CN101067669A - 一种以光胶粘合而成的yvo4晶体偏振棱镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以光胶粘合而成的YVO₄晶体偏振棱镜，包括两块YVO₄晶体棱镜，每块棱镜都是截面为等腰直角三角形的三棱柱，棱镜的顶角为45°，两块棱镜沿斜面通过光胶对接在一起，所用光胶的折射率为1.48－1.50之间。本发明的特点是每个棱镜都是截面为等腰直角三角形的三棱柱，棱镜的顶角恰好为45°，折射光线正好从三棱柱的底面出射。能够做到棱镜内存在的折射光尽量小，降低了伤害人眼的可能性。经测量，本发明的偏振棱镜消光比小于10^－4。与目前的YVO₄偏振棱镜相比，本发明的棱镜结构更加简单，加工面和加工角度的数量都减少，并且降低了对人眼伤害的可能性，使用更加方便，其性能可以与成熟的方解石棱镜相当。

Description

一种以光胶粘合而成的YVO4晶体偏振棱镜

技术领域

本发明涉及YVO₄晶体偏振棱镜，属于晶体材料在光电中的应用技术领域。

背景技术

利用单轴晶体中的双折射现象，将晶体制成各种棱镜，可以获得线偏振光，这种棱镜称为偏振棱镜。偏振棱镜在各种光学实验中是一种重要的器件。

目前，广泛用于制作偏振棱镜的材料主要是天然的不可再生的方解石晶体。虽然方解石棱镜具有悠久的历史，但是由于下列几个原因，使其在加工、使用过程中存在一系列问题。方解石除了为天然不可再生资源，资源越来越少外，还存在着：1)难以获得尺寸足够大且适合光学应用的方解石；2)由于解理性很强，加工过程极易出废品；3)莫氏硬度为3，不易抛光；4)方解石是菱面体，八个顶角中只有两个顶角的三个面都是钝角，其光轴平行于这两个顶角的等分线。因此，制作偏振棱镜时，晶体的利用率低。

YVO₄晶体属于正单轴晶体。可以用人工提拉法沿晶体的C方向提拉生长出直径大于35mm长度大于30mm的优质YVO₄晶体。并且具有透射波段宽(400-5000nm)，光学均匀性好，双折射大，温度系数小，不潮解，不解理，硬度较大等优点，因此其切割、抛光等加工工艺与加工光学玻璃相近，较易得到很好的光洁度和平面度，晶体利用率高。

申请号为02117361.3的中国专利申请提供了一种《用钒酸钇晶体制作的偏振棱镜》，由两块对称的五个面角的钒酸钇晶体棱镜组合而成，通过粘接的方法固定，两块晶体棱镜之间保留一层空气隙，制作时一要满足αe(慢光全反射临界角)＜θ＜αo(快光全反射临界角)，以保证晶体棱镜中的慢光在与空气隙的交界面上产生全反射；二必须有一定的偏振安全角β，以保证光束只要以小于β角入射到偏振棱镜的入射面后，出射的光为完全线偏振光；三要使快光在与空气隙的交界面上要有尽可能高的透过率。两块晶体棱镜需加工出对称的五个面角，并且还要在棱镜之间保留一层空气隙，使得该专利申请提供的偏振棱镜加工困难，利用率低。

2003年出版的第24卷《激光杂志》发表了一篇《高功率YVO₄晶体偏振棱镜》的文章，该文章提到利用YVO₄晶体制作偏振棱镜，该棱镜中间层为空气，由于要使折射光出射晶体，必须要加工、抛光一个和入射面成一定角度的出射面，造成棱镜的形状比较复杂，要精确加工的角和面又较多，因此该棱镜加工困难，并且其折射光可对人眼造成伤害。

发明内容

本发明针对现有YVO₄晶体偏振棱镜结构复杂、加工困难等问题，提供一种结构简单、容易加工的以光胶粘合而成的YVO₄晶体偏振棱镜。

本发明采用以下技术解决方案：

以光胶粘合而成的YVO₄晶体偏振棱镜包括两块YVO₄晶体棱镜，每块棱镜都是截面为等腰直角三角形的三棱柱，棱镜的顶角为45°，两块棱镜沿斜面通过光胶对接在一起，所用光胶的折射率为1.48-1.50之间。

上述YVO₄晶体偏振棱镜的设计原理如下：

一束光入射到具有双折射的晶体后，光束一般会被分成两束。若入射光在晶体的主截面内，其中一束光振动方向垂直于截面，称为寻常光(o光)，另外一束光振动方向在截面内，称为非寻常光(e光)。当光束到达晶体斜面时会发生反射和透射。晶体中也存在一个临界角度，当入射角大于此角度时，光束全部发生反射而不发生透射，此临界角称为全反射角。如果选择光束入射角α，其大小正好等于棱镜的顶角，使α正好大于其中一束光的全反射角α₁，而小于另外一束光的全反射角α₂，则两束光可以实现分离，如图1所示。

首先用布儒斯特角法测得光胶在固态下632.8nm的折射率为1.4919，以此作为光胶折射率的计算值。同样的对于YVO₄晶体，从可见光404.7nm到近红外1682nm之间取波长λ分别为404.7nm、632.8nm、1064nm和1682nm，通过折射率公式得到寻常光的折射率n₀和非寻常光的折射率n_e(25°下)，且由公式 ${\mathrm{\α}}_c={\sin }^{-1}\frac{n_2}{n_1}$ 求出不同波长下寻常光的全反射角α_c0(°)和非寻常光的的全反射角α_ce(°)，其中n₁为YVO₄折射率，n₂为光胶的折射率。不同波长下YVO₄晶体的折射率和全反射角如下表所示：

λ(nm)	n0	αc0(°)	ne	αce(°)
					404.7	2.0916	45.50	2.3564	39.28
632.8	1.9929	48.46	2.2154	42.33
					1064	1.9571	49.67	2.1650	43.60
1682	1.9424	50.18	2.1457	44.05

对于顶角一定的棱镜，可以由菲涅尔公式，及透射光光强，能流与入射的关系得到晶体中出射光的能流表达式为(参考2002年山东大学出版社出版的蔡履中主编的《光学》一书，p104-107)：

${\left|\frac{{2\cos \mathrm{\α}}_1}{{\cos \mathrm{\α}}_1+\sqrt{n_{21}^2-{\sin }^2{\mathrm{\α}}_1}}\right|}^2*|{\frac{{2\cos \mathrm{\α}}_2}{{\cos \mathrm{\α}}_2+\sqrt{n_{12}^2-{\sin }^2{\mathrm{\α}}_2}}|}^2$

其中α₁为入射角，α₂为折射角，n₁为YVO₄折射率，n₂为光胶的折射率。

考虑到要求光的透射率尽量大，并且要使棱镜中的一束光发生全反射，另外一束光不发生全反射，入射角α必须满足α_co＞α＞α_ce，取棱镜的入射角为45°，也就是棱镜的顶角为45°。将入射角i₁＝45°，n₂＝1.4919，YVO₄在632.8nm波长下折射率n₁＝1.9929，代入到公式(1)中，可以得到透射率为58.63％。

在制作的过程中，光胶需要照射3-5分钟，以保证光胶的粘合性能。

本发明是在得到不同波长下(400-5000nm)YVO₄晶体和光胶折射率的情况下，利用光在不同介质中传播的性质，得到晶体中不同传播光线的全反射角，并且计算出光的透射率，以此为依据设计棱镜的顶角。

本发明的特点是每个棱镜都是截面为等腰直角三角形三棱柱，棱镜的顶角恰好为45°，折射光线正好从三棱柱的底面出射。能够做到棱镜内存在的折射光尽量小，降低了伤害人眼的可能性。经测量，本发明的偏振棱镜消光比小于10^-4。与目前的YVO₄偏振棱镜相比，本发明的棱镜结构更加简单，加工面和加工角度的数量都减少，并且降低了对人眼伤害的可能性，使用更加方便，其性能可以与成熟的方解石棱镜相当。

附图说明

图1是棱镜的分光示意图。图中带箭头的直线表示光路，短线表示寻常光(o光)振动方向，黑点表示非寻常光(e光)的振动方向。

图2是本发明的偏振棱镜的结构示意图。图中带箭头的直线表示光路，

表示YVO4晶体的光轴方向，短线表示寻常光(o光)振动方向，黑点表示非寻常光(e光)的振动方向。

图3是本发明偏振棱镜的消光比测量示意图。

图中：1、YVO₄晶体棱镜，2、光胶，3、氦氖激光器，4、起偏器，5、棱镜  6、硅光电二极管，7、检流计。

具体实施方式

实施例

如图2所示，本发明的偏振棱镜有两块YVO₄晶体棱镜1组成，两块YVO₄晶体棱镜的斜面通过中间的光胶2粘接在一起。每块棱镜都是截面为等腰直角三角形的三棱柱，棱镜的顶角为45°。

本发明的偏振棱镜通过如图3所示的测量装置测量。该测量装置包括氦氖激光器3、起偏器4、检流计7和硅光电二极管6电源。按光路方向在起偏器4后放置本发明的偏振棱镜5，偏振棱镜5之后放置硅光电二极管6，硅光电二极管6和检流计7相连。并保持偏振棱镜5与光轴平行，偏振棱镜5的大小为10*12*10(mm³)。打开氦氖激光器3，使光通过起偏器4，得到线偏振光，然后通过偏振棱镜5，到达硅光电二极管6，光信号变成电信号，从而在检流计7上得到光强信号。

调整偏振棱镜5与起偏器4正交，探测到的光强信号为I₁，转动偏振棱镜5，使之与起偏器4平行，这时探测到的光强信号为I₂，I₁/I₂为消光比，得到的数据为1∶10500。

Claims (1)

1.一种以光胶粘合而成的YVO₄晶体偏振棱镜，包括两块YVO₄晶体棱镜，其特征在于：每块棱镜都是截面为等腰直角三角形的三棱柱，棱镜的顶角为45°，两块棱镜沿斜面通过光胶对接在一起，所用光胶的折射率为1.48-1.50之间。

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