专利名称：单元非常折射洛匈棱镜及非常折射偏光分束方法
技术领域：
本发明公开了一种在单轴双折射晶体棱镜中寻常光(o光)直接透射，非常光(e 光)经非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及单元结构非常折射偏光分束棱镜， 属于光学器件技术领域。
背景技术：
偏光器件是激光技术和偏光应用技术领域中的重要器件，偏光分束棱镜是偏光器 件的一个重要门类。其研究与开发对光通信、光信息处理、光学测试、激光技术及光计算等 现代光学技术的发展具有重要意义。本发明作出以前，常见的偏光器件常采用多元设计，抗 光损伤阈值较低，胶合层在某些条件下对器件的结构及性能会有影响，器件的功能也较单 一，给实验与应用带来诸多不便。 激光和光调制应用技术的发展和新应用领域的开拓，对偏光分束棱镜提出了一 些新的要求(l)要求尽量减少设计、加工过程中对器件分束、起偏性能有影响的方法和步 骤，并尽可能使棱镜具有更大的分束角和更高的消光比，以适应高技术和精密测试应用的 需要。(2)要求器件尽可能具有更多的功能，以利于仪器设备及实验装置的简单化和小型化 以及单一器件的多种用途，从而提高其可靠性和性价比。 目前常用的偏光分束棱镜主要有渥拉斯顿棱镜、双渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜、分束 格兰，汤普逊棱镜和萨瓦尔板等，这些器件的设计多为多元晶体结构使用胶合剂组合而成， 这种结构的器件分束性能、消光比、透射比等主要技术指标较好，但抗光损伤阈值较低且结 构的温度稳定性能较差，而少数单元结构的设计一般功能单一，如萨瓦尔板只能产生较小 的横向剪切差。因此研制一种既具有简单的单元结构，以保证具有较高的性能指标和整体 结构的温度稳定性，又可产生较大分束角的偏光分束器件，以满足现代科技发展需要是十 分必要的。
发明内容
本发明提供了一种在单轴双折射晶体棱镜中寻常光(o光)直接透射，非常光(e 光)经非常折射_全反射_非常折射的偏光分束方法及一种具有较高性能指标，利用单元 晶体棱镜结构实现类似洛匈棱镜分束效果的单元非常折射洛匈棱镜。 本发明所述的偏光分束方法，其机理是光在单轴各向异性晶体棱镜中传播，分成 两束振动方向相互垂直的平面偏振光，常称o光和e光；o光直接经出射端面出射；e光在入 射端面发生非常折射，达到晶体棱镜的侧面发生全反射，而后在出射端面再次非常折射以 一定角度出射，从而o、 e光产生一定的分束角。由于偏振分束的过程是由单元晶体结构棱 镜完成的，不受胶合层的影响，这是本发明偏光分束方法透射比、消光比和抗光损伤阈值高 的原因。 本方案是通过如下技术措施实现的一种单元非常折射洛匈棱镜，其特征是它 由冰洲石晶体制成单块长方体结构横向布置的单轴双折射晶体棱镜，棱镜的长度孔径比(L/A)8 10 ;所述单轴双折射晶体棱镜的入射端面、出射端面和反射界面抛光；晶体光 轴角a。(晶体光轴与直角坐标系x轴的夹角)取值范围是46.6。 46.3° ，光束入射 角为-3° 3° ，适用的波长范围300nm 1800nm;光束正入射时对应的分束角范围是 23.94° 18. 46° ;光束入射角为_3° 3°时对应的分束角范围是12. 51° 30. 14° 。
这一方案的具体特点还有，晶体光轴角a。取值46.6。，光束正入射且适用的波长 范围300nm 351nm，对应的分束角范围是23.94。 22. 44° 。 晶体光轴角a 。取值46. 5° ，光束正入射且适用的波长范围352nm 482nm，对应 的分束角范围是22.41。 20.63° 。 晶体光轴角a。取值46.4。，光束正入射且适用的波长范围483nm 1172nm，对 应的分束角范围是20. 62° 18. 91° 。 晶体光轴角a。取值46.3。，光束正入射且适用的波长范围1173nm 1800nm，对 应的分束角范围是18. 90° 18. 46° 。 晶体光轴角a 。优化取值46. 42° ，适用的波长范围300nm 1800nm、光束入射角 范围-3° 3° ，对应的分束角变化范围是12.35。 12. 19° 。 —种非常折射偏光分束方法，其特征是将光束以-3° 3°的入射角度范围射入 单元非常折射洛匈棱镜； 所述单元非常折射洛匈棱镜由冰洲石晶体制成单块长方体结构横向布置的单轴 双折射晶体棱镜，棱镜的长度孔径比(L/A)8 10 ;所述单轴双折射晶体棱镜的入射端面、 出射端面和反射界面抛光；晶体光轴角a。(晶体光轴与直角坐标系x轴的夹角)取值范围 是46. 6° 46. 3° ; o光直接通过单轴双折射晶体棱镜，出射后保持与入射光束同向；在入射端面发 生非常折射的e光在单轴双折射晶体棱镜内表面发生一次全反射，到达出射端面再次经过 非常折射，出射后将会与出射的o光产生分束角。 以下详细介绍发明构成一种单元非常折射洛匈棱镜由冰洲石晶体制成的单块长 方体构成，其特征一是棱镜的长度孔径比(L/A)8 10 ;其特征二是单轴双折射晶体棱镜的 入射端面、出射端面和反射界面抛光；其特征三是晶体光轴角a 。的取值为(l)若棱镜使 用于单一波长或小的光谱范围，且光正入射，获得最大分束角的a。取值见附表l ;(2)若棱 镜使用于大的光谱范围，a。优化取值46.42。。 —种非常折射偏光分束方法，其特征是将光束以-3° 3°角度范围射入单元非 常折射洛匈棱镜；o光直接透射，e光经非常折射_全反射_非常折射的过程出射，两束光在 出射端面出射后将会产生分束角。 本发明工作时，光束可以正入射，也可以在-3° 3°范围倾斜入射，o光直接透 射，且保持与入射光同向；e光在入射端面发生非常折射，达到晶体棱镜的侧面会发生全反 射，而后在出射端面再次非常折射以一定角度出射，从而o、e光产生一定的分束角。棱镜的 使用光谱范围300nm 1800nm。 本发明中的偏光分束棱镜的技术效果是①利用了单轴双折射晶体中e光的非常 折射特性，在入射端面完成起偏与o、 e光的离散，在侧面完成e光的全反射，在出射端面 完成o、 e光较大分束角的产生，从而实现了器件的起偏与分束功能。②采用的是单元晶 体结构设计，较之先前的洛匈棱镜等二元或三元组合棱镜，避免了胶合层对光的偏振分束过程的影响；由于没有胶合层，棱镜的使用光谱范围直接取决于冰洲石晶体中o、 e光的透 明区，即300nm 1800nm，较之二元或三元组合棱镜，将紫外使用光谱由350nm拓展到了 300nm ;由于是单元晶体结构，提高了器件的抗光损伤阈值，结构也更加牢固。③偏振分束效 果类似罗匈棱镜，即出射的o光始终与入射光方向平行，仅e光偏折产生分束角；当入射角 在-3° 3°的范围变化时，分束角可在大于12。的范围连续变化。很显然单元非常折射 洛匈棱镜具有偏振分束、分束角可调、起偏及检偏多种功能一体化的特征。本发明是根据双 折射晶体内e光的非常折射特性，设计研制的一种全新的偏光分束器件，其分束效果类似 洛匈棱镜，故我们称之为非常折射洛匈棱镜。独特的分束方法，可获得大于20。的分束角， 是洛匈棱镜能够产生的分束角的2 3倍。本发明的特点是单元晶体结构棱镜，整体结构 牢固，抗光损伤阈值高，分束角大且可调，具有偏振分束、起偏及检偏多重功能，实用性强， 这些都是其优于现有偏振分束棱镜的重要特征，使该类器件的应用领域较之现有的器件更 加广泛，适用于偏振分束及起、检偏的科学实验及实用装置；具有高的技术性能和可靠性， 这在激光技术、光学测试、光学调制等应用领域中具有极为重要的意义。
附图l是本发明结构示意图；附图2是正入射时的偏振分束光路示意图；附图3是 倾斜入射时的偏振分束光路示意图。
具体实施方式
实施例1 如图1所示单元非常折射洛匈棱镜是由冰洲石晶体制成单块长方体结构横向布 置的单轴双折射晶体棱镜，所述单轴双折射晶体棱镜的入射界面、出射界面和反射界面 抛光；晶体光轴角a。取值范围是46.6。，光束波长取值300nm，光束正入射的分束角是 23.94° 。 如图2、图3所示，一种非常折射偏光分束方法，将光束以一3。 3°入射角度范 围射入单元非常折射洛匈棱镜；所述单元非常折射洛匈棱镜由冰洲石晶体制成单块长方体 结构横向布置的单轴双折射晶体棱镜，棱镜的长度孔径比(L/A)8 10 ;所述单轴双折射晶 体棱镜的入射端面、出射端面和反射界面抛光，晶体光轴角a。取值范围是46.6 46.3。； o光直接通过单轴双折射晶体棱镜，出射后保持与入射光束同向；在入射端面发生非常折 射的e光在单轴双折射晶体棱镜内表面发生一次全反射，到达出射端面再次经过非常折射 以一定角度出射，从而o、 e光产生一定的分束角。棱镜材料为光学级的冰洲石晶体；图中 a 。称为光轴角(即晶体光轴与直角坐标系x轴的夹角)，若棱镜使用于单一波长或小的光 谱范围，且光正入射，获得最大分束角小_的a。取值见附表l ;若棱镜使用于大的光谱范 围，a。取46. 42° 。 附图2是正入射时的偏振分束光路示意图。当光束正入射时，不同波长可获得的 最大分束角见附表l。 附表1.正入射获得最大分束角9max的光轴角a 。与波长A对应表
实施例^ (nm) (Q )9max (o )实施例、(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 附图3是倾斜入射时的偏光分束光路示意图。对于a。取46.42。的棱镜，当光的入射角在-3° 3°的范围变化时，在300nm 1800nm分束角的可调范围见附表2。 附表2入射角i分别为3。、_3°时分束角(p与波长A对应表
实施例(pi=-3。 O实施例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 实施例2 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于晶体光轴角a。取值46.5° ，光束波长取值410nm，光束正入射的分束角是21.39。。
实施例3 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于晶体光轴角a。取值
646.4° ，光束波长取值650nm，光束正入射的分束角是19. 74° 。
实施例4 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处 46.4° ，光束波长取值880nm，光束正入射的分束角是19. 23° 。
实施例5 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处 46.4° ，光束波长取值1060nm，光束正入射的分束角是19.01° ,
实施例6 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处 46.3° ，光束波长取值1300nm，光束正入射的分束角是18.80° ,
实施例7 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处 46.3° ，光束波长取值1540nm，光束正入射的分束角是18.63° ,
实施例8 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处 46.3° ，光束波长取值1800nm，光束正入射的分束角是18.46° ,
实施例9 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处
46.42° ，光束波长取值300nm，光束入射角取值3' 17. 79° 30. 14° 。
实施例10 本实施例与实施例1相同之处不再赘述
46.42° ，光束波长取值390nm，光束入射角取值3 15. 57° 27. 85° 。
实施例11 本实施例与实施例1相同之处不再赘述
46.42° ，光束波长取值650nm，光束入射角取值3 13. 65° 25. 88° 。
实施例12 本实施例与实施例1相同之处不再赘述
46.42° ，光束波长取值880nm，光束入射角取值3 13. 14° 25. 35° 。
实施例13 本实施例与实施例1相同之处不再赘述
46.42° ，光束波长取值1060nm，光束入射角取值3 12. 93° 25. 13° 。
实施例14 本实施例与实施例1相同之处不再赘述
46.42° ，光束波长取值1300nm，光束入射角取值3
-3'
不同之处 -3° ，
不同之处 -3° ，
不同之处 -3° ，
不同之处 -3° ，
不同之处 -3° ，
在于晶体光轴角a。取值
在于晶体光轴角a。取值
在于晶体光轴角a。取值
在于晶体光轴角a。取值
在于晶体光轴角a。取值
在于晶体光轴角a。取值
对应的分束角cp的范围是
在于晶体光轴角a。取值 对应的分束角9的范围是
在于晶体光轴角a。取值 对应的分束角(P的范围是
在于晶体光轴角a。取值 对应的分束角CP的范围是
在于晶体光轴角a。取值 对应的分束角9的范围是
在于晶体光轴角a。取值
对应的分束角cp的范围是12. 72° 24. 92° 。 实施例15 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于晶体光轴角a。取值
46.42° ，光束波长取值1540nm，光束入射角取值3。 _3° ，对应的分束角cp的范围是12. 55° 24. 75° 。 实施例16 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于晶体光轴角a。取值
46.42° ，光束波长取值1800nm，光束入射角取值3。 _3° ，对应的分束角9的范围是12. 38° 24. 57° 。
8
权利要求
一种单元非常折射洛匈棱镜，其特征是它由冰洲石晶体制成单块长方体结构横向布置的单轴双折射晶体棱镜，棱镜的长度孔径比8～10；所述单轴双折射晶体棱镜的入射端面、出射端面和反射界面抛光；晶体光轴角αo取值范围是46.6°～46.3°，光束入射角为-3°～3°，适用的波长范围300nm～1800nm。
2. 根据权利要求l所述的单元非常折射洛匈棱镜，其特征是晶体光轴角a。取值 46. 6° ，光束正入射且适用的波长范围300nm 351nm。
3. 根据权利要求l所述的单元非常折射洛匈棱镜，其特征是晶体光轴角a。取值 46. 5° ，光束正入射且适用的波长范围352nm 482nm。
4. 根据权利要求l所述的单元非常折射洛匈棱镜，其特征是晶体光轴角a。取值 46. 4° ，光束正入射且适用的波长范围483nm 1172nm。
5. 根据权利要求l所述的单元非常折射洛匈棱镜，其特征是晶体光轴角a。取值 46. 3° ，光束正入射且适用的波长范围1173nm 1800nm。
6. 根据权利要求l所述的单元非常折射洛匈棱镜，其特征是晶体光轴角a。优化取值 46.42° ，光束入射角范围-3° 3°且适用的波长范围300nm 1800nm。
7. —种非常折射偏光分束方法，其特征是将光束以-3° 3°的入射角度范围射入单 元非常折射洛匈棱镜；所述单元非常折射洛匈棱镜由冰洲石晶体制成单块长方体结构横向布置的单轴双折 射晶体棱镜，棱镜的长度孔径比8 10 ;所述单轴双折射晶体棱镜的入射端面、出射端面和 反射界面抛光；晶体光轴角a。取值范围是46.6。 46. 3° ;o光直接通过单轴双折射晶体棱镜，出射后保持与入射光束同向；在入射端面发生非 常折射的e光在单轴双折射晶体棱镜内表面发生一次全反射，到达出射端面再次经过非常 折射，出射后将会与出射的o光产生分束角。
全文摘要
一种单元非常折射洛匈棱镜由冰洲石晶体制成的单块长方体构成，晶体光轴角α。可根据使用波长在46.6°～46.3°的范围取值；棱镜的适用波长范围300nm～1800nm消光比优于10-5。非常折射偏光分束方法是将光束射入单元单轴双折射晶体棱镜，o光直接通过晶体棱镜，出射后保持与入射光束同向；在入射端面发生非常折射的e光在晶体棱镜内表面发生一次全反射，到达出射端面再次经过非常折射；两束光在出射端面出射后将会产生分束角。这是一种具有较高的技术指标，可实现多种性能的偏振分束方法和单元非常折射洛匈棱镜，该棱镜的分束特点表明它具有偏振分束、分束角随入射角可调、起偏与检偏多种功能，在激光技术、光学测试、光学调制等应用技术领域中具有极其重要的实际意义。
文档编号G02B27/28GK101782690SQ20101011006
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月20日 优先权日2010年2月20日
发明者任廷琦, 吴福全, 吴闻迪 申请人:曲阜师范大学