CN103592774A - 产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜 - Google Patents

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王向朝
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Abstract

一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，由光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，两块直角三棱镜采用同一材料的单轴双折射晶体制作，一束入射到沃拉斯顿棱镜的光在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光和第二偏振光，两块直角三棱镜的切割角大于或等于第一偏振光的临界角，第一偏振光在第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜的光学接触界面发生全内反射，而第二偏振光则入射进入第二块直角三棱镜并从沃拉斯顿棱镜出射。与产生两束线偏振光的普通沃拉斯顿棱镜相比，可以有效地排除分束角较小时两束偏振光之间的干扰，可以为偏振光学系统设计提供相当大的便利，有利于结构尺寸的精简。

Description

产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜
技术领域
本发明涉及一种沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，特别涉及一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜。
背景技术
沃拉斯顿棱镜是一种重要的双折射型偏振器，它是利用晶体的双折射特性将一束入射光分开成两束振动方向相互垂直的线偏振光，它是由同一材料但光轴方向相互垂直的两块三棱镜制作而成。其原理是（参见《偏振光学》，廖延彪著，第190-191页，科学出版社，2003）：
如图1所示，正入射的平行光束在第一块棱镜内，垂直于光轴传播，o光和e光以不同的相速度向同一方向传播，进入第二块棱镜时，因光轴旋转了90度，第一块棱镜中的o光在第二块棱镜中变成e光，如果是负单轴晶体（ne<no），所以远离界面法线偏折，而第一块棱镜的e光，则变成o光，所以靠近法线偏折。这两束线偏振光在穿出棱镜时，再偏折一次，这样，它们便分开一个角度，称为光束分离角，此角度大小与棱镜的材料及切割角度有关，对于负晶体近似地为：
Figure BDA0000397093330000011
其中，
Figure BDA0000397093330000012
为光束分离角，θ为棱镜切割角，ne为e光折射率，no为o光折射率。沃拉斯顿棱镜材料采用方解石晶体时，光束分离角一般为10～40°，一般输出振动方向正交的两束线偏振光。
美国Lattice Electro Optics公司的代号为PCWO的产品是沃拉斯顿棱镜型偏振器（Wollaston Polarizers）（参见该公司网站http://www.latticeoptics.com/），由高品质的方解石晶体制作，如图2所示，光束分离角为17.5°±2.5°，输出振动方向正交的两束线偏振光。
如图3所示，美国Thorlabs公司的代号为WP10的沃拉斯顿棱镜产品（参见该公司网站http://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=917），由高品质的方解石晶体制作，输出两束正交的线偏振光。
国内的长春海洋光电有限公司和长春博盛量子科技有限公司也有沃拉斯顿棱镜产品（参见其公司网站），也是输出振动方向正交的两束线偏振光。
遗憾的是，沃拉斯顿棱镜作为起偏器和检偏器在一些具体应用中，希望仅使用一束线偏振光，如果分束角比较小，例如工作于深紫外波长193nm的用氟化镁晶体制作的沃拉斯顿棱镜分束角仅有约1～2度，这样势必增加系统的结构长度，不利于装置整体的系统设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，选用氟化镁晶体可以制作工作于深紫外波长193nm的沃拉斯顿棱镜型起偏器和检偏器，同样选用方解石晶体可以制作工作于可见光波长的沃拉斯顿棱镜型起偏器和检偏器，仅产生一束线偏振光。
本发明的目的是这样实现的：
一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，采用同一材料的单轴双折射晶体，并且光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触，一束入射到沃拉斯顿棱镜的光在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光和第二偏振光，所述的两块直角三棱镜的切割角大于或等于所述第一偏振光的临界角，所述的第一偏振光在第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜的光学接触界面发生全内反射，而第二偏振光则经过第二块直角三棱镜从所述沃拉斯顿棱镜出射。
一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，如果采用负单轴晶体制作，所述的第一偏振光为o光，第一偏振光的临界角根据
Figure BDA0000397093330000021
计算。
一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，如果采用正单轴晶体制作，所述的第一偏振光为e光，第一偏振光的临界角根据
Figure BDA0000397093330000022
计算。
本发明具有以下的优点和积极效果：
1、本发明的一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，与产生两束线偏振光的普通沃拉斯顿棱镜相比，可以有效地排除分束角较小时两束偏振光之间的干扰；
2、本发明的一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，可以为偏振光学系统设计提供相当大的便利，有利于结构尺寸的精简。
附图说明
图1为在先技术的普通沃拉斯顿棱镜的原理示意图；
图2为在先技术的美国Lattice Electro Optics公司沃拉斯顿棱镜示意图；
图3为在先技术的美国Thorlabs公司沃拉斯顿棱镜示意图；
图4为本发明的用方解石制作的沃拉斯顿棱镜在589nm波长下光束分离角和切割角的关系图；
图5为本发明的用MgF2晶体制作的沃拉斯顿棱镜在193nm波长下光束分离角和切割角的关系图；
图6为本发明的用方解石晶体制作的在589nm波长下切割角为64度的仅产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜图；
图7为本发明的用MgF2晶体制作的在193nm波长下切割角为82.5度的仅产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜图。
具体实施方式
以下将对本发明的做进一步的详细描述。
背景技术中公式<1>表示的是沃拉斯顿棱镜的光束分离角和切割角的关系，它是近似公式，当切割角增大时，误差将增大。
对于用负单轴晶体制作的沃拉斯顿棱镜，其光束分离角和切割角的准确解析关系式如<2>式所示：
Figure BDA0000397093330000031
其中，
Figure BDA0000397093330000032
为光束分离角，θ为棱镜切割角，ne为e光折射率，no为o光折射率。方解石（Calcite）化学成分为CaCO3，在589nm波长下的折射率为no=1.65835，ne=1.48640，根据<2>可以得到图4所示的光束分离角和切割角的关系。
对于用正单轴晶体制作的沃拉斯顿棱镜，其光束分离角和切割角的准确解析关系式如<3>式所示：
Figure BDA0000397093330000033
其中，
Figure BDA0000397093330000034
为光束分离角，θ为棱镜切割角，ne为e光折射率，no为o光折射率。氟化镁MgF2晶体为正单轴晶体，在193nm波长下的折射率为no=1.42767，ne=1.44127，根据<3>可以得到图5所示的光束分离角和切割角的关系。
一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，由光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，两块直角三棱镜采用同一材料的单轴双折射晶体制作，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触，一束入射到沃拉斯顿棱镜的光在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光和第二偏振光，两块直角三棱镜的切割角大于或等于所述第一偏振光的临界角，所述的第一偏振光在第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜的光学接触界面发生全内反射，而第二偏振光则入射进入第二块直角三棱镜并从所述沃拉斯顿棱镜出射。
以负单轴晶体制作的沃拉斯顿棱镜为例，如图1所示，在第一块直角三棱镜内所述的第一偏振光是o光，折射进入第二块直角三棱镜时变成e光，将远离界面法线偏折。这样，当切割角大于或等于o光的临界角时，将发生全内反射，不能进入第二块直角三棱镜，而第一块直角三棱镜内的e光，则变成o光，将靠近界面法线偏折，因此将得到唯一的一束线偏振光。图4和图5中的竖直的粗线表示临界角。这样，设计一种沃拉斯顿棱镜的切割角大于或等于临界角，就将得到唯一的一束线偏振光。
仍以方解石晶体在589nm波长下工作为例，根据下式计算临界角为63.7度，
Figure BDA0000397093330000041
其中，ne为e光折射率，no为o光折射率。设计切割角为大于63.7度，例如64度，如图6所示，从该沃拉斯顿棱镜的左表面入射一束光，将从右表面仅仅得到一束线偏振光，与右表面法线的夹角为17.3度。以方解石晶体制作的沃拉斯顿棱镜在其它波长下，可以按照同样的办法，计算临界角，设计大于或等于临界角的棱镜切割角，就可以得到仅仅一束线偏振光。
同理，对于正单轴晶体制作的沃拉斯顿棱镜，在第一块直角三棱镜内所述的第一偏振光是e光，折射进入第二块直角三棱镜时变成o光，将远离界面法线偏折。这样，当切割角大于或等于e光的临界角时，将发生全内反射，不能进入第二块直角三棱镜，而第一块直角三棱镜内的o光，则变成e光，将靠近界面法线偏折，因此将得到唯一的一束线偏振光。这样，设计一种沃拉斯顿棱镜的切割角大于或等于临界角，就将得到唯一的一束线偏振光。
仍以氟化镁MgF2晶体在193nm波长下工作为例，根据下式计算临界角为82.1度，
Figure BDA0000397093330000051
其中，ne为e光折射率，no为o光折射率。设计切割角为大于82.1度，例如82.5度，如图7所示，从该沃拉斯顿棱镜的左表面入射一束光，将从右表面得到仅仅一束线偏振光，与右表面法线的夹角为4.846度。以氟化镁MgF2晶体制作的沃拉斯顿棱镜在其它波长下，可以按照同样的办法，计算临界角，设计大于或等于临界角的棱镜切割角，就可以仅仅得到一束线偏振光。

Claims (3)

1.一种产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，采用同一材料的单轴双折射晶体并且光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触，一束入射到沃拉斯顿棱镜的光在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光和第二偏振光，其特征在于所述的两块直角三棱镜的切割角大于或等于所述第一偏振光的临界角，所述的第一偏振光在第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜的光学接触界面发生全内反射，而第二偏振光经第二块直角三棱镜从所述沃拉斯顿棱镜出射。
2.如权利要求1所述的产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，其特征在于所述的单轴晶体为负单轴晶体，所述的第一偏振光为o光，第一偏振光的临界角根据
Figure FDA0000397093320000011
计算。
3.如权利要求1所述的产生一束线偏振光的沃拉斯顿棱镜，其特征在于所述的单轴晶体为正单轴晶体，所述的第一偏振光为e光，第一偏振光的临界角根据
Figure FDA0000397093320000012
计算。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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