CN102043256B - 一种偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分束器，包括：一个偏振无关光分束棱镜和两个偏振光分束棱镜，所述一个偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面胶合，另一个偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面胶合。从上述的技术方案可以看出，由于偏振分束器由偏振光分束棱镜与偏振无关光分束棱镜胶合而成，结构紧凑，体积较小，解决了现有偏振分束器中各个器件分离装配所导致的体积较大的问题。同时由于本发明所提供的偏振分束器中器件胶合，避免光束在传输过程中经过若干次空气与介质的界面，进而降低了反射损耗，减少了杂散光。

Description

一种偏振分束器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种偏振分束器。

背景技术

在使用偏振编码的BB84协议下的自由空间量子密钥分配实验中，需要将一路包含0度偏振、90度偏振、45度偏振以及135度偏振或者0度偏振、90度偏振、左旋圆偏振以及右旋圆偏振四个偏振态的光束，分成上述四种偏振态的四路光束，即分成四路光束，每路光具有一种偏振态。

现在普遍采用如图1所示的偏振分束器完成分束。该偏振分束器由一个立方体偏振无关分束器100，一个1/2波片101，两个立方体偏振分束器102构成。当含有上述四个偏振态的光104垂直入射到偏振无关分束器100后被均匀的分为两路，经过一段空气介质传播后，一路光垂直入射到立方体偏振分束器102上，得到以正交方向传输的0度和90度方向偏振的两束光108和107；另外一路光在经过一个1/2波片之后，偏振方向旋转了45度，再经过一个立方体偏振分束器102后得到以正交方向传输的45度和135度方向偏振的两束光105和106。最后由接入的探测器103来探测各个偏振方向的光束的光强。

上述图1所示的偏振分束器是将各个分离的器件组合装配起来，依据安装调整的要求，各个器件之间有一定间隔，因此偏振分束器的体积较大，而且光束在传输过程中经过若干次空气与介质的界面，在引入反射损耗的同时增加偏振分束器中的杂散光。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种偏振分束器，以解决现有偏振分束器各个器件分离装配造成体积较大，以及由于器件分离导致光束在传输过程中引入反射损耗的同时增加杂散光的问题。本发明所提供的一种偏振分束器的具体方案如下：

一种偏振分束器，包括：一个偏振无关光分束棱镜和两个偏振光分束棱镜，所述一个偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面胶合，另一个偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面胶合。

优选地，所述偏振光分束棱镜为0度与90度偏振光分束棱镜，且所述一个0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面按照0度夹角胶合，另一个0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面按照45度夹角胶合。

优选地，与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面胶合的偏振光分束棱镜为0度与90度偏振光分束棱镜，所述0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面按照0度夹角胶合；

与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面胶合的偏振光分束棱镜为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜。

优选地，所述偏振无关光分束棱镜和所述0度与90度偏振光分束棱镜分别包括一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合。

优选地，所述偏振无关光分束棱镜和所述0度与90度偏振光分束棱镜分别包括一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合；

所述左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜包括：一个1/4波片、一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合组成线偏振分束棱镜，所述1/4波片的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面按照0度夹角胶合，光束输出面与所述线偏振分束棱镜的入射面胶合，且所述1/4波片的快轴与所述线偏振分束棱镜的偏振光振动方向成45度夹角。

优选地，所述下光学玻璃棱镜为直角三角形下光学玻璃棱镜，所述上光学玻璃棱镜为平行四边形上光学玻璃棱镜，所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面与所述平行四边形上光学玻璃棱镜的一面胶合。

优选地，所述直角三角形下光学玻璃棱镜为等腰直角三角形下光学玻璃棱镜。

优选地，与所述斜面胶合的平行四边形上光学玻璃棱镜的一面的尺寸与所述斜面的尺寸相同。

优选地，所述平行四边形上光学玻璃棱镜与所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面相胶合的一面或所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面镀有膜。

优选地，所述偏振无关光分束棱镜镀有偏振无关分束膜；

所述偏振光分束棱镜镀有偏振分束膜。

从上述的技术方案可以看出，两个偏振光分束棱镜分别与偏振无关光分束棱镜胶合为一个偏振分束器。包含有四个偏振态的光束经过偏振分束器后被分为四路光束，且每路光束含有一个偏振态。由于偏振分束器由偏振光分束棱镜与偏振无关光分束棱镜胶合而成，结构紧凑，体积较小，解决了现有偏振分束器中各个器件分离装配所导致的体积较大的问题。同时由于本发明所提供的偏振分束器中器件胶合，避免光束在传输过程中经过若干次空气与介质的界面，进而降低了反射损耗，减少了杂散光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有偏振分束器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的偏振分束器的结构示意图；

图3为图2所示偏振分束器的光路图；

图4为图2所示偏振分束器中偏振无关光分束棱镜和偏振光分束棱镜的结构示意图；

图5为图2所示的偏振分束器中偏振无关光分束棱镜和偏振光分束棱镜的另一种结构示意图；

图6为图2所示的偏振分束器中偏振无关光分束棱镜和偏振光分束棱镜的再一种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的偏振分束器的另一种结构示意图；

图8为图7所示的偏振分束器中左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一个实施例

申请人经研究发现，现有的偏振分束器由于各个器件分离装配，使整个分束器体积较大。同时，由于分离装配，光束传输时经过分离器件之间的空气界面，进而增加了反射损耗以及杂散光。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种偏振分束器，该偏振分束器的结构示意图如图2所示，包括偏振无关光分束棱镜200、偏振光分束棱镜201以及偏振光分束棱镜202。偏振光分束棱镜201的光束入射面205与偏振无关光分束棱镜200的反射输出面209a胶合，偏振光分束棱镜202的光束入射面206与偏振无关光分束棱镜200的透射输出面209b胶合。

偏振无关光分束棱镜200的表面镀有偏振无关分束膜，使得透射光束和反射光束的功率比按50％∶50％分配，同时保证该棱镜对0度偏振和90度偏振的透射光的相移相同，而对于该棱镜中0度偏振和90度偏振的反射光的相移差异不作要求，其中透射光束是指透射输出面209b输出的光束，而反射光束为反射输出面209a输出的光束。

偏振光分束棱镜201和偏振光分束棱镜202的表面均镀有偏振分束膜，以实现把偏振态相互正交的光分别沿两个相互垂直的方向输出。其中：

偏振光分束棱镜201为0度与90度偏振光分束棱镜，其光束入射面205四边与偏振无关光分束棱镜200的反射输出面209a四边平行，且偏振光分束棱镜201中与入射面205垂直的上表面207平行于偏振无关光分束棱镜200的底面208，以将入射光分成具有0度和90度偏振态的分路光束。

偏振光分束棱镜202为0度与90度偏振光分束棱镜，其光束入射面206四边相对于偏振光分束棱镜201光束入射面205四边，按照正入射光束入射面205的朝向沿顺时针方向偏转45度，与偏振无关光分束棱镜200的透射输出面209b胶合，以将入射光分成具有45度和135度偏振态的分路光束。

综上，一路具有四个偏振态的光束经过偏振光分束棱镜201以及偏振光分束棱镜202后即可分成四路光束，且每路光束具有一个偏振态。

本发明实施例提供的偏振分束器的光路图如图3所示。含有0度偏振、90度偏振、45度偏振以及135度偏振四个偏振态的光束104从入射面204射入偏振无关光分束棱镜200，经过斜面210后输出透射光束。透射光束入射到与偏振无关光分束棱镜200按照45度胶合的偏振光分束棱镜202，透射光束经过偏振光分束棱镜202后，输出为两路分别具有135度偏振态的光束105以及具有45度偏振态的光束106。

光束104经过斜面210反射后射到斜面203上，再经过斜面203全发射输出反射光束。反射光束经过偏振无关光分束棱镜200的斜面203全内反射，入射到与偏振无关光分束棱镜200按照0度胶合的偏振光分束棱镜201，偏振光分束棱镜201将入射光分成两路输出，其中一路为0度偏振态的光束108，另一路为90度偏振态的光束107。

至此，如图2所示的偏振分束器完成将一路包含0度偏振、90度偏振、45度偏振以及135度偏振光束分成分别含有0度偏振态、90度偏振态、45度偏振态以及135度偏振态的四路光束。

由图3可以看出，四路光束互相平行，且四路光束之间分开的距离可以由偏振无关光分束棱镜200、偏振光分束棱镜201以及偏振光分束棱镜202的大小调整，例如：偏振光分束棱镜201以及偏振光分束棱镜202的大小确定时，调整偏振无关光分束棱镜的反射输出面209b竖边的长度，当该长度增加时，图3中光束105与光束107之间分开的距离大。

偏振无关光分束棱镜200、0度与90度偏振光分束棱镜201以及0度与90度偏振光分束棱镜202的构成部件示意图如图4所示，分别包括一个上光学玻璃棱镜300和一个下光学玻璃棱镜301。下光学玻璃棱镜301是直角三角形下光学玻璃棱镜301，上光学玻璃棱镜300是平行四边形上光学玻璃棱镜300。直角三角形下光学玻璃棱镜301的斜面302与平行四边形上光学玻璃棱镜的一面303胶合，且斜面302与面303的尺寸相同，以避免面303尺寸大时造成的浪费，而面303尺寸小所导致光的不完全接收。斜面302或面303镀有膜，来实现特定的分束功能，即使得透射光束和反射光束的功率比按50％∶50％分配。优选地，直角三角形下光学玻璃棱镜301是等腰直角三角形下光学玻璃棱镜301，上光学玻璃棱镜300是内角为45度和135度的平行四边形上光学玻璃棱镜300。下光学玻璃棱镜301选为等腰直角三角形下光学玻璃棱镜301是为了尽可能减少玻璃棱镜的用料。

图4所示的构成部件所构成的偏振无关光分束棱镜200、0度与90度偏振光分束棱镜201以及0度与90度偏振光分束棱镜202为一个梯形棱镜，以保证透射光束和反射光束能平行输出。因此，本发明实施例提供的偏振分束器中的偏振无关光分束棱镜200、0度与90度偏振光分束棱镜201以及0度与90度偏振光分束棱镜202还可以采用其他的部件组成。如图4所示的下光学玻璃棱镜301可以选为如图5所示的非直角三棱镜，只要保证三棱镜和平行四边形棱镜胶合以后两个棱镜的输出平面在同一平面上即可。当然，还可以采用如图6所示的结构，三个直角三角形光学玻璃棱镜构成梯形棱镜，同样可以保证光束分成相互平行的透射光束和反射光束。需要注意的是：图6的两个胶合面中，只在斜面胶合面上镀有偏振无关分束膜或偏振分束膜，直角胶合面只需胶合无需镀膜。

从上述的技术方案可以看出，两个偏振光分束棱镜201和202与偏振无关光分束棱镜200胶合为一个偏振分束器。包含有四个偏振态的光束经过偏振分束器后被分为四路光束，且每路光束含有一个偏振态。由于偏振分束器由偏振光分束棱镜201和偏振光分束棱镜202与偏振无关光分束棱镜胶合200而成，结构紧凑，体积较小，解决了现有偏振分束器中各个器件分离装配所导致的体积较大的问题。同时由于本发明所提供的偏振分束器中器件胶合，避免光束在传输过程中经过若干次空气与介质的界面，进而降低了反射损耗，减少了杂散光。此外，现有的偏振分束器分离装配，为了获取较好的分束效果，需要反复的调整各个器件的位置和角度。而本发明实施例所提供的偏振分束器中各个器件胶合为一个整体，因此调整偏振分束器的位置和角度即可获得较好的分束效果。

又一个实施例

光束除了0度偏振、90度偏振、45度偏振以及145度偏振四个偏振态之外，还具有另一种四偏振态，即0度偏振、90度偏振、左旋圆偏振以及右旋圆偏振，因此，当光束具有0度偏振、90度偏振、左旋圆偏振以及右旋圆偏振四种偏振态时，为了将此四种偏振态分离，需要使用与图2所示的偏振分束器不相同的偏振分束器。

请参阅图7，图7是本发明实施例所提供的偏振分束器的另一种结构示意图，该偏振分束器用于将具有0度偏振、90度偏振、左旋圆偏振以及右旋圆偏振四偏振态的光束分离成分别具有一种偏振态的四路光束。

图7所示的偏振分束器包括：偏振无关光分束棱镜400、偏振光分束棱镜401和偏振光分束棱镜402。其中：

偏振光分束棱镜401为0度与90度偏振光分束棱镜401，其与偏振无关光分束棱镜400的胶合方式与图2所示的偏振分束器中偏振光分束棱镜201与偏振无关光分束棱镜200的胶合方式相同，以分离0度偏振态和90度偏振态的光束。此外，本发明实施例提供的偏振分束器中偏振无关光分束棱镜400和偏振光分束棱镜401的结构分别与图2所示的偏振分束器中偏振无关光分束棱镜200和偏振光分束棱镜201的结构相同，包括一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，下光学玻璃棱镜与上光学玻璃棱镜胶合，对此本实施例不再加以详细阐述。

偏振光分束棱镜402为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜402，以分离左旋圆偏振态和右旋圆偏振态的光束。偏振光分束棱镜402包括：一个1/4波片403、一个上光学玻璃棱镜404和一个下光学玻璃棱镜405。其中：1/4波片403的光束入射面406与偏振无关光分束棱镜400的透射输出面407b按照0度夹角胶合，即如图7所示1/4波片403的快轴f平行于透射输出面407b的竖边，慢轴s平行于透射输出面407b的横边；或者快轴f平行于透射输出面407b的横边，慢轴s平行于透射输出面407b的竖边。1/4波片403的光束输出面408与线偏振分束棱镜的光束入射面409胶合，胶合角度为：1/4波片403的快轴与偏振分束棱镜的两个输出偏振光的振动方向成45度夹角。

偏振光分束棱镜402的结构示意图请参与图8，下光学玻璃棱镜405与上光学玻璃棱镜404胶合组成线偏振分束棱镜；1/4波片403的光束输出面408与线偏振分束棱镜的入射面409按照45度夹角胶合，即1/4波片403的快轴f和慢轴s各与线偏振分束棱镜的两个输出偏振光的振动方向成45度夹角，其中：两个输出偏振光的振动方向为图8中两个双线箭头的指示方向。下光学玻璃棱镜405与上光学玻璃棱镜404的结构分别与上一个实施例中所描述的下光学玻璃棱镜301与上光学玻璃棱镜300的结构相同，对此不再加以阐述。

含有0度偏振态、90度偏振态、左旋圆偏振态以及右旋圆偏振态四个偏振态光束时，光束经过偏振无关光分束棱镜400后被分为两路光束，一路透射光束入射到与偏振无关光分束棱镜400的透射输出面407b胶合的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜402，透射光束经过左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜402后，输出两路光束，且一路光束含有左旋圆偏振态，另一路光束含有右旋圆偏振态。另一路反射光束入射到与偏振无关光分束棱镜400的反射输出面407b按照0度胶合的0度与90度偏振光分束棱镜401，0度与90度偏振光分束棱镜401将入射光分成两路输出，其中一路为含有0度偏振态的光束，另一路为90度偏振态的光束。此偏振分束器可以实现将一路包含0度偏振、90度偏振、左旋圆偏振以及右旋圆偏振四个偏振态的光束分成四路光束，每路光束分别含有一种偏振态。

应用上述技术方案，偏振光分束棱镜与偏振无关光分束棱镜胶合成一个整体，结构紧凑，体积较小，解决了现有偏振分束器中各个器件分离装配所导致的体积较大的问题。同时由于本发明所提供的偏振分束器中器件胶合为一个整体，避免光束在传输过程中经过若干次空气与介质的界面，进而降低了反射损耗，减少了杂散光。此外，为了获取较好的分束效果，调整偏振分束器的位置和角度即可，而不需要逐一调整各个器件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种偏振分束器，其特征在于，包括：一个偏振无关光分束棱镜和两个偏振光分束棱镜，一个所述偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面胶合，另一个偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面胶合；

其中，所述偏振光分束棱镜为0度与90度偏振光分束棱镜，且一个所述0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面按照0度夹角胶合，另一个0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面按照45度夹角胶合；

或者，与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面胶合的偏振光分束棱镜为0度与90度偏振光分束棱镜，所述0度与90度偏振光分束棱镜的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的反射输出面按照0度夹角胶合；

与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面胶合的偏振光分束棱镜为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜。

2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述偏振无关光分束棱镜和所述0度与90度偏振光分束棱镜分别包括一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合。

3.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述偏振无关光分束棱镜和所述0度与90度偏振光分束棱镜分别包括一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合；

所述左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分束棱镜包括：一个1/4波片、一个上光学玻璃棱镜和一个下光学玻璃棱镜，所述下光学玻璃棱镜与所述上光学玻璃棱镜胶合组成线偏振分束棱镜，所述1/4波片的光束入射面与所述偏振无关光分束棱镜的透射输出面按照0度夹角胶合，光束输出面与所述线偏振分束棱镜的入射面胶合，且所述1/4波片的快轴与所述线偏振分束棱镜的偏振光振动方向成45度夹角。

4.根据权利要求2或3所述的偏振分束器，其特征在于，所述下光学玻璃棱镜为直角三角形下光学玻璃棱镜，所述上光学玻璃棱镜为平行四边形上光学玻璃棱镜，所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面与所述平行四边形上光学玻璃棱镜的一面胶合。

5.根据权利要求4所述的偏振分束器，其特征在于，所述直角三角形下光学玻璃棱镜为等腰直角三角形下光学玻璃棱镜。

6.根据权利要求4所述的偏振分束器，其特征在于，与所述斜面胶合的平行四边形上光学玻璃棱镜的一面的尺寸与所述斜面的尺寸相同。

7.根据权利要求4所述的偏振分束器，其特征在于，所述平行四边形上光学玻璃棱镜与所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面相胶合的一面或所述直角三角形下光学玻璃棱镜的斜面镀有膜。

8.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述偏振无关光分束棱镜镀有偏振无关分束膜；

所述偏振光分束棱镜镀有偏振分束膜。

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