CN105842846A - 一种新型偏振不相关反射光去耦合系统 - Google Patents

一种新型偏振不相关反射光去耦合系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型偏振不相关反射光去耦合系统。所述新型偏振不相关反射光去耦合系统，利用晶体双折射横向走离现象和1/4波片的位相延迟效应，使反射光相对于入射光的偏振态发生90度旋转，然后利用横向走离元件中o光和e光相对横向走离现象(可以是位移和/或角度)，使反射光偏离入射光路，从而实现反射光去耦合的效果。入射o光、e光均能实现上述去耦合效果。

Description

一种新型偏振不相关反射光去耦合系统
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及光通讯领域的一种新型偏振不相关反射光去耦合系统。
背景技术
在光学产品设计中经常会遇到反射光干扰入射光学系统，导致整个光学系统性能下降或无法工作，因此在很多的光学产品设计中需要采取措施来降低或克服反射光耦合到入射光学系统中，以达到稳定的性能及功能。常用的降低反射光影响的方法有如下几种，
(1)在反射界面镀增透膜(AR)，以减少反射光的总量。此方法用高低折射率间隔的介质材料层叠，以达到减少反射的目的，此方法成本低，但是有两个缺点，一是：反射光偏振态和入射光相同，反射光仍然会影响入射端的稳定工作；二是：由于镀膜技术的限制，反射率最高只能做到-20～30dB，达不到一些行业更高的要求。
(2)采用法拉第旋光效应和偏振片组合的光学隔离器设计。此设计利用偏振片的偏振选择特性，只能允许和其选择方向相同的入射线偏振光通过；然后进入法拉第旋光晶体后，入射光偏振方向旋转45度；入射光照射到反射界面后返回，在法拉第旋光晶体中偏振方向再次沿相同方向旋转45度，此时与入射光的偏振方向和偏振片的选择方向成90度垂直状态，不能通过偏振片，从而达到隔离反射光的效果。此方法的隔离度可以达到-40dB，满足大多数应用需求。但是此两种材料被国外2家公司垄断，价格极其昂贵，市场供应能力也有限。
发明内容
本发明提供了一种新型偏振不相关反射光去耦合系统的设计方法。
本发明提供如下技术方案：
一种新型偏振不相关反射光去耦合系统。其中，所述系统：
(1)材料构成包括一个双折射晶体横向走离元件和一个1/4波长位相延迟元件。
(2)横向走离元件的光轴和1/4波长位相延迟元件的光轴在入射表面的投影目标角度为45°或135°。
(3)入射光可以为任意偏振态，横向走离元件会将其分解成o光和e光模式的线偏振光。
为实现反射光去耦合的设计目的，本发明可以使用双折射晶体作为光路的横向走离元件，任意偏振态的入射光在晶体中可以分解为o光和e光模式传播。由于光轴和入射表面法线存在夹角θ，夹角θ在-90°～+90°之间调整时，会增大或减小e光和o光之间在晶体内的相对分开角度，进而改变e光和o光之间出射晶体后的相对横向走离量(根据走离元件形状设计不同，可以是位移和/或角度)。
本发明可以使用1/4波片作为位相延迟元件，1/4波片的光轴与横向走离元件的光轴在入射表面的投影成45度角或135度角，以使在横向走离元件中分解成的o光和e光经过1/4波片后分别变换成圆偏振光，并使反射的圆偏振光重新变换成线偏振光，但是线偏振态将相对于入射光发生90度旋转，因此在横向走离元件中将分别由入射o光变成反射e光，由入射e光变成反射o光，从而使反射光偏离入射光路，实现反射光去耦合效果。
有益效果：本发明所提供的一种新型偏振不相关反射光去耦合系统。利用晶体双折射横向走离现象和1/4波片的位相延迟效应，使反射光相对于入射光的偏振态发生90度旋转，然后利用横向走离元件中o光和e光相对横向走离现象(可以是位移和/或角度)，使反射光偏离入射光路，从而实现反射光去耦合的效果。入射o光、e光均能实现上述去耦合效果。所述方法的去耦合效果可以达到-40dB以上，同时无需使用现有技术中昂贵的法拉第旋光晶体，极大的降低了成本。
附图说明：以下结合附图对本发明进行详细说明。
图1：本发明具体实施例的双折射晶体横向走离元件光轴示意图。
图2：本发明具体实施例的晶体双折射现象及横向走离机理。
图3：本发明具体实施例的横向走离机理在光楔型器件中的应用。
图4：本发明具体实施例的横向走离机理在透镜型器件中的应用。
图5：本发明具体实施例的1/4波片光轴示意图。
图6：本发明具体实施例的1/4波片o光，e光分解示意图。
图7：本发明具体实施例的1/4波片位相延迟及偏振态变换机理。
图8：本发明具体实施例的入射o光正向光及反射光的光路及偏振态变换示意图。
图9：本发明具体实施例的入射e光正向光及反射光的光路及偏振态变换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的设计原理的实施方式仅仅作为以入射光线正入射入射表面，在双折射晶体横向走离元件中以o光模式传输，且横向走离元件的光轴和1/4波片的光轴在入射表面的投影目标角度为45°的实施例，本发明不限于该具体实施方式。入射光线可以斜入射入射表面，可以为任意偏振态，横向走离元件的光轴和1/4波片的光轴在入射表面的投影目标角度为135°的设计，以及复合波片的设计等本领域技术人员所熟知的常规替换、组合也属此发明范畴。
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。
如图1所示为本发明具体实施例的双折射晶体横向走离元件光轴示意图。11为一片双折射晶体横向走离元件，XY平面为入射表面，Z轴为入射表面的法线。光轴处于XZ平面内，并与Z轴成θ角。
如图2所示为本发明具体实施例的晶体双折射现象及横向走离机理示意图。当光线正入射双折射晶体时，o光遵循折射定律，光线不发生角度变化，沿入射光相同的方向进入并通过双折射晶体。e光光路不遵循折射定律，将在双折射晶体中发生光路偏折，发生一定的横向走离之后出射双折射晶体。由于正双折射晶体和负双折射晶体的e光偏折方向相反。为陈述简便，下面以正双折射晶体为例进行陈述：
当0°＜θ＜+90°时，如图2，e光向上偏折形成横向走离量d；当-90°＜θ＜0°时，如图2，e光向下偏折形成横向走离量-d；所以，通过改变θ角(在-90°～+90°之间)，来改变在出射端的横向走离量(+d～-d之间)。
如图3所示，为所述横向走离机理在光楔型器件中的应用。在光楔型器件内部的横向走离机理如上所述，但器件外形设计成光楔型。所述光楔型器件在出射平面的位移如图1所述，但是由于光楔型结构设计与平板结构设计的不同，出射光线将发生一定角度的偏折；同时由于晶体的o光和e光的折射率不同，e光和o光的偏折角度将不同(如图3所示)。
如图4所示，为所述横向走离机理在透镜型器件中的应用。在透镜型器件内部的横向走离机理如上所述，但是器件外形设计成透镜型，因此在透镜型器件的出射球面的位移如图1所述，但是由于透镜型结构设计与平板结构设计的不同，出射e光线偏离透镜光轴后将发生一定角度的偏折，因此出射e光的角度也将和o光不同。
如图5所示，为本发明具体实施例的1/4波片光轴示意图。12是一片1/4波片，XY平面为入射表面，Z轴为入射表面的法线。光轴处于XY平面内，并与X轴成α角，α角目标角度为45度。应当说明的是，此实施例中X轴为入射o光的偏振方向，所述45度α角为横向走离元件的光轴和1/4波片的光轴在入射表面的投影的夹角。
如图6所示，为本发明具体实施例的1/4波片o光，e光分解示意图。入射线偏振光21沿Z轴入射1/4波片，且入射光线偏振方向与X轴平行，由于入射光线偏振方向与光轴成45度角，入射线偏振光将分解为两个等振幅的线偏振光，一个是沿光轴方向振动的e光，另一个是垂直于光轴方向振动的o光。
如图7所示，为1/4波片位相延迟及偏振态变换机理。入射线偏振光21分解成的o光和e光经过1/4波片后，o光和e光之间产生1/4波长的位相差，o光和e光两个线偏振光合成为一个圆偏振光出射1/4波片。
当入射光遇到反射界面后，反射光以圆偏振光的形式再次进入1/4波片，会被再次分解为存在1/4波长的位相差的o光和e光线偏振光，经过第二次1/4波片传播，叠加第二次的1/4波长位相差后o光和e光之间位相差变为1/2波长，o光和e光合成为一个与入射光偏振方向成90度角的线偏振光22出射1/4波片。
如图8所示，为入射o光正向光及反射光的光路及偏振态变换示意图。10所示实线为入射光线的光路；11为双折射晶体横向走离元件，光轴θ角满足0°＜θ＜+90°；12为1/4波片位相延迟元件。
光线以o光偏振态垂直入射表面入射走离元件，此时o光遵循折射定律，光路不发生角度变化，沿入射光相同的方向进入并通过双折射晶体，且偏振态不发生变化；进入1/4波片后，如图5，图6，图7介绍，通过1/4波片后，入射光偏振态从线偏振变为圆偏振，光路不发生角度和位置变化。当出射圆偏振光遇到反射界面后，如上所述，反射回来的光以与入射线偏振光方向成90度角的线偏振光22出射1/4波片，反射光路与入射光路在1/4波片中完全重合，没有走离；此时进入横向走离元件的反射线偏振光的模式变为e光，此时按照图2所述横向走离原理，反射e光光路不遵循折射定律，如图8虚线所示，将在双折射晶体中发生光路偏折，相对于入射o光发生d1的横向走离之后出射双折射晶体，因此反射光不能耦合到入射光路中，从而实现反射光去耦合效果。
如图9所示，为入射e光正向光及反射光的光路及偏振态变换示意图。10所示实线为入射光线的光路；11为双折射晶体横向走离元件，光轴θ角满足0°＜θ＜+90°；12为1/4波片。
光线以e光偏振态垂直入射表面入射横向走离元件，此时e光不遵循折射定律，入射e光进入横向走离元件后发生角度偏折，然后以d2的横向走离量通过横向走离元件，d2＝d1，偏振态不发生变化；进入1/4波片后，如图5，图6，图7介绍，通过1/4波片后，入射光偏振态从线偏振变为圆偏振，光路不发生角度和位置变化。当出射圆偏振光遇到反射界面后，如上所述，反射回来的光以与入射线偏振光方向成90度角的线偏振光22出射1/4波片，反射光路与入射光路在1/4波片中完全重合，没有走离；此时进入横向走离元件的反射线偏振光的模式变为o光，此时按照图2所述横向走离原理，反射o光光路遵循折射定律，不会在双折射晶体走离元件中发生角度变化和光路偏折，方向不变地通过横向走离元件；因为入射e光在横向走离元件中曾发生了d2的横向走离，因此反射o光相对于入射e光存在d2的横向位置走离，因此反射o光不能耦合到入射光路中，从而实现反射光去耦合效果。
结合图8及图9所示及上述陈述，由于反射o光与反射e光均不能耦合到入射光路中，从而有效的实现了偏振不相关的反射光去耦合效果。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型偏振不相关反射光去耦合系统，其特征在于：所述系统包括：产生入射光和反射光相对横向走离的横向走离元件以及1/4波长位相延迟元件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述新型偏振不相关反射光去耦合系统应用到入射光正入射本系统，以及斜入射本系统的场合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述横向走离元件为双折射晶体，所述横向走离元件的光轴和入射表面法线的夹角θ在0°到90°之间改变，从而改变o光和e光之间的相对横向走离量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：双折射晶体的形状为平板、楔型、棱镜、透镜或其组合。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在光路中使用1/4波片作为位相延迟，以及改变反射光偏振方向的元件，1/4波片光轴与横向走离元件光轴在入射表面投影的夹角目标角度为45度或135度。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：1/4波片为单片n+1/4或n+3/4波片，或者等效n+1/4或n+3/4的复合波片。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述复合1/4波片的等效光轴与所述横向走离元件光轴在入射表面投影的夹角目标角度为45度或135度。
8.一种如权利要求1-7任一所述去耦合系统的应用，其特征在于，将所述去耦合系统应用于非线偏振光或者自然光的反射光去耦合。
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