CN114137647A - 一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜及其应用 - Google Patents

一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜及其应用，属于偏振棱镜技术领域，该偏振棱镜包括两块LiNa5Mo9O30晶体棱镜，每个棱镜的顶角根据波长计算，入射光方向沿晶体结晶学c轴，两块棱镜沿斜面通过空气层连接在一起。本发明根据双轴晶中晶体双折射偏振光的输出，计算出LiNa5Mo9O30晶体偏振光中实际应用的折射率和全反角。晶体透光波段可以完全覆盖可见‑中红外波段，抗光损伤阈值高，容易获得大尺寸、高质量晶体，实现了一定波段的偏振光输出，经测量，本发明的偏振棱镜消光比大于10000，其消光比接近于目前常用的偏振棱镜，能够满足实际光学中的应用。

Description

一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜及其应用，属于偏振棱镜技术领域。
背景技术
偏光棱镜是利用光在晶体中的双折射现象，根据光的全反射原理设计而成的。偏振棱镜作为光学实验中一种重要的器件，较大的双折射是实现高消光比、宽波段应用的偏振棱镜的基本要求。目前，线性光学材料的应用主要是集中在单轴晶体，原因在于对于单轴晶体而言，棱镜中所用的双折射为晶体中两个折射率之差，即主轴折射率之差为棱镜中有效的双折射，它的入射平面和主轴平面位于同一平面，根据其偏振特性很容易得到光的偏振态。对于双轴晶，光正入射到晶体得到的过折射率椭球坐标原点与波失垂直的截面为椭圆。椭圆的长轴和短轴分别为两束偏振光的折射率。当光沿着晶体折射率主轴Y轴入射时，将获得最大的双折射(nz-nx)。
目前，应用于制作偏振棱镜的材料主要为不可再生的方解石CaCO3晶体，α-BBO晶体以及YVO4等单轴晶晶体。所涉及的棱镜包括格兰-泰勒棱镜，格兰-激光棱镜，格兰-汤普森棱镜，布儒斯特偏振棱镜，渥拉斯顿棱镜，洛匈棱镜等。其中以方解石为基质的棱镜历史悠久，而且质量最高。但是方解石为天然不可再生资源，资源越来越少，因此价格较高。此外，方解石还存在以下问题：1)难以获得尺寸足够大并且适用于光学应用的方解石晶体；2)由于解离性很强，莫氏硬度为3，加工比较困难；3)方解石是菱面体，八个顶角中只有两个顶角的三个面都是钝角，其光轴平行于这两个顶角的等分线。因此，制作偏振棱镜时，晶体的利用率较低。而且α-BBO晶体一般应用于紫外和可见光波段；方解石和YVO4晶体也收到透过波段的限制，其制作的棱镜只能分别用于0.35-2.3μm和0.5-4μm波段。以上三种晶体并不能完全覆盖3-5μm的中红外波段。近年来，基于双轴晶体α-BaTeMo2O9设计和制作了一种高性能的偏振棱镜。但是α-BaTeMo2O9晶体存在抗光损伤阈值较低，并且生长周期较长，并且不能完全覆盖可见光波段等问题。
因此，寻找双折射较大，物理化学性能稳定，透光波段宽，晶体生长习性好的晶体成为棱镜研究的一个重要方向。
发明内容
针对现有偏振棱镜看光损伤低、透光波段不能完全覆盖可见-中红外波段以及偏振晶体不可再生和生长缓慢的问题，本发明选取了一种综合性能优异的双轴晶体作为棱镜基质，提供一种宽波段、高抗损伤的LiNa5Mo9O30晶体偏振棱镜。
本发明还提供上述偏振棱镜在器件中的应用。
本发明的技术方案如下：
一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，偏振棱镜包括LiNa5Mo9O30晶体棱镜，入射光方向沿晶体结晶学c轴(折射率主轴Y)。
优选的，LiNa5Mo9O30晶体棱镜投影为直角三角形，入射光垂直于棱镜的直角面。
进一步优选的，LiNa5Mo9O30晶体棱镜的数量为两个，两块棱镜沿斜面通过空气层或光胶层连接在一起。
进一步优选的，LiNa5Mo9O30晶体棱镜的顶角由入射光波长计算得出，
Figure BDA0002667769870000021
其中n1为LiNa5Mo9O30晶体折射率，n2为连接层的折射率，连接层为空气层或光胶层。可以通过改变两块LiNa5Mo9O30晶体棱镜斜面的连接层(不同折射率的光胶代替空气层)，获得不同顶角切割的偏振棱镜。通过调节棱镜顶角角度，实现晶体通光波段内(0.3-5μm)的偏振棱镜设计。
一种光学器件，包括偏振分光器，所述偏振分光器中使用上述基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，偏振棱镜的类型可以为格兰-泰勒型棱镜、尼科尔棱镜、沃拉斯顿棱镜等。
上述LiNa5Mo9O30晶体偏振棱镜的设计原理如下：
一束光入射到具有双折射的晶体后，光束一般会被分为两束。如果双折射晶体为双轴晶体，入射光沿着折射率主轴Y轴入射，其中一束光偏振方向就沿着折射率主轴Z轴，另一束光偏振态将沿折射率主轴X方向。当光束达到晶体斜面时会发生反射和投射。当入射角选定大于Z方向偏振的全反角，小于X方向偏振的全反角时，Z偏振光将全部发生全反射，而X方向偏振光同时发生透射和反射。经过第二块晶体后，将得到偏振态完全平行X轴的光，如图1所示。
LiNa5Mo9O30晶体是正双轴晶，其三个光学主轴方向的Sellmeier方程为：
Figure BDA0002667769870000031
Figure BDA0002667769870000032
Figure BDA0002667769870000033
其中ny的方向与结晶学c轴方向重合。
入射光的方向沿ny方向。根据晶体发生双折射的特征，光束进入晶体后，一束光偏振方向沿nx，另外一束沿nz。在0.4502-1.0626μm范围内，不同偏振方向的折射率，双折射以及全反角如下表所示。
折射光不同偏振方向的折射率、折射率差和全反角
波长(μm) n<sub>p</sub> n<sub>s</sub> Δn α<sub>z</sub> α<sub>x</sub>
0.4502 2.1301 1.8756 0.2542 27.99935 32.2194
0.532 2.0774 1.8455 0.2319 28.77498 32.81025
0.6365 2.0414 1.8266 0.2148 29.33137 33.19329
0.8293 2.0115 1.8103 0.2012 29.81106 33.53145
1.0626 1.9944 1.8009 0.1935 30.09293 33.72986
从上表中可以看到，从波长0.45-1.06μm范围内，棱角顶角取31°，双折射中一束光将实现全反射，而另外一束光不会发生全反射。从而实现了此波段的偏振光输出。
本发明的有益效果在于：
LiNa5Mo9O30晶体是一种新型功能晶体，晶体结构研究表明，此化合物属于双轴晶，正交晶系，mm2点群。晶体透过范围为0.31-5.35μm，可以完全覆盖可见-中红外波段。晶体显示出较大的双折射(0.45μm波长时，nz-nx>0.25)。LiNa5Mo9O30晶体可以通过提拉法、助熔剂法、助熔剂-提拉法进行晶体生长，晶体质量和尺寸可以得到保障。同时，晶体具有不潮解，不解理，硬度适中，并且表现出高抗光损伤阈值等优异的物理化学性能。
相对于冰洲石晶体，此晶体双折射更大,可以进行人工生长,且生长习性较好,在红外区透光波段更宽；相对于α-BBO晶体,此晶体同样具有生长习性好,红外透光波段宽；相对于YVO4晶体，此晶体双折射接近，且在紫外和红外透光波段更宽；相对于α-BaTeMo2O9晶体，此晶体具有更短的紫外截止边，并且可以采用助熔剂/助熔剂-提拉/提拉法生长，更容易得到大尺寸单晶。此外，此晶体具有比冰洲石、YVO4，α-BaTeMo2O9晶体更高的损伤阈值。因此，LiNa5Mo9O30晶体是一种潜在的棱镜基质材料。目前，尚未有此晶体棱镜器件的报道。此晶体偏振棱镜的设计将提供一种目前为止使用波段最宽的高抗损伤偏振器件。
本发明采用双轴晶体LiNa5Mo9O30作为棱镜基质，根据双轴晶中晶体双折射偏振光的输出，计算出LiNa5Mo9O30晶体偏振光中实际应用的折射率和全反角，晶体利用率高，实现了一定波段的偏振光输出，经测量，本发明的偏振棱镜消光比大于10000，其消光比接近于目前常用的偏振棱镜，能够满足实际光学中的应用。
附图说明
图1是棱镜的分光示意图。图中带箭头的直线表示光路，双箭头表示光的偏振态。
图2是本发明偏振棱镜的结构示意图。图中带箭头的直线表示光路，双箭头表示光的偏振态光在LiNa5Mo9O30晶体中的偏振方向。
图3是本发明偏振棱镜的消光比测量示意图。
图4是本发明偏振棱镜在隔离器中的应用。
图中：1、氦氖激光器；2、起偏器；3、偏振棱镜，4、硅光电二极管；5、检流计，6、法拉第旋转器。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，偏振棱镜包括LiNa5Mo9O30晶体棱镜，入射光方向沿晶体结晶学c轴。
LiNa5Mo9O30晶体棱镜投影为直角三角形，入射光沿折射率Y轴入射，如图2所示，本实施例的偏振棱镜包括两块LiNa5Mo9O30晶体棱镜，两块棱镜沿斜面通过空气层连接在一起，LiNa5Mo9O30晶体棱镜的顶角由入射光波长计算得出，
Figure BDA0002667769870000041
其中n1为LiNa5Mo9O30晶体折射率，n2为空气层的折射率，每个棱镜的顶角为31°，两块棱镜沿斜面通过空气层连接在一起。入射光方向沿晶体结晶学c轴(折射率主轴Y)。
本发明的偏振棱镜通过图3所示的测量装置测量其消光比。该测量装置包括氦氖激光器1、起偏器2、硅光电二极管4和检流计5。按照光路配置，在起偏器2的后面放置本发明的偏振棱镜3，偏振棱镜3之后放置硅光电二极管4，硅光电二极管4和检流计5相连。打开氦氖激光器1，使光通过起偏器2，得到线偏振光，然后通过偏振棱镜3，到达硅光电二极管4，光信号变成电信号，从而在检流计5得到光强信号。
调整偏振棱镜3与起偏器2平行，探测到最大光强信号为Imax，转动偏振棱镜3，使其与起偏器2垂直，这时探测到最弱光强信号Imin，Imax/Imin为偏振器的消光比，数值约为15000。
实施例2：
一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，其结构如实施例1所述，所不同的是，两块棱镜沿斜面通过光胶层连接在一起。两束偏振光全反角将根据光胶折射率产生变化，棱镜顶角实现可调。
实施例3：
一种应用有上述基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜的光学器件，本发明偏振棱镜可以应用于光学实验中的偏振光调制，如图4中棱镜在隔离器中的应用。将一个入射光偏振面旋转45°的法拉第旋转器置于彼此45°交叉配置的棱镜之间，可构成光隔离器。隔离器只允许单向传播的光通过该系统，而将反向传播的光阻断。

Claims (5)

1.一种基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，其特征在于，偏振棱镜包括LiNa5Mo9O30晶体棱镜，入射光方向沿晶体结晶学c轴。
2.根据权利要求1所述的基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，其特征在于，LiNa5Mo9O30晶体棱镜投影为直角三角形，入射光垂直于棱镜的直角面。
3.根据权利要求2所述的基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，其特征在于，LiNa5Mo9O30晶体棱镜的数量为两个，两块棱镜沿斜面通过空气层或光胶层连接在一起。
4.根据权利要求3所述的基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜，其特征在于，LiNa5Mo9O30晶体棱镜的顶角由入射光波长计算得出，
Figure FDA0002667769860000011
其中n1为LiNa5Mo9O30晶体折射率，n2为连接层的折射率，连接层为空气层或光胶层。
5.一种光学器件，包括偏振分光器，所述偏振分光器中使用权利要求1-4任意一项权利要求所述基于LiNa5Mo9O30晶体宽波段、高抗损伤偏振棱镜。
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