CN102866448B - 双棱镜四分之一波片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非晶体材料双棱镜四分之一波片，具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片利用P波和S波在全内反射时相位改变不同的原理，出射光束与入射光束同轴。本发明的同轴四分之一波片成本低，使用方便，不受波长影响，色差很小，且受温度影响小。

Description

双棱镜四分之一波片

技术领域

本发明涉及光学元件领域，尤其涉及一种双棱镜四分之一波片。

背景技术

四分之一波片（λ/4波片）是一种重要的基础光学元件，常作为偏光器件中的一个重要组成部分，其功能是实现光的偏振态的转换。随着经济和技术的发展，光的偏振特性越来越受到重视。但由于λ/4波片是一种较古老基础的光学元件，所以要实现革新具有相当的难度。

λ/4波片有多种，从材料上分类为晶体波片和非晶体波片两种，其中非晶体波片指的是玻璃波片。

晶体波片中，由于o光（寻常光）和e光（非寻常光）的折射率不一样，经过晶体后两种光会产生光程差，如图1所示，当光通过厚度为d的晶体，其光程差满足：|n_o-n_e|d=λ/4 时，该波片即为λ/4波片，其中n_o和n_e分别为o光和e光的折射率。

但由于n_o-n_e的值很大，导致d的值会很小，因此做出来的波片很薄，强度差。所以，一般通过|n_o-n_e|d=λ/4+nλ，做多级λ/4波片来解决。而通常情况下n_o-n_e同温度和波长有关，多级λ/4波片在温度变化时光程差λ/4+nλ的变化很大，波片性能受到影响。波长同时变化时其变化就更明显。

因此，目前常用的零级λ/4波片如图2所示，是由两个晶体复合而成。当光线进入第一个晶体后如果是o光，那么进入第二个晶体则变成e光；相反，第一个晶体中的e光进入第二个晶体后则变成o光。如果复合晶体的厚度满足：|(n_o-n_e)(d₁-d₂)|=λ/4，则成为零级λ/4波片。晶体波片的好处是入射光线和出射光线同轴，使用起来方便；但是，晶体的n_o-n_e受到波长影响较大，不适用于宽谱光入射的情形。

使用玻璃材料设计波片时，运用的是全内反射时的位相改变特性：

光在发生反射时，电矢量与入射面平行的分量为p分量，与入射面垂直的分量为s分量。和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变，n₁和n₂分别是玻璃和外面介质的折射率，θ为入射角。当入射角合适时，可以使得为某一特定的位相值，并可因此设计满足要求的波片。如图3所示，入射光进入玻璃棱镜后发生两次全内反射后出射，且满足：，则该玻璃棱镜可作为λ/4波片使用。

玻璃材料设计的λ/4波片对光波长不敏感，适用于宽谱光入射的情形。但是，这种波片的出射光和入射光虽然平行，却不同轴，因此使用调节时极其不方便。

总的来说，现有技术中，晶体波片受到波长影响，存在色差，且成本昂贵，但其出射光与入射光同轴，使用方便，适用于单波长光；而玻璃波片不受波长影响，色差很小，且成本便宜，但其出射光与入射光平行但不同轴，使用不方便，较适用于多波长光或连续波长光。两者都存在一定的优缺点，不能实现将两者优点的统一。

发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种低成本、使用方便、色差很小、受温度影响小的双棱镜四分之一波片。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双棱镜四分之一波片，具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片的出射光束与入射光束同轴。

优选地，非晶体材料的外面介质为空气，

非晶体材料的相对折射率为n_a，n_a＞n₀，其中n₀是只有一个零点时n₁/n₂的值，

所述全对称双棱镜结构的入射角为相对折射率为n_a时，的点对应的θ，

其中，，，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率。

优选地，非晶体材料的外面介质为折射率匹配液，

非晶体材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_c，n_c=n₀或n_c≈n₀，其中n₀是只有一个零点时的值；

所述全对称双棱镜结构的入射角为相对折射率为n_c时，的点对应的θ，

其中，，，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率。

优选地， 非晶体材料的外面介质为折射率匹配液；

非晶体材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_b，n_b略大于n₀，其中n₀是只有一个零点时的值；

所述全对称双棱镜结构的入射角为n= n_b时按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为，取：

,  对应两个入射角θ₁和θ₂，取入射角θ=(θ₁+θ₂)/2，

其中，，，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率。

优选地，n₀为1.2185。

n_b优选不大于1.23。

优选地，非晶体材料的外面介质为空气；

非晶体材料的相对折射率为n_b′，n_b′略大于n₀′，其中n₀′是只有一个零点时的值，

所述全对称双棱镜结构的入射角为n= n_b′时按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为，取：

,  对应两个入射角θ₁和θ₂，取入射角θ=(θ₁+θ₂)/2,

其中，，，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率。

优选地，n₀为1.87853。

所述四分之一波片可以是以下任一种参数配置：

（1）所述全对称双棱镜结构为K9玻璃材料，折射率n=1.51509，入射角θ=42.16°，玻璃材料的外面介质为空气；

（2）所述全对称双棱镜结构为ZF6玻璃材料，折射率率n=1.74968，入射角θ=63.79°，玻璃材料的外面介质为折射率匹配液，折射率n=1.436；

（3）所述全对称双棱镜结构为H-ZF72玻璃材料，折射率n=1.91327，入射角θ=63.7°，玻璃材料的外面介质为折射率匹配液，折射率n=1.568；

（4）所述全对称双棱镜结构为H-ZlaF68玻璃材料，折射率n=1.87853，入射角θ=42.12°，玻璃材料的外面介质为空气。

本发明有益的技术效果在于：

本发明的四分之一波片（λ/4波片）包含由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片利用了P波和S波在全内反射时相位改变不同的原理，通过波片结构的创新设计，以简单的双棱镜结构实现出射光束与入射光束同轴，为调节和使用带来方便，且本发明提供的四分之一波片适用范围广泛，在保证出射光与入射光同轴的同时对光波长不敏感，色差小，受温度影响小，且在造价上比晶体波片便宜，因此更具有竞争力。本发明不但可以提供对光波长不敏感的四分之一波片，还可提供对入射角不敏感或适用于广角入射的四分之一波片。

附图说明

图1为晶体波片的结构示意图；

图2为零级λ/4波片的结构示意图；

图3为现有的玻璃材料λ/4波片结构示意图；

图4为对不同的相对折射率n，以入射角θ为自变量而为因变量的曲线图；

图5为本发明实例1的λ/4波片的结构示意图；

图6为本发明实例1的色差曲线图；

图7为本发明实例2的λ/4波片的结构示意图；

图8为本发明实例4的λ/4波片的结构示意图。

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

参见图5、图7和图8，双棱镜四分之一波片包括光入射面和光出射面，所述四分之一波片包括非晶体材料的全对称双棱镜结构。非晶体材料例如是玻璃。双棱镜结构由两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合（例如胶合在一起）组成，其出射光束与入射光束同轴。

四分之一波片中入射光经两个八分之一棱镜四次反射，使出射光与入射光同轴。全对称双棱镜结构简单，且可以消除一些制作中的误差，使制造变得简单容易。全对称双棱镜结构的两个棱镜优选是同一盘制作的，这样的两个棱镜相似性好。优选在胶合时对胶合面保持制作上的对称性。

对于由以上全对称双棱镜结构实现的四分之一波片，具体来说，定义如下参数：

, 以及， 其中，

,

,

和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变。和是相对折射率n（全内反射玻璃折射率n₁和外面介质折射率n₁的比值，n=n₁/n₂）和入射角θ的函数。

对不同的相对折射率n，以θ为自变量为因变量作图，如图4所示。

在一个实施例里，一种四分之一波片采用如下配置：

玻璃材料的外面介质为空气；

玻璃材料的相对折射率为n_a，n_a＞n₀，其中n₀是只有一个零点时的值，n₀优选为1.2185；

四分之一波片的入射角为n=n_a且的点对应的θ。

由于n=n_a＞n₀时有两个零点（参见图4中相对折射率为n_a的曲线），分别对应较小的入射角θ₁和较大的入射角θ₂。四分之一波片的入射角可以取小入射角θ₁或大入射角θ₂。优选地，四分之一波片的入射角采用较小的入射角θ₁。对相同的入射光束，选θ₁，则棱镜的长度L小，棱镜的体积相对较小，使用方便。选θ₂则棱镜的长度L大，体积大。

以上为一种高性能无色差、同轴普通四分之一波片。

在另一个实施例里，一种四分之一波片采用如下配置：

玻璃材料的外面介质为折射率匹配液；

玻璃材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_c，n_c=n₀或n_c≈n₀，其中n₀是只有一个零点时的值，n₀优选为1.2185；

四分之一波片的入射角为n=n_c且的点对应的θ。

当相对折射率n_c=n₀或n_c≈n₀时，只有一个零点(参见图4中相对折射率为n_c的曲线)。在此零点处，因此四分之一波片具有对入射角不灵敏的优点，为制作和使用带来方便。

此时相对折射率n_c=n₀或n_c≈n₀，是固定的，对不同折射率的玻璃可选用不同的折射率匹配液来满足匹配条件。

此种四分之一波片是第一种四分之一波片的改进，为一种对入射角不灵敏、高性能无色差、同轴四分之一波片。

在又一个实施例里，一种四分之一波片采用如下配置：

玻璃材料的外面介质为折射率匹配液；

玻璃材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_b，n_b略大于n₀，其中n₀是只有一个零点时的值，n₀优选为1.2185；

四分之一波片的入射角为n=n_b时（对应于图4中相对折射率为n_b的曲线）按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为，取：

,

,   对应两个入射角θ₁和θ₂，四分之一波片取入射角θ=(θ₁+θ₂)/2。

此种四分之一波片是第一种四分之一波片的改进，是一种广入射角、高性能无色差、同轴四分之一波片，适用于空间相干性不好的情况，应用时光束应是收敛的。

在另一个实施例里，一种四分之一波片采用如下配置：

玻璃材料的外面介质为空气；

玻璃材料的相对折射率为n_b′，n_b′略大于n₀′，其中n₀′是只有一个零点时的值，玻璃材料的折射率优选为1.87853；

四分之一波片的入射角为n= n_b′时（对应的曲线与图4中相对折射率为n_b的曲线接近）按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为，取：

,

,    对应两个入射角θ₁和θ₂，四分之一波片取入射角θ=(θ₁+θ₂)/2。

此种四分之一波片也是第一种四分之一波片的改进，是一种利用空气作为介质的、广入射角、高性能无色差、同轴四分之一波片，适用于空间相干性不好的情况，应用时光束应是收敛的。此种四分之一波片与上一种四分之一波片一样在较大的入射角范围内都能使用，差别仅是圆偏振光入射时，出射线偏振光方向相差90°。

实例1

高性能无色差、同轴普通四分之一波片设计

相关参数：

玻璃材料：K9，n=1.51509（以λ=632.8nm的红光为例）；

入射角：θ=42.16°。

实例2

入射角不灵敏、高性能无色差、同轴四分之一波片设计

相关参数：

玻璃材料：ZF6，n=1.74968（以λ=632.8nm的红光为例）；

入射角：θ=63.79°；

折射率匹配液：n=1.436。

实例3

广入射角、高性能无色差、同轴四分之一波片设计

相关参数：

玻璃材料：H-ZF72，n=1.91327（以λ=632.8nm的红光为例）；

入射角：θ=63.7°；

折射率匹配油：n=1.568。

入射角与相位差关系：

实例4

特殊的广入射角、高性能无色差、同轴四分之一波片设计

相关参数：

玻璃材料：H-ZlaF68，n=1.87853（以λ=632.8nm的红光为例）；

入射角：θ=42.12°；

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双棱镜四分之一波片，其特征在于,具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片的出射光束与入射光束同轴，所述非晶体材料为玻璃，非晶体材料的外面介质为空气，

非晶体材料的相对折射率为n_a，n_a>n₀，其中n₀是只有一个零点时n₁/n₂的值，是相对折射率和入射角θ的函数，

所述全对称双棱镜结构的入射角为相对折射率为n_a时，的点对应的θ，

其中，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率，和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变。

2.如权利要求1所述的双棱镜四分之一波片，其特征在于,n₀为1.2185。

3.一种双棱镜四分之一波片，其特征在于,具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片的出射光束与入射光束同轴，所述非晶体材料为玻璃，非晶体材料的外面介质为折射率匹配液，

非晶体材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_c，n_c＝n₀或n_c≈n₀，其中n₀是只有一个零点时的值，是相对折射率和入射角θ的函数；

所述全对称双棱镜结构的入射角为相对折射率为n_c时，的点对应的θ，

其中，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率，和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变。

4.如权利要求3所述的双棱镜四分之一波片，其特征在于,n₀为1.2185。

5.一种双棱镜四分之一波片，其特征在于,具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片的出射光束与入射光束同轴，所述非晶体材料为玻璃，非晶体材料的外面介质为折射率匹配液；

非晶体材料由折射率匹配液调节后的相对折射率为n_b，n_b略大于n₀，其中n₀是只有一个零点时的值，是相对折射率和入射角θ的函数；

所述全对称双棱镜结构的入射角为n＝n_b时按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为取：

对应两个入射角θ₁和θ₂，取入射角θ＝(θ₁+θ₂)/2，

其中，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率，和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变。

6.如权利要求5所述的双棱镜四分之一波片，其特征在于,n₀为1.2185，而n_b不大于1.23。

7.一种双棱镜四分之一波片，其特征在于,具有由非晶体材料的两个八分之一棱镜或两个八分之三棱镜全对称结合组成的双棱镜结构，所述四分之一波片的出射光束与入射光束同轴，所述非晶体材料为玻璃，非晶体材料的外面介质为空气；

非晶体材料的相对折射率为n_b'，n_b'略大于n₀'，其中n₀'是只有一个零点时的值，是相对折射率和入射角θ的函数，

所述全对称双棱镜结构的入射角为n＝n_b'时按照如下方式确定的θ：

四分之一波片允许误差为取：

对应两个入射角θ₁和θ₂，取入射角θ＝(θ₁+θ₂)/2,

其中，n₁为全内反射非晶体折射率，n₂为外面介质折射率，和分别表示p分量和s分量在发生全反射时的位相跃变。

8.如权利要求7所述的双棱镜四分之一波片，其特征在于,非晶体材料的折射率为1.87853。