CN105607274A - 一种p-偏振光分束比可控的偏振分束器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种P-偏振光分束比(即能量强度比值)可控的偏振分束器及其工作方法，分束器包括立方体棱镜和四分之一波片，立方体棱镜由两块四面体棱镜构成，四分之一波片设置在所述四面体棱镜之间，所述四分之一波片通过光胶与所述四面体棱镜相贴合，所述四分之一波片与所述四面体棱镜之间的角度均为45°，四分之一波片连接有外控电压模块。本发明方法通过外控电压模块改变内嵌四分之一波片的折射率，实现偏振分光比的精确调节，从而实现控制两束出射光的分束比，最终获得满足一定需求的能量分光比可控的两束正交P-偏振的纯态偏振光束输出，可以应用在空间领域，尤其是能够应用在偏振干涉测量以及偏振成像系统中。

Description

一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器及其工作方法

技术领域

本发明涉及偏振光学控制和光波技术领域，具体的说，是涉及一种可以将一束P-偏振光分为两束相等的偏振光束的分束器及其工作方法，该器件能够应用于自由空间和光纤波导的光波器件。

背景技术

随着偏振理论的发展，偏振光探测技术已经被广泛应用在许多领域，如海洋遥感、通信技术、偏振成像等。偏振测量技术利用光电设备获取目标景物辐射的偏振态信息，与传统光电探测技术相比，不仅可获得目标光辐射的强度信息，还可以获得偏振度、偏振角、偏振椭率等参数信息，增加被探测目标的信息量。因而，偏振光在地质勘探、海面目标探测和分类、水面波纹测量、生物医学、空间探测等领域展现出广泛的应用前景。

使用偏振光进行光学探测，都离不开偏振分光器件，如偏振分光仪、光学隔离器/环形器、旋光仪等，他们在国防、科研、生产等领域应用很广。传统偏振分束器件多为薄膜干涉型和双折射晶体型。薄膜干涉型偏振分数器件基于薄膜内的干涉作用，偏振分束膜层数量多，并且需要将这些分束膜胶合在棱镜中；双折射晶体型偏振分束器件是利用晶体的双折射特性设计而成的，晶体种类及尺寸限制了这种器件的应用。而且，传统的偏振分束器件价格昂贵，工艺复杂，且体积大、重量重，不适合进行光的集成，无法满足未来光子期间的发展趋势。由于普通的棱镜分光器很难将一束光分成振幅相等的两束光，以及偏振分析器透过率、探测器响应的差异，造成系统响应非一致性和均匀性，导致解析偏振光存在偏差、解析精度降低等问题。

P-偏振光分束棱镜可以应用在迈克尔逊和马赫泽德干涉仪中。P-偏振光的使用可以简化透明板或薄膜厚度和折射率的干涉测量：当一个透明板或者薄膜被放置在两个干涉臂的其中一个臂上，并且旋转至布儒斯特角度，这样就可以同时满足平板的最小反射比和最大条纹可见度。

现有的实现分束比可控的分束器方案要么比较复杂，要么需要特殊制造光学元件才能够实现，并且不能实现对P-偏振光的分束。中国专利“连续可变分束比分束器”(专利号：95239630.0)利用半波片和福斯特棱镜只能得到偏振方向相互垂直的光，并且分束比需要进行实际测量才能得到。中国专利“一种分束比连续可调和任意偏振态输出的分束器”(申请号：201510445665.8)利用偏振片、半波片等分立器件进行分束器，不能够独立控制光的偏振态，元件较多，调节步骤复杂。中国专利“具有连续分束比的分束器”(申请号：201410355139.8)利用全息光栅来进行分束的装置比较复杂，实现起来比较困难。中国专利“电控可调偏振分光比的偏振分束器及其工作方法”(申请号：201510359578.0)利用电控液晶盒和偏振分光镜可以将入射光分为P-偏振光和S-偏振光，但过多地器件会引入损耗，并且不能够对P-偏振光或者S-偏振光进行分束。

鉴于目前国内尚不具备成熟的P-偏振光探测器的制造工艺，通常需要设计低损耗、全介质的分束器将一束入射P-偏振光束分解为反射P-偏振光束和透射P-偏振光束，这两束P-偏振光束在正交的方向上传播，并且可以控制两束出射光的强度。宽带分束器利用入射的P-偏振光(适用于干涉测量和全息成像)在界面发生反射和折射，这些现象由透明棱镜和波片造成。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种P-偏振光分束比(即能量强度比值)可控的偏振分束器及其工作方法，通过外控电压模块改变内嵌四分之一波片的折射率，实现偏振分光比的精确调节，从而实现控制两束出射光的分束比，最终获得满足一定需求的能量分光比可控的两束正交P-偏振的纯态偏振光束输出，可以应用在空间领域，尤其是能够应用在偏振干涉测量以及偏振成像系统中。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器,包括立方体棱镜和四分之一波片，所述立方体棱镜由两块四面体棱镜构成，所述四分之一波片设置在所述四面体棱镜之间，所述四分之一波片通过光胶与所述四面体棱镜相贴合，所述四分之一波片与所述四面体棱镜之间的角度均为45°，所述四分之一波片连接有外控电压模块。

所述四面体棱镜由折射率为1.20064的氟化锂棱镜构成。

所述四分之一波片由无机电光晶体KTP或有机电光DAST晶体构成。

一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器的工作方法，包括以下步骤：

(1)P-偏振光平行入射至立方体棱镜，嵌入在立方体棱镜内的四分之一波片将入射的P-偏振光分解为两束正交的P-偏振光束；

(2)通过外控电压模块对四分之一波片施加电压V，使得四分之一波片产生由电压V引起的折射率变化n(V)，得到四分之一波片在电压V下的折射率为n＝n₀+n(V),n₀为四分之一波片在施加电压V＝0时的折射率；

(3)重复步骤(2)，通过改变电压V的数值，改变四分之一波片的折射率，控制四分之一波片与四面体棱镜之间的折射率比值，实现对出射的两束正交的P-偏振光束的分束比调控。

步骤(3)中分束比的调控范围为0％-40％。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明分束器是将一种高折射率的四分之一波片内嵌在一个低折射率的立方体棱镜，四分之一波片可以将倾斜入射的P-偏振光分解为反射和折射的部分，传统薄膜和双折射晶体构成的分束器相比较，本发明分束器在体积和重量方面占有优势，同时结构简单紧凑，易于集成在光学系统中；

(2)本发明能够对入射的P-偏振光分成分束比可控的两束相互正交的P-偏振光，能够使正交的两束P-偏振光一束透射一束反射，从而可以产生两束完全分离的P-偏振光，并且使用过程中不改变系统光轴。

(3)本发明所涉及的分束器的制作工艺简单，能够实现大规模、低成本的生产，具有较大的市场价值。

附图说明

图1是对入射P-偏振光实现50％-50％分束的立方体分束器的具体实施例结构示意图。

图2是对入射P-偏振光分束比可控的分束器的具体实施例结构示意图。

附图标记：1-四面体棱镜2-四面体棱镜3-四分之一波片4-外控电压模块

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的基本思想是结合立方体棱镜和高折射率的四分之一波片3构成分束器，立方体棱镜由四面体棱镜1和四面体棱镜2构成，四分之一波片3和两块四面体棱镜以光胶方式紧密贴合，形成P-偏振光分束器。四分之一波片3连接外控电压模块4，该分束器对入射的P-偏振光实现分束比(能量比值)可控且稳定输出。内嵌四分之一波片3的折射率与四面体棱镜材料折射率的比值大小可以确定反射P-偏振光和透射P-偏振光的分束比(即反射光与透射光的能量强度比)。当该四分之一波片3与四面体棱镜材料折射率的比值在一定范围内变化时，反射P-偏振光和透射P-偏振光的分束比会发生变化。当四分之一波片3的折射率和四面体棱镜的折射率的比值为n＝3.337时，可以实现反射P-偏振光和透射P-偏振光的分束比为50％-50％。

实施例1：

如图1所示，P-偏振光与高折射率的四分之一波片3成45°入射到分束器，依次通过第一块四面体棱镜1、四分之一波片3分成透射光和反射光两束，其中透射光经过第二块四面体棱镜2出射，反射光经过第一块四面体棱镜1出射。

厚度为d，介电常数ε₁＝n₁ ²的四分之一波片3内嵌在介电常数为ε₀＝n₀ ²的四面体棱镜1和2中，P-偏振光以角入射时，他的复振幅反射系数为：

R_p(45°)＝(ε²-2ε+1)/(ε²+2ε-1)

在本实施例中，此处ε＝ε₁/ε₀是四分之一波片-四面体棱镜相对介电函数，为了获得50％的反射强度，我们可以得到：

此时，相关的四分之一波片3的折射率和棱镜1和2的折射率的比值为n＝3.337。在两个介质界面光反射的布儒斯特角远远高于入射P-偏振光入射角度

本实施例中所用的四分之一波片3由折射率为4.00615的锗(Ge)四分之一波片构成，四面体棱镜2、3均由折射率为1.20064的氟化锂棱镜构成，通过锗(Ge)四分之一波片内嵌在氟化锂(LiF)棱镜构成中红外光P-偏振光束分束器，内嵌的锗四分之一波片的厚度d＝528.7nm，也可以将锗四分之一波片的厚度设计为更高阶的厚度(例如3d≈1.6mm)。保证锗四分之一波片的厚度d和入射角度不变，在8-9um的波长范围内，实现P-偏振光强度反射率在50％±2％。

实施例2：

如图2所示，本实施案例提供了一种对入射P-偏振光分束比可控的分束器，实现对入射P-偏振光分解出正交的两束P-偏振纯态偏振光束，且两束P-偏振光的分束比(也即能量强度比)能够通过外控电压模块实现精确的连续可调。如图2所示，本发明所述的P-偏振光分束比可控的偏振分束器由四分之一波片3嵌在两块四面体棱镜1、2中，四分之一波片3与四面体棱镜1、2之间的夹角都为45°，本实施例中的四分之一波片3由折射率可调的电光材料构成，电光材料可以是无机电光晶体KTP或者有机电光DAST晶体。

一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器的工作方法，包括以下步骤：

(1)入射P-偏振光经过四面体棱镜1以45°角入射到四分之一波片3上，四分之一波片3将对入射的P-偏振光波分解出正交的两束P-偏振光束；

(2)步骤(1)中的两个正交的P-偏振光束的输出能量与四分之一波片3的折射率有关，通过外控电压模块4对四分之一波片3施加电压V，可以使得四分之一波片3产生一个由电压引起的折射率变化n(V)，则四分之一波片3的折射率为n＝n₀+n(V)，n₀为波片材料在外加电压V＝0时的折射率；

(3)重复步骤(2)，通过改变输入电压V的数值，可以改变四分之一波片3的折射率，从而控制四分之一波片3和四面体棱镜1、2的折射率的比值，就能够对两束出射P-偏振光的分束比进行调控，实现分束比0％-40％可调。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器,包括立方体棱镜和四分之一波片，其特征在于，所述立方体棱镜由两块四面体棱镜构成，所述四分之一波片设置在所述四面体棱镜之间，所述四分之一波片通过光胶与所述四面体棱镜相贴合，所述四分之一波片与所述四面体棱镜之间的角度均为45°，所述四分之一波片连接有外控电压模块。

2.根据权利要求1所述一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器，其特征在于，所述四面体棱镜由折射率为1.20064的氟化锂棱镜构成。

3.根据权利要求1所述一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器，其特征在于，所述四分之一波片由无机电光晶体KTP或有机电光DAST晶体构成。

4.根据权利要求1所述一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)P-偏振光平行入射至立方体棱镜，嵌入在立方体棱镜内的四分之一波片将入射的P-偏振光分解为两束正交的P-偏振光束；

(2)通过外控电压模块对四分之一波片施加电压V，使得四分之一波片产生由电压V引起的折射率变化n(V)，得到四分之一波片在电压V下的折射率为n＝n₀+n(V),n₀为四分之一波片在施加电压V＝0时的折射率；

(3)重复步骤(2)，通过改变电压V的数值，改变四分之一波片的折射率，控制四分之一波片与四面体棱镜之间的折射率比值，实现对出射的两束正交的P-偏振光束的分束比调控。

5.根据权利要求4所述一种P-偏振光分束比可控的偏振分束器的工作方法，其特征在于，步骤(3)中分束比的调控范围为0％-40％。