CN116148959A - 一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜，包括抛光面和与所述抛光面垂直的磨砂面；其中，所述抛光面包括入射面和全反射面；所述入射面用于使光线进入角锥内部工作；所述全反射面，用于使光线在角锥内部全反射后，平行于入射光束从所述抛光面输出。本发明通过在角锥棱镜的全反射面上镀无吸收全介质相位延迟膜，同时建立光斑跨区域传输，可以使得任意偏振状态的线偏振光经过角锥棱镜反射后，出射的耦合光具有高度保偏性能，本发明工艺要求低，结构简单，装配方便，对偏振不敏感，可广泛应用在工程光学领域。

Description

一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜
技术领域
本发明属于光学元件加工技术领域，尤其涉及一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜。
背景技术
角锥棱镜在工程中应用广泛，其自准直光学特性，准相位共轭特性和相干合成功能在免调试激光器中有很好的优势，相较于其他类型的反射部件，利用角锥棱镜的溯源反射特性，不仅具有结构简单、维修方便、安装迅速等优点，还能解决全固态激光器谐振腔镜失谐的难题，提高输出光束质量，成为免调试激光器的研究重点之一，但现有的角锥棱镜具有退偏振特性，对光偏振特性有特殊要求的设备性能影响较大，该特性会降低激光器的输出效率及热稳定性，在一定程度上影响了角锥棱镜的应用。
为了解决角锥棱镜的退偏问题，实现角锥的保偏性能，目前主要有三种方法：
一种方法是使线偏振光的偏振方向以一定角度入射角锥，在特定的偏振角度下，出射光仍为线偏振光，文献“基于角锥棱镜谐振腔的理论研究”(西北大学学位论文，2012年)描述的该方法。
该方法的优点是原理简单，角锥按一定角度放置即可实现线偏振光输出；缺点是输出光的偏振方向与输入光不同，系统对偏振角度敏感，调试难度大，该方法不是严格意义上的角锥棱镜保偏方法。
一种方法是通过在角锥外附加波片对入射光或出射光进行偏振调制，使线偏光经过角锥棱镜反射后仍保持线偏振特性，且偏振方向与原偏振方向相同，专利“保偏型角锥棱镜”(专利号CN105182457B)描述了该方法。该方法的优点是装调精度低；缺点是仅能针对某些特殊偏振态保偏，且附加波片无法实现光斑跨区域保偏。
一种方法是在角锥棱镜的反射面上镀金属膜，专利“消偏振角锥棱镜”(专利号CN92214420.6)描述了该方法。该方法能够较好的保持输入光的线偏特性；缺点是金属膜，损耗大，总损耗在3％-10％之间，损耗部分是金属膜的吸收，不能用于高功率系统中，另一大缺点是消光比不高，只能到10/1到25/1的水平，不能满足高精度测试系统对高消光比300比1以上的要求。文献Opticalthinfilmsonpolarizationpreservingcubecornerretroreflectors，HakchuLee，SPIEVol.7101710112-1，描述了一种实现只有垂直或水平偏振方向的保偏角锥，只在角锥的二个反射面镀180度相位延迟，这种方式的缺点是不能实现任意偏振方向的保偏。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中保偏角锥棱镜的装调复杂，对偏振敏感，保偏效率低等缺陷，提供一种跨区域工作的高消光比保偏角锥棱镜。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜，包括：
抛光面和与所述抛光面垂直的磨砂面；
其中，所述抛光面包括入射面和全反射面；
所述入射面用于使光线进入角锥内部工作；
所述全反射面，用于使光线在角锥内部全反射后，平行于入射光束从所述抛光面输出。
优选地，所述全反射面包括两两互相垂直的第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面；
所述全反射面上镀全介质相位膜，用于使任意偏振方向的线偏振光经角锥棱镜内跨区域传输后保偏出射。
优选地，所述第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面与所述抛光面均成54.736°夹角。
优选地，所述磨砂面包括第一磨砂面、第二磨砂面、第三磨砂面和第四磨砂面；
所述第一磨砂面、第三磨砂面平行于第二全反射面和第三全反射面的交棱，作为基准定位面。
优选地，所述角锥棱镜的通光面包括第一区域AOE、第二区域EOC、第三区域COD、第四区域DOB、第五区域BOF、第六区域FOA；
AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；
入射光斑被角锥棱镜的棱边CO分割成对称的第一光路和第二光路进行传播；
所述第一光路从所述第三区域COD进入的光从所述第六区域FOA中出射，所述第二光路从所述第二区域EOC进入的光从所述第五区域BOF中出射，光斑跨区域传输后实现高消光比保偏出射。
优选地，所述第一光路和第二光路反射次序的琼斯矩阵表达式为：
JCOD→FOA＝Jr(0°)JR3Jr(60°)JR1Jr(-60°)JR2Jr(60°)
JEOC→BOF＝Jr(180°)JR1Jr(-60°)JR3Jr(60°)JR2Jr(120°)。
优选地，任意状态的线偏振光正入射通光面，偏振光琼斯矢量表示为：
Figure BDA0004093744540000041
出射光状态为JEOC→BOF*E与JCOD→FOA*E的耦合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过在角锥棱镜的全反射面上镀无吸收全介质相位延迟膜，同时建立光斑跨区域传输，可以使得任意偏振状态的线偏振光经过角锥棱镜反射后，出射的耦合光具有高度保偏性能，本发明工艺要求低，结构简单，装配方便，对偏振不敏感，可广泛应用在工程光学领域。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的角锥棱镜的结构示意图；
图2是本发明实施例的角锥棱镜的膜层结构图；
图3是本发明实施例的角锥棱镜的膜层相位曲线图；
图4是本发明实施例的角锥棱镜的反射次序定义及光路图；
图5是本发明实施例的角锥棱镜的实验测试图；
图6是本发明实施例的角锥棱镜的实验测试结果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本发明所提供的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，包括，
抛光面和与抛光面垂直的磨砂面；
其中，抛光面包括入射面和全反射面；
入射面用于使光线进入角锥内部工作；
全反射面，用于使光线在角锥内部全反射后，平行于入射光束从抛光面输出。
进一步地优化方案，全反射面包括两两互相垂直的第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面；
全反射面上镀全介质相位膜，用于使任意偏振方向的线偏振光经角锥棱镜内跨区域传输后保偏出射。
进一步地优化方案，第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面与抛光面均成54.736°夹角。
进一步地优化方案，磨砂面包括第一磨砂面、第二磨砂面、第三磨砂面和第四磨砂面；
第一磨砂面、第三磨砂面平行于第二全反射面和第三全反射面的交棱，作为基准定位面。
进一步地优化方案，角锥棱镜的通光面包括第一区域AOE、第二区域EOC、第三区域COD、第四区域DOB、第五区域BOF、第六区域FOA；
AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；
入射光斑被角锥棱镜的棱边CO分割成对称的第一光路和第二光路进行传播；
第一光路从第三区域COD进入的光从第六区域FOA中出射，第二光路从第二区域EOC进入的光从第五区域BOF中出射，光斑跨区域传输后实现高消光比保偏出射。
进一步地优化方案，第一光路和第二光路反射次序的琼斯矩阵表达式为：
JCOD→FOA＝Jr(0°)JR3Jr(60°)JR1Jr(-60°)JR2Jr(60°)
JEOC→BOF＝Jr(180°)JR1Jr(-60°)JR3Jr(60°)JR2Jr(120°)。
进一步地优化方案，任意状态的线偏振光正入射通光面，偏振光琼斯矢量表示为：
Figure BDA0004093744540000061
出射光状态为JEOC→BOF*E与JCOD→FOA*E的耦合。
实施例一
本发明采用反射面镀全介质相位膜及光斑跨区域传输方式来改进常规的角锥棱镜，使角锥棱镜能够满足任意偏振态的线偏光保偏出射。本发明的耦合出光型高消光比保偏角锥棱镜结构简单，装配方便，对偏振不敏感，能够应用在绝大多数角锥棱镜的应用领域。
如图1所示，以H-K9L为材料的普通角锥棱镜，在三个反射面上镀180°全介质相位膜，包括四个抛光面和四个磨砂面，其中抛光面4为入射面，其作用是使光线进入角锥内部工作，抛光面1～3为全反射面，此三个面与抛光面4均成54.736°夹角，且三个抛光面1～3之间两两互为90°，其作用是使光线在角锥内部全反射后，平行于入射光束从抛光面4输出，使角锥具备反向器功能；四个磨砂面与抛光面4两两相互垂直，且磨砂面1和磨砂面3平行于抛光面2和抛光面3的交棱，其作用是作为基准定位面。通过在角锥棱镜三个全反射面上镀全介质相位膜，能够使任意偏振方向的线偏振光经角锥棱镜内跨区域传输后保偏出射。
角锥棱镜通光面为使光线透射或反射的面，上面附有介质膜，用Ta2O5、SiO2作为膜层材料，如图2所示，用于实现S、P光的位相补偿。该膜系在600-680nm区间内的膜层相位特性如图3所示。
角锥棱镜通光面被分成AOE、EOC、COD、DOB、BOF、FOA六个区域，AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；入射光斑被角锥棱镜的棱边CO分割，从COD进入的光从FOA中出射，从EOC进入的光从BOF中出射，光斑跨区域传输后实现高消光比保偏出射。其反射次序的琼斯矩阵表达式为：
JCOD→FOA＝Jr(0°)JR3Jr(60°)JR1Jr(-60°)JR2Jr(60°)
JEOC→BOF＝Jr(180°)JR1Jr(-60°)JR3Jr(60°)JR2Jr(120°)
当任意状态的线偏振光正入射通光面，如图4，偏振光琼斯矢量表示为：
Figure BDA0004093744540000071
出射光状态为JEOC→BOF*E与JCOD→FOA*E的耦合，用消光比算法求出在任意状态下的线偏振光经过本发明的角锥棱镜后，消光比均＞300dB(1030:1)。
如图5所示，搭建测试系统，将三面镀180°全介质相位膜的角锥棱镜置于系统中，激光器出射线偏振光，经过角锥棱线跨区域传输后，反射出光被功率计接收，功率计探测深度为40dB(10000:1)，调节激光器起偏方位角分别为0°、15°、22.5°、45°、90°，读取功率计的数据，如图6所示。
测试结果：180°相位膜效果由于受功率计探测深度及系统误差等影响，无法真实体现其效果，额外测试了三面镀150°相位膜的角锥，结果约23dB(200:1)左右，与理论计算基本吻合，表明了当一束线偏振光，以任意起偏角正入射一种三个面镀180°相位补偿膜的角锥后，出射光将具有非常高度保偏的效果。
综上所述，本发明的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，通过在角锥棱镜全反射面上镀无吸收全介质相位延迟膜，并采用光斑跨区域传输方式实现等工作光斑下的小尺寸高消光比保偏角锥，可使任意状态的线偏振光在角锥棱镜内跨区域传输后能够保偏出射。因此，所述角锥棱镜在绝大多数应用下都能具备无损耗保偏特性，结构简单，装配方便，对偏振方向不敏感，保偏效果极佳，能够很好的应用在各种对角锥反射器有高消光保偏要求和小尺寸要求的领域，特别是高激光功率条件，跨区域光斑，以及高精度测距系统。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，包括：抛光面和与所述抛光面垂直的磨砂面；
其中，所述抛光面包括入射面和全反射面；
所述入射面用于使光线进入角锥内部工作；
所述全反射面，用于使光线在角锥内部全反射后，平行于入射光束从所述抛光面输出。
2.根据权利要求1所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
所述全反射面包括两两互相垂直的第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面；
所述全反射面上镀全介质相位膜，用于使任意偏振方向的线偏振光经角锥棱镜内跨区域传输后保偏出射。
3.根据权利要求2所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
所述第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面与所述抛光面均成54.736°夹角。
4.根据权利要求1所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
所述磨砂面包括第一磨砂面、第二磨砂面、第三磨砂面和第四磨砂面；
所述第一磨砂面、第三磨砂面平行于第二全反射面和第三全反射面的交棱，作为基准定位面。
5.根据权利要求1所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
所述角锥棱镜的通光面包括第一区域AOE、第二区域EOC、第三区域COD、第四区域DOB、第五区域BOF、第六区域FOA；
AO、BO、CO为角锥的三条棱边在通光面的投影，OD、OE、OF分别为AO、BO、CO的延长线；
入射光斑被角锥棱镜的棱边CO分割成对称的第一光路和第二光路进行传播；
所述第一光路从所述第三区域COD进入的光从所述第六区域FOA中出射，所述第二光路从所述第二区域EOC进入的光从所述第五区域BOF中出射，光斑跨区域传输后实现高消光比保偏出射。
6.根据权利要求5所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
所述第一光路和第二光路反射次序的琼斯矩阵表达式为：
JCOD→FOA＝Jr(0°)JR3Jr(60°)JR1Jr(-60°)JR2Jr(60°)
JEOC→BOF＝Jr(180°)JR1Jr(-60°)JR3Jr(60°)JR2Jr(120°)。
7.根据权利要求6所述的低损耗高消光比保偏角锥棱镜，其特征在于，
任意状态的线偏振光正入射通光面，偏振光琼斯矢量表示为：
Figure FDA0004093744460000021
出射光状态为JEOC→BOF*E与JCOD→FOA*E的耦合。
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