CN105700059B - 双波长光学相位延迟器 - Google Patents
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Abstract
一种双波长光学相位延迟器，它是使用单轴双折射晶体制作的平行平镜，且晶体的光轴与两个光学平面平行；在使用的单轴双折射晶体的光谱范围内，根据具体的应用需要，用单片双折射晶体片，制作出满足两个波长均为1/4或均为1/2或一个波长为1/4另一个波长为1/2相位延迟量的光学相位延迟器。给出了必须满足的单晶片厚度条件，以及以此为条件的设计步骤：1）确定设计的波长λ 1、λ 2和相位延迟量的分数值c 1、c 2；2）确定使用的双折射晶体，根据晶体的折射率色散公式得出双折射率Δn1和Δn2；3）当k 2取自然数1，2，3……时，通过数值计算，得到系列k 1的相应值；4）将与k 1接近的整数用k 10表示，当某一k 1值满足||≤0.005时，以此k 1值来确定单晶片厚度。
Description
技术领域
本发明属于偏振光学中的光学相位延迟器技术领域，涉及一种双波长光学相位延迟波器及设计方法。
背景技术
偏光技术在光纤通信、空间光通信、光学测量（包括椭圆偏振测量），以及激光加工等技术领域有着广泛的应用。偏光技术的基础是包括线偏振、圆偏振以及椭圆偏振的各类偏振光。
圆偏振光和椭圆偏振光是线偏振光通过光相位延迟器产生的。当1/4相位延迟器的快轴与入射线偏振光的振动方向呈45°角时，出射光是圆偏振光；当1/4相位延迟器的快轴与入射线偏振光的振动方向呈非45°角时，出射光为椭圆偏振光，且可以通过改变所呈角度调节椭圆偏振光的椭偏率。如果需要改变线偏振光的振动方向，那么就需要让线偏振光通过1/2相位延迟器，当1/2波片的快轴与入射线偏振光振动方向的夹角为θ时，出射线偏振光的振动方向旋转的角度为2θ。由此可见，1/2和1/4相位延迟器是光学仪器设计和光学测量技术领域中不可或缺的光学元件。
就目前光学相位延迟器的种类而言，主要有菲涅尔棱体型相位延迟器、液晶相位延迟器和双折射晶体波片。菲涅尔棱体型相位延迟器虽然具有较好的消色差性，但是由于体积较大，且1/4菲涅尔棱体型相位延迟器会产生大的光束平移，因此不利于调整和使用设备的小型化。液晶相位延迟器可以通过控制液晶两边电极的电压，改变其产生的相位延迟量，但适用的光谱范围较窄。
最常用的相位延迟器是用双折射晶体制作的1/2和1/4波片。由于晶体的双折率越大，对波片厚度制作精度的要求越高，所以目前制作波片常使用的晶体材料是云母、石英与氟化镁晶体，其中云母波片一般为零级片，而石英晶体与氟化镁晶体单晶片波片大都为多级片。单晶片1/2和1/4波片不具有消色差性，其相位延迟量均是针对一个特定设计波长，而不能用于其它波长。由两片或多片同种材料或不同材料组成的复合波片可以在一定光谱范围具有消色差性，但具有较小延迟偏差的消色差光谱范围有限，很难达到在任意两个波长点同时具有高精度的所需延迟量。
发明内容
针对现有双折射单晶片1/2和1/4波片只是针对一个特定设计波长，而不能用于其它波长的不足，本发明提供了一种单晶片对两个波长的相位延迟量均为1/2、均为1/4 和一个波长为1/2另一波长为1/4的光学相位延迟器。
一种双波长光学相位延迟器，它仅指单晶片；单晶片是使用单轴双折射晶体制作的平行平镜，且晶体的光轴与两个光学平面平行；为使单晶片满足任意两个波长需要的延迟量，单晶片的厚度d由以下两式确定：
（1）
（2）
式中λ 1和λ 2是任意两个波长，Δn1和Δn2是所用单轴双折射晶体在两波长对应的双折射率，k 1和k 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的整数部分（即的整数倍数），c 1和c 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的分数部分，即（8-m）/8，m取大于1～7的整数。
本发明的具体特点还有，确定单晶片光学相位延迟器的厚度包括如下步骤：
（1）确定设计的波长λ 1、λ 2和相位延迟量的分数值c 1、c 2；
（2)确定使用的双折射晶体，根据晶体的折射率色散公式得出双折射率Δn1和Δn2；
（3）将λ 1和λ 2、Δn1和Δn2、c 1和c 2代入
当k 2取自然数1，2，3……时，通过数值计算，得到系列k 1的相应值。
（4）将与k 1接近的整数用k 10表示，当某一k 1值满足|k 1-k 10|≤0.005时，将其代入
得到单晶片的厚度d值。得到的d值对c 2是准确的1/2（180°）或1/4（90°）相位延迟，而对c 1是延迟量偏差小于1.8°的1/2或1/4相位延迟。
实验验证：
设计参数：λ 1=650nm，λ 2=780nm，c 1=c 2=1/4；
晶体材料：石英晶体；
数值计算结果：k2=9时，k1=11.0061469，d=0.8091546mm；
制作的实际厚度：0.810mm；
实验测试结果：c 1=90.8° c 2=88.5°
以上实验结果说明：厚度0.809mm的石英晶体光学相位延迟器，对650nm和780nm都具有高精度的1/4相位延迟量。
在单晶片的制作中，小于0.3mm的厚度难于加工，而过大的厚度，温度对相位延迟量的影响会十分严重，因此较为合适的厚度为0.3～2.0mm。那么，在合适的单晶片厚度范围内没有十分接近整数的k1值时，采用以下修正步骤确定单晶片厚度。
（1）单晶片厚度的预选。其预选原则为：a、在合适的单晶片厚度范围内；b、对应的k 1接近整数的程度。
（2）根据单晶片厚度预选原则，选择k 1为λ 1处延迟量整数部分的预选值。将预选值k 1接近的整数用k 10表示，令
k 1 *=k 1-（k 1-k 10）/2
将得到的k 1 *代入（1）式确定d，即
则该厚度的单晶片光学相位延迟器对波长λ 1和波长λ 2均是相对理想延迟量有较小偏差的多级片，且两波长的延迟偏差接近。
双波长光学相位延迟器用于制作单晶片的材料选择石英晶体和MgF2晶体。
本发明的有益效果是：双波长光学相位延迟器是一个单晶片光学相位延迟器，可以满足两个波长的所需相位延迟量，且在所用晶体的透明光谱范围内，两个波长根据需要选取；单晶片光学相位延迟器对两个设计波长延迟量的分数部分可以是1/2和1/4，也可以是非1/2和1/4，如1/8、3/4等。以上效果是目前技术设计的单晶片光学相位延迟器所不能实现的。
附图说明
图1为双波长光学相位延迟器示意图。图中双箭头表示单轴双折射晶体的光轴，d为单晶片的厚度，λ 1和λ 2表示可使用的两个单色光的波长。
具体实施方式
为了更加清楚的说明双波长光学相位延迟器的设计方法与过程，下面以石英晶体和MgF2晶体为双折射材料给出几个设计实例。
实施例1：
如图1所示，一种双波长光学相位延迟器，它仅指单晶片；单晶片是使用单轴双折射晶体制作的平行平镜，且晶体的光轴与两个光学平面平行；为使单晶片满足任意两个波长需要的延迟量，单晶片的厚度d由以下两式确定：
式中λ 1和λ 2是任意两个波长，Δn1和Δn2是所用单轴双折射晶体在两波长对应的双折射率，k 1和k 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的整数部分，即的整数倍数，c 1和c 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的分数部分，即（8-m）/8，m取大于1～7的整数。用于制作单晶片的材料选择石英晶体和MgF2晶体。确定单晶片光学相位延迟器的厚度包括如下步骤：
（1）确定设计的波长λ 1、λ 2和相位延迟量的分数值c 1、c 2；
（2)确定使用的双折射晶体，根据晶体的折射率色散公式得出双折射率Δn1和Δn2；
（3）将λ 1和λ 2、Δn1和Δn2、c 1和c 2代入
当k 2取自然数1，2，3……时，通过数值计算，得到系列k 1的相应值。
（4）k 1接近的整数用k 10表示，当某一k 1值满足|k 1-k 10|≤0.005时，将其代入
得到单晶片的厚度d值。
在适合于制作的单晶片厚度范围内即：0.3mm≤d≤2.0mm，没有满足|k 1- k 10|≤0.005的k1值时，采用修正步骤确定单晶片厚度。
所述修正步骤确定单晶片厚度是指：
（1）单晶片厚度的预选；其预选原则为：a、在合适的单晶片厚度范围内；b、对应的k 1接近整数的程度；
（2）根据单晶片厚度预选原则，选择k 1为λ 1处延迟量整数部分的预选值；将预选值k 1接近的整数用k 10表示，令
k 1 *=k 1-（k 1-k 10）/2
将得到的k 1 *代入（1）式确定d，即
具体计算过程如下：
1）选择波长λ1=532nm，波长λ2=632.8nm，相位延迟量的分数值均为1/4，即c 1=c 2=1/4；
2）使用石英晶体单晶片，根据石英晶体中寻常光折射率no和非常光主折射率ne的色散方程
得到：
对于532nm，双折射率Δn1=0.009197225
对于632.8nm，双折射率Δn2=0.009063957
3）将相关数据（λ 1和λ 2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
4）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=22.98403为预选值；
5）由表中数据得k 10=23，k 1 *= 22.98403005-（22.98403005-23）/2=22.99201503。
将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.3444mm。
6）单晶片在532nm延迟量的分数部分为87.124°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为92.380°，属于1/4光学相位延迟器。
实施例2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值均为1/2，即c 1=c 2=1/2；
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=17.0009577为预选值；
4）将k 1代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.0123mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为180.237°，属于1/2光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为179.911°，属于1/2光学相位延迟器。
实施例3：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值c 1=1/4，c 2=1/2。
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=10.0091821为预选值；
4）计算得到k 1 *=10.00459105；将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=0.5932mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为91.89°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为178.83°，属于1/2光学相位延迟器。
实施例4：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值c 1=1/2，c 2=1/4。
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=36.01061864为预选值；
4）计算得到k 1 *=36.00525934，将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=2.111593222mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为181.89°，属于1/2光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为88.40°，属于1/4光学相位延迟器。
实施例5：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）波长λ1=532nm，波长λ2=1064nm；对于λ2=1064nm，双折射率=0.008755177；
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=35.99190154为预选值；
4）计算得到k 1 *=35.99595077，将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=2.0966mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为88.54°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在1064nm延迟量的分数部分为90.71°，属于1/4光学相位延迟器。
实施例6：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）波长λ1=532nm，波长λ2=1064nm，对于λ2=1064nm，双折射率=0.008755177；
2）两波长延迟量的分数值c 1=1/4，c 2=1/2；
3）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=5.002449494为预选值；
4）将k 1代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=0.3037mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为90.133°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在1064nm延迟量的分数部分为179.29°，属于1/2光学相位延迟器。
实施例7：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）使用的晶体材料是MgF2晶体。
2）根据MgF2晶体的色散方程(波长λ单位采用nm/10）
得到：
对于532nm，双折射率Δn1=0.011852082
对于632.8nm，双折射率Δn2=0.011763166
3）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
4）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1= 36.00355828为预选值；
5）将k 1代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.6272mm。
6）单晶片在532nm延迟量的分数部分为90.479°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在1550nm延迟量的分数部分为89.331°，属于1/4光学相位延迟器。
实施例8 ：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）使用的晶体材料是MgF2晶体，两波长延迟量的分数值c 1=1/2，c 2=1/4。
2)根据MgF2晶体的色散方程得到：
对于532nm，双折射率Δn1=0.011852082
对于632.8nm，双折射率Δn2=0.011763166
3）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
4）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=6.9904046为预选值；
5）计算得到k 1 *=6.995202302，将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=0.3364mm。
6）单晶片在532nm延迟量的分数部分为177.997°，属于1/2光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为91.211°，属于1/4光学相位延迟器。
实施例9：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）使用的晶体材料是MgF2晶体。波长λ1=1310nm，波长λ2=1550nm，且两波长延迟量的分数值c 1=1/4，c 2=1/2。
2)根据MgF2晶体的色散方程得到：
对于1310nm，双折射率Δn1=0.011567938
对于1064nm，双折射率Δn2=0.011544215
3）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
4）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=11.0135568为预选值；
5）计算得到k 1 *=11.0069784，将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.2748mm。
6）单晶片在1310nm延迟量的分数部分为92.558°，属于1/4光学相位延迟器；
单晶片在1550nm延迟量的分数部分为178.041°，属于1/2光学相位延迟器。
实施例10：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）使用的晶体材料是MgF2晶体。波长λ1=1310nm，波长λ2=1550nm，且两波长延迟量的分数值c 1=1/2，c 2=1/2。
2)根据MgF2晶体的色散方程得到：
对于1310nm，双折射率Δn1=0.011567938
对于1064nm，双折射率Δn2=0.011544215
3）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
4）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1= 6.021006571为预选值；
5）计算得到k 1 *=6.0105032855，将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=0.7373mm。
6）单晶片在1310nm延迟量的分数部分为183.858，属于1/2光学相位延迟器；
单晶片在1550nm延迟量的分数部分为176.876°，属于1/2光学相位延迟器。
实施例11：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值c 1=1/8，c 2=1/8。
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=28.99297272为预选值；
4）计算得到k 1 *=28.99648636；将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.6845mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为43.74°，属于1/8光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为46.05°，属于1/8光学相位延迟器。
实施例12：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值c 1=3/4，c 2=3/4。
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=11.01788535为预选值；
4）计算得到k 1 *=11.00894268；将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=0.0.6802mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为273.16°，属于3/4光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为267.29°，属于3/4光学相位延迟器。
实施例13：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
1）选择的两波长延迟量的分数值c 1=3/4，c 2=1/8。
2）将相关数据（λ1和λ2、Δn1和Δn2、c 1和c 2）代入公式（2），当k 2取自然数时，通过数值计算，得到的k 1接近整数值及通过公式（1）得到的对应单晶片厚度如下表所示：
3）根据单晶片厚度d 1值的预选原则，选k 1=31.98886052为预选值；
4）计算得到k 1 *=31.99443026；将k 1 *代入公式（1）得到单晶片厚度设计值d=1.8941mm。
5）单晶片在532nm延迟量的分数部分为268.28°，属于3/4光学相位延迟器；
单晶片在632.8nm延迟量的分数部分为46.66°，属于1/8光学相位延迟器。
Claims (4)
1.一种双波长光学相位延迟器，其特征是它仅指单晶片；单晶片是使用单轴双折射晶体制作的平行平镜，且晶体的光轴与两个光学平面平行；为使单晶片满足任意两个波长需要的延迟量，单晶片的厚度d由以下两式确定：
式中λ 1和λ 2是任意两个波长，Δn1和Δn2是所用单轴双折射晶体在两波长对应的双折射率，k 1和k 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的整数部分， c 1和c 2表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的分数部分，即（8-m）/8，m取1～7的整数；
确定单晶片光学相位延迟器的厚度包括如下步骤：
（1）确定设计的波长λ 1、λ 2和相位延迟量的分数值c 1、c 2；
（2)确定使用的双折射晶体，根据晶体的折射率色散公式得出双折射率Δn1和Δn2；
（3）将λ 1和λ 2、Δn1和Δn2、c 1和c 2代入
当k 2取自然数1，2，3……时，通过数值计算，得到系列k 1的相应值；
（4）将与k 1接近的整数用k 10表示，当某一k 1值满足|k1-k10|≤0.005时，将其代入得到单晶片的厚度d值；
在适合的单晶片厚度范围内即：0.3mm≤d≤2.0mm，没有满足|k1-k10|≤0.005的k1值时，采用修正步骤确定单晶片厚度；修正步骤为：
（1）k 1的预选，其预选原则为：a、在合适的单晶片厚度范围内；b、k 1接近整数的程度；
（2）根据k 1的预选择原则确定k 1；将预选值k 1接近的整数用k 10表示，令
k 1 *=k 1-（k 1-k 10）/2
将得到的k 1 *代入（1）式确定d，即。
2.根据权利要求1所述的双波长光学相位延迟器，其特征是：用于制作单晶片的材料选择石英晶体或MgF2晶体。
3.根据权利要求1所述的双波长光学相位延迟器，其特征是：在所用晶体的透明光谱范围内选取两个波长λ 1和λ 2。
4.根据权利要求1所述的双波长光学相位延迟器，其特征是：单晶片光学相位延迟器对两个设计波长延迟量的分数部分是1/2和1/4，或者单晶片光学相位延迟器对两个设计波长延迟量的分数部分是1/8和3/4。
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