CN105182457A - 保偏型角锥棱镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保偏型角锥棱镜，包括角锥棱镜和三个λ/4波片，λ/4波片按一定角度安装或光胶于角锥棱镜的通光面上，λ/4波片对入射光或出射光的偏振态进行调制，使其转化为线偏振光。本发明工艺简单，损伤阈值高，可应用于各种对角锥棱镜保偏特性有要求的领域。
Description
技术领域
本发明属于光学元件领域，具体涉及一种具有保偏特性的角锥棱镜。
背景技术
角锥棱镜是一种全反射棱镜，对于任意一条进入角锥通光孔径内的光线经角锥反射后可沿入射方向高效地反射回去。角锥棱镜因其特性被广泛应用于可见光、紫外线和红外波段的激光测距、红外跟踪等传感仪器，及望远镜、显微镜、水准仪、指纹仪、枪械瞄准镜、干涉仪等各类光学测量仪器。但现有的角锥棱镜具有退偏振特性，当光线经过角锥棱镜反射后其偏振态会发生较大改变，该特性会对那些利用光偏振特性的仪器设备造成较大的性能影响，由于角锥棱镜的退偏特性，有些仪器设备上甚至无法使用角锥棱镜。该特性在很大程度上限制了角锥棱镜的应用。
为了解决角锥棱镜的退偏振问题，目前主要有两种方法。一种方法是使线偏振光的偏振方向以一定角度入射至角锥棱镜，在特定的偏振角度下，出射光仍是线偏振光，文献“基于角锥棱镜谐振腔的理论研究”(西北大学学位论文，2012年)描述的该方法。该方法的优点是原理简单，使用普通的角锥棱镜按一定角度放置即可实现输出线偏振光；其缺点是输出光的偏振方向与输入光不同，角度偏离对偏振态影响大，调试难度大。由于该方法仅能保证输出光为线偏振光，而不能使偏振方向与入射光相同，所以该方法不是严格意义上的角锥棱镜保偏方法。另一种方法是在角锥棱镜全反面上镀全反射保偏膜，专利“消偏振角锥棱镜”(专利号92214420.6)描述了该方法。该方法的优点是可以较好的保持输入光的线偏特性，且输出光偏振方向与输入光相同；缺点是需要镀膜工艺保证，实现有一定的技术难度，反射损耗较大，损伤阈值低，不能用于高功率激光设备。
为了解决角锥棱镜的退偏振问题，本发明采用了一种全新的方法改进常规的角锥棱镜，使角锥棱镜可保持两个正交方向线偏振光的偏振态。该方法将λ/4波片以一定方向安装于角锥棱镜的通光面，对入射光或出射光进行偏振调制，使线偏振光经角锥棱镜反射后仍保持线偏振特性，且偏振方向与原偏振方向相同。这种保偏型角锥棱镜装调精度要求低，工艺简单，损伤阈值高，可应用于绝大多数角锥棱镜的应用领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中保偏角锥棱镜的工艺复杂、损伤阈值低、对角度敏感等缺陷，提供一种全新的保偏型角锥棱镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种保偏型角锥棱镜，包括角锥棱镜和三个λ/4波片，λ/4波片按一定角度安装或光胶于角锥棱镜的通光面上，λ/4波片对入射光或出射光的偏振态进行调制，使其转化为线偏振光。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，角锥棱镜的三条棱边在通光面的投影以及投影的延长线将通光面分为六个区域，三个λ/4波片按一定角度安装或光胶于六个区域中的三个区域。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，λ/4波片可旋转，当旋转至需要的角度时，通过光胶的方法或结构锁紧的方法将其固定在角锥棱镜的通光面上。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，所述角锥棱镜通光面分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；
从AOE进入的光将从DOB中出射，从BOF进入的光将从EOC中出射，从COD进入的光将从FOA中出射，从DOB进入的光将从AOE中出射，从EOC进入的光将从BOF中出射，从FOA进入的光将从COD中出射；
λ/4波片按一定角度安装或光胶于AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域中的三个区域中。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，第一个λ/4波片安装与AOE区域，其快轴与BA方向成θ角；第二个λ/4波片安装于COD区域，其快轴与AC方向成θ角；第三个λ/4波片安装于BOF区域，其快轴与CB方向成θ角。θ角由角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定，当折射率为1.515时，θ＝-11.88°。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，三个λ/4波片安装位置与权利要求5中的三个λ/4波片安装位置和角度等价。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，第一个λ/4波片安装于AOE区域，其快轴与BA方向成θ角；第二个λ/4波片安装于EOC区域，其快轴与FE方向成θ角；第三个λ/4波片安装于COD区域，其快轴与AC方向成θ角，θ角由角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定。当折射率为1.515时，θ＝-11.88°。
本发明所述的保偏型角锥棱镜中，三个λ/4波片安装位置与权利7要求的保偏型角锥棱镜中λ/4波片安装位置和角度等价。
本发明产生的有益效果是：本发明将三个λ/4波片按一定角度安装或光胶于角锥棱镜的通光面上，旋转所述角锥棱镜通光面上的λ/4波片至特定角度即可使光线经角锥棱镜折转后偏振方向不变。因此，所述角锥棱镜在绝大多数应用下都能具备无损耗保偏特性。同时，由于采用了波片作为偏振调制器件，所述角锥棱镜可以具有很高的损伤阈值，可用于强激光领域，且具有工艺要求低，成本低廉，适用性广等优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明所述角锥棱镜的结构示意图；
图2是本发明所述角锥棱镜的原理图；
图3是本发明所述角锥棱镜中波片的安装角度与消光比关系图；
图4是本发明所述角锥棱镜的第一个实施例示意图；
图5是本发明所述角锥棱镜的第二个实施例示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用了一种全新的结构改进常规的角锥棱镜，使角锥棱镜可保持两个正交方向线偏振光的偏振态。本发明将λ/4波片以一定方向安装于角锥棱镜的通光面，对入射光或出射光进行偏振调制，使线偏振光经角锥棱镜反射后仍保持线偏振特性，且偏振方向与原偏振方向相同。本发明的保偏型角锥棱镜装调精度要求低，工艺简单，损伤阈值高，可应用于绝大多数角锥棱镜的应用领域。
本发明具有保偏特性的角锥棱镜中，如图1所示，该保偏型角锥棱镜由普通角锥棱镜4和λ/4波片1、λ/4波片2、λ/4波片3组成，λ/4波片按一定角度安装或光胶于角锥棱镜的通光面上。波片可对入射光或出射光的偏振态进行调制，使其无损耗地转化为线偏振光。
三个λ/4波片均可旋转，当旋转至需要的角度时，通过光胶的方法或结构锁紧的方法将其固定在角锥棱镜的通光面上。
角锥棱镜的三条棱边在通光面的投影以及投影的延长线将通光面分为六个区域，三个λ/4波片按一定角度安装或光胶于六个区域中的三个区域。
如图2所示，角锥棱镜的通光面可分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，其中AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线。根据角锥棱镜的特性，从AOE进入的光将从DOB中出射，从BOF进入的光将从EOC中出射，从COD进入的光将从FOA中出射，同样，从DOB进入的光将从AOE中出射，从EOC进入的光将从BOF中出射，从FOA进入的光将从COD中出射。
以从DOB进入的线偏振光5为例可计算出出射光6的偏振态。设入射偏振光的偏振方向为x方向，入射光的琼斯矢量为：
当角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率为1.515时(如:BK7玻璃相对于波长为623.8nm的入射光的折射率为1.515)，由文献“Polarizationpropertiesofcorner-cuberetroreflectors:theoryandexperiment”(APPLIEDOPTICS,Vol.36,No.7,1997)中提供的数据知此时角锥棱镜的琼斯矩阵为：
若角锥棱镜的折射率为其他值，则该琼斯矩阵参数会有所不同，具体计算方法可参考文献“Polarizationpropertiesofcorner-cuberetroreflectors:theoryandexperiment”(APPLIEDOPTICS,Vol.36,No.7,1997)。入射光经过角锥棱镜后的出射光的琼斯矢量为：
由此可以得到线偏振入射光由角锥棱镜反射后变为椭圆偏振光，x方向与y方向的强度分量的比值(消光比)为11.43，原有的偏振态被破坏。该椭圆偏振光经过λ/4波片后的琼斯矢量为：
其中J2为λ/4波片1的琼斯矩阵，θ为λ/4波片的快轴7与y方向的夹角。因此出射光6在x方向与y方向的强度分量的比值为：
上式Ix/Iy与θ的关系见图3。从图中可以看到，当θ为-11.88°时，Ix/Iy有最大值761.50，远大于不经过波片时的11.43。此时输出光y方向偏振分量基本为0，可认为此时输出光6即为x方向的线偏振光。因此，将λ/4波片旋转至快轴7与y轴成-11.88°夹角即可使DOB区域的x方向线偏振光5的出射光6仍保持x轴方向的线偏振状态，使角锥棱镜具有了保偏特性。
通过类似以上分析还可得到如下结论：当从DOB进入的线偏振光5的偏振方向为y轴时，出射光6也为线偏光，偏振方向同为y轴。
根据光线可逆的特性可知：当x方向的线偏振光6为AOE区域内的入射光时，出射光在DOB区域内，且也为x方向的线偏振光。
根据角锥棱镜的对称性可知：将λ/4波片1放置于AOE区域(快轴与y轴成-11.88°)即可使AOE区域和DOB区域内的入射线偏振光(偏振方向平行于或垂直于OC)保持线偏振特性；将λ/4波片2放置于COD区域(快轴与y轴成48.12°)即可使COD区域和FOA区域内的入射线偏振光(偏振方向平行于或垂直于OB)保持线偏振特性；将λ/4波片3放置于BOF区域(快轴与y轴成-71.88°)即可使BOF区域和EOC区域内的入射线偏振光(偏振方向平行于或垂直于OA)保持线偏振特性。
经进一步的计算和实验表明，入射光的偏振方向并不需要严格平行于x轴或y轴。入射光的线偏振方向可为任意方向，只需将λ/4波片旋转至合适的角度即可保证出射光为线偏光，偏振方向与入射光相同。当入射光为任意方向线偏振光时，所述保偏型角锥棱镜最小理论消光比可达到约70:1，最大理论消光比接近无穷大，具体的消光比值取决于入射光的偏振方向。
实施例1：按图4所示制作一个保偏型角锥棱镜，该角锥棱镜由普通角锥棱镜4和λ/4波片1、λ/4波片2、λ/4波片3组成。
所述角锥棱镜的通光面分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，其中AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线。λ/4波片1安装于AOE区域，旋转λ/4波片至一定角度θ，即可使AOE区域和DOB区域内的入射线偏振光保持线偏振特性；λ/4波片2安装于COD区域，旋转λ/4波片至一定角度θ，即可使COD区域和FOA区域内的入射线偏振光保持线偏振特性；λ/4波片3安装于BOF区域，旋转λ/4波片至一定角度θ，即可使BOF区域和EOC区域内的入射线偏振光保持线偏振特性。
波片旋转角度θ由角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定，或通过测量出射光偏振态确定。当波片位置确定后可将波片光胶于角锥棱镜通光面4的相应位置或使用结构件固定于相应位置。
当折射率为1.515时，θ＝-11.88°如λ/4波片1安装与AOE区域，其快轴与BA方向成-11.88°；λ/4波片2安装于COD区域，其快轴与AC方向成-11.88°；λ/4波片3安装于BOF区域，其快轴与CB方向成-11.88°。
可以理解的是，还可以旋转三个玻片到通光面的其他位置，只要保证三个λ/4波片安装位置与本实施例1的三个λ/4波片安装位置和角度等价。
实施例2：按图5所示制作一个保偏型角锥棱镜，该角锥棱镜由普通角锥棱镜4和λ/4波片1、λ/4波片2、λ/4波片3组成。
所述角锥棱镜的通光面分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，其中AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线。λ/4波片1安装于AOE区域，旋转λ/4波片至一定角度，即可使AOE区域和DOB区域内的入射线偏振光保持线偏振特性；λ/4波片2安装于EOC区域，旋转λ/4波片至一定角度，即可使EOC区域和BOF区域内的入射线偏振光保持线偏振特性；λ/4波片3安装于COD区域，旋转λ/4波片至一定角度，即可使COD区域和FOA区域内的入射线偏振光保持线偏振特性。波片旋转角度由角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定，或通过测量出射光偏振态确定。当波片位置确定后可将波片光胶于角锥棱镜通光面4的相应位置或使用结构件固定于相应位置。
如λ/4波片1安装于AOE区域，其快轴与BA方向成-11.88°；λ/4波片2安装于EOC区域，其快轴与FE方向成-11.88°；λ/4波片3安装于COD区域，其快轴与AC方向成-11.88°。
可以理解的是，还可以旋转三个玻片到通光面的其他位置，只要保证三个λ/4波片安装位置与本实施例2的三个λ/4波片安装位置和角度等价。
综上所述，旋转所述角锥棱镜通光面上的λ/4波片至特定角度即可使光线经角锥棱镜折转后偏振方向不变。因此，所述角锥棱镜在绝大多数应用下都能具备无损耗保偏特性。同时，由于采用了波片作为偏振调制器件，所述角锥棱镜可以具有很高的损伤阈值，可用于强激光领域，且具有工艺要求低，成本低廉，适用性广等优点。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种保偏型角锥棱镜，其特征在于，包括角锥棱镜和三个λ/4波片，λ/4波片按一定角度安装或光胶于角锥棱镜的通光面上，λ/4波片对入射光或出射光的偏振态进行调制，使其转化为线偏振光。
2.根据权利要求1所述的保偏型角锥棱镜，其特征在于，角锥棱镜的三条棱边在通光面的投影以及投影的延长线将通光面分为六个区域，三个λ/4波片按一定角度安装或光胶于六个区域中的三个区域。
3.根据权利要求1所述的保偏型角锥棱镜，其特征在于，λ/4波片可旋转，当旋转至需要的角度时，通过光胶的方法或结构锁紧的方法将其固定在角锥棱镜的通光面上。
4.根据权利要求1所述的保偏型角锥棱镜，其特征在于，所述角锥棱镜通光面分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；
从AOE进入的光将从DOB中出射，从BOF进入的光将从EOC中出射，从COD进入的光将从FOA中出射，从DOB进入的光将从AOE中出射，从EOC进入的光将从BOF中出射，从FOA进入的光将从COD中出射；
λ/4波片按一定角度安装或光胶于AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域中的三个区域中。
5.根据权利要求4所述的保偏型角锥棱镜，其特征在于，第一个λ/4波片安装与AOE区域，其快轴与BA方向成θ角；第二个λ/4波片安装于COD区域，其快轴与AC方向成θ角；第三个λ/4波片安装于BOF区域，其快轴与CB方向成θ角，θ角的大小根据角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定。
6.根据权利要求5所述的保偏型角锥棱镜，其特征在于，三个λ/4波片安装位置与权利要求5中的三个λ/4波片安装位置和角度等价。
7.根据权利要求4的保偏型角锥棱镜，其特征在于，第一个λ/4波片安装于AOE区域，其快轴与BA方向成θ角；第二个λ/4波片安装于EOC区域，其快轴与FE方向成θ角；第三个λ/4波片安装于COD区域，其快轴与AC方向成θ角。θ的值由角锥棱镜的材料相对于入射光的折射率确定。
8.根据权利7要求的保偏型角锥棱镜，其特征在于：三个λ/4波片安装位置与权利7要求的保偏型角锥棱镜中λ/4波片安装位置和角度等价。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |