CN102156349A - 可调谐宽带相位自补偿延迟器 - Google Patents

Abstract

一种可调谐宽带相位自补偿延迟器，由两块薄膜型相位延迟片、两个三维光学调整架和旋转平台组成。两块薄膜相位延迟片置于三维光学调整架上通过调节步进电机按要求转动，入射光束分别在两块相位延迟膜片上反射，实现相位自补偿延迟和特定的宽带相位延迟。在宽波段内按要求调节步进电机转动，使得在两块膜片上以不同角度入射，获得稳定的所需相位延迟，可用于飞秒激光加工。本发明具有结构简单，容易制作，容易调节，通过步进电机的不同转角可以获得相位延迟补偿或产生特定宽带相位延迟。

Description

可调谐宽带相位自补偿延迟器

技术领域

本发明涉及相位延迟器，特别是一种可调谐宽带相位自补偿延迟器。

技术背景

相位是描述光束本征特征的一个重要参数，也是时间和空间的函数。在光的干涉中，相位差扮演着重要的角色，可以得到预想的干涉效果，在光的偏振研究中，相位差更加重要，在相互垂直振动方向上存在不同相位差，可以实现从圆偏振光到线偏振光的逐渐转变。在激光加工中，相位延迟器就显得至关重要，它决定了加工时的精度。因此，在涉及光干涉及偏振态改变的应用中，相位或相位差的控制和补偿就显得比较重要。基于波片和晶体相位延迟器的制作成本较高，只能在单一波长实现单一相位延迟，而且通光口径较小。

因此，薄膜相位延迟器的产生能够弥补这些不足，满足使用需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调谐宽带相位自补偿延迟器，该装置可在宽波段内改变入射光相位，从而改变入射光偏振态，能够保持相位延迟稳定，也可实现在一定范围内宽带相位延迟的改变。该装置应具有结构简单，精度高，适用于程序驱动控制和手动调节，以及多用途等特点，可实现自动化调节。

本发明的技术解决方案如下：

一种可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特点在于包括第一光学调整架、第二光学调整架、第一宽带相位延迟片、第二宽带相位延迟片和调节平台，所述的调节平台由第一步进电机、第二步进电机、固定底板和转动台组成，所述转动台固定在所述的固定底板上，所述的固定底板上设有主步进电机，所述的转动台由所述的主步进电机驱动，所述的第一宽带相位延迟片和第二宽带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分别通过所述的第一步进电机和第二步进电机垂直地固定在所述的转动台上。

所述的固定底板上还设有手轮，所述的转动台的周边刻有角度线，该固定底板与转动台接触的壁上刻有与所述的转动台的周边角度线相应的对准线。

所述的第一宽带相位延迟片和第二宽带相位延迟片是一种具有相同光学性能的金属介质组合膜，在宽波段内具有很高的反射率和稳定的相位延迟，相位延迟随光束的入射角线性变化。

所述的第一宽带相位延迟片和第二宽带相位延迟片的形状为长方形或圆形。

所述的第一宽带相位延迟片和第二宽带相位延迟片是金属与介质组合反射式宽带相位延迟膜。

所述的金属与介质组合反射式宽带相位延迟膜包括：

(Ⅰ)对于实现宽带-45°相位延迟膜片，其膜系为：M 0.7463A 0.9465(HL)^31.193(2H)^1 0.883(HL)^5 0.8287(HL)^2 0.7883(H2L)^1；

(Ⅱ)对于实现宽带-90°相位延迟膜片，其膜系为：M 0.8A 2.26H 0.953(HL)^40.844(HL)^3 0.807(H2L)^1，

其中：M为Ag膜，厚度为100nm，折射率为0.234-7.214i(1064nm)，H为四分之一控制波长厚度的Ta₂O₅，折射率为2.04(1064nm)，L为四分之一控制波长厚度的SiO₂，折射率为1.45(1064nm)，A为四分之一控制波长厚度的Al₂O₃，折射率为1.588(1064nm)，控制波长为1064nm。

本发明的基本原理是，光束以一定入射角入射到第一个相位延迟片上，反射到第二个相位延迟片上，从第二个相位延迟片上反射后，总的相位延迟量为两次反射相位延迟量的累加，总的反射率为两次反射率之积。根据相位延迟随着入射角发生线性变化，可以按要求调节两个相位延迟片的相对位置，实现相位自补偿延迟，使得总的反射相位延迟稳定。此外，保持两相位延迟片的相对位置不变，调节主步进电机驱动所述的转动台可以实现相位延迟在一定相位延迟范围内单调变化，从而实现宽波带的相位延迟。

本发明的技术成果：

1、本发明利用的光学薄膜为Ag膜和介质的组合膜，利用Ag的高反射率和稳定的相位延迟特性，采用较少膜层数的介质膜就可以实现所需的宽带相位延迟量。

2、本发明利用反射相位延迟随入射角度发生线性变化的关系，可以按要求调节两块相位延迟片的相对位置和转动台位置，实现相位自补偿延迟或一定范围内相位延迟单调变化。

3、本发明的核心元件为金属与介质组合高反射相位延迟膜，两次反射后，反射率依然很高，抗激光损伤阈值高，在飞秒激光加工中有广泛应用。

4、本发明中的转动台和光学调整架的角度分辨率决定了相位延迟控制精度，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。

5、本发明中的角度控制是通过三个步进电机控制的，可以手动控制也可以接入自动控制闭环中，实现自动化控制。

总之，本发明是一种简便又精确的相位自补偿延迟器。利用金属与介质组合宽带高反相位延迟膜作为核心膜片，按照一定要求调节两个相位延迟片的相对位置和转动台位置，从而产生稳定的相位延迟量，或者在一定相位延迟范围内实现相位延迟单调变化。该具有结构简单，精确度高，操作简便，多用途的特点。

附图说明

图1本发明中相位自补偿延迟器的结构图。

图2本发明的简化光路图。

图3本发明实例中相位延迟为315°的膜片的反射率和相位延迟特性图。

图4本发明实例中相位自补偿延迟为-90°的反射率和相位延迟特性图。

图5本发明实例中相位延迟为270°的膜片的反射率和相位延迟特性图。

图6本发明实例中相位自补偿延迟为180°的反射率和相位延迟特性图。

图7本发明实例中反射率和相位延迟随入射角度的变化关系曲线

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明可调谐相位自补偿延迟器的结构示意图，由图可见，本发明可调谐宽带相位自补偿延迟器，包括第一光学调整架1、第二光学调整架2、第一宽带相位延迟片4、第二宽带相位延迟片3和调节平台，所述的调节平台由第一步进电机5、第二步进电机6、固定底板7和转动台8组成，所述转动台8固定在所述的固定底板7上，所述的固定底板7上设有主步进电机10，所述的转动台8由主步进电机10驱动，所述的第一宽带相位延迟片4和第二宽带相位延迟片3分别贴设在所述的第一光学调整架1和第二光学调整架2的镜框内，所述的第一光学调整架1和第二光学调整架2分别通过所述的第一步进电机5和第二步进电机6垂直地固定在所述的转动台8上。

所述的固定底板7上还设有手轮9和主步进电机10，以驱动转动台8转动，所述的转动台8的周边刻有角度线，该固定底板7与转动台8接触的壁上刻有对准线，旋转台转动范围是360度。

所述的第一光学调整架1和第二光学调整架2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连接。所述的第一宽带相位延迟片4和第二宽带相位延迟片3是一种具有相同光学性能的金属介质组合膜，在宽带内具有很高的反射率，在宽带内实现恒定的相位延迟量，相位延迟量随光束的入射角呈线性变化。其简化光路请参阅图2，入射到第一相位延迟片4的入射角为α，经反射后，入射到第二相位延迟片3的入射角为β，入射到第一相位延迟片4上的光束为L1，经第一相位延迟片4反射后入射到第二相位延迟片3的光束为L2，从第二相位延迟片3出射的光束为L3。

下面首先以实现-90°的宽带相位延迟，将入射光由线偏光转变成圆偏光为例来说明。

实现-90°的宽带相位延迟，需要利用两块相同的相位延迟片。对于单个相位延迟片，请参阅图3，在入射角为45°，波段1000～1100nm内，图3(a)表示的是反射率大于98.4％，图3θ表示的是相位延迟为315°±0.5°。其膜系为：M 0.7463A0.9465(HL)^3 1.193(2H)^1 0.883(HL)^5 0.8287(HL)^2 0.7883(H2L)^1，其中M为Ag膜，厚度为100nm，折射率为0.234-7.214i(1064nm)，H为四分之一控制波长厚度的Ta₂O₅，折射率为2.04(1064nm)，L为四分之一控制波长厚度的SiO₂，折射率为1.45(1064nm)，A为四分之一控制波长厚度的Al₂O₃，折射率为1.588(1064nm)，控制波长为1064nm。对于单个相位延迟片，在入射角发生变化时，反射相位延迟发生线性单调变化。在理想情况下，入射角α＝β＝45°，通过第一步进电机和第二步进电机调节两块相位延迟片顺时针或逆时针同时转动，转动角度之比为1∶3。假设第一步进电机沿顺时针旋转i，第二步进电机转动3i，则两次入射角分别为α-i和β+i，L2相对于L1产生相位延迟为315°-θ，L3相对于L2产生相位延迟为315°+θ，入射光L1通过两次反射后，相位延迟叠加，由于两次附加产生的相位延迟抵消消，形成相位延迟互相补偿，则出射光L3相对于入射光L1产生相位延迟为630°，这就是相位自补偿原理，产生比较稳定的相位延迟-90°。请参阅图4，图4为经过不同角度调节后的光性曲线图，其中，图4(a)说明了入射光经过这个延迟器后的反射率＞96.8％，图4(b)为经过不同角度调节后的相位自补偿延迟曲线(图中为了方便作图对于补偿部分取的是补偿结果的一半为315°)，产生了比较稳定的宽带相位延迟-90°，入射光实现由线偏光转变成圆偏光。

同样道理，下面以实现180°的宽带相位延迟，将入射线偏光偏振面旋转90°为例来说明。

设计的产尘180°的宽带相位延迟，需要利用两块相同的相位延迟片。对于单块相位延迟片，请参阅图5，在入射角为45°，波段1000～1100nm内，图5(a)表示的是反射率大于98.8％，图5(b)表示的是宽带内相位延迟为270°±0.5°，其膜系为：M 0.8A 2.26H 0.953(HL)^4 0.844(HL)^3 0.807(H2L)^1，其中M为Ag膜，厚度为100nm，折射率为0.234-7.214i(1064nm)，H为四分之一控制波长厚度的Ta₂O₅，折射率为2.04(1064nm)，L为四分之一控制波长厚度的SiO₂，折射率为1.45(1064nm)，A为四分之一控制波长厚度的Al₂O₃，折射率为1.588(1064nm)，控制波长为1064nm。对于单个相位延迟片，在入射角发生变化时，反射相位延迟发生线性单调变化。在理想情况下，入射角α＝β＝45°，通过第一步进电机和第二步进电机调节两块相位延迟片顺时针或逆时针同时转动，转动角度之比为1∶3。假设第一步进电机沿顺时针旋转i(i＞0)，第二步进电机转动3i，则两次入射角分别为α-i和β+i，L2相对于L1产生相位延迟为270°-θ，L3相对于L2产生相位延迟为270°+θ，入射光L1通过两次反射后，相位延迟叠加，由于两次附加产生的相位延迟抵消，形成相位延迟互相补偿，则出射光L3相对于入射光L1产生相位延迟为540°，这就是相位自补偿原理，产生比较稳定的相位延迟180°.请参阅图6，图6为经过不同角度调节后的光性曲线图，其中，图6(a)说明了入射光经过这个延迟器后的反射率＞97.6％，图6(b)为经过不同角度调节后的相位自补偿延迟曲线(图中为了方便作图对于补偿部分取的是补偿结果的一半为270°)，产生了比较稳定的宽带相位延迟180°，实现了入射线偏光偏振面旋转90°。

另外，通过按照要求调节该装置，可以在一定相位延迟范围内实现相位延迟单调变化。以图5所示的相位延迟片来说明这一功能。假设在理想情况下，即入射角α＝β＝45°时，保持第一步进电机和第二步进电机的相对位置不变，调节主步进电机驱动转动台顺时针转动i，则两次入射角分别是α＝β＝45°-i，L2相对于L1产生相位延迟为270°-θ，L3相对于L2产生相位延迟为270°-θ，入射光L1通过两次反射后，产生的相位延迟叠加，L3相对于L2产生相位延迟为540°-2θ，这是由于调节主步进电机对相位延迟产生的变化。请参阅图7，图7为通过主步进电机调节后，经过不同角度入射后的光性曲线图，其中，图7(a)说明了入射光经过这个延迟器后的反射率＞97.2％，图7(b)为经过不同角度调节后的相位延迟曲线，表示了在入射角从43°到47°变化时，所得到的宽带相位延迟单调变化。

Claims (6)

1.一种可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于包括第一光学调整架(1)、第二光学调整架(2)、第一宽带相位延迟片(4)、第二宽带相位延迟片(3)和调节平台，所述的调节平台由第一步进电机(5)、第二步进电机(6)、固定底板(7)和转动台(8)组成，所述转动台(8)固定在所述的固定底板(7)上，所述的固定底板(7)上设有主步进电机(10)，所述的转动台(8)由主步进电机(10)驱动，所述的第一宽带相位延迟片(4)和第二宽带相位延迟片(3)分别贴设在所述的第一光学调整架(1)和第二光学调整架(2)的镜框内，所述的第一光学调整架(1)和第二光学调整架(2)分别通过所述的第一步进电机(5)和第二步进电机(6)垂直地固定在所述的转动台(8)上。

2.根据权利要求1所述的可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于，所述的固定底板(7)上还设有手轮(9)，所述的转动台(8)的周边刻有角度线，该固定底板(7)与转动台(8)接触的壁上刻有与所述的转动台(8)的周边角度线相应的对准线，所述的旋转台(8)的转动范围是360度。

3.根据权利要求1所述的可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于，所述的第一宽带相位延迟片(4)和第二宽带相位延迟片(3)是一种具有相同光学性能的金属介质组合膜，在宽波段内具有很高的反射率和稳定的相位延迟，相位延迟随光束的入射角线性变化。

4.根据权利要求3所述的可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于，所述的第一宽带相位延迟片(4)和第二宽带相位延迟片(3)的形状为长方形或圆形。

5.根据权利要求1所述的可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于，所述的第一宽带相位延迟片(4)和第二宽带相位延迟片(3)是金属与介质组合反射式宽带相位延迟膜。

6.根据权利要求5所述的可调谐宽带相位自补偿延迟器，其特征在于，所述的金属与介质组合反射式宽带相位延迟膜包括：

(Ⅰ)对于实现宽带-45°相位延迟膜片，其膜系为：M 0.7463A 0.9465(HL)^31.193(2H)^1 0.883(HL)^5 0.8287(HL)^2 0.7883(H2L)^1；

(Ⅱ)对于实现宽带-90°相位延迟膜片，其膜系为：M 0.8A 2.26H 0.953(HL)^40.844(HL)^3 0.807(H2L)^1，

其中：M为Ag膜，厚度为100nm，折射率为0.234-7.214i(1064nm)，H为四分之一控制波长厚度的Ta₂O₅，折射率为2.04(1064nm)，L为四分之一控制波长厚度的SiO₂，折射率为1.45(1064nm)，A为四分之一控制波长厚度的Al₂O₃，折射率为1.588(1064nm)，控制波长为1064nm。

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