專利名稱：可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及相位延遲器，特別是一種可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器。
背景技術：
相位是描述光束本征特征的一個重要參數(shù)，也是時間和空間的函數(shù)。在光的干涉中，相位差扮演著重要的角色，可以得到預想的干涉效果，在光的偏振研究中，相位差更加重要，在相互垂直振動方向上存在不同相位差，可以實現(xiàn)從圓偏振光到線偏振光的逐漸轉變。在激光加工中，相位延遲器就顯得至關重要，它決定了加工時的精度。因此，在涉及光干涉及偏振態(tài)改變的應用中，相位或相位差的控制和補償就顯得比較重要。基于波片和晶體相位延遲器的制作成本較高，只能在單一波長實現(xiàn)單一相位延遲，而且通光口徑較小。因此，薄膜相位延遲器的產(chǎn)生能夠彌補這些不足，滿足使用需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，該裝置可在寬波段內(nèi)改變?nèi)肷涔庀辔?，從而改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)，能夠保持相位延遲穩(wěn)定，也可實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)寬帶相位延遲的改變。該裝置應具有結構簡單，精度高，適用于程序驅(qū)動控制和手動調(diào)節(jié)， 以及多用途等特點，可實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術解決方案如下一種可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特點在于包括第一光學調(diào)整架、第二光學調(diào)整架、第一寬帶相位延遲片、第二寬帶相位延遲片和調(diào)節(jié)平臺，所述的調(diào)節(jié)平臺由第一步進電機、第二步進電機、固定底板和轉動臺組成，所述轉動臺固定在所述的固定底板上，所述的固定底板上設有主步進電機，所述的轉動臺由所述的主步進電機驅(qū)動，所述的第一寬帶相位延遲片和第二寬帶相位延遲片分別貼設在所述的第一光學調(diào)整架和第二光學調(diào)整架的鏡框內(nèi)，所述的第一光學調(diào)整架和第二光學調(diào)整架分別通過所述的第一步進電機和第二步進電機垂直地固定在所述的轉動臺上。所述的固定底板上還設有手輪，所述的轉動臺的周邊刻有角度線，該固定底板與轉動臺接觸的壁上刻有與所述的轉動臺的周邊角度線相應的對準線。所述的第一寬帶相位延遲片和第二寬帶相位延遲片是一種具有相同光學性能的金屬介質(zhì)組合膜，在寬波段內(nèi)具有很高的反射率和穩(wěn)定的相位延遲，相位延遲隨光束的入射角線性變化。所述的第一寬帶相位延遲片和第二寬帶相位延遲片的形狀為長方形或圓形。所述的第一寬帶相位延遲片和第二寬帶相位延遲片是金屬與介質(zhì)組合反射式寬帶相位延遲膜。所述的金屬與介質(zhì)組合反射式寬帶相位延遲膜包括( I )對于實現(xiàn)寬帶-45 °相位延遲膜片，其膜系為M 0. 7463A 0. 9465(HL)"31. 193(2H)"1 0. 883(HL)"5 0. 8287(HL)"2 0. 7883(H2L)"1 ；
( II )對于實現(xiàn)寬帶-90 °相位延遲膜片，其膜系為M 0. 8A 2. 26H 0. 953 (HL) "40. 844 (HL) "3 0. 807(H2L) "1,其中M為Ag膜，厚度為lOOnm，折射率為0. 234-7. 214i(1064nm)，H為四分之一控制波長厚度的Ta2O5，折射率為2. 04(1064nm)，L為四分之一控制波長厚度的SiO2,折射率為1. 45(1064nm)，A為四分之一控制波長厚度的Al2O3，折射率為1. 588 (1064nm)，控制波長為 1064nm。本發(fā)明的基本原理是，光束以一定入射角入射到第一個相位延遲片上，反射到第二個相位延遲片上，從第二個相位延遲片上反射后，總的相位延遲量為兩次反射相位延遲量的累加，總的反射率為兩次反射率之積。根據(jù)相位延遲隨著入射角發(fā)生線性變化，可以按要求調(diào)節(jié)兩個相位延遲片的相對位置，實現(xiàn)相位自補償延遲，使得總的反射相位延遲穩(wěn)定。 此外，保持兩相位延遲片的相對位置不變，調(diào)節(jié)主步進電機驅(qū)動所述的轉動臺可以實現(xiàn)相位延遲在一定相位延遲范圍內(nèi)單調(diào)變化，從而實現(xiàn)寬波帶的相位延遲。本發(fā)明的技術成果1、本發(fā)明利用的光學薄膜為Ag膜和介質(zhì)的組合膜，利用Ag的高反射率和穩(wěn)定的相位延遲特性，采用較少膜層數(shù)的介質(zhì)膜就可以實現(xiàn)所需的寬帶相位延遲量。2、本發(fā)明利用反射相位延遲隨入射角度發(fā)生線性變化的關系，可以按要求調(diào)節(jié)兩塊相位延遲片的相對位置和轉動臺位置，實現(xiàn)相位自補償延遲或一定范圍內(nèi)相位延遲單調(diào)變化。3、本發(fā)明的核心元件為金屬與介質(zhì)組合高反射相位延遲膜，兩次反射后，反射率依然很高，抗激光損傷閾值高，在飛秒激光加工中有廣泛應用。4、本發(fā)明中的轉動臺和光學調(diào)整架的角度分辨率決定了相位延遲控制精度，因此可根據(jù)實際情況設計旋轉傳動比，使相位控制精度與使用條件匹配，靈活性高。5、本發(fā)明中的角度控制是通過三個步進電機控制的，可以手動控制也可以接入自動控制閉環(huán)中，實現(xiàn)自動化控制。總之，本發(fā)明是一種簡便又精確的相位自補償延遲器。利用金屬與介質(zhì)組合寬帶高反相位延遲膜作為核心膜片，按照一定要求調(diào)節(jié)兩個相位延遲片的相對位置和轉動臺位置，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的相位延遲量，或者在一定相位延遲范圍內(nèi)實現(xiàn)相位延遲單調(diào)變化。該具有結構簡單，精確度高，操作簡便，多用途的特點。


圖1本發(fā)明中相位自補償延遲器的結構圖。圖2本發(fā)明的簡化光路圖。圖3本發(fā)明實例中相位延遲為315°的膜片的反射率和相位延遲特性圖。圖4本發(fā)明實例中相位自補償延遲為-90°的反射率和相位延遲特性圖。圖5本發(fā)明實例中相位延遲為270°的膜片的反射率和相位延遲特性圖。圖6本發(fā)明實例中相位自補償延遲為180°的反射率和相位延遲特性圖。圖7本發(fā)明實例中反射率和相位延遲隨入射角度的變化關系曲線
具體實施例方式下面結合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明可調(diào)諧相位自補償延遲器的結構示意圖，由圖可見， 本發(fā)明可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，包括第一光學調(diào)整架1、第二光學調(diào)整架2、第一寬帶相位延遲片4、第二寬帶相位延遲片3和調(diào)節(jié)平臺，所述的調(diào)節(jié)平臺由第一步進電機5、第二步進電機6、固定底板7和轉動臺8組成，所述轉動臺8固定在所述的固定底板7上，所述的固定底板7上設有主步進電機10，所述的轉動臺8由主步進電機10驅(qū)動，所述的第一寬帶相位延遲片4和第二寬帶相位延遲片3分別貼設在所述的第一光學調(diào)整架1和第二光學調(diào)整架2的鏡框內(nèi)，所述的第一光學調(diào)整架1和第二光學調(diào)整架2分別通過所述的第一步進電機5和第二步進電機6垂直地固定在所述的轉動臺8上。所述的固定底板7上還設有手輪9和主步進電機10，以驅(qū)動轉動臺8轉動，所述的轉動臺8的周邊刻有角度線，該固定底板7與轉動臺8接觸的壁上刻有對準線，旋轉臺轉動范圍是360度。所述的第一光學調(diào)整架1和第二光學調(diào)整架2是常用的普通光學調(diào)整架，由基準板和鏡片框構成，基準板和鏡片框之間由彈簧連接。所述的第一寬帶相位延遲片4和第二寬帶相位延遲片3是一種具有相同光學性能的金屬介質(zhì)組合膜，在寬帶內(nèi)具有很高的反射率，在寬帶內(nèi)實現(xiàn)恒定的相位延遲量，相位延遲量隨光束的入射角呈線性變化。其簡化光路請參閱圖2，入射到第一相位延遲片4的入射角為α，經(jīng)反射后，入射到第二相位延遲片3 的入射角為β，入射到第一相位延遲片4上的光束為Li，經(jīng)第一相位延遲片4反射后入射到第二相位延遲片3的光束為L2，從第二相位延遲片3出射的光束為L3。下面首先以實現(xiàn)-90°的寬帶相位延遲，將入射光由線偏光轉變成圓偏光為例來說明。實現(xiàn)-90°的寬帶相位延遲，需要利用兩塊相同的相位延遲片。對于單個相位延遲片，請參閱圖3，在入射角為45°，波段1000 IlOOnm內(nèi)，圖3(a)表示的是反射率大于 98.4%，圖3 9表示的是相位延遲為315° 士 0.5°。其膜系為M 0. 7463Α0. 9465 (HL) "3
1.193 (2Η) "1 0. 883 (HL) "5 0. 8287 (HL) "2 0. 7883 (H2L) "1,其中 M 為 Ag 膜，厚度為 lOOnm，折射率為0. 234-7. 214i (1064nm), H為四分之一控制波長厚度的Ta2O5，折射率為
2.04(1064nm)，L為四分之一控制波長厚度的SiO2，折射率為1. 45(1064nm)，A為四分之一控制波長厚度的Al2O3，折射率為1. 588 (1064nm)，控制波長為1064nm。對于單個相位延遲片，在入射角發(fā)生變化時，反射相位延遲發(fā)生線性單調(diào)變化。在理想情況下，入射角α = β =45°，通過第一步進電機和第二步進電機調(diào)節(jié)兩塊相位延遲片順時針或逆時針同時轉動，轉動角度之比為1 3。假設第一步進電機沿順時針旋轉i，第二步進電機轉動3i， 則兩次入射角分別為α -i和β +i, L2相對于Ll產(chǎn)生相位延遲為315° - θ，L3相對于L2 產(chǎn)生相位延遲為315° + θ，入射光Ll通過兩次反射后，相位延遲疊加，由于兩次附加產(chǎn)生的相位延遲抵消消，形成相位延遲互相補償，則出射光L3相對于入射光Ll產(chǎn)生相位延遲為 630°，這就是相位自補償原理，產(chǎn)生比較穩(wěn)定的相位延遲-90°。請參閱圖4，圖4為經(jīng)過不同角度調(diào)節(jié)后的光性曲線圖，其中，圖4(a)說明了入射光經(jīng)過這個延遲器后的反射率> 96.8%，圖4(b)為經(jīng)過不同角度調(diào)節(jié)后的相位自補償延遲曲線(圖中為了方便作圖對于補償部分取的是補償結果的一半為315° )，產(chǎn)生了比較穩(wěn)定的寬帶相位延遲-90°，入射光實現(xiàn)由線偏光轉變成圓偏光。同樣道理，下面以實現(xiàn)180°的寬帶相位延遲，將入射線偏光偏振面旋轉90°為例來說明。設計的產(chǎn)塵180°的寬帶相位延遲，需要利用兩塊相同的相位延遲片。對于單塊相位延遲片，請參閱圖5，在入射角為45°，波段1000 IlOOnm內(nèi)，圖5(a)表示的是反射率大于98.8%，圖5(b)表示的是寬帶內(nèi)相位延遲為270° 士0.5°，其膜系為M 0. 8A 2. 26H 0. 953 (HL) "4 0. 844 (HL) "3 0. 807 (H2L) ~1，其中 M 為 Ag 膜，厚度為 lOOnm，折射率為0. 234-7. 214i (1064nm)，H為四分之一控制波長厚度的Ta2O5，折射率為2. 04(1064nm)， L為四分之一控制波長厚度的SiO2，折射率為1. 45(1064nm)，A為四分之一控制波長厚度的 Al2O3，折射率為1.588(1064nm)，控制波長為1064nm。對于單個相位延遲片，在入射角發(fā)生變化時，反射相位延遲發(fā)生線性單調(diào)變化。在理想情況下，入射角α = β = 45°，通過第一步進電機和第二步進電機調(diào)節(jié)兩塊相位延遲片順時針或逆時針同時轉動，轉動角度之比為1 3。假設第一步進電機沿順時針旋轉i(i >0)，第二步進電機轉動3i，則兩次入射角分別為α -i和β +i，L2相對于Ll產(chǎn)生相位延遲為270° - θ，L3相對于L2產(chǎn)生相位延遲為270° + θ，入射光Ll通過兩次反射后，相位延遲疊加，由于兩次附加產(chǎn)生的相位延遲抵消，形成相位延遲互相補償，則出射光L3相對于入射光Ll產(chǎn)生相位延遲為，這就是相位自補償原理，產(chǎn)生比較穩(wěn)定的相位延遲180° .請參閱圖6，圖6為經(jīng)過不同角度調(diào)節(jié)后的光性曲線圖，其中，圖6(a)說明了入射光經(jīng)過這個延遲器后的反射率>97.6%，圖 6(b)為經(jīng)過不同角度調(diào)節(jié)后的相位自補償延遲曲線(圖中為了方便作圖對于補償部分取的是補償結果的一半為270° )，產(chǎn)生了比較穩(wěn)定的寬帶相位延遲180°，實現(xiàn)了入射線偏光偏振面旋轉90°。另外，通過按照要求調(diào)節(jié)該裝置，可以在一定相位延遲范圍內(nèi)實現(xiàn)相位延遲單調(diào)變化。以圖5所示的相位延遲片來說明這一功能。假設在理想情況下，即入射角α = β =45°時，保持第一步進電機和第二步進電機的相對位置不變，調(diào)節(jié)主步進電機驅(qū)動轉動臺順時針轉動i，則兩次入射角分別是α = β = 45° -i，L2相對于Ll產(chǎn)生相位延遲為 270° - θ，L3相對于L2產(chǎn)生相位延遲為270° - θ，入射光Ll通過兩次反射后，產(chǎn)生的相位延遲疊加，L3相對于L2產(chǎn)生相位延遲為MO ° -2 θ，這是由于調(diào)節(jié)主步進電機對相位延遲產(chǎn)生的變化。請參閱圖7，圖7為通過主步進電機調(diào)節(jié)后，經(jīng)過不同角度入射后的光性曲線圖，其中，圖7(a)說明了入射光經(jīng)過這個延遲器后的反射率>97.2%，圖7(b)為經(jīng)過不同角度調(diào)節(jié)后的相位延遲曲線，表示了在入射角從43°到47°變化時，所得到的寬帶相位延遲單調(diào)變化。
權利要求
1.一種可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于包括第一光學調(diào)整架(1)、第二光學調(diào)整架O)、第一寬帶相位延遲片G)、第二寬帶相位延遲片(3)和調(diào)節(jié)平臺，所述的調(diào)節(jié)平臺由第一步進電機(5)、第二步進電機(6)、固定底板(7)和轉動臺(8)組成，所述轉動臺 (8)固定在所述的固定底板(7)上，所述的固定底板(7)上設有主步進電機(10)，所述的轉動臺(8)由主步進電機(10)驅(qū)動，所述的第一寬帶相位延遲片(4)和第二寬帶相位延遲片 (3)分別貼設在所述的第一光學調(diào)整架(1)和第二光學調(diào)整架O)的鏡框內(nèi)，所述的第一光學調(diào)整架(1)和第二光學調(diào)整架( 分別通過所述的第一步進電機( 和第二步進電機 (6)垂直地固定在所述的轉動臺(8)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于，所述的固定底板(7)上還設有手輪(9)，所述的轉動臺(8)的周邊刻有角度線，該固定底板(7)與轉動臺 (8)接觸的壁上刻有與所述的轉動臺(8)的周邊角度線相應的對準線，所述的旋轉臺(8)的轉動范圍是360度。
3.根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于，所述的第一寬帶相位延遲片(4)和第二寬帶相位延遲片( 是一種具有相同光學性能的金屬介質(zhì)組合膜，在寬波段內(nèi)具有很高的反射率和穩(wěn)定的相位延遲，相位延遲隨光束的入射角線性變化。
4.根據(jù)權利要求3所述的可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于，所述的第一寬帶相位延遲片(4)和第二寬帶相位延遲片( 的形狀為長方形或圓形。
5.根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于，所述的第一寬帶相位延遲片(4)和第二寬帶相位延遲片( 是金屬與介質(zhì)組合反射式寬帶相位延遲膜。
6.根據(jù)權利要求5所述的可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，其特征在于，所述的金屬與介質(zhì)組合反射式寬帶相位延遲膜包括(I )對于實現(xiàn)寬帶-45 °相位延遲膜片，其膜系為M 0. 7463A 0. 9465(HL)"31. 193(2H)"1 0. 883(HL)"5 0. 8287(HL)"2 0. 7883 (H2L)"1 ；(II )對于實現(xiàn)寬帶-90 °相位延遲膜片，其膜系為M 0. 8A 2. 26H0.953 (HL) "40. 844 (HL) "3 0. 807(H2L) "1,其中M為Ag膜，厚度為lOOnm，折射率為0. 234-7. 214i (1064nm), H為四分之一控制波長厚度的iTa2O5，折射率為2. 04(1064nm), L為四分之一控制波長厚度的SiO2，折射率為1.45(1064nm)，A為四分之一控制波長厚度的Al2O3，折射率為1. 588 (1064nm)，控制波長為 1064nm。
全文摘要
一種可調(diào)諧寬帶相位自補償延遲器，由兩塊薄膜型相位延遲片、兩個三維光學調(diào)整架和旋轉平臺組成。兩塊薄膜相位延遲片置于三維光學調(diào)整架上通過調(diào)節(jié)步進電機按要求轉動，入射光束分別在兩塊相位延遲膜片上反射，實現(xiàn)相位自補償延遲和特定的寬帶相位延遲。在寬波段內(nèi)按要求調(diào)節(jié)步進電機轉動，使得在兩塊膜片上以不同角度入射，獲得穩(wěn)定的所需相位延遲，可用于飛秒激光加工。本發(fā)明具有結構簡單，容易制作，容易調(diào)節(jié)，通過步進電機的不同轉角可以獲得相位延遲補償或產(chǎn)生特定寬帶相位延遲。
文檔編號G02B26/06GK102156349SQ20111007450
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權日2011年3月25日
發(fā)明者朱亞丹, 李小蕓, 李星, 魏朝陽, 黃建兵 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所