝置由于無(wú)需其他膜層，沒(méi)有吸收，因此偏振分束的波段寬廣，其偏振分束應(yīng)用范圍與雙折射晶體的透射范圍一致。
(3)、由于本發(fā)明裝置內(nèi)沒(méi)有其他物理界面，因此可應(yīng)用于高強(qiáng)度的入射光條件。
(4)、利用本發(fā)明裝置全反射的特點(diǎn)制成，本分束方法的兩束全反射的偏振分束具有很高(＞106)而且相等的消光比值。
(5)、對(duì)于同一晶體材料，本分束方法可以獲得最大的分束角，且其中一出射光束垂直于出射表面。
(6)、由于全反射具有色散特征，因此本發(fā)明裝置不但具有偏振分束特點(diǎn)，而且具有偏振波分波的特點(diǎn)，因此可以用于光譜測(cè)量領(lǐng)域。
(7)、本發(fā)明裝置中單軸晶還可設(shè)計(jì)切割成尖劈型或圓錐型或圓錐體，入射光平行于尖劈對(duì)稱軸或者圓錐軸線入射，通過(guò)多次反射分解成多束帶狀或同心環(huán)形線性偏振光波。
四

圖1、偏振分束裝置示意圖a、棱鏡型 b、圓錐體型 c尖劈狀圖2、基于光學(xué)全反射原理的偏振分束棱鏡(a)正光性單軸晶體棱鏡偏振分束裝置(b)負(fù)光性單軸晶體棱鏡偏振分束裝置圖3、幾種常見(jiàn)單軸晶在不同入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)計(jì)算的最大分束角(α-β)最大A、α-石英 B、藍(lán)寶石 C、方解石 D、金紅石E、BBO F、LiNbO3G、YVO3圖4、由α-石英棱面體構(gòu)成的全反射偏振分束裝置五具體實(shí)施方式
實(shí)施例1偏振分束方法由石英鹵素?zé)糇鳛楣庠春挺?石英雙折射晶體棱鏡構(gòu)成的偏振分束裝置，見(jiàn)圖1(a)。當(dāng)光源射出的入射光束正入射進(jìn)入棱鏡界面∑全反射后在空間上分解出兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光，即o-光和e-光。棱鏡的切割角α為60.17°使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，其分束效果最佳。
實(shí)施例2、由He-Ne激光器作為光源和用α-石英晶體切割成的圓錐體，構(gòu)成的偏振分束裝置。
結(jié)合圖1(b)，當(dāng)紫外光束入射到圓錐體的切割界面∑時(shí)發(fā)生全反射，在空間上分解出兩束偏振光，其中一束為o-光，另一束為e-光。
同理，用可見(jiàn)光作為光源和用金紅石晶體切割成尖劈狀構(gòu)成的偏振分束裝置。結(jié)合圖1(c)，當(dāng)光源發(fā)出的一束入射光進(jìn)入晶體的切割界面∑后，發(fā)生反射，通過(guò)界面∑反射分解出兩束偏振光，其中一束為o-光，另一束為e-光。
實(shí)施例3、由石英鹵素?zé)糇鳛楣庠春挺?石英棱面體構(gòu)成的偏振分束裝置(見(jiàn)圖4)。為了說(shuō)明本光學(xué)全反射偏振分束裝置，我們切割了如下所示的α-石英菱面體，用準(zhǔn)直的石英鹵素?zé)舸怪庇诠廨S方向入射，經(jīng)45°角在菱面體內(nèi)14次全反射后沿Y-軸方向出射。出射光分成三個(gè)斑點(diǎn)，將一偏振器置于出射光前，發(fā)現(xiàn)左右兩個(gè)光斑是振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振器，左右兩個(gè)光斑發(fā)現(xiàn)交替消光。
權(quán)利要求
1.一種偏振分束裝置，包括光源和透明雙折射晶體棱鏡，并由兩個(gè)棱鏡在切割面上膠合后組合使用，其特征在于只采用一個(gè)雙折晶體棱鏡或圓錐體或尖劈狀，該晶體的切割角α應(yīng)滿足反射的兩束偏振光均為全反射光束，其光源的頻帶寬，且入射光強(qiáng)度高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分束裝置，其特征在于所述的光源可為紫外光、可見(jiàn)光或紅外波段的相干和非相干光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分束裝置，其特征在于所述的晶體切割角α的范圍介于全反射角γ與90°之間，即γ≤α＜90°。
4.一種偏振分束方法，其特征是由光源射出的入射光束沿光軸方向正入射進(jìn)入單軸晶體，通過(guò)切割晶體的界面∑全反射后在空間上分解出兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光，即e-光和o-光；確定晶體的切割角α的度數(shù)，使全反射的兩束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，則分束效果最佳。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于所述的單軸晶體可切割成棱鏡形，圓錐體或尖劈狀，使分解的偏振光波分別成束狀，帶狀或同心環(huán)狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于所述的晶體切割角α的最佳度數(shù)分別為α-石英60.17度，蘭寶石59.59度，方解石56.16度，金紅石62.46度，BBO57.87度，LiNbO359.02度，YVO362.46度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于兩束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于當(dāng)入射光束覆蓋某一波段時(shí)，分解出射的兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光均具有色散效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種偏振分束方法和裝置，該裝置由光源及一個(gè)透明雙折射晶體構(gòu)成，晶體可以是棱鏡、圓錐體或光劈形狀，其光源的頻帶寬，可為紫外光、可見(jiàn)光、或紅外波段的相干和非相干光，晶體的切割角要滿足反射的兩束偏振光均為全反射光束。偏振分束方法是當(dāng)入射光波進(jìn)入晶體反射界面之后，發(fā)生反射后被分解出兩束相互垂直振動(dòng)的偏振光波，當(dāng)入射光波覆蓋某一波段時(shí)，分解出的兩束狀，兩帶狀或兩個(gè)同心環(huán)狀的相互垂直振動(dòng)的偏振光波或者多束錐形線性偏振光束均具色散特征，該偏振分束方法及裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、偏振分束的波段寬廣，兩偏振線性分束的分束角大，且偏振分束具有極高而且相等的消光比值，可用于高強(qiáng)度入射光的偏振分束條件。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1700057SQ20051003911
公開(kāi)日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者譚成忠 申請(qǐng)人:南京大學(xué)