CN108919408A - 高折射率偏振分光棱镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高折射率偏振分光棱镜，包括一对直角棱镜，所述一对直角棱镜的斜面相互固定且其中一斜面上镀设有偏振分光膜，所述一对直角棱镜为高射率材料成型，通过选用高折射率材料进行成型制作偏振分光棱镜的两直角棱镜，使得在不改变所制得偏振分光棱镜通过体积的情况下，能够实现减小分片分光膜入射角的目的，从而可以达到减小产品尺寸的目的和加大偏振分光棱镜入射角度范围的，另外，过克服现有技术难点，利用特定的加工方案进行制得高折射率偏振分光棱镜，使得制得的偏振分光棱镜可以满足器件微小化的要求，特别是可用于小尺寸的器件，提供一种替换偏振片的选择。

Description

高折射率偏振分光棱镜
技术领域
本发明属于光学器件领域，尤其是高折射率偏振分光棱镜。
背景技术
偏振分光棱镜作为光学器件中常用的部件之一，其为能够对特定角度范围的入射光进行分离光线的水平偏振和垂直偏振的光学元件，因此受到广泛应用，然而，随着市场需求对集成化和小型化的要求越来越高，传统的偏振分光棱镜在小型化设计方面受到了一定的局限，因此很有必要对其进行创新改进。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、体积小且可适用于批量化加工生产的高折射率偏振分光棱镜。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
高折射率偏振分光棱镜，包括一对直角棱镜，所述一对直角棱镜的斜面相互固定且其中一斜面上镀设有偏振分光膜，所述一对直角棱镜为高射率材料成型。
作为一种优选方案，所述的高折射率材料为单晶硅。
优选的，所述偏振分光膜形成两束线偏振光的入射角范围为8°～25°。
优选的，由空气入射至直角棱镜的光的入射角范围为7°±4°，在此入射角范围的入射光经直角棱镜折射后，以19°～21°的入射角入射至偏振分光膜。
作为一种优选方案，所述的高折射率材料为钒酸钇晶体、钼酸铅晶体或二氧化碲晶体。
作为一种优选方案，所述的高折射率材料为硒化锌晶体、硫化锌晶体、砷化镓晶体或磷化铟晶体。
作为一种优选方案，所述的高折射率材料为锗晶体。
进一步，所述一对直角棱镜的斜面通过胶合、光胶或深化光胶固定为一体。
进一步，所述一对直角棱镜中，接近入射光方向的直角棱镜的斜面上镀设有偏振分光膜，另一直角棱镜的斜面上镀设有增透膜。
进一步，所述一对直角棱镜的入射面和出射面上均镀设有增透膜。
本方案高折射率偏振分光棱镜的加工方法包括如下简要步骤：其中，以单晶硅为例：
（1）将单晶硅片状材料进行下料，成型为直角棱镜；
（2）将直角棱镜的斜面和其中一面积较大的直角面（作为入射或出射面）进行抛光，其中，抛光过程中使用硅胶溶液作为抛光液，而不是采用常规的氧化铈或氧化铁抛光粉；
（3）选取经步骤（2）处理后的一对直角棱镜进行配对，在其中一个直角棱镜的斜面上镀设偏振分光膜，另一直角棱镜的斜面镀设增透膜，然后将一对直角棱镜的斜面相互固定，使其结合为一体，固定为一体采用热固化胶水，而并非常规的紫外固化胶水，因此紫外光无法穿透单晶硅材料，另外，传统低折射率结构的偏振分光棱镜的斜面上通常是不镀设增透膜的；
（4）将结合为一体的一对直角棱镜进行切割成预设形状后，在其经过抛光处理的直角面上镀设增透膜，即可制得偏振分光棱镜，然后进行检测测试得出可接受的入射角范围和偏振分光性能。
采用上述的技术方案，本发明具有的有益效果为：通过选用高折射率材料进行成型制作偏振分光棱镜的两直角棱镜，使得在不改变所制得偏振分光棱镜通过体积的情况下，能够实现减小分片分光膜入射角的目的，从而可以达到减小产品尺寸的目的和加大偏振分光棱镜入射角度范围的，尤其是单晶硅的选用，目前虽然在计算机和一些高精密设备中得以应用，然而在光学元件成型材料上的使用却罕有研究，一方面是由于其在加工上具有技术难点，另一方面是长期的使用研究中，本领域的技术人员形成了一定的技术偏见和惯性思维，而本发明方案通过克服现有技术难点，利用特定的加工方案进行制得高折射率偏振分光棱镜，使得制得的偏振分光棱镜可以满足器件微小化的要求，特别是可用于小尺寸的器件，提供一种替换偏振片的选择。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1为本发明的简要实施结构之一的示意图；
图2为本发明方案中采用单晶硅成型直角棱镜后的实施光路简要示意图；
图3为图2所示A、B、C三个入射角光路对应的A光束单独传播光路示意图；
图4为图2所示A、B、C三个入射角光路对应的B光束单独传播光路示意图；
图5为图2所示A、B、C三个入射角光路对应的C光束单独传播光路示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明高折射率偏振分光棱镜，包括一对直角棱镜1，所述一对直角棱镜1的斜面相互固定且其中一斜面上镀设有偏振分光膜2，所述一对直角棱镜1为高射率材料成型。
作为一种优选方案，所述的高折射率材料可以为单晶硅，由于在常温环境下，单晶硅的折射率高达约3.42，因此，采用单晶硅进行成型图1所示结构的直角棱镜后，其所形成的偏振分光棱镜的偏振分光膜形成两束线偏振光的入射角范围为8°～25°另外，参见图2，由空气入射至直角棱镜的光的入射角范围为7°±4°，在此入射角范围的入射光经直角棱镜折射后，以19°～21°的入射角入射至偏振分光膜，其对应3°、7°、11°入射角的单独光路如图3～图5所示。
进一步，所述一对直角棱镜1的斜面可以通过胶合、光胶或深化光胶固定为一体。
其中，所述一对直角棱镜1中，接近入射光方向的直角棱镜的斜面上镀设有偏振分光膜2（即标号12处镀设），另一直角棱镜的斜面（即标号11处）上镀设有增透膜，进一步，所述一对直角棱镜1的入射面（即标号13处）和出射面（即标号14处）上均镀设有增透膜,所述标号13、14处所示表面镀设的增透膜在1300±40 nm的入射光波长下，反射率小于0.2%，标号11处表面镀设的增透膜在1300±40 nm的入射光波长下，透过参数Tp＞99.7%；所述偏振分光膜2在1300±40 nm的入射光波长下，透过参数Tp＞98%，Ts＜0.1%，Tp/Ts＞30dB。
另外，直角棱镜1的选材并不局限于单晶硅，作为其他的优选方案，所述的高折射率材料还可以为钒酸钇晶体、钼酸铅晶体或二氧化碲晶体；也可以为硒化锌晶体、硫化锌晶体、砷化镓晶体或磷化铟晶体；也还可以为锗晶体。
以单晶硅为例，本方案高折射率偏振分光棱镜的加工方法包括如下简要步骤：
（1）将单晶硅片状材料进行下料，成型为直角棱镜；
（2）将直角棱镜的斜面和其中一面积较大的直角面（作为入射或出射面）进行抛光，其中，抛光过程中使用硅胶溶液作为抛光液，而不是采用常规的氧化铈或氧化铁抛光粉；经抛光后的光洁度应在20-40,崩边小于0.2；
（3）选取经步骤（2）处理后的一对直角棱镜进行配对，在其中一个直角棱镜的斜面上镀设偏振分光膜，另一直角棱镜的斜面镀设增透膜，然后将一对直角棱镜的斜面相互固定，使其结合为一体，固定为一体采用热固化胶水，而并非常规的紫外固化胶水，因此紫外光无法穿透单晶硅材料，另外，传统低折射率结构的偏振分光棱镜的斜面上通常是不镀设增透膜的；
（4）将结合为一体的一对直角棱镜进行切割成预设形状后，在其经过抛光处理的直角面上镀设增透膜，即可制得偏振分光棱镜，然后进行检测测试得出可接受的入射角范围和偏振分光性能。
在本方案基础上，拟定如下光路角度理论模型思路
1、入射角度的选择：小于全反射角度，接近布儒斯特角度，可以用TFC理论计算合理的如数角度；
2、全反射角度 θc=arcsin（n1/n2）；其中，n1为出射介质的折射率，n2为高折射率材料的折射率；
3、布儒斯特角度θb=arctan（n1/n2）；其中，n1为出射介质的折射率，n2为高折射率材料的折射率。
本发明采用上述的技术方案，通过选用高折射率材料进行成型制作偏振分光棱镜的两直角棱镜，使得在不改变所制得偏振分光棱镜通过体积的情况下，能够实现减小分片分光膜入射角的目的，从而可以达到减小产品尺寸的目的和加大偏振分光棱镜入射角度范围的，尤其是单晶硅的选用，目前虽然在计算机和一些高精密设备中得以应用，然而在光学元件成型材料上的使用却罕有研究，一方面是由于其在加工上具有技术难点，另一方面是长期的使用研究中，本领域的技术人员形成了一定的技术偏见和惯性思维，而本发明方案通过克服现有技术难点，利用特定的加工方案进行制得高折射率偏振分光棱镜，使得制得的偏振分光棱镜可以满足器件微小化的要求，特别是可用于小尺寸的器件，提供一种替换偏振片的选择。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.高折射率偏振分光棱镜，包括一对直角棱镜，所述一对直角棱镜的斜面相互固定且其中一斜面上镀设有偏振分光膜，其特征在于：所述一对直角棱镜为高射率材料成型。
2.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述的高折射率材料为单晶硅。
3.根据权利要求2所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述偏振分光膜形成两束线偏振光的入射角范围为8°～25°。
4.根据权利要求2所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：由空气入射至直角棱镜的光的入射角范围为7°±4°。
5.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述的高折射率材料为钒酸钇晶体、钼酸铅晶体或二氧化碲晶体。
6.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述的高折射率材料为硒化锌晶体、硫化锌晶体、砷化镓晶体或磷化铟晶体。
7.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述的高折射率材料为锗晶体。
8.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述一对直角棱镜的斜面通过胶合、光胶或深化光胶固定为一体。
9.根据权利要求1所述的高折射率偏振分光棱镜，其特征在于：所述一对直角棱镜中，接近入射光方向的直角棱镜的斜面上镀设有偏振分光膜，另一直角棱镜的斜面上镀设有增透膜,所述一对直角棱镜的入射面和出射面上均镀设有增透膜。
10.根据权利要求2所述的高折射率偏振分光棱镜的加工方法，其特征在于：其包括如下步骤：
（1）将单晶硅片状材料进行下料，成型为直角棱镜；
（2）将直角棱镜的斜面和其中一面积较大的直角面作为入射或出射面进行抛光，其中，抛光过程中使用硅胶溶液作为抛光液；
（3）选取一对经步骤（2）处理后的直角棱镜进行配对，在其中一个直角棱镜的斜面上镀设偏振分光膜，另一直角棱镜的斜面上镀设增透膜，然后将一对直角棱镜的斜面相互固定，使其结合为一体，其中，固定为一体采用热固化胶水；
（4）将结合为一体的一对直角棱镜进行切割成预设形状后，在其经过抛光处理的直角面上镀设增透膜，即可制得偏振分光棱镜。
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