CN106501958B - 一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置 - Google Patents

一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置 Download PDF

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Abstract

一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置，属于偏振光学技术领域，为了克服现有偏振补偿装置存在通用性差和精度低的问题，将该装置插入到光学系统的平行光路中，入射的平行光束经过偏振分束器后分为TM波和TE波两支路，这两支路光分别经过透射式纯位相液晶空间光调制器和透射式纯振幅液晶空间光调制器，一路光入射到透射式纯位相液晶空间光调制器上，受到透射式纯位相液晶空间光调制器的位相调制，另一路光入射到透射式纯振幅液晶空间光调制器上，受到透射式纯振幅液晶空间光调制器的振幅调制，再分别经过第一反射镜和第二反射镜后相互垂直地入射到消偏振分束器上，由消偏振分束器合光后出射，本发明结构简单，还有利于提高补偿精度。

Description

一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置
技术领域
本发明涉及一种基于分光路偏振调制的透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光学系统，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。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是由两个快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
本发明为了克服现有偏振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透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调制。这种基于分光路偏振调制补偿的透射型偏振补偿装置可以有效简化结构形式，提高补偿精度。这种分光路偏振调制补偿的设计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，具有良好的通用性，同时对提高系统工作性能也具有重要意义。
本发明采用的技术方案是：
一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置，其特征是，该装置由偏振分光器、透射式纯位相液晶空间光调制器、第一反射镜、透射式纯振幅液晶空间光调制器、第一反射镜和消偏振分束器构成；将该装置插入到光学系统的平行光路中，入射的平行光束经过偏振分束器后分为TM波和TE波两支路，这两支路光分别经过透射式纯位相液晶空间光调制器和透射式纯振幅液晶空间光调制器，一路光入射到透射式纯位相液晶空间光调制器上，受到透射式纯位相液晶空间光调制器的位相调制，另一路光入射到透射式纯振幅液晶空间光调制器上，受到透射式纯振幅液晶空间光调制器的振幅调制，再分别经过第一反射镜和第二反射镜后相互垂直地入射到消偏振分束器上，由消偏振分束器合光后出射。
所述的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；其反射光和透射光的消光比均大于等于1000:1。
所述的透射式纯位相液晶空间光调制器和透射式纯振幅液晶空间光调制器，其液晶有效尺寸均大于等于入射平行光束的直径，且透射式纯位相液晶空间光调制器和透射式纯振幅液晶空间光调制器在光路中的位置可以互换。
所述的第一反射镜和第二反射镜都为平面反射镜。
所述的消偏振分光器的分束比为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，可以对任意偏振敏感光学系统都能进行偏振像差补偿，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透射型偏振像差补偿装置示意图。
其中：1、偏振分束器；2、透射式纯位相液晶空间光调制器；3、第一反射镜；4、透射式纯振幅液晶空间光调制器；5、第二反射镜；6、消偏振分束器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施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透射型偏振像差补偿装置，该装置由偏振分光器1、透射式纯位相液晶空间光调制器2、第一反射镜3、透射式纯振幅液晶空间光调制器4、第一反射镜5和消偏振分束器6构成；将该装置插入到光学系统的平行光路中，入射的平行光束经过偏振分束器1后分为TM波和TE波两支路，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，这两支路光分别经过透射式纯位相液晶空间光调制器2和透射式纯振幅液晶空间光调制器4，一路光入射到透射式纯位相液晶空间光调制器2上，受到透射式纯位相液晶空间光调制器2的纯位相调制，另一路光入射到透射式纯振幅液晶空间光调制器4上，受到透射式纯振幅液晶空间光调制器4的纯振幅调制，再分别经过第一反射镜3和第二反射镜5后相互垂直地入射到消偏振分束器6上，由消偏振分束器6合光后出射。
所述的偏振分束器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。
所述的透射式纯位相液晶空间光调制器2和透射式纯振幅液晶空间光调制器4，两者的液晶有效尺寸均大于等于入射平行光束的直径，且透射式纯位相液晶空间光调制器2和透射式纯振幅液晶空间光调制器4在光路中的位置可以互换，在光路中可以分别放置在第一反射镜3和第二反射镜5之后。
所述的第一反射镜3和第二反射镜5都为平面反射镜。
所述的消偏振分光器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，液晶空间光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。对于不同的光学系统，只需要利用三维偏振光追迹算法计算光学系统的偏振像差的分布情况，求得位相延迟分布和二向衰减的分布情况，并获得调制补偿所对应的位相灰度图和振幅灰度图，分别加载到两个液晶空间光调制器，即可完成对光学系统的偏振像差补偿，具有广泛的适用性。

Claims (5)

1.一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置，其特征是，该装置由偏振分光器(1)、透射式纯位相液晶空间光调制器(2)、第一反射镜(3)、透射式纯振幅液晶空间光调制器(4)、第一反射镜(5)和消偏振分束器(6)构成；将该装置插入到光学系统的平行光路中，入射的平行光束经过偏振分束器(1)后分为TM波和TE波两支路，一路光入射到透射式纯位相液晶空间光调制器(2)上，受到透射式纯位相液晶空间光调制器(2)的位相调制，另一路光入射到透射式纯振幅液晶空间光调制器(4)上，受到透射式纯振幅液晶空间光调制器(4)的振幅调制，再分别经过第一反射镜(3)和第二反射镜(5)后相互垂直地入射到消偏振分束器(6)上，由消偏振分束器(6)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透射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的偏振分束器(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大于等于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透射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的透射式纯位相液晶空间光调制器(2)和透射式纯振幅液晶空间光调制器(4)，其液晶有效尺寸均大于等于入射平行光束的直径，且透射式纯位相液晶空间光调制器(2)和透射式纯振幅液晶空间光调制器(4)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透射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的第一反射镜(3)和第二反射镜(5)都为平面反射镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于分光路偏振调制的透射型偏振像差补偿装置，其特征在于，所述的消偏振分光器(6)的分束比为1：1。
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