CN114114514A - 一种新型零级波片制备方法以及新型零级波片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型零级波片制备方法，包括：调整晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角以调整非常光折射率，基于光学延迟量公式，降低非常光折射率和寻常光折射率的光折射率差值以增大零级波片的波片厚度；基于所述波片厚度制造所述零级波片。本发明还涉及采用该新型零级波片制备方法制备的新型零级波片。本发明通过调整切割石英晶体的角度，达到增加零级波片的厚度的目的，从而可以简化零级波片的制造难度。进一步的，针对一些对离散角要求严格的应用场景，可以通过设置两级波片消除离散角。

Description

一种新型零级波片制备方法以及新型零级波片
技术领域
本发明涉及光学波片领域，更具体地说，涉及一种新型零级波片制备方法以及采用该方法制造的新型零级波片。
背景技术
光学波片(即相位延迟器)是偏振光学中非常重要的一种器件，它能使互相垂直的两光振动间产生附加相位差，进而改变光波的偏振态，在光纤通信、光纤传感、光弹力学、光学精密测量等领域都有着非常广泛的应用。其中偏振态是光波的一个重要的特征参量，在特定场景中经常需要改变光波的偏振态。由于光波的偏振态是由其正交振动的振幅比与相位差所决定的，因此我们利用光学波片来改变这两个参量，就可以达到改变光波偏振态的目的。
现有石英零级波片分为两种，一种是真零级波片，真零级波片的温度稳定性高，可接受有效角度大，但是其厚度很薄，以石英四分之一真零级波片为例，波长455nm的零级波片的厚度为12um，厚度太薄，实际加工难度非常大。另外一种是胶合零级波片，即复合波片，这种波片采用的是两枚多级波片胶合，其中一枚波片的快轴与另外一枚波片的慢轴对准的方式，仅留下所需光程差，这种方式一定程度上可以改善温度对于光学延迟量的影响。
因此，真零级波片厚度太薄，实际加工难度非常大，导致零级波片成本过高，而胶合零级波片，则必须使用两枚波片才可稳定使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种新型零级波片制备方法以及采用该方法制造的新型零级波片，通过调整切割石英晶体的角度，达到增加零级波片的厚度的目的，从而可以简化零级波片的制造难度。
本发明解决其技术问题采用的一个技术方案是，构造一种新型零级波片制备方法，包括：
S1、调整晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角以调整非常光折射率，基于光学延迟量公式，降低非常光折射率和寻常光折射率的光折射率差值以增大零级波片的波片厚度；
S2、基于所述波片厚度制造所述零级波片。
在本发明所述新型零级波片制备方法中，所述步骤S1进一步包括：
S11、求解单轴晶体菲涅耳方程式
Figure BDA0003358344840000021
Figure BDA0003358344840000022
以获得入射光的非常光折射率
Figure BDA0003358344840000023
和寻常光折射率n2＝n0，其中θ表示入射光法线与光轴之间的夹角，ne表示入射光法线与光轴夹角为0时的非常光折射率，n0表示入射光法线与光轴夹角为90°时的正常光折射率；
S12、基于入射光经过晶体的光学延迟量公式
Figure BDA0003358344840000024
带入入射光的非常光折射率n1＝ne，获得
Figure BDA0003358344840000025
其中δ表示光学延迟量，d表示零级波片的波片厚度，λ表示波长；
S13、晶体的切割方向垂直于入射光法线，晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角为90°-θ，通过调节晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角，则可以调节θ，从而调节光折射率差值|n1-n0|；
降低光折射率差值|n1-n0|从而增大波片厚度。
在本发明所述新型零级波片制备方法中，进一步包括：
S4、基于以下公式计算所述入射光的寻常光和非常光之间的离散角β，并基于经过所述零级波片的入射光的光路消除所述离散角：
Figure BDA0003358344840000031
在本发明所述新型零级波片制备方法中，在所述步骤S4中，在所述入射光两次经过所述零级波片时，所述零级波片自行汇聚所述寻常光和所述非常光并消除所述离散角。
在本发明所述新型零级波片制备方法中，在所述步骤S4中，在所述入射光单次经过所述零级波片时，叠加出射面与所述零级波片相对的另一零级波片以汇聚所述寻常光和所述非常光并消除所述离散角。
在本发明所述新型零级波片制备方法中，所述晶体包括石英晶体。
本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种根据所述新型零级波片制备方法制备的新型零级波片。
实施本发明的新型零级波片制备方法以及采用该方法制造的新型零级波片，通过调整切割石英晶体的角度，达到增加零级波片的厚度的目的，从而可以简化零级波片的制造难度。进一步的，针对一些对离散角要求严格的应用场景，可以通过设置两级波片消除离散角。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的新型零级波片制备方法的流程图；
图2是本发明的新型零级波片制备方法的原理示意图；
图3是本发明的新型零级波片的离散角示意图；
图4是本发明的新型零级波片的第一离散角消除方式示意图；
图5是本发明的新型零级波片的第二离散角消除方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明的新型零级波片制备方法的流程图。如图1所示，在步骤S1中，调整石英晶体的切割方向与石英晶体光轴之间的夹角以调整非常光折射率，基于光学延迟量公式，降低非常光折射率和寻常光折射率的光折射率差值以增大零级波片的波片厚度。
图2是本发明的新型零级波片制备方法的原理示意图。下面结合图2对本发明的原理和计算过程说明如下。
在本优选实施例中，以石英晶体制备零级波片为例进行说明，新的零级波片通过调整对石英晶体的切割方向，使得石英晶体的切割方向垂直于入射光法线。本领域技术人员知悉，还可以采用任何适合的其他材料，其原理类似。
如图2所示，入射光经过双折射晶体后的光学延迟量公式如下
Figure BDA0003358344840000041
δ表示光学延迟量，d表示零级波片的波片厚度，λ表示波长，ne表示入射光法线与光轴夹角为0时的非常光折射率，n0表示入射光法线与光轴夹角为90°时的正常光折射率。石英晶体内部折射率、寻常光各向等值，非常光各向异值，沿光轴方向的寻常光和非寻常光的折射率相等，石英晶体为正晶体，ne＞n0。
本领域技术人员知悉，当入射光在主截面内时，非常光的振动方向垂直于常光振动方向，且与光轴的夹角不等于90°。非常光折射率值随着其振动方向与光轴的夹角而变化。当夹角为0°时，折射率为特定值，即ne；当夹角介于0°到90°之间时，为变化值，用n′e表示；夹角为90°时，ne＝n0。夹角越小，n′e值越接ne；夹角越大，n0值越接近n0值。
如图2所示，设光轴为Z轴，θ表示入射光法线与光轴之间的夹角，求解单轴晶体菲涅耳一元二次方程式：
Figure BDA0003358344840000051
获得两个解，即入射光的非常光折射率
Figure BDA0003358344840000052
和寻常光折射率n2＝n0。
如前所述，θ表示入射光法线与光轴之间的夹角，ne表示入射光法线与光轴夹角为0时的非常光折射率，n0表示入射光法线与光轴夹角为90°时的正常光折射率。
由于如前所讨论的寻常光与非寻常光之间的关系，显然n1为非寻常光的折射率的一般式，设n1＝n′e。此时光学延迟量公式一般式为
Figure BDA0003358344840000053
即
Figure BDA0003358344840000054
其中δ表示光学延迟量，d表示零级波片的波片厚度，λ表示波长。
以制作波片常用的石英晶体为例，当垂直石英光轴切割时，θ＝90°，此时n′e＝ne，当θ＝0°时n′e＝no。理论上通过调整石英切割方向与石英光轴之间的夹角可以调整e光折射率n′e，使得|n′e-n0|减小，从而增加零级波片厚度。
即如图2所示，石英晶体的切割方向垂直于入射光法线，石英晶体的切割方向与石英晶体光轴之间的夹角为90°-θ，通过调节石英晶体的切割方向与石英晶体光轴之间的夹角，则可以调节θ，而根据非常光折射率
Figure BDA0003358344840000061
和寻常光折射率n2＝n0，可知调节θ就可以调节n1和n0，从而调节光折射率差值|n1-n0|。
进一步基于前述公式
Figure BDA0003358344840000062
由于λ和δ不变时，只要降低光折射率差值|n1-n0|就可以增大零级波片的波片厚度d。
以石英八分之一波片为例，当波长为455nm，当石英切割方向与石英光轴与夹角为80°时，代入上式：
Figure BDA0003358344840000063
Figure BDA0003358344840000064
可求得此时波片厚度为0.371mm。
如前所述，目前的波长455nm的零级波片的厚度为12um。因此，本发明的零级波片的厚度远远大于其厚度，因此制造工艺简单，成本较低。
在步骤S2中，基于该增大的零级波片的波片厚度d制造零级波片。在此，本领域技术人员可以采用本领域中已知的任何加工方法进行制造，在此就不再累述了。
图3是本发明的新型零级波片的离散角示意图。参见图3可知，本发明制造的零级波片，由于入射光线与光轴存在夹角，因此寻常光O光与非常光e光出射后存在一定的离散角，设离散角为β，则有如下关系：
Figure BDA0003358344840000065
以石英八分之一波片为例，当波长为455nm，当石英切割方向与石英光轴与夹角为80°时，波片厚度为0.371mm，由于光轴方向与入射光方向存在90°-θ＝10°夹角，因此此寻常光o光与非常光e光存在一个离散角β，即o光与e光分离，此时离散角为0.094°。对于离散角校准要求不严苛的场景中可以只使用一枚波片，此波片兼顾温度稳定性和较大的入射角容忍度。
针对离散角校准要求比较高的场景中，图4-5分别给出了两种离散角消除方式。图4是本发明的新型零级波片的第一离散角消除方式示意图。如图4所示，在所述入射光两次经过所述零级波片时，例如若经过所述零级波片的光线被反射后再次返回，则只需要一枚波片即可，1光线经过零级波片后被分成寻常光o光与非常光e，寻常光o光与非常光e经过波片零级波片后被反射片反射后寻常光o’光和非常光e’光再次经过零级波片，重新汇聚成1’光，从而消除所述离散角。
图5是本发明的新型零级波片的第二离散角消除方式示意图。如图5所示，在所述入射光单次经过所述零级波片时，叠加出射面与所述零级波片相对的另一零级波片以如此即可校正由于离散角导致的寻常光与非常光的分离，汇聚所述寻常光和所述非常光并消除所述离散角。在本例中，双波片叠加相当于四分之一波片。
实时本发明的新型零级波片制备方法以及使用该方法制备的新型零级波片通过调整光轴和切割角度的方法，降低了零级波片的加工难度，针对离散角校准要求比较高的场景中使用两枚波片校准光路，对于离散角校准要求不严苛的场景中可以只使用一枚波片。此波片兼顾温度稳定性和较大的入射角容忍度。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型零级波片制备方法，其特征在于，包括：
S1、调整晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角以调整非常光折射率，基于光学延迟量公式，降低非常光折射率和寻常光折射率的光折射率差值以增大零级波片的波片厚度；
S2、基于所述波片厚度制造所述零级波片。
2.根据权利要求1所述的新型零级波片制备方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S11、求解单轴晶体菲涅耳方程式
Figure FDA0003358344830000011
Figure FDA0003358344830000012
以获得入射光的非常光折射率
Figure FDA0003358344830000013
和寻常光折射率n2＝n0，其中θ表示入射光法线与光轴之间的夹角，ne表示入射光法线与光轴夹角为0时的非常光折射率，n0表示入射光法线与光轴夹角为90°时的正常光折射率；
S12、基于入射光经过晶体的光学延迟量公式
Figure FDA0003358344830000014
带入入射光的非常光折射率n1＝ne，获得
Figure FDA0003358344830000015
其中δ表示光学延迟量，d表示零级波片的波片厚度，λ表示波长；
S13、晶体的切割方向垂直于入射光法线，晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角为90°-θ，通过调节晶体的切割方向与晶体光轴之间的夹角，则可以调节θ，从而调节光折射率差值|n1-n0|；
降低光折射率差值|n1-n0|从而增大波片厚度。
3.根据权利要求2所述的新型零级波片制备方法，其特征在于，进一步包括：
S4、基于以下公式计算所述入射光的寻常光和非常光之间的离散角β，并基于经过所述零级波片的入射光的光路消除所述离散角：
Figure FDA0003358344830000021
4.根据权利要求3所述的新型零级波片制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在所述入射光两次经过所述零级波片时，所述零级波片自行汇聚所述寻常光和所述非常光并消除所述离散角。
5.根据权利要求3所述的新型零级波片制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在所述入射光单次经过所述零级波片时，叠加出射面与所述零级波片相对的另一零级波片以汇聚所述寻常光和所述非常光并消除所述离散角。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述新型零级波片制备方法，其特征在于，所述晶体包括石英晶体。
7.一种新型零级波片，其特征在于，根据权利要求1-6中任意一项所述新型零级波片制备方法制备。
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