专利名称：薄膜型可调相位延迟器的制作方法
技术领域：
本发明与薄膜有关，是一种薄膜型可调相位延迟器，它是利用特殊 的相位延迟膜进行相位的高精度调节或补偿的装置，可应用于相位控制 或补偿的光路中，简便实用。技术背景相位是描述光束本征特性的一个重要参数，它也是时间和空间的函 数。更经常用到的是相位差，即两个不同光束的相位之差。在光的干涉 中，相位差扮演了重要的角色，如果能精确控制相位差，就可以获得预 想的干涉结果；在光的偏振中，相位差更是重要，比如改变光束两个振 动方向上的相位差，就可以实现椭圆偏振光和线偏光之间的转换，左旋 椭偏光和右旋椭偏光之间的转换。因此，在涉及光的干涉以及偏振状态 等应用中，相位或相位差的控制补偿是很重要的。但是相位差是一个时间或空间的快变参数，比如两束光经过空间距离差异Az传输后，产生 j — 2屈&的相位差为=i ，其中^为波长，"为传播媒质折射率，当AZ改 变一个波长，相位差就变化了^弧度，因此相位差的定量控制并不容易。 常用的一种相位补偿器是巴比涅一索利尔相位补偿器，但是这种相位延 迟器是由晶体构成的，但不宜用于大口径光束的情况，而且价格也较贵。 发明内容本发明的目的在于提供一种薄膜型可调相位延迟器，以适用于较大 口径光束的情况，并具有结构简单、制作容易、操作简便、精度高、成 本低和多用途等特点。我们知道，光束经介质反射薄膜反射后会产生一个相移，相移量由光束经历的介质膜层光学厚度和界面决定，随入射角单调变化。此外， 在倾斜使用时，由于P光(垂直入射面振动)与S光(平行入射面振动) 的有效导纳不同，即相移(相位延迟)不同，因此P光和S光之间产生 了相位差。利用这些性质，既可以产生任意可控的相位延迟，也可以补 偿相位差。因此，本发明的技术解决方案如下一种薄膜型可调相位延迟器，其特点是它由第一相位延迟片和第二 相位延迟片、第一光学调整架和第二光学调整架以及一个旋转平台组 成，其位置关系是所述的旋转平台由固定的底板和转动台组成，所述 的第一相位延迟片和第二相位延迟片分别贴设在所述的第一光学调整 架和第二光学调整架的镜框内，所述的第一光学调整架和第二光学调整 架平行地固定在所述的旋转平台的转动台的上表面，并使所述的第一相 位延迟片的反射面和第二相位延迟片的反射面平行且垂直于所述的转 动台的上表面，所述的转动台的中心到所述的第一相位延迟片和第二相 位延迟片的反射面的距离相等。所述的第一光学调整架和第二光学调整架与所述的旋转平台的转动台的固定方式为胶粘或螺丝固定。所述的旋转平台的底板的侧壁上设有手轮，以驱动转动台转动，该转动台的周边刻有角度线，该底板的壁上刻有对准线，旋转台的转动范 围是360度。所述的第一相位延迟片和第二相位延迟片是一种具有相同结构的介 质反射膜，在宽角度范围内具有很高的反射率，相位延迟量随光束的入 射角不同而线性变化，该相位延迟片最简单的形状为长方形或圆形。所述的第一相位延迟片和第二相位延迟片的介质反射膜的膜系结构为(HL厂14 0. 4H，其中H为ZnS，折射率为2. 58 (550nm)， L为MgF2，折射率为1. 38 (550nm)， 1个H层的光学厚度为75. 85nm， 1个L层的光 学厚度为129. 17nm，使用波长为633nm。本发明的基本原理是光束以一定角度入射到第一个相位延迟片上， 反射到第二个延迟片上，经过第二个延迟片的第二次反射后，与入射光 方向平行射出。随着入射角的不同，每个相位延迟片既能使P光和S光 之间的相位差在一定延迟范围内单调变化，又能使P光产生一定范围的 单调相移，因此，通过转动精密旋转平台，既可使光的P分量和S分量 之间产生可调谐的相位差，相当于一个厚度可变的波片，又可使线偏振 的P光产生预设的相移，从而实现精密的、可调谐的相位延迟或补偿。本发明的技术效果1、 本发明利用光学介质薄膜的反射相移特性实现对相位差的可调谐 延迟或补偿，原理简单，易于制备。2、 本发明可应用于大口径光束的相位延迟补偿，由于采用了双反射 面平行的结构，不改变光束的传输方向。3、 本发明的核心元件是介质反射膜，抗激光损伤阈值高，因此可在 高功率激光束的光路中使用。4、 本发明既可以补偿一束光的P与S分量之间的相位差，能实现椭 圆偏振光与平面偏振光的转换，又能使线偏振光产生预期的相位延迟量， 具有多功能的特点。5、 本发明对P光和S光相位差的延迟范围因采用的高反射膜的不同 而不同。6、 本发明中的旋转平台的角度分辨率决定了相位控制精度，如果旋转台角度分辨率为o. or ，相位延迟精度可达m600 ，控制精度非常高。 高精度未必对使用有益，因此可根据实际情况设计旋转传动比，使相位 控制精度与使用条件匹配，灵活性高。7、本发明可实现对相位差的正负补偿量控制，也可接入自动控制闭 环中，实现实时延迟或补偿控制。总之，本发明是一种简便而精确的相位延迟或补偿器件。通过旋转 精密旋转平台，使得光束入射到相位延迟片的角度发生连续变化，从而 产生变化的相位控制量，操作简单，精确度高。该器件具有结构简单、 制作容易、精确度高、操作简便、成本低、多用途等特点。
图1是本发明薄膜型可调相位延迟器整体结构示意2是本发明薄膜型可调相位延迟器平面位置示意3是本发明实施例的相位延迟片的相移及相位差特性图。图4是本发明实施例的相位延迟片的P光反射率和平均反射率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一歩说明，但不应以此限制本 发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明薄膜型可调相位延迟器整体结构示意 图，由图可见，本发明薄膜型可调相位延迟器，由第一相位延迟片7和 第二相位延迟片8、第一光学调整架4和第二光学调整架5以及一个旋 转平台组成，其位置关系是所述的旋转平台由固定的底板l和转动台 2组成，所述的第一相位延迟片7和第二相位延迟片8分别贴设在所述 的第一光学调整架4和第二光学调整架5的镜框内，所述的第一光学调 整架4和第二光学调整架5平行地固定在所述的旋转平台的转动台2的 上表面，并使所述的第一相位延迟片7的反射面和第二相位延迟片8的 反射面平行且垂直于所述的转动台2的上表面，所述的转动台2的中心 o到所述的第一相位延迟片7和第二相位延迟片8的反射面的距离相等。 所述的底板1的侧壁上设有手轮3，以驱动转动台2转动，该转动台2的周边刻有角度线，该底板1的壁上刻有对准线，旋转台的转动范围是360度。通过设定传动比确定最小转动分辨率，如0.01度。所述第一光学调整架4和第二光学调整架5是常用的普通光学调整 架，由基准板和镜片框构成，基准板和镜片框之间由弹簧链接。通过调 节基准板上的三个微调螺母6，实现对反射镜片的前后移动、左右及上 下转动调整。调整架的形状由镜片决定。所述的第一光学调整架4和第 二光学调整架5与所述的旋转平台的转动台2的固定方式为胶粘或螺丝 固定。所述的第一相位延迟片7和第二相位延迟片8是一种具有相同结构 的介质反射膜，在宽角度范围内具有很高的反射率，相位延迟量随光束 的入射角不同而线性变化，该相位延迟片最简单的形状为长方形或圆形。本实施例的第一相位延迟片7和第二相位延迟片8的介质反射膜的 膜系结构为:(HL厂14 0. 4H，其中H为ZnS，折射率为2. 58 (550nm)， L为MgF2，折射率为1. 38 (550nm)， 1个H层的光学厚度为75. 85nm， 1 个L层的光学厚度为129. 17nm，使用波长为633nm。该特定实施例的相 位延迟片的相位延迟曲线如图3所示，图中横坐标是入射角，虚线是反 射光中P光与S光的相位差，实线是P光的反射相移。在10° 82°范 围内，该反射膜能使P光与S光的相位差在180。 360°内变化，P光 的反射相移变化范围为28° 196° ，光束经过两个相同的相位延迟片 的反射之后，P光与S光的相位差范围为360° 720° ， P光相移为 56° 392° 。因为相位是余弦函数的自变量，以360°为周期，因此， 两次反射后，P光与S光的相位差调节范围为一个周期，P光的相移范围 接近一个周期。图4是该相位延迟膜的角度反射率曲线(对应波长为 632.8nm)，虚线是P光反射率，实线是平均反射率(P光与S光反射率 之和的一半)。入射角小于70°时，P光反射率和平均反射率都接近于1，入射角大于70。时，反射率会有所下降。相位延迟片的尺寸(旋转过程中光斑在镜面上的移动长度)要遵循 旋转角度范围内光束都要经过两个反射面的原则，并且两块延迟片的大 小要相等。图2是相位延迟器平面位置示意图，所取平面为光束的入射面(与转动台面平行)，图中第一相位延迟片7和第二相位延迟片8的反射面相互平行，且转动台2的旋转中心0到两个反射面的距离相等，艮P: OC二OD二/;，旋转中心O到入射光束外边缘光线的距离为J，光束以起始入 射角《入射到第一相位延迟片7的个反射面上，旋转引起2;r相位变化后 的入射角为《，则镜片的最小尺寸为/ = (tan《—tan(92)/2 (l)"与/7的关系为cos《_ COS《"值用于定位第一相位延迟片7，确定光束的入射位置。为减小相位 延迟膜的制作难度，最小尺寸/不宜太大，因此/z可结合实际应用条件取 尽可能小的值，以使/的值恰当， 一般/〈100mm为宜，相应的K18mm。实 际制作的第一相位延迟片7的尺寸要比最小尺寸/大5 10mrn，以方便装配。装调时，首先确定第一相位延迟片7的位置。结合图1和图2所示， 先在旋转台上根据所取的W直画两条平行线，再将第一相位延迟片7置 于第一光学调整架4的镜框中，并放在转动台2上，使第一相位延迟片 7的反射面与一条平行线对齐，然后沿该平行线平移第一光学调整架4， 使得当光线以《角入射到第一相位延迟片7的边缘反射点(图2中A点) 时，转动台2的旋转中心0到入射光线的距离为J， d值由公式(2)确 定，此时将第一调整架4胶粘结或螺丝固定到转动台2上。第二相位延迟片8的反射面与另一条平行线对齐，定位时可根据第一相位延迟片7 的边缘反射光线确定。定位了两个相位延迟片后，用一束光入射到第一相位延迟片7上，经第二相位延迟片8再次反射，调节第二光学调整架 5的微调螺母6，使光束经过第二次反射后沿原入射光束方向射出，保证 两个反射面的严格平行。使用时，将该器件置于光路中，通过旋转手轮3使转动台2转动一 定角度，使光束在第一相位延迟片7的反射面的入射角为起始入射角《， 如图2和图3对应的相位延迟片，《取82° ，然后整体移动该相位延迟 器，即调节入射点，使得旋转中心o到入射光线的距离d满足(2)式， 最后旋转手轮3驱动旋转平台，改变入射角，实现该器件的功能。
权利要求
1、一种薄膜型可调相位延迟器，其特征在于由第一相位延迟片(7)和第二相位延迟片(8)、第一光学调整架(4)和第二光学调整架(5)以及一个旋转平台组成，其位置关系是所述的旋转平台由固定的底板(1)和转动台(2)组成，所述的第一相位延迟片(7)和第二相位延迟片(8)分别贴设在所述的第一光学调整架(4)和第二光学调整架(5)的镜框内，所述的第一光学调整架(4)和第二光学调整架(5)平行地固定在所述的旋转平台的转动台(2)的上表面，并使所述的第一相位延迟片(7)的反射面和第二相位延迟片(8)的反射面平行且垂直于所述的转动台(2)的上表面，所述的转动台(2)的中心(o)到所述的第一相位延迟片(7)和第二相位延迟片(8)的反射面的距离相等。
2、 根据权利要求1所述的薄膜型可调相位延迟器，其特征在于所 述的第一光学调整架(4)和第二光学调整架(5)与所述的旋转平台的 转动台(2)的固定方式为胶粘或螺丝固定。
3、 根据权利要求1所述的薄膜型可调相位延迟器，其特征在于， 该底板(1)的侧壁上设有手轮(3)，以驱动转动台(2)转动，该转动 台(2)的周边刻有角度线，该底板(1)的壁上刻有对准线，旋转台的转动范围是360度。
4、 根据权利要求1所述的薄膜型可调相位延迟器，其特征在于所述 的第一相位延迟片(7)和第二相位延迟片(8)是一种具有相同结构的 介质反射膜，在宽角度范围内具有很高的反射率，相位延迟量随光束的 入射角不同而线性变化，该相位延迟片最简单的形状为长方形或圆形。
5、 根据权利要求4所述的薄膜型可调相位延迟器，其特征在于所述的第一相位延迟片(7)和第二相位延迟片(8)的介质反射膜的膜系结构为(HLri4 0.4H，其中H为ZnS，折射率为2. 58 (550nm)， L为MgF2， 折射率为1. 38 (550nm)， 1个H层的光学厚度为75. 85nm， 1个L层的光 学厚度为129. 17nm，使用波长为633nm。
全文摘要
本发明提供一种薄膜型可调相位延迟器，由两块薄膜型相位延迟片、两个三维光学调整架和一个精密旋转平台组成。两个相位延迟片置于旋转平台上并保证反射面平行，光束以一定角度入射到第一个相位延迟片上，反射到第二个延迟片上，经过第二次反射后，与入射光方向平行射出。转动旋转平台，改变光束的入射角，相位延迟或补偿量也就随之改变，从而实现精密的，可调谐的相位延迟。本发明具有结构简单、容易制作、精确度高、操作简便、多用途等特点。
文档编号G02B27/28GK101236306SQ200810032709
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者葵 易, 笑 李, 申雁鸣, 范正修, 董洪成, 邵建达, 黄建兵 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所