CN102981268A - 一种横向剪切量可调的双折射晶体分束器 - Google Patents

Abstract

一种横向剪切量可调的双折射晶体分束器，由两块相同的Wollaston棱镜及两棱镜间的空气间隔组成。其中第一Wollaston棱镜左楔板与第二Wollaston棱镜右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜右楔板与第二Wollaston棱镜左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜左楔板、第二Wollaston棱镜右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。棱镜间的间隔宽度可调。入射光由第一棱镜左楔板进入，经过第一棱镜、空气间隔、第二棱镜后分为两束与入射光传输方向平行，具有一定横向剪切量的正交线偏振光。该分束器的创新点在于，通过改变两块Wollaston棱镜间的空气间隔可以灵活的调节两束出射线偏振光的横向剪切量，且调节范围宽。

Description

一种横向剪切量可调的双折射晶体分束器

技术领域

本发明涉及一种双折射晶体分束器，特别涉及一种横向剪切量可调的双折射晶体分束器。

背景技术

双折射晶体分束器能将入射光分为两束振动方向互相垂直的线偏振光，与偏振薄膜分束器相比，具有工作波段宽、消光比高、光损伤阈值大等优点。按分开两束光的传播方向特点可将双折射晶体分束器分为角剪切型和横向剪切型两种，其中角剪切型分束器有Wollaston棱镜、Rochon棱镜等，横向剪切型分束器的典型代表有Savart板。由于横向剪切型分束器分束产生的两束线偏振光具有传播方向相同，且与入射平面光平行的特点，能够简化系统实现光路，因此在光通信、光信息处理、光学测量、成像光谱等领域有着十分广泛的用途[Li J,Zhu JP，Hou X.2011Opt.Commun.2841127.]。

遗憾的是，横向剪切型分束器结构一旦确定，其横向剪切量便不容易改变。为了满足不同任务的需求，往往需要购置多块不同参数的分束器，极大地提高了系统成本，不便于光路调节，也降低了系统稳定性与可靠性，这些问题在野外及航空航天遥感测量上表现得尤为突出。2007年，曾有人提出过旋转Savart偏光镜调节横向剪切量的方法，但该方法调节范围很窄，且旋转后会减小棱镜通光孔径[简小华,张淳民,孙尧,吴磊.2007光学学报，27643.]，不利于实际应用。

发明内容

为了解决这一问题，本发明提出了一种分束器结构简单紧凑，横向剪切量在宽范围内连续可调，且不会影响分束器通光孔径的横向剪切量可调的双折射晶体分束器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括两块相同的且间距可调的第一Wollaston棱镜WP₁、第二Wollaston棱镜WP₂和两棱镜间的空气间隔，其中第一Wollaston棱镜WP₁左楔板与第二Wollaston棱镜WP₂右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP₁右楔板与第二Wollaston棱镜WP₂左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP₁左楔板、第二Wollaston棱镜WP₂右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。

本发明入射光由WP₁左楔板进入，经过WP₁、空气间隔、WP₂后分为两束与入射光传输方向平行，具有一定横向剪切量的正交线偏振光。该分束器的创新点在于，通过改变两块Wollaston棱镜间的空气间隔可以灵活的调节两束出射线偏振光的横向剪切量，且调节范围宽。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括两块相同的第一Wollaston棱镜WP₁1、第二Wollaston棱镜WP₂3和两棱镜间的空气间隔2，其中第一Wollaston棱镜WP₁11左楔板与第二Wollaston棱镜WP₂32右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP₁12右楔板与第二Wollaston棱镜WP₂31左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP₁11左楔板、第二Wollaston棱镜WP₂32右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。。

其基本原理为：利用两块完全相同的Wollaston棱镜将目标光源横向剪切为两个无穷远处的虚光源，两个光源之间存在一定的横向剪切量，且在较宽范围内可调。

平行入射光经过第一Wollaston棱镜WP₁1后变为两束具有一定夹角、振动方向相互垂直的正交线偏振光，两束线偏振光经过空气间隔2进入第二Wollaston棱镜WP₂3，经过第二Wollaston棱镜WP₂3后，两束光变为具有一定横向剪切量，传播方向平行，振动方向相互垂直的线偏振光。通过调节空气间隔2的宽度，可以改变两束线偏振光横向剪切量的大小。

其中构成分束器的两块Wollaston棱镜WP₁、WP₂厚度为t，结构角为θ，棱镜间的空气间隔宽度为g。以下内容说明该新型分束器的分束原理。

考虑一束平行光垂直射入WP₁左楔板，根据偏振光学理论及光在单轴晶体中的传播规律，正入射光线在进入WP₁左楔板后会发生双折射，在传播方向上前后分开为o光和e光，并经过斜面进入WP₁右楔板。WP₁右楔板光轴与左楔板光轴互相垂直，进入右楔板后o光将变为e光，e光将变为o光，取其先后顺序，分别称之为oe光和eo光。由于单轴晶体中o、e光的折射率不同，在斜面上两束光将发生折射，并分开成一定夹角。分束器产生的横向剪切量d可以表示为：

$d=x_2-{x_2}^{\′}$

$=\frac{t\tan {\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{oe}}+g\tan {\mathrm{\φ}}_{2\mathrm{oe}}}{1-\tan \mathrm{\θ}\tan {\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{oe}}}+\frac{t\tan {\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{eo}}+g\tan {\mathrm{\φ}}_{2\mathrm{eo}}}{1+\tan \mathrm{\θ}\tan {\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{eo}}}---\left(1\right)$

其中

${\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{oe}}=\arcsin \left(\frac{n_o}{n_e}\sin \mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{eo}}=\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{n_e}{n_o}\sin \mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{oe}}=\arcsin \left(n_e\sin (\arcsin \left(\frac{n_o}{n_e}\sin \mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\θ})\right)---\left(4\right)$

${\mathrm{\φ}}_{2\mathrm{eo}}=\arcsin \left(n_o\sin (\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{n_e}{n_o}\sin \mathrm{\θ}\right))\right)---\left(5\right)$

从式(1)可以看出，该分束器产生的光束横向剪切量d只与WP₁、WP₂的厚度t，结构角θ，晶体双折射率和棱镜间距g有关，而与入射光的位置h无关。横向剪切量d随参数t、θ、g的增大而增大；改变空气间隔g能够更加有效地改变横向剪切量的大小。

需要区别是，英国学者Harvey和Fletcher-Holmes[Harvey AR,Fletcher-Holmes DW2004Opt.Express125368.]也曾提出过一种采用两块Wollaston棱镜的凝视型双折射干涉成像光谱仪，利用第一块Wollaston棱镜做分束器，第二块Wollaston棱镜上下运动实现类似Michelson动镜的功能，这与本发明中有本质的不同。

从物理意义上讲，WP₁的左楔板和WP₂的右楔板、WP₁的右楔板和WP₂的左楔板、棱镜间的空气间隔组成了三段平行平板的结构，因此无论入射光的入射角度和入射位置，出射的两束光线必然与入射光平行。其次，WP₁和WP₂的制作材料、结构尺寸完全相同，从而保证了两束光线具有一定横向剪切量的同时，其正入射光程差也为零（产生中心亮纹的必要条件）。最后，横向剪切量还可以通过改变空气间隔g的大小方便有效的调节。

该分束器可方便有效调节出射线偏振光束的横向剪切量，满足多任务需求的同时，有效降低系统成本，提高系统稳定性与可靠性，从而使仪器总体性能达到最优。其次，其分光、调节原理使其具有抗振能力强的优势，具有较好的航空航天及野外环境适应性。第三，分束器结构简单紧凑，设计、加工、调制方便，非常有利于在光通信、光信息处理、光学测量、成像光谱等领域的推广和应用。

Claims (1)

1.一种横向剪切量可调的双折射晶体分束器，其特征在于：包括两块相同的且间距可调的第一Wollaston棱镜WP₁（1）、第二Wollaston棱镜WP₂（3）和两棱镜间的空气间隔（2），其中第一Wollaston棱镜WP₁（11）左楔板与第二Wollaston棱镜WP₂（32）右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP₁（12）右楔板与第二Wollaston棱镜WP₂（31）左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP₁（11）左楔板、第二Wollaston棱镜WP₂（32）右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。