CN108957773B - 一种偏振分光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振分光装置，该装置包括：依次设置的偏振分束器、偏振旋转器和单偏振分光器。该装置附加损耗小，偏振消光比高，可将任何偏振态的输入的光束分成两束线偏振光，分光比几乎不受入射光束的偏振态的影响，具有较高的波长带宽，可广泛应用于光纤通讯、光纤传感和科学研究等领域。

Description

一种偏振分光装置

技术领域

本发明涉及光通信和光纤传感技术领域，具体涉及一种偏振分光装置。

背景技术

当前市面上，分光器以单一功能的光功率分光或偏振分束产品居多，同时兼有光功率分光和偏振分束功能的低损耗偏振无关的一分二的分光器却鲜有报道。现有产品中，铌酸锂Y波导是惯导光纤陀螺中同时具有偏振分束和光功率分光功能分光器，具有很高的消光比，但是插入损耗很大。且铌酸锂Y波导只允许透过单一偏振的波导模式，因此对低偏光源的接近3dB固有插入损耗一直存在，直接影响了光纤陀螺仪的性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种偏振分光装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明提供了一种偏振分光装置，该偏振分光装置包括：依次设置的偏振分束器、偏振旋转器和单偏振分光器。

入射光束进入偏振分束器，被分解成偏振态正交的、出射方向同向且平行的第一线偏振光和第二线偏振光，其中，第一线偏振光和第二线偏振光中的之一为P偏振光，另一为S偏振光；第一线偏振光进入偏振旋转器后输出与第二线偏振光的偏振态相同且出射方向同向且平行的第三线偏振光；第二线偏振光和第三线偏振光进入单偏振分光器后，经单偏振分光器分解，得到四束偏振态相同的线偏振光，其中，四束线偏振光中的两束出射方向相同，每两束出射方向相同的线偏振光束合束，从而单偏振分光器输出偏振态相同的第四线偏振光和第五线偏振光。

优选地，该偏振分光装置还包括设置在偏振分束器之后的λ/4波片，λ/4波片用于在第一线偏振光和第二线偏振光之间引入

的相位差；其中，λ/4波片包括消色差的λ/4波片或零级λ/4波片。

优选地，偏振旋转器包括半波片或旋光片；偏振旋转器的光轴与偏振旋转器的入射通光面平行，且与所述第一线偏振光射入所述偏振旋转器的入射面成45°夹角。。

优选地，偏振分束器包括：入射通光面和与入射通光面平行的出射通光面；以及

位于偏振分束器内部的第一斜面和第二斜面，第一斜面和第二斜面相互平行且第二斜面位于第一斜面下方，第一斜面和第二斜面镀有偏振分束介质膜，偏振分束介质膜对P偏振光进行透射，对S偏振光进行反射；其中，第二斜面设置为与入射光束的入射方向成锐角，锐角设为α₁，入射光束穿过入射通光面后射入第二斜面，或者，

第一斜面设置为与入射光束的入射方向成锐角，锐角设为α₂，入射光束穿过入射通光面后射入第一斜面。

优选地，入射光束以与偏振分束器的入射通光面大致垂直的入射方向进入入射通光面后入射到第二斜面，经第二斜面透射形成P偏振光，经第二斜面反射形成S偏振光，P偏振光束和S偏振光束偏振态正交，P偏振光以平行于入射光束的入射方向穿过出射通光面，S偏振光入射到第一斜面，经第一斜面反射后以平行于入射光束的入射方向穿过出射通光面；

或，入射光束以与偏振分束器的入射通光面大致垂直的入射方向进入入射通光面后入射到第一斜面，经第一斜面透射形成P偏振光，经第一斜面反射形成S偏振光，P偏振光和S偏振光的偏振态正交，P偏振光以平行于入射光束的入射方向穿过出射通光面，S偏振光入射到第二斜面，经第二斜面反射后以平行于入射光束的入射方向穿过出射通光面。

在可选实施例中，偏振分束器的入射通光面和出射通光面上镀有增透膜。

优选地，单偏振分光器包括：入射通光面，第二和第三线偏振光以与入射通光面大致垂直的入射方向进入入射通光面；单偏振分束器，将第二线偏振光和第三线偏振光分解再合束成第四线偏振光和第五线偏振光，其中，第四线偏振光和第五线偏振光偏振态相同且光强相同。

优选地，单偏振分光器包括：入射通光面，第二和第三线偏振光以与入射通光面大致垂直的入射方向进入入射通光面；位于单偏振分光器内部的第三斜面和第四斜面，第三斜面和第四斜面相对平行设置，第四斜面位于第三斜面的下方，第三斜面和第四斜面设置为与第二和第三线偏振光的入射方向成锐角，该锐角设为β，且满足α₁＝α₂＝β；其中，第二和第三偏振光中的一个通过入射通光面后入射到第三斜面并经第三斜面反射进入第四斜面，第二和第三偏振光中的另一个通过入射通光面后直接入射到第四斜面，这两束偏振光入射到第四斜面上的入射位置相同，然后各自被第四斜面分解为偏振态相同的透射光束和反射光束，分解出的、在同一出射方向上的两束线偏振光合束，从而形成第四和第五线偏振光。

在可选实施例中，单偏振分光器的入射通光面和出射通光面上镀有增透膜。

优选地，当偏振旋转器设置在偏振分束器输出的S偏振光所在的光路上，第三斜面镀有高反膜，第四斜面镀有对P偏振光进行分光的、分光比为1:1的单偏振分光膜；当偏振旋转器设置在偏振分束器输出的P偏振光所在的光路上，第三斜面镀有偏振分束介质膜或高反膜，第四斜面镀有对S偏振光进行分光的、分光比为1:1的单偏振分光膜。

优选地，该偏振分光装置还包括设置于λ/4波片和单偏振分光器之间、任一一条光路上的相位补偿片；当偏振旋转器和相位补偿片在同一条光路时，λ/4波片、偏振旋转器和相位补偿片沿所在光路依次排列；当偏振旋转器和相位补偿片不在一条光路时，相位补偿片设于λ/4波片和单偏振分光器之间。

优选地，相位补偿片包括第一楔角玻璃片和第二楔角玻璃片，第一楔角玻璃片的楔角面和第二楔角玻璃片的楔角面相对设置，第一楔角玻璃片和第二楔角玻璃片可沿着楔角面发生相对滑动；或，相位补偿片是一个入射通光面和出射通光面相互平行的、镀有增透膜的玻璃片。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种偏振分光装置，相对于现有技术的起偏分光装置的3dB附加损耗而言，该装置附加损耗小，偏振消光比高，可将任何偏振方向的线偏振光和宽光谱的自然光的准直光束分成两束线偏振光，分光比几乎不受入射光束的偏振态的影响，具有较高的波长带宽，可广泛应用于光纤通讯、光纤传感和科学研究等领域。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是根据本发明实施例一提供的偏振分光装置的一种结构示意图；

图2是根据本发明实施例二提供的偏振分光装置的一种结构示意图；

图3是根据本发明实施例三提供的偏振分光装置的一种结构示意图。

附图标记：偏振分束器101；胶合面101A；胶合面101B；λ/4波片102；半波片103；入射通光面103A；相位补偿片104；第一楔角玻璃片104A；第二楔角玻璃片104B；单偏振分光器105；胶合面105A；胶合面105B；偏振分束器201；胶合面201A；胶合面201B；λ/4波片202；半波片203；相位补偿片204；单偏振分光器205；胶合面205A；胶合面205B；偏振分束器301；胶合面301A；胶合面301B；λ/4波片302；半波片303；相位补偿片304；单偏振分光器305；胶合面305A；胶合面305B。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

发明人注意到市售偏振分光器存在对低偏光源的接近3dB固有插入损耗的问题，因此提出一种具有更低插入损耗的偏振分光装置。这种与偏振无关的宽带偏光装置对宽光谱的自然光和各种偏振方向的线偏振光可实现相同偏振态，以及相同分光比输出，具有较高的偏振消光比和波长带宽，即分光比在较宽的波长范围内对波长不敏感。

根据本发明实施例提供的一种偏振分光装置，包括：依次设置的偏振分束器、偏振旋转器和单偏振分光器。

入射光束进入偏振分束器，被分解成偏振态正交的、出射方向同向且平行的第一线偏振光和第二线偏振光，其中，第一线偏振光和第二线偏振光中的之一为P偏振光，另一为S偏振光。第一线偏振光进入偏振旋转器后输出与第二线偏振光的偏振态相同的且出射方向同向且平行的第三线偏振光。第二线偏振光和第三线偏振光以大致垂直于单偏振分光器的入射通光面的方式进入单偏振分光器后，经单偏振分光器分解，得到四束偏振态相同的线偏振光，其中，四束线偏振光中的两束出射方向相同，每两束出射方向相同的线偏振光束合束，从而单偏振分光器输出偏振态相同的第四线偏振光和第五线偏振光。

本发明中偏振分光装置工作的基本原理是：首先利用偏振分束器将任意偏振态的入射光(光强设为I_t)分解成偏振态正交、出射方向平行的两束线偏振光(两束线偏振光光强分别设为I₁和I₂，且满足I₁+I₂＝I_t)，然后通过偏振旋转器的作用将上述偏振态正交的两束线偏振光变成同偏振态的、出射方向平行的两束线偏振光，最后通过单偏振分光器对上述的同偏振态的两束线偏振光分别进行分束，得到四束同偏振态的线偏振光，其中，这四束线偏振光分布在两个不同的分束方向。

当单偏振分光器的分光比为1:1时，每个分束方向分配有光强分别为

和

的同偏振态的两束线偏振光。各个分束方向上存在的两束线偏振光位置重合，且具有固定的相位差δ，其中，任一分束方向上的两束相干涉光的光强计算公式如下：

式中，

是干涉项。

单偏振分光器在两个不同分束方向同时产生单偏振光双光束干涉，可输出偏振态相同的线偏振光。假设上述表达式(1)为所述的单偏振分光器的一个分束方向的光强，则根据能量守恒原理，在单偏振分光器另一个分束方向上光强I′可由计算公式(2)表示：

从上述公式(1)和(2)中可以看出，若相干光束的相位差为

(即

)，则合成光束的干涉光强(I和I′)等同于相干光束光强(光强分别为I₁和I₂)的简单相加，此时，上述的单偏振分光器两个分束方向上光强恒等于入射光强I_t的一半(即

)，不随相干光束光强I₁和I₂的变化而变化，从而入射光偏振态的变化不影响上述偏振分光装置的分束比。

因此，在本发明提出的进一步实施方式中，利用例如消色差的λ/4波片或零级λ/4波片等的λ/4波片在分束方向上的两个相干光束间引入固定的

相位差。λ/4波片设置在偏振分束器和诸如半波片或旋光片等的偏振旋转器之间，能使偏振分束器分解出的偏振态正交的两束线偏振光产生λ/4附加光程差。消色差的λ/4波片或零级λ/4波片最大优点是在一定的带宽内延迟量对波长不敏感，因而本发明实施例的与偏振无关的宽带偏振分光器分光比能够在较宽的波长范围内对波长不敏感。

为方便本领域技术人员能够清楚了解本发明技术方案，下面给出三个示例性实施例进一步进行描述。应当说明是，以下实施例仅是示例说明本发明，不应理解为构成对本发明保护范围的限制。图1示出了根据本发明实施例一提供的一种偏振分光装置。该装置包括：依次设置的偏振分束器101、λ/4波片102、半波片103、相位补偿片104和单偏振分光器105，半波片103和相位补偿片104布置在在一条光路上。

入射光束BM1以大致垂直偏振分束器101的入射通光面的方式射入偏振分束器101，被分解成偏振态正交的、出射方向平行的反射光束BM2和透射光束BM3，其中，反射光束BM2为S偏振光，透射光束BM3是P偏振光，反射光束BM2穿过λ/4波片102射入单偏振分光器105，经单偏振分光器105分解，得到偏振态相同的光束BM2A和光束BM2B。在本发明实施例中，入射光束的入射方向与入射通光面的角度在90°，可以偏差个2-3度左右。

如图1所示，偏振分束器101是由平行四边形棱镜的两个平行面分别与两个三角棱镜的斜面胶合而成，胶合后得到的入射通光面和出射通光面相互平行，且入射光束以与胶合面101A(第二斜面)成锐角的入射方向射入胶合面101A，在本发明实施例中，入射光束与胶合面101A成锐角是指α₁(如图1所示)，该平行四边形棱镜与两个三角棱镜的两个胶合面(胶合面101A和胶合面101B)镀有偏振分束介质膜，该偏振分束介质膜可将一束任意偏振态的入射光分解为偏振态正交的两束线偏振光(S偏振光和P偏振光)，入射通光面和出射通光面均镀有增透膜，镀有增透膜的目的是为了减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。即入射光束BM1垂直于偏振分束器101的入射通光面进入后射到胶合面101A上，通过胶合面101A上的偏振分束介质膜，将入射光BM1分解成偏振态正交，出射方向相互垂直的反射光束BM2(S偏振光)和透射光束BM3(P偏振光)，其中，反射光束BM2和透射光束BM3的光强之和等于入射光BM1的光强。反射光束BM2经胶合面101A反射后射到胶合面101B，再经胶合面101B反射后垂直于偏振分束器101的出射通光面射出。

反射光束BM2进入到λ/4波片102；透射光束BM3垂直穿过偏振分束器101的出射通光面进入到λ/4波片102。

在一种可选的实施方案中，λ/4波片102可以是消色差的λ/4波片或零级λ/4波片，通过设置λ/4波片102可以在偏振态正交的反射光束BM2和透射光束BM3间引入固定的相位差

也使得宽带偏振分光装置的分光比在较宽的波长范围内对波长不敏感。

透射光束BM3穿过λ/4波片102，进入半波片103后输出与反射光束BM2偏振态相同的，且出射方向也相同的透射光束(S偏振光),该透射光束经相位补偿片104后，进入单偏振分光器105，经单偏振分光器105分解，得到偏振态相同的光束BM3A和光束BM3B，其中，光束BM2A和光束BM3B为相干光，经合束后输出光束BM5，光束BM2B和光束BM3B为相干光，经合束后输出光束BM4,且光束BM4的出射方向与入射光束BM1的入射方向相同。

优选地，半波片103和相位补偿片104设置在透射光束BM3所在的光路上，且透射光束BM3依次穿过λ/4波片102、半波片103和相位补偿片104，进入单偏振分光器105，经单偏振分光器105分解得到偏振态相同的光束BM3A和光束BM3B。其中，半波片103实现了将透射光束BM3偏振态进行旋转，使其与反射光束BM2具有相同的偏振态。在一种可选的实施方式中，还可以用旋光片如法拉第旋转片等将透射光束BM3进行旋转，将透射光束BM3变成S偏振光。

反射光束BM2直接穿过λ/4波片102，进入单偏振分光器105，经单偏振分光器105分解得到偏振态相同的光束BM2A和光束BM2B。

优选地，半波片103的光轴与该半波片的入射通光面103A平行，且与透射光束BM3射入半波片103的入射面成45°夹角。其中，光轴是是指晶体的光轴，光沿晶体的光轴方向传播时不产生双折射；入射通光面是指偏振分束器、半波片等部件的入射介质面；入射面是指由入射光线与入射点处的法线所构成的平面。这样，光束通过半波片后能够实现90度偏转。

在图1示出的可选实施方式中，相位补偿片104由两块楔角面相对设置的第一楔角玻璃片104A和第二楔角玻璃片104B组成，且设置在透射光束BM3的光路上，两个楔角玻璃片可通过沿楔角面相对滑动从而动态改变经半波片103旋转后的透射光束BM3通过相位补偿片104的有效光程，实现对经半波片103旋转后的透射光束BM3的有效光程的动态调节。且设置相位补偿片104的一方面是为了补偿透射光束BM3和反射光束BM2之间的光程差，另一方面是在光路上不放置λ/4波片102的前提下，可通过动态调节相位补偿片104的有效光程，消除光束BM3B和光束BM2A(或光束BM3A和光束BM2B)间的光程差。在实际进行调试过程中，具体是：在光路中先不放置λ/4波片102，采用宽带光源入射，通过观察光束BM3B和光束BM2A的相干光谱的自由光谱范围来控制相位补偿片104的有效光程，当光束BM3B和光束BM2A的相干光谱的自由光谱范围越大，说明同偏振态的光束BM3B和光束BM2A(或光束BM3A和光束BM2B)间的光程差越小。

在一个可选的实施方式中，单偏振分光器105是由平行四边形棱镜的两个平行面分别与两个三角棱镜的斜面胶合而成，胶合后得到的入射通光面和出射通光面相互平行，单偏振分光器105中的平行四边形棱镜和偏振分束器101中的平行四边形棱镜外形尺寸相同，且互为轴对称。在其他可选地实施方式中，单偏振分光器105中的平行四边形棱镜的胶合面105A和胶合面105B之间的间距和偏振分束器101中的平行四边形棱镜的胶合面101A和胶合面101B之间的间距相同，在本发明实施例中，入射光束与胶合面105A成锐角是指β(如图1所示)，且满足α₁＝β。

在本发明的优选实施例中，单偏振分光器105的入射通光面和出射通光面均镀有增透膜，胶合面105A镀有偏振分束介质膜，在另一种可选的实施方式中，胶合面105A镀有高反膜，胶合面105B上镀有对于S偏振光的、分光比为1:1的单偏振分光膜。这样，单偏振分光膜可将单一偏振的S偏振光分成偏振态相同的两束S偏振光，且该两束S偏振光的光强比为1:1。即在图1示出的实施例中，反射光束BM2进入单偏振分光器105，经胶合面105A反射后射到胶合面105B上，胶合面105B上单偏振分光膜将射到胶合面105B上的反射光束BM2分解成光束BM2A和光束BM2B，其中，光束BM2A和光束BM2B具有相同的光强，且光强等于反射光束BM2光强的一半，光束BM2A为透射光束，光束BM2B为反射光束，同理，经半波片103和相位补偿片的104的透射光束BM3经胶合面105B分解成光束BM3A和BM3B,其中，光束BM3A和BM3B具有相同的光强，且光强等于透射光束BM3光强的一半，光束BM3A为透射光束，光束BM3B为反射光束。

需要说明的是，本领域技术人员能够理解上述实施例仅是示例说明性的，根据实际需要，本领域技术人员可设计为将单一偏振的线偏振光通过单偏振分光器105偏振成两束光强比不相同的线偏振光，此外，两束线偏振光的出射方向以及两束线偏振光之间的角度也可以实际需要而设计，不必与图1以及下面示出的图2和图3的出射方向相同。

有益效果：在胶合面101B和胶合面105A上镀偏振分束介质膜目的是通过偏振分束，进一步提高胶合面101B和胶合面105A上反射光束的偏振消光比。相干光束BM3B和BM2A(BM2B和BM3A)具有相同的偏振状态(s偏振)，传播方向相同且有固定的相位差

因此，合成光束BM5的光强等于相干光束BM3B和BM2A(BM2B和BM3A)的光强之和，即为入射光束BM1光强的一半。同理，合成光束BM5的光强也等于入射光束BM1光强的一半。由此，本发明的一种偏振无关的宽带偏振分光装置，对于入射的准直光束实现了按光强比例1:1的分光。光束BM5和BM4的偏振态和能量比不随入射光束BM1偏振态的变化而变化。

图2示出了根据本发明实施例二提供的一种偏振分光装置。如图2所示，该装置包括：依次设置的偏振分束器201、λ/4波片202、半波片203、相位补偿片204和单偏振分光器205。半波片203设置在透射光束所在的光路上，相位补偿片204设置在反射光束所在的光路上。

入射光束BM1以大致垂直偏振分束器201的入射通光面的方式射入偏振分束器201，被分解成偏振态正交的、出射方向平行的反射光束BM2′和透射光束BM3′，其中，反射光束BM2′为S偏振光，透射光束BM3′为P偏振光，反射光束BM2′穿过λ/4波片202，经相位补偿片204进入单偏振分光器205，经单偏振分光器205分解，得到偏振态相同的光束BM2A′和光束BM2B′。透射光束BM3′穿过λ/4波片202，进入半波片203后输出与反射光束BM2′偏振态相同的透射光束(S偏振光)，该透射光束进入单偏振分光器205，经单偏振分光器205分解，得到偏振态相同的光束BM3A′和光束BM3B′；其中，光束BM2A′和光束BM3B′为相干光，经合束后输出光束BM4，且光束BM4的出射方向与入射光束BM1的入射方向相同，光束BM3A′和光束BM2B′为相干光，经合束后输出光束BM5。

在一个可选的实施方式中，偏振分束器201是由平行四边形棱镜的两个平行面分别与两个三角棱镜的斜面胶合而成，胶合后得到的入射通光面和出射通光面相互平行，且入射光束以与胶合面201A(第一斜面)成锐角的入射方向射入胶合面201A，在本发明实施例中，入射光束与胶合面201A成锐角是指α₂，(如图2所示)，平行四边形与两个三角棱镜的两个胶合面(胶合面201A和胶合面201B)镀有偏振分束介质膜，该偏振分束介质膜可将一束任意偏振态的入射光分解为偏振态正交的两束线偏振光(S偏振光和P偏振光)，入射通光面和出射通光面均镀有增透膜，镀有增透膜的目的是为了减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。即入射光束BM1垂直于入射通光面射到胶合面201A上，通过胶合面201A上的偏振分束介质膜，将入射光束BM1分解成偏振态正交的反射光束BM2′和透射光束BM3′，且反射光束BM2′和透射光束BM3′的光强之和等于入射光BM1的光强。反射光束BM2′经胶合面201A反射后射到胶合面201B，再经胶合面201B反射后垂直于出射通光面射出进入到λ/4波片202；透射光束BM3′透过胶合面201A，垂直穿过偏振分束器201的出射通光面进入到λ/4波片202。

在一种可选的实施方案中，λ/4波片202可以是消色差的λ/4波片或零级λ/4波片，通过设置λ/4波片202可以在偏振态正交的反射光束BM2′和透射光束BM3′间引入固定的相位差

也使得宽带偏振分光装置的分光比在较宽的波长范围内对波长不敏感。

优选地，半波片203设置在透射光束BM3′所在的光路上，且透射光束BM3′依次经λ/4波片202、半波片203后进入单偏振分光器205，经单偏振分光器205分解得到偏振态相同的光束BM3A′和光束BM3B′。其中，半波片203实现了将透射光束BM3′进行旋转，使其与反射光束BM2′具有相同的偏振态。在另一种可选的实施方式中，还可以用旋光片将透射光束BM3′进行旋转。

反射光束BM2′穿过λ/4波片202、相位补偿片204后进入单偏振分光器205，经单偏振分光器205分解得到偏振态相同的光束BM2A′和光束BM2B′。

在一个可选的实施方式中，相位补偿片204是一个前后表面镀有增透膜的平行平板玻璃片，且该平板玻璃片的膨胀系数和热光系数与半波片203的膨胀系数和热光系数相同或相近，作为优选，平板玻璃片的材质和几何光学厚度与半波片203也相同，且光轴与该平板玻璃片的入射通光面平行、与入射到该平板玻璃片的光束的入射面成90°或0°夹角，相位补偿片204的有效光学长度OPL(有效折射率与几何长度的乘积)近似等于:

其中n₀和n_e分别为制作半波片203所用材料的双折射晶体的主折射率，d为半波片203几何光学厚度。在本实施例中，可通过调整相位补偿片204的摆放角度，调节相位补偿片204的有效光学长度。

在一个可选的实施方式中，单偏振分光器205与单偏振分光器105的结构相同，且单偏振分光器205和偏振分束器201具有相同的光学玻璃材质，除去胶合面201B和205B镀膜不同之外，外形尺寸完全相同，胶合面201A和胶合面205A相互平行。在另一种可选的实施方式中，单偏振分光器205与单偏振分光器105的结构相同，且单偏振分光器205和偏振分束器201具有相同的光学玻璃材质，除去胶合面201B和205B镀膜不同、胶合面201A和胶合面205A镀膜不同之外，外形尺寸完全相同，胶合面201A和胶合面205A相互平行。单偏振分光器205的入射通光面和出射通光面均镀有增透膜。单偏振分光膜可将单一偏振的S偏振光分成同一偏振态的两束S偏振光。即在图2示出的实施例中，反射光束BM2′经相位补偿片204后射到胶合面205B上，经胶合面205B上的单偏振分光膜将反射光束BM2′分解成光强比为1:1的光束BM2A′和光束BM2B′，其中，光束BM2A′和光束BM2B′具有相同的光强，且光强等于反射光束BM2′光强的一半，光束BM2A′为透射光束，光束BM2B′为反射光束，同理，经半波片的透射光束BM3′射到胶合面205A上，经胶合面205A反射后射到胶合面205B上，胶合面205B将经半波片203的透射光束BM3′分解成光强比为1:1的光束BM3A′和光束BM3B′，其中，光束BM3A′和光束BM3B′具有相同的光强，且光强等于透射光束BM3′光强的一半，光束BM3A′为透射光束，光束BM3B′为反射光束。

有益效果：在胶合面201B和胶合面205A上镀偏振分束介质膜目的是通过偏振分束，进一步提高胶合面201B和胶合面205A上反射光束的偏振消光比。相干光束BM3B′和BM2A′(BM2B′和BM3A′)具有相同的偏振状态(S偏振)，传播方向、固定的相位差

因此，合成光束BM5′的光强等于相干光束BM3B′和BM2A′(BM2B′和BM3A′)的光强之和，即为输入光场BM1光强的一半。同理，合成光束BM5′的光强也等于入射光束BM1光强的一半。由此，本发明的一种偏振无关的宽带偏振分光装置，对于入射的准直光束实现了按光强比为1:1的分光。光束BM5′和BM4′的偏振态和能量比不随入射光束BM1偏振态的变化而变化。

相对于实施例1中示出的宽带偏振分光装置，由于实施例2采用对称光路，使得参与相干合束的两个光束除去λ/4波片202引入的光程差以外，通过采用相同几何长度的玻璃介质和同样几何长度的空气介质，降低各个光路上的光学器件对两个光束光程的影响，从而使得输出光束BM5′和BM4′的分光比在一定的温度范围内，不随外界环境的改变而发生明显的变化，且进一步优化了光路的对称性

图3示出了根据本发明实施例三提供的一种偏振分光装置，如图3所示的装置包括：依次设置的偏振分束器301、λ/4波片302、半波片303、相位补偿片304和单偏振分光器305。

入射光束BM1以大致垂直偏振分束器301的入射通光面射入偏振分束器301，被分解成偏振态正交的、出射方向平行的反射光束BM2″和透射光束BM3″，其中，反射光束BM2″为S偏振光，透射光束BM3″为P偏振光，半波片303布置在反射光束BM2″所在的光路上，相位补偿片304布置在透射光束BM3″所在的光路上，反射光束BM2″依次穿过λ/4波片302、半波片303进入单偏振分光器305，经单偏振分光器305分解，得到偏振态相同的光束BM2A″和光束BM2B″，透射光束BM3″依次穿过λ/4波片302、相位补偿片304进入单偏振分光器305，经单偏振分光器305分解，得到偏振态相同的光束BM3A″和光束BM3B″。相位补偿片304用于补偿半波片303所引入的相位差。

如图3所示，偏振分束器301是由平行四边形棱镜的两个平行面分别与两个梯形棱镜的底面胶合而成，胶合后得到的入射通光面和出射通光面相互平行，且入射光束以与胶合面301A成锐角的入射方向射入胶合面301A，在本发明实施例中，入射光束与胶合面301A成锐角是指α₃，平行四边形与两个梯形棱镜的两个胶合面(胶合面301A和胶合面301B)镀有偏振分束介质膜，该偏振分束介质膜可将一束任意偏振态的入射光分解为偏振态正交的两束线偏振光(S偏振光和P偏振光)，入射通光面和出射通光面均镀有增透膜，镀有增透膜的目的是为了减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。入射光束BM1射到胶合面301A上，通过胶合面301A将BM1分解成偏振态正交的反射光束BM2″(S偏振光)和透射光束BM3″(P偏振光)，且反射光束BM2″和透射光束BM3″的光强之和等于入射光束BM1的光强。反射光束BM2″经胶合面301A反射后射到胶合面301B，再经胶合面301B反射后垂直于出射通光面射出进入到λ/4波片302；透射光束BM3″透过胶合面301A，垂直穿过偏振分束器301的出射通光面进入到λ/4波片302。

反射光束BM2″依次穿过λ/4波片302、半波片303后输出与透射光束BM3″偏振态相同的、且出射方向也相同的反射光束(P偏振光)，该反射光束进入单偏振分光器305，经单偏振分光器305分解，得到偏振态相同的光束BM2A″和光束BM2B″。透射光束BM3″穿过λ/4波片302、相位补偿片304以大致垂直于单偏振分光器305的入射通光面进入单偏振分光器305，经单偏振分光器305分解得到偏振态相同的光束BM3A″和光束BM3B″。

优选地，半波片303光轴与该半波片的入射通光面平行，且与与透射光束BM3″射入半波片303的入射面成45°夹角。

在一个可选的实施方式中，相位补偿片304和相位补偿片204结构相同，详细描述可参见相位补偿片204的结构描述。

优选地，单偏振分光器305与单偏振分光器105的结构相同，区别在于，胶合面305A上镀有高反膜，胶合面305B上镀有对P偏振光的、分光比为1:1的单偏振分光膜，且单偏振分光器305和偏振分束器301具有相同的光学玻璃材质，除去胶合面301B和305B、胶合面301A和胶合面305A的镀膜不同之外。在图3中，胶合面301A和胶合面305A相互平行。在其他实施方式中，根据出射方向的设计需要，单偏振分光器305可以包括多个胶合面，此外，胶合面305A和305B也可以不平行于胶合面301A和3012B。

单偏振分光器305的入射通光面和出射通光面相互平行，且均镀有增透膜。对P偏振光的单偏振分光膜单偏振分光膜可将P偏振的线偏振光分成P偏振的两束线偏振光，且该两束线偏振光的光强比为1:1。即在图3示出的实施例中，反射光束BM2″依次经λ/4波片302、半波片303，进入到单偏振分光器305，经胶合面305B上的单偏振分光膜将射到胶合面305B上的光束分解成光束BM2A″和光束BM2B″，其中,光束BM2A″和光束BM2B″具有相同的光强，光束BM2A″为透射光束，光束BM2B″为反射光束，同理，透射光束BM3″进入单偏振分光器305，经胶合面305A上高反膜反射，射到胶合面305B上，经胶合面305B上的单偏振分光膜将射到胶合面305B上的光束分解成光束BM3A″和光束BM3B″,其中，光束BM3A″和光束BM3B″具有相同的光强，光束BM3A″为透射光束，光束BM3B″为反射光束。

有益效果：在胶合面301B镀偏振分束介质膜目的是通过偏振分束，进一步提高胶合面301B上反射光束的偏振消光比。相干光束BM3B″和BM2A″(BM2B″和BM3A″)具有相同的偏振状态(P偏振)，传播方向、固定的相位差

因此，合成光束BM5″的光强等于相干光束束BM3B″和BM2A″(BM2B″和BM3A″)的光强之和。由此，本发明的一种偏振无关的宽带偏振分光装置，对于入射的准直光束实现了按光强比为1:1的分光。光束BM5″和BM4″的偏振态和能量比不随入射光束BM1偏振态的变化而变化。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种偏振分光装置，其特征在于，所述偏振分光装置包括：依次设置的偏振分束器、偏振旋转器和单偏振分光器；

入射光束进入所述偏振分束器，被分解成偏振态正交的、出射方向同向且平行的第一线偏振光和第二线偏振光，其中，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光中的之一为P偏振光，另一为S偏振光；

所述第一线偏振光进入所述偏振旋转器后输出与所述第二线偏振光的偏振态相同且出射方向同向且平行的第三线偏振光；

所述第二线偏振光和第三线偏振光进入所述单偏振分光器后，经所述单偏振分光器分解，得到四束偏振态相同的线偏振光，其中，四束线偏振光中的两束出射方向相同，每两束出射方向相同的线偏振光束合束，从而所述单偏振分光器输出偏振态相同的第四线偏振光和第五线偏振光。

2.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，还包括设置在所述偏振分束器之后的λ/4波片，所述λ/4波片用于在所述第一线偏振光和所述第二线偏振光之间引入

的相位差；其中，所述λ/4波片包括消色差的λ/4波片或零级λ/4波片。

3.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，所述偏振旋转器包括半波片或旋光片；所述偏振旋转器的光轴与所述偏振旋转器的入射通光面平行，且与所述第一线偏振光射入所述偏振旋转器的入射面成45°夹角。

4.根据权利要求1所述的偏振分光装置，其特征在于，所述偏振分束器包括：

入射通光面和与所述入射通光面平行的出射通光面；以及

位于所述偏振分束器内部的第一斜面和第二斜面，所述第一斜面和第二斜面相互平行且所述第二斜面位于所述第一斜面下方，所述第一斜面和所述第二斜面镀有偏振分束介质膜，所述偏振分束介质膜对P偏振光进行透射，对S偏振光进行反射；

其中，所述第二斜面设置为与所述入射光束的入射方向成锐角，所述锐角设为α₁，所述入射光束穿过所述入射通光面后射入所述第二斜面，或者，

所述第一斜面设置为与所述入射光束的入射方向成锐角，所述锐角设为α₂，所述入射光束穿过所述入射通光面后射入所述第一斜面。

5.根据权利要求4所述的偏振分光装置，其特征在于，

入射光束以与所述偏振分束器的入射通光面垂直的入射方向进入所述入射通光面后入射到所述第二斜面，经所述第二斜面透射形成P偏振光，经所述第二斜面反射形成S偏振光，所述P偏振光束和S偏振光束偏振态正交，

所述P偏振光以平行于入射光束的入射方向穿过所述出射通光面，

所述S偏振光入射到所述第一斜面，经所述第一斜面反射后以平行于入射光束的入射方向穿过所述出射通光面；

或，

入射光束以与所述偏振分束器的入射通光面垂直的入射方向进入所述入射通光面后入射到所述第一斜面，经所述第一斜面透射形成P偏振光，经所述第一斜面反射形成S偏振光，所述P偏振光和S偏振光的偏振态正交，

所述P偏振光以平行于入射光束的入射方向穿过所述出射通光面，

所述S偏振光入射到所述第二斜面，经所述第二斜面反射后以平行于入射光束的入射方向穿过所述出射通光面。

6.根据权利要求1至5任一项所述的偏振分光装置，其特征在于，所述单偏振分光器包括：

入射通光面，所述第二和第三线偏振光以与所述入射通光面垂直的入射方向进入所述入射通光面；

所述单偏振分束器，将所述第二线偏振光和第三线偏振光分解再合束成所述第四线偏振光和所述第五线偏振光，其中，所述第四线偏振光和所述第五线偏振光偏振态相同且光强相同。

7.根据权利要求1-5任一项所述的偏振分光装置，其特征在于，所述单偏振分光器包括：

入射通光面，所述第二和第三线偏振光以与所述入射通光面垂直的入射方向进入所述入射通光面；

位于所述单偏振分光器内部的第三斜面和第四斜面，所述第三斜面和第四斜面相对平行设置，所述第四斜面位于所述第三斜面的下方，所述第三斜面和第四斜面设置为与所述第二和第三线偏振光的入射方向成锐角，所述锐角设为β，且满足α₁＝α₂＝β；

其中，所述第二和第三偏振光中的一个通过所述入射通光面后入射到所述第三斜面并经所述第三斜面反射进入所述第四斜面，所述第二和第三偏振光中的另一个通过所述入射通光面后直接入射到所述第四斜面，这两束偏振光入射到所述第四斜面上的入射位置相同，然后各自被所述第四斜面分解为偏振态相同的透射光束和反射光束，分解出的、在同一出射方向上的两束线偏振光合束，从而形成所述第四和第五线偏振光。

8.根据权利要求7所述的偏振分光装置，其特征在于，当所述偏振旋转器设置在所述偏振分束器输出的S偏振光所在的光路上，所述第三斜面镀有高反膜，所述第四斜面镀有对P偏振光进行分光的、分光比为1:1的单偏振分光膜；

当所述偏振旋转器设置在所述偏振分束器输出的P偏振光所在的光路上，所述第三斜面镀有偏振分束介质膜或高反膜，所述第四斜面镀有对S偏振光进行分光的、分光比为1:1的单偏振分光膜。

9.根据权利要求2所述的偏振分光装置，其特征在于，还包括设置于所述λ/4波片和所述单偏振分光器之间、任一一条光路上的相位补偿片；

当所述偏振旋转器和所述相位补偿片在同一条光路时，所述λ/4波片、偏振旋转器和相位补偿片沿所在光路依次排列；

当所述偏振旋转器和所述相位补偿片不在一条光路时，所述相位补偿片设于所述λ/4波片和所述单偏振分光器之间。

10.根据权利要求8所述的偏振分光装置，其特征在于，所述相位补偿片包括第一楔角玻璃片和第二楔角玻璃片，所述第一楔角玻璃片的楔角面和第二楔角玻璃片的楔角面相对设置，所述第一楔角玻璃片和第二楔角玻璃片可沿着楔角面发生相对滑动；

或，

所述相位补偿片是一个入射通光面和出射通光面相互平行的、镀有增透膜的玻璃片。

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