CN106324851B - 一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，属于偏振光学技术领域，将该装置插入到光学系统的平行光路中，任意偏振态的平行光束入射到偏振分束器后分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，且传播方向相互垂直，两路光分别经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器，一路光入射到反射式纯位相液晶空间光调制器，受到反射式纯位相液晶空间光调制器的纯位相调制，另一路光入射到反射式纯振幅液晶空间光调制器，受到反射式纯振幅液晶空间光调制器的纯振幅调制，两束光分别再经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器反射后，再相互垂直入射到第三消偏振分束器进行合光后出射；该装置结构简单，补偿精度高，适用任意偏振敏感光学系统，通用性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射型偏振像差补偿装置，可实现光线经过光学系统后偏振像差的自动补偿，属于偏振光学技术领域。
背景技术
对于所有光学系统在非正入射的情况下，都存在偏振像差，即同一出射波前上的不同位置处的偏振态也不同，若系统包含多个光学介质分界面，各个介质分界面的偏振像差累积到像面会产生一定的偏振效应，严重时会影响系统的正常工作。如高数值孔径显微系统、光刻投影系统或激光谐振腔系统等其他偏振敏感系统，为了保证或提高系统的工作性能，对系统自身偏振特性都具有严格的要求。因此，除了在系统设计阶段严格考虑偏振对系统的影响，优化系统的偏振效应以外，还可以采取外加偏振像差补偿装置的措施来有效提高整个系统的工作性能。
针对特定的偏振敏感系统专利CN103869626A、US104503099AB1和CN104503099A提出了不同的偏振补偿技术。专利CN103869626A和US104503099AB1针对光刻成像系统提出两种不同的偏振补偿装置，专利CN103869626A是利用改变电光晶体外加电压而改变偏振角的方法实现对系统的偏振补偿，为了构成闭环反馈补偿，在系统焦面处必须放置偏振检测装置。这种偏振补偿方法在实际补偿过程中为了达到较为理想的补偿效果，需要重复进行多次检测、反馈、补偿，存在实时性差、单次补偿效率低和补偿误差累积等问题。US104503099AB1是由两个光轴方向成一定夹角的双折射元件组成，快轴的夹角可以通过相对旋转双折射元件而改变，其双折射元件的表面采用离子束加工技术制作为自由曲面形。该装置虽然可以实现偏振像差补偿，但是双折射元件自由曲面的设计和加工都较为复杂，成本高昂，受加工水平的限制对偏振像差的补偿精度也不高，且加工的补偿元件只能针对某个特定的光学系统。专利CN104503099A是针对激光器提出的一种末端偏振补偿装置，在激光器结构末端加入光束校正器和偏振控制器，其中光束校正器的主要作用是补偿前面光学系统的波像差，保证出射光束质量，偏振控制器主要是调制出射激光的偏振态，保证高消光比偏振激光输出。在没有外加实时反馈系统的前提下，该光束校正器的设计只能是针对前面特定光学系统进行相应的波前补偿。因此，目前偏振像差补偿装置存在通用性差和精度低的问题。
发明内容
本发明为了克服目前偏振像差补偿装置存在通用性差和精度低的问题，提出了一种基于分光路偏振调制的的反射型偏振像差补偿装置。该装置能够同时进行位相调制和振幅调制，实现对位相延迟和二向衰减的补偿。这种基于分光路偏振调制补偿的反射型偏振像差补偿装置是一种插入式平行光路无焦系统，对任意偏振敏感系统均适用，可以有效简化结构形式，提高补偿精度，有效提高系统的工作性能。
本发明采用的技术方案是：
一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征是，该装置主要包括偏振分束器、第一消偏振分束器、反射式纯位相液晶空间光调制器、第二消偏振分束器、反射式纯振幅液晶空间光调制器和第三消偏振分束器；将该装置插入到光学系统的平行光路中，任意偏振态的平行光束入射到偏振分束器后分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，且传播方向相互垂直，两路光分别经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器，一路光入射到反射式纯位相液晶空间光调制器，受到反射式纯位相液晶空间光调制器的纯位相调制，另一路光入射到反射式纯振幅液晶空间光调制器，受到反射式纯振幅液晶空间光调制器的纯振幅调制，两束光分别再经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器反射后，再相互垂直入射到第三消偏振分束器进行合光后出射。
所述偏振分束器为双折射晶体、镀偏振分光膜的棱镜或布儒斯特片；偏振分束器的反射光和透射光的消光比均不低于1000:1。
所述反射式纯位相液晶空间光调制器和反射式纯振幅液晶空间光调制器的有效液晶尺寸大于等于入射平行光的直径，且反射式纯位相液晶空间光调制器和反射式纯振幅液晶空间光调制器在光路中的位置可以互换。
所述的第一消偏振分束器和第二消偏振分束器在保证光束偏振态不变的前提下，实现光路透射或将光路折转90°，进而入射到第三消偏振分束器。
所述的第三消偏振分束器分束比为1：1。
本发明具有以下技术效果：
1、本发明是一种插入式平行光路无焦系统，可以补偿任意偏振敏感光学系统的偏振像差，具有良好的通用性。
2、本发明采用的是分光路偏振调制补偿，在各分光路中利用液晶空间光调制技术，对位相和振幅分别进行调制补偿位相延迟和二向衰减，这种分光路偏振调制补偿的方式不仅具有简化装置结构的功能，同时还有利于提高补偿精度。
3、本发明所提出的偏振像差补偿装置，也可用于补偿光学系统的波像差，也可对偏振像差和波像差同时进行补偿。
4、本发明不需要引入外加实时检测反馈装置，不需要多次重复检测、反馈、补偿，可以实现快速补偿响应。
附图说明
图1是一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置示意图。
其中：1、偏振分束器；2、第一消偏振分束器；3、反射式纯位相液晶空间光调制器；4、第二消偏振分束器；5、反射式纯振幅液晶空间光调制器；6、消偏振分束器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，该装置主要包括偏振分束器1、第一消偏振分束器2、反射式纯位相液晶空间光调制器3、第二消偏振分束器4、反射式纯振幅液晶空间光调制器5和第三消偏振分束器6；将该装置插入到偏振敏感光学系统的平行光路中，任意偏振态的平行光束入射到偏振分束器1后分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，且传播方向相互垂直，将透射的横磁波TM光路记为A，反射的横电波TE偏振光路记为B，两路光分别经过第一消偏振分束器2和第二消偏振分束器4，一路光A入射到反射式纯位相液晶空间光调制器3，受到反射式纯位相液晶空间光调制器3的位相调制，另一路光B入射到反射式纯振幅液晶空间光调制器5，受到反射式纯振幅液晶空间光调制器5的振幅调制，两束光分别再经过第一消偏振分束器2和第二消偏振分束器4反射后，再相互垂直地入射到第三消偏振分束器6进行合光后出射。
所述偏振分束器1的作用是将入射光束分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，其可以为双折射晶体、镀偏振分光膜的棱镜或布儒斯特片等。偏振分束器1的反射光和透射光的消光比均不低于1000:1。
所述反射式纯位相液晶空间光调制器3和反射式纯振幅液晶空间光调制器5的有效液晶尺寸大于等于入射平行光的直径，且反射式纯位相液晶空间光调制器3和反射式纯振幅液晶空间光调制器5在光路中的位置可以互换。
所述的第一消偏振分束器2和第二消偏振分束器4在保证光束偏振态不变的前提下，实现光路透射或将光路折转90°，进而入射到第三消偏振分束器6。
所述的第三消偏振分束器6将入射的两束光进行合光，且不改变入射光束的偏振态，其分束比为1：1。
整个过程等效于分别调制了入射平行光束的位相延迟和二向衰减，液晶空间调制器的调制量由所加载灰度图的灰度值决定。因此，对于不同的光学系统，利用三维偏振光追迹算法计算出光学系统的偏振像差分布情况，并分解计算出位相延迟和二向衰减的分布，得到对应的位相调制灰度图和振幅调制灰度图，分别加载到反射式纯位相液晶空间光调制器3和反射式纯振幅液晶空间光调制器5中。液晶空间调制器的调制量由加载到液晶空间光调制器的灰度图的灰度值决定，而偏振像差的补偿精度取决于液晶空间光调制器的像元尺寸。
光学系统的偏振像差可以分解为二向衰减和位相延迟，本发明采用一种分光路偏振调制的方法，结合反射式液晶空间光调制器分别对横磁波分量TM和横电波分量TE进行纯位相调制和纯振幅调制，整个过程等效于分别调制了入射平行光束的位相延迟和二向衰减，即实现了对偏振像差的调制补偿。液晶空间调制器每个像素的调制量由输入液晶空间光调制器的灰度图决定。对于具不同的光学系统，只需要基于三维偏振光追迹算法计算出光学系统的偏振像差，进行分解求得位相延迟和二向衰减的补偿量分布图，并生成调制位相灰度图和振幅灰度图，分别加载到反射式纯位相液晶空间光调制器和反射式纯振幅液晶空间光调制器中。液晶空间调制器的调制量取决于加载到液晶空间光调制器的灰度图的灰度值决定，偏振像差的补偿精度取决于液晶空间光调制器的像元尺寸。这种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置无需针对不同的光学系统加工特殊的补偿元件，而且补偿精度高，通用性强。
Claims (5)
1.一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征是，该装置包括偏振分束器(1)、第一消偏振分束器(2)、反射式纯位相液晶空间光调制器(3)、第二消偏振分束器(4)、反射式纯振幅液晶空间光调制器(5)和第三消偏振分束器(6)；将该装置插入到光学系统的平行光路中，任意偏振态的平行光束入射到偏振分束器(1)后分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，且传播方向相互垂直，两路光分别经过第一消偏振分束器(2)和第二消偏振分束器(4)透射，一路光入射到反射式纯位相液晶空间光调制器(3)，受到反射式纯位相液晶空间光调制器(3)的纯位相调制，另一路光入射到反射式纯振幅液晶空间光调制器(5)，受到反射式纯振幅液晶空间光调制器(5)的纯振幅调制，两束光分别再经过第一消偏振分束器(2)和第二消偏振分束器(4)反射后，再相互垂直地入射到第三消偏振分束器(6)进行合光后出射。
2.根据权利要求1所述的一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述偏振分束器(1)为双折射晶体、镀偏振分光膜的棱镜或布儒斯特片；偏振分束器(1)的反射光和透射光的消光比均不低于1000:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述反射式纯位相液晶空间光调制器(3)和反射式纯振幅液晶空间光调制器(5)的有效液晶尺寸大于等于入射平行光的直径，且反射式纯位相液晶空间光调制器(3)和反射式纯振幅液晶空间光调制器(5)在光路中的位置可以互换。
4.根据权利要求1所述的一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的第一消偏振分束器(2)和第二消偏振分束器(4)在保证光束偏振态不变的前提下，实现光路透射或将光路折转90°，进而入射到第三消偏振分束器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的第三消偏振分束器(6)分束比为1：1。
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