CN105629485B - 一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器，该分束器由六块单轴晶体平板沿入射光传播方向依次拼接组成，前置两块厚度相等的平板由YVO4制作，光轴分别位于xz平面与yz平面，光轴均与z轴成90°夹角；中间两块平板厚度相等的平板由α‑BBO制成，光轴分别位于xz与yz轴平面，光轴均与xz轴正向、yz轴正向成45°夹角；最后两块厚度相等的平板由YVO4制成，光轴分别位于xz与yz平面，光轴均与xz轴正向(或负向)、yz轴正向(或负向)成45°夹角。探测波段处于0.4μm～1μm的可见、近红外谱段，中心波长位于0.7μm；三组平板的单板厚度分别为2.4mm、6.7mm和1.4mm，此时获取直条纹的视场角可以达到25°，同时光程差与剪切量的色散也得到了有效的抑制。

Description

一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器
【技术领域】
本发明属于晶体光学器件领域，涉及一种分束器，具体涉及一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器。
【背景技术】
目前，已报道的大多数基于双折射晶体的横向剪切分束器，一般都采用两块光轴分别位于xz平面、yz平面，且与xz轴正向、yz轴正向成45°夹角的单轴晶体平板粘贴组成，此种分束器在入射角较大的时候，会出现条纹弯曲，获取直条纹的视场被限制在很小的入射角之内，这会抑制系统的光通量；由于双折射晶体自身存在的色散，光程差在波数维会出现非均匀采样，使得光谱与干涉图之间不再满足傅里叶变换关系，通过傅里叶变换复原的光谱就会出现不同程度的失真，造成光谱畸变；并且横向剪切量也随波长变化，使获取的图像变得模糊。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器。该分束器采用两块由YVO4制作的厚度相等、光轴分别位于xz与yz平面且与均z轴垂直的晶体平板对(第一单轴晶体平板和第二单轴晶体平板)，与两块分别由α-BBO制作(第三单轴晶体平板和第四单轴晶体平板)和两块由YVO4制作(第五单轴晶体平板和第六单轴晶体平板)的Savart偏光镜粘贴组成。晶体平板对用于扩展获取直条纹的视场，两块Savart偏光镜用于抑制光程差与剪切量的色散效应。该分束器克服了传统双折射分束器视场小、图像模糊与光程差非均匀采样的缺点，可以在宽场(大入射角)情况下获得直干涉条纹，复原光谱精度高，且产生的剪切量与光程差不随波长变化。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器，包括沿入射光传播方向依次排列组成的第一单轴晶体平板、第二单轴晶体平板、第三单轴晶体平板、第四单轴晶体平板、第五单轴晶体平板以及第六单轴晶体平板；第一单轴晶体平板和第二单轴晶体平板由YVO4制成，厚度均为t1；第三单轴晶体平板、第四单轴晶体平板由α-BBO制成，厚度均为t2；第五单轴晶体平板和第六单轴晶体平板由YVO4制成，厚度均为t3；其中，t1、t2、t3同时满足如下两式：
式中no、ne分别为单轴晶体的主折射率，λmin为探测波段的起始波长，λ0为探测波段的中心波长，imax为获取直条纹的最大视场角。
以主光轴为z轴，构建满足右手定则的xyz直角坐标系，第一单轴晶体平板、第三单轴晶体平板、第五单轴晶体平板的光轴在xz平面内，第一单轴晶体平板光轴与x轴平行，第三单轴晶体平板与第五单轴晶体平板的光轴均与xz轴正向或负向成45°夹角；第二单轴晶体平板、第四单轴晶体平板、第六单轴晶体平板的光轴在yz平面内，第二单轴晶体平板的光轴平行于y轴，第四单轴晶体平板与第六单轴晶体平板的光轴均与yz轴正向或负向成45°夹角。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明涉及的分束器可作为干涉仪与干涉型成像光谱仪的分光器件，它将入射的一束光线分为两束，这两束光在通过本分束器后相遇发生干涉，产生干涉图。根据傅里叶变换光谱学原理，通过对干涉图做傅里叶变换即可获得目标的光谱信息；由于获取直干涉条纹的视场角有所增大，因此具有高通量的优点；光程差与剪切量的色散得到抑制，因此可以获得相对精确的复原光谱与高质量的目标图像。本发明宽场消色差的双折射分束器与相同尺寸的传统横向剪切的双折射分束器(Savart偏光镜)比较，获取直条纹的视场有明显的扩展，光程差与剪切量的色散同时得到了有效的抑制。本发明可以在入射角较大的时候获得直条纹，并且可以同时使得光程差与剪切量不随波长变化，基于其研制的成像光谱系统，可以在大视场条件下获得精确的复原光谱。
【附图说明】
图1为本发明的结构原理图；
图2为最大视场角随t1的变化曲线；
图3(a)为传统Savart偏光镜的视场干涉图；
图3(b)为本发明的视场干涉图；
图4为Δd随波长的变化曲线；
图5为本发明的光程差随波长与入射角的变化曲面。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明采用YVO4/α-BBO/YVO4的三明治结构，包括沿入射光传播方向依次排列组成的第一单轴晶体平板1、第二单轴晶体平板2、第三单轴晶体平板3、第四单轴晶体平板4、第五单轴晶体平板5以及第六单轴晶体平板6。第一单轴晶体平板1和第二单轴晶体平板2由YVO4制成，厚度均为t1；第三单轴晶体平板3、第四单轴晶体平板4由α-BBO制成，厚度均为t2；第五单轴晶体平板5和第六单轴晶体平板6由YVO4制成，厚度均为t3。构建xyz直角坐标系(满足右手定则)，设主光轴为z轴。第一单轴晶体平板1、第三单轴晶体平板3、第五单轴晶体平板5的光轴在xz平面内，第一单轴晶体平板1光轴与x轴平行，第三单轴晶体平板3与第五单轴晶体平板5的光轴均与xz轴正向(或负向)成45°夹角；第二单轴晶体平板2、第四单轴晶体平板4、第六单轴晶体平板6的光轴在yz平面内，第二单轴晶体平板2的光轴平行于y轴，第四单轴晶体平板4与第六单轴晶体平板6的光轴均与yz轴正向(或负向)成45°夹角。
本发明的原理：
本发明所涉及的分束器将入射的一束光线分为两束，这两束光之间的光程差为
Δt＝A(cosω+sinω)sini+B(cos2ω-sin2ω)sin2i (1)
其中，
剪切量为：
剪切量色散程度用下式描述：
上式中ω为第一单轴晶体平板1主截面与入射面的夹角，一般情况下取ω＝0°；i为入射角，no为单轴晶体的正常折射率，ne为单轴晶体的反常折射率，λ0为应用波段的中心波长。
由于α-BBO与YVO4属于异性晶体材料，与对波片消色差的原理类似，即当t1、t2满足如下关系时可以实现剪切量在中心波长附近消色差的效果：
获取直条纹的最大视场角可由准零程差条件确定：
上式中λmin为探测波段的起始波长。
可以得到：
imax为获取直条纹的最大视场角。
由以上分析可知，在t2、t3确定以后，最大视场角随t1的增加而增加，在最大视场角以内，光程差可以表示为：
因此，在假定了本发明使用的波段与中心波长处的剪切量时，可以通过式(2)和(4)式确定t2、t3，再通过(6)式选择t1的厚度来扩展视场。
假定使用波段为0.4μm～1μm(中心波长为0.7μm)，且中心波长处的剪切量为0.5mm，由(2)、(4)式可得第3、4晶体板厚度均为6.7mm，第5、6晶体板厚度均为1.4mm；由(6)式可以得到最大视场角随t1的变化曲线，如图2所示。可以看到，当t1＝2.4mm时，最大视场角达到了25°左右，此时本发明涉及的分束器(AWSP)总厚度约为20mm。
与具有相同尺寸的Savart(SP)偏光镜(由α-BBO制作，单板厚度为1cm，表面尺寸为30mm×30mm，最大孔径角为56°)比较：
由准零程差条件可以确定SP获取直条纹的最大视场角为1.45°。
图3为模拟的视场干涉图，α、β分别为视场角在xz平面与yz平面的投影。图3(a)对应SP，图3(b)对应AWSP。可以看到，AWSP获取直条纹的视场约为SP的17倍。
图4为Δd随波长的变化曲线。虚线代表SP，实线代表AWSP。可以看出，与SP相比，AWSP的Δd明显减小，这说明剪切量的色散得到了有效的抑制，可以获取更加清晰的目标图像。
图5为AWSP光程差随波长与入射角的变化曲面。可以看出，光程差随入射角线性变化，随波长几乎不变，这说明AWSP可以克服由色散引起的光程差非均匀采样。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽场、消色差横向剪切双折射分束器，其特征在于：包括沿入射光传播方向依次排列组成的第一单轴晶体平板(1)、第二单轴晶体平板(2)、第三单轴晶体平板(3)、第四单轴晶体平板(4)、第五单轴晶体平板(5)以及第六单轴晶体平板(6)；第一单轴晶体平板(1)和第二单轴晶体平板(2)由YVO4制成，厚度均为t1；第三单轴晶体平板(3)、第四单轴晶体平板(4)由α-BBO制成，厚度均为t2；第五单轴晶体平板(5)和第六单轴晶体平板(6)由YVO4制成，厚度均为t3；其中，t1、t2、t3同时满足如下两式：
式中no、ne分别为单轴晶体的主折射率，λmin为探测波段的起始波长，λ0为探测波段的中心波长，imax为获取直条纹的的最大视场角。
2.根据权利要求1所述的宽场、消色差横向剪切双折射分束器，其特征在于：以主光轴为z轴，构建满足右手定则的xyz直角坐标系，第一单轴晶体平板(1)、第三单轴晶体平板(3)、第五单轴晶体平板(5)的光轴在xz平面内，第一单轴晶体平板(1)光轴与x轴平行，第三单轴晶体平板(3)与第五单轴晶体平板(5)的光轴均与xz轴正向或负向成45°夹角；第二单轴晶体平板(2)、第四单轴晶体平板(4)、第六单轴晶体平板(6)的光轴在yz平面内，第二单轴晶体平板(2)的光轴平行于y轴，第四单轴晶体平板(4)与第六单轴晶体平板(6)的光轴均与yz轴正向或负向成45°夹角。
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