CN1387071A - 光学相位延迟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学相位延迟器,其特征在于由两个光轴方向和通光面法线方向的夹角不为0°或90°的双折射晶体平行分束片沿通光面法线方向相邻平行排列组成。对于给定波长,通过选择两个平行分束片的厚度和光轴方向,使第一平行分束片分开的两束偏振光在第二平行分束片中重新合为一束光,两束偏振光在两个平行分束片中的光程差可以实现所需的相位延迟。本发明的光学相位延迟器便于设计、制造和使用,是一种用途广泛的基础光学器件。

Description

光学相位延迟器

本发明涉及一种光学相位延迟器，属于基础光学器件，可广泛用于光学偏振态的转换。

偏光技术是光学技术的重要分支，其应用渗透到了与光学技术有关的各个领域，尤其在激光光电子领域里的应用十分广泛。光学相位延迟器是许多偏光器件中的一种，这种器件可使光束的两个相互垂直的振动分量之间产生一个附加的相位差(或者说使两个分量的相位产生相对偏移)。和其它偏光器件配合，光学相位延迟器可以实现光的各种偏振态之间的相互转换、偏振面的旋转以及各种偏振光波的调制。

传统的光学相位延迟器是用被称为波晶片的材料制成的。一般切割成片状的晶体统称为晶片，而光轴平行于表面且厚度均匀的晶片特别称为波晶片。波晶片的材料可以是单轴晶体也可以是双轴晶体，通常有石英、云母、氟化镁、蓝宝石等，其中石英晶体是最常用的波晶片材料。

用波晶片材料制成的光学相位延迟器也称为波片，其中包括纯单级波片、多级波片、复合波片等。纯单级波片的厚度一般只有几十微米，加工制造非常困难。多级波片延迟量对环境温度的变化比较敏感。复合波片同时具有单级波片和多级波片的优点，若选择不同材料的波晶片组合，还可成为消色差波片和双波长波片，但制造成本较高，价格昂贵。传统的波晶片型光学相位延迟器的共同缺点是加工制造精度要求高、可选择的晶体材料种类少、适用面窄。光学和光电子技术尤其是激光和光通讯技术的飞速发展要求各种各样的光学器件能够大批量、低成本的生产，上述光学相位延迟器显然不能满足要求。

本发明的主要目的就在于提供一种便于设计、制造和使用，而且性能优良的光学相位延迟器。该光学相位延迟器的相位延迟过程是通过双折射晶体平行分束片来实现的，其中包含以下部分：第一平行分束片，用于把入射光线分成两束偏振光：其一为寻常光o光，另一束为非常光e光；第二平行分束片，用于使第一平行分束片分开的两束偏振光重新耦合；两个平行分束片的光轴角度和厚度由所需的光学相位延迟决定。

本发明的第二目的在于提供一种消色差的光学相位延迟器。该消色差相位延迟器是由至少一个上述光学相位延迟器组成，其中平行分束片的厚度和光轴角度由所需波段光束的相位延迟决定。

本发明的第三个目的在于提供一种双波长的光学相位延迟器，该双波长相位延迟器同样是由至少一个上述光学相位延迟器组成，其中平行分束片的厚度和光轴角度由所需不同波长光束的相位延迟决定。

现参照附图和本发明的实施例详细描述本发明的目的、特征、优点和实现它们的方法。

附图的简单说明：

图1是传统单片结构光学相位延迟器的原理图；

图2是传统二片结构光学相位延迟器的原理图；

图3是传统消色差光学相位延迟器的原理图；

图4是本发明光学相位延迟器实施例的原理图；

图5是本发明消色差光学相位延迟器和双波长光学相位延迟器实施例的原理图。

首先参照图1对光学相位延迟器的原理进行描述，因为它有助于对本发明的理解。图1表示一块厚度为d的双折射晶体波晶片1。光束2垂直入射进入波晶片后分解为o光3和e光4两束偏振光，二者传播方向相同，但传播速度不同。光束射出波晶片1时，两者之间便有由于波晶片1而产生的附加相位差。

通过厚度为d的波晶片1，o光的光程为n_od，在出射表面处的振动与入射表面处相比，o光相位的改变为δ_o＝-(2π/λ)n_od，符号表示实际上是滞后，λ为光束2在真空中的波长。同样，e光相位的变化为δ_e＝-(2π/λ)n_ed，显然δ_o≠δ_e，二者之差即波晶片1引起的附加相位差，这里记为δ

δ＝δ_e-δ_o＝(2πd/λ)(n_e-n_o)    (1)

若构成波晶片1的晶片材料是负晶体，n_o＞n_e，则有δ＞0，这说明e光比o光的相位领先了δ；若晶片材料是正晶体，n_o＜n_e，则有δ＜0，这说明e光比o光的相位落后了|δ|。现在o光和e光都沿垂直于光轴的方向传播，其中e光的振动沿光轴方向，光轴也称为e轴，垂直于光轴的o光振动方向称为o轴。我们把传的较快的那束光的振动方向轴叫做快轴，另一振动方向轴叫做慢轴(对于负晶体e轴是快轴，而正晶体中o轴是快轴)。可把(1)式改写为：

δ＝(2πd/λ)| n_e-n_o|＝2πN    (2)

d为片厚，N为以波长的分数表示的推迟。由此得出的δ是沿快轴的振动比慢轴的振动所领先的相位值，对于N＝1/4和1/2分别成为单级1/4波片和单级1/2波片，N＞1时成为多级片。

由(2)式可以看出波片的延迟量δ是由光束2的波长λ、波晶片1的双折射率n_e-n_o和波晶片1的厚度d共同决定的。对于特定的波长，一种波晶片的双折射率也是固定的，因此只能选择精确的波晶片厚度，才能准确得到所需的相位延迟量。通常制作波片的石英晶体波晶片的n_e-n_o在波长为1.55μm时为0.009541，单级1/2波片的厚度d为81.2μm，因此加工和使用都非常困难。多级片的厚度可以大很多，但由于热胀冷缩的影响，延迟量δ对温度的变化非常敏感。

图2是传统二片结构光学相位延迟器的原理图，厚度分别为d1、d2的同种波晶片5、6串联组合，它们的快轴严格正交。波长为λ的光束7垂直通过波晶片5和6时，出射的o、e光的相位差可表示为：

δ＝|δ₁-δ₂|＝(2π/λ)|(n_e-n_o)·(d1-d2)|＝2πN    (3)

其中δ₁和δ₂分别是由波晶片5、6引起的附加相位差。此结构主要用于制作复合单级波片，它的性能与一纯单级波片相同，也称为准单级波片。由于两个波晶片在快轴方向上的温度效应相互补偿，从而有效地降低了整个器件的温度敏感性，比一多级波片容易使用。缺点也是对晶片厚度加工精度要求高，价格昂贵。

图3是传统消色差光学相位延迟器的原理图。波晶片8、9、10是由不同晶体材料组成的准单级片，每个准单级片均由两片光轴正交的波晶片组成(图3中12、13、14、15、16、17)，其厚度为两个准单级片的厚度差。通过选择不同的双折射晶体材料组合，可使整个器件的双折射色散在一定波段内呈线性变化，从而使垂直通过器件的光波11的延迟量与波长无关，成为消色差波片。由于各种物理化学性能都能满足实用要求的双折射晶体种类不多，给传统消色差波片的设计和制造增加了很多困难，也不利于实际应用。

图4是本发明的光学相位延迟器实施例的原理图。两个双折射晶体平行分束片18、19相邻平行排列。第一分束片18的厚度为d₁，其光轴27和通光面法线方向的夹角33为θ₁，第二分束片19的厚度为d₂，其光轴28和通光面法线方向的夹角34为θ₂，这里θ₁和θ₂不为0°或90°。波长为λ的光束20正入射到第一平行分束片18的入射面29时，折射光会分成两束偏振光：光束21为寻常光o光，其传播方向不变，振动方向垂直于o光的主平面(图4中纸面)，折射率n₁′＝n_1o，其中n_1o为第一分束片18的o光折射率；光束22为非常光e光，其传播方向偏离入射方向，和入射方向的夹角25为α₁，振动方向平行于e光的主平面(图4中纸面)，折射率为n₁″。这里α₁和n₁″分别为：

tg α₁＝(1-n² _1o/n² _1e)tgθ₁/(1+(n² _1o/n² _1e)tg²θ₁)    (4)

n₁″＝(cos²θ₁/n² _1o+sin²θ₁/n² _1e)^-1/2               (5)n_1e为θ₁＝90°时第一分束片18e光的折射率。两束偏振光到达分束片18的出射面30a时的光程差为ΔL₁：

ΔL₁＝(n₁″-n₁′)d₁                                 (6)

两束偏振光从入射面30b进入第二分束片19。选择光轴28和通光面法线方向的角度34使第二分束片19起合束的作用。这时光束23仍为寻常光o光，其传播方向不变，振动方向垂直于o光的主平面(图4中纸面)，折射率n₂′＝n_2o，其中n_2o为第二分束片19的o光折射率；光束24为非常光e光，其传播方向偏向o光，偏向角26为α₂，振动方向平行于e光的主平面(图4中纸面)，折射率为n₂″。同上这里α₂和n₂″分别为：

tgα₂＝(1-n² _2o/n² _2e)tgθ₂/(1+(n² _2o/n² _2e)tg²θ₂)     (7)

n₂″＝(cos²θ₂/n² _2o+sin²θ₂/n² _2e)^-1/2                (8)n_2e为θ₂＝90°时第二分束片19e光的折射率。为了使偏振光束23、24能够在第二平行分束片的出射面31处重新合为一束光32，α₁、α₂和d₁、d₂必须满足关系式：

               d₁tgα₁＝d₂tgα₂                           (9)两束偏振光在分束片19中传播的光程差为ΔL₂：

ΔL₂＝(n₂″-n₂′)d₂                                       (10)

两束偏振光在分束片18、19种传输的总光程差ΔL为：

ΔL＝ΔL₁+ΔL₂                                               (11)

出射的o、e光的相位差δ为：

δ＝(2π/λ)ΔL＝2πN                                           (12)

通过公式(4)-(12)，对于给定的波长λ的相位延迟级数N，选定平行分束片参数θ₁、θ₂、d₁、d₂中的任意两个参数，即可求得其它两个参数。两个平行分束片可以是由同一种双折射晶体材料组成，也可以是由不同的双折射晶体材料组成。另外为了提高器件的透射比性能，还可在两个平行分束片的通光表面镀上增透膜。

如果两个平行分束片是由同一种晶体材料组成的，还可选择厚度d₁＝d₂，这时θ₁＝θ₂，两个平行分束片呈镜面对称，从而更有利于器件的加工制造。

附图4所示的两个平行分束片是以正单轴晶体为例，用其它双折射晶体也可以得出相同的结论。

本发明的光学相位延迟器比传统的波晶片式光学相位延迟器增加了可变参数：晶片光轴和平行通光面法线方向的角度θ角，其实际应用的意义在于：1.对于某一应用波长的所需相位延迟，可以通过改变θ角选择最适合晶体加工的晶片厚度；2.由于多了一个可变参数，有更多的双折射晶体可以用来制造本发明的光学相位延迟器，可以在更大范围内选择光学和物化性能优秀的原材料，从而设计制造出更适合实际应用的光学相位延迟器；3.可以用一种晶体设计制造出某些特殊应用的光学相位延迟器，比如消色差光学相位延迟器和双波长光学相位延迟器。

传统波片式光学相位延迟器的的常用材料之一是石英(SiO₂)晶体，如上所述制做传统1.55μm单级1/2波片的厚度d为81.2μm，加工和使用都非常困难。采用本发明的光学相位延迟器结构，选择θ＝14°的两个相同的平行分束片，制作1.55μm单级1/2波片时每个分束片的厚度d为700.7μm，对器件的加工和使用都非常有利。一些双折射率比较大的晶体材料根本无法制作波晶片式单级波片，例如近年来发展迅速的钒酸钇(YVO₄)晶体，在1.55μm波长的双折射率为0.20388，传统结构的1.55μm单级1/2波片的厚度d为3.8μm，很难加工使用。采用本发明的光学相位延迟器结构，选择θ＝4°的两个相同的平行分束片，用来制作1.55μm单级1/2波片的每个分束片的厚度d为453.2μm，因此可以用来制作本发明的光学相位延迟器。同样道理如方解石(CaCO₃)、金红石(TiO₂)、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、氟化镁(MgF₂)和白宝石(Al₂O₃)等双折射晶体都可以用来制作本发明的光学相位延迟器。

图5是利用上述本发明的光学相位延迟器结构设计的消色差光学相位延迟器和双波长光学相位延迟器的实施例原理图。图中35、36相当于两个上述本发明的光学相位延迟器，它们分别是由平行分束片39、40和41、42组成，其中39、40为同一种双折射晶体材料；41、42为另外一种双折射晶体材料，它们和39、40的材料可以相同，也可以不同。分束片39、40的光轴43、44和平行通光面法线方向的夹角47、48同为θ₁，分束片41、42的光轴45、46和平行通光面法线方向的夹角49、50为θ₂。光轴43、44构成的平面和光轴45、46构成的平面相互垂直。延迟器35、36的厚度分别为d₁和d₂。波长为λ₁的光束37垂直通过延迟器35、36时所形成的相位差分别是：

δ₁₁＝D₁₁d₁                                                         (13)

δ₁₂＝D₁₂d₂                                                         (14)

其中D₁₁＝(2π/λ₁)((cos²θ₁/n² _o1+sin²θ₁/n² _e1)^-1/2-n_o1)     (15)

D₁₂＝(2π/λ₁)((cos²θ₂/n² _o1+sin²θ₂/n² _e1)^-1/2-n_o1)         (16)

由于延迟器35、36的主平面是相互正交的，因此总的相位延迟为：

Δ₁＝δ₁₁-δ₁₂＝D₁₁d₁-D₁₂d₂＝2πN₁                            (17)

同理，波长为λ₂时有：

Δ₂＝δ₂₁-δ₂₂＝D₂₁d₁-D₂₂d₂＝2πN₂                            (18)

其中D₂₁＝(2π/λ₂)((cos²θ₁/n² _o2+sin²θ₁/n² _e2)^-1/2-n_o1)     (19)

D₂₂＝(2π/λ₂)((cos²θ₂/n² _o2+sin²θ₂/n² _e2)^-1/2-n_o2)         (20)

N₁、N₂分别为波长为λ₁和λ₂时的延迟级数。

对于特定的双折射晶体，不同波长的n_o、n_e值是已知的，θ₁和θ₂角可以自由选定，因此D₁₁D₁₂D₂₁D₂₂都为已知数，根据需要选定N₁、N₂，通过(17)、(18)式即可确定两个延迟器的厚度d₁和d₂。

如果N₁＝N₂，而且两个平行分束片的双折射率在λ₁和λ₂之间随波长变化有线性关系，图5所示的相位延迟器即为对波长为λ₁和λ₂之间波段的光束消色差的光学相位延迟器。

如果N₁≠N₂，则图5所示的相位延迟器即为对两个波长为λ₁和λ₂的光束的双波长光学相位延迟器。

由于θ₁和θ₂角可以自由选定，对于给定的相位延迟量N₁和N₂有可能通过这两个角度的选择找到适合晶体加工和使用的厚度d₁和d₂。

如果选取θ₁或θ₂为90°，延迟器35或36相当于两个普通波晶片，因此可以用一个波晶片代替，波晶片的厚度为d₁或d₂。

综上所述，本发明提供了一种容易设计、制造，能满足多方面应用的光学相位延迟器。本发明实施例及原理图是为了对本发明进行描述和说明，并不构成对本发明的限制，所有属于权利要求范围内的相当内容的变化和改动都包含在本发明内。

Claims (8)

1.一种光学相位延迟器，其特征在于由两个光轴方向和通光面法线方向的夹角不为0°或90°的双折射晶体平行分束片沿通光面法线方向相邻平行排列组成，对于给定波长，两个平行分束片的厚度和光轴方向由如下条件决定：由第一平行分束片分开的两束偏振光能够在第二平行分束片中重新合为一束光；两束偏振光在两个平行分束片中的光程差能够实现所需的相位延迟。

2.根据权利要求1所述的光学相位延迟器，其特征在于至少一个平行分束片是由下列晶体材料之一制成的，它们是石英晶体、钒酸钇晶体、方解石晶体、金红石晶体、铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氟化镁晶体和白宝石晶体。

3.根据权利要求1所述的光学相位延迟器，其特征在于第一平行分束片和第二平行分束片是由同一种双折射晶体材料组成的。

4.根据权利要求3所述的光学相位延迟器，其特征在于第一平行分束片和第二平行分束片的厚度相同。

5.一种消色差光学相位延迟器，其特征在于由两个权利要求1所述的光学相位延迟器沿通光面法线方向相邻平行排列组成；其中的平行分束片的厚度和光轴方向由所需波段光束的相位延迟量决定。

6.根据权利要求5所述的消色差光学相位延迟器，其特征在于其中一个权利要求1所述的光学相位延迟器由双折射晶体波晶片替代。

7.一种双波长光学相位延迟器，其特征在于由两个权利要求1所述的光学相位延迟器沿通光面法线方向相邻平行排列组成；其中的平行分束片的的厚度和光轴方向由所需的两个波长光束的相位延迟量决定。

8.根据权利要求7所述的双波长光学相位延迟器，其特征在于其中一个权利要求1所述的光学相位延迟器由双折射晶体波晶片替代。

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