CN1609658A - 基于光学干涉和色散原理的偏振分波的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光学干涉和色散原理的偏振分波装置，由偏振片，双折射晶体波片和宽带偏振分束器组成。入射光通过偏振器产生一束入射偏振光，入射偏振光通过双折射晶体波片，使入射偏振光振动方向与波片光轴呈π/4夹角正入射，在波片中入射偏振光被分成具有不同传播速率的两束光非寻常光和寻常光；它们的电位移矢量D_e和D_o在两个互相正交的方向上振动，其在波片的传播中折射率n_e、n_o不相同，透过波片后o－光与e－光就形成一个相位差δ＝2π(n_e－n_o)d/λ。相位差是波长λ的函数，使一个通道透过一个波段的光波，另一与之垂直的通道透过与第一个通道光波振动方向垂直的另一个波段光波。分束波长和带宽可选择设计，结构紧凑。

Description

基于光学干涉和色散原理的偏振分波的方法和装置

一、技术领域

本发明涉及一种偏振分波的方法和装置，尤其是基于光学干涉和色散原理的偏振分波的方法和装置。

二、背景技术

分波器件在光学、光器件以及光纤通讯中起着重要的作用，一般作为滤波器以及波分复用器件。传统的分波器件由光栅(折射和反射光栅，或光纤光栅)和光学干涉仪组成，包括Fabry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪以及多层光学薄膜系统。从这些器件出来的分束具有与入射光相同的偏振态。但是，在干涉测量和一些光学传感器中，如光纤陀螺，常需要线偏振光。传统的方法是在入射光与分波器件的光路上插入偏振器，但这种方法不可避免地降低系统的可靠性并增加光强损耗。因此，设计一种新型的偏光分波器件以适用于多通道干涉仪以及其他相关的光学系统就显得十分重要。

通常，偏振分束可以将入射光透过双折射晶体(如方解石和α-石英)来实现。然而由双折射晶体出射的两束偏振相互垂直的光波具有和入射光相同的光谱。

三、发明内容

本发明目的是：在于构筑一种基于晶体光学和色散原理基础上的偏光分束方法和装置，使出射的两束相互垂直偏振的光波具有不同的中心波长；本发明还在于提供一种精密的偏振分束方法和装置。如提供一种当两个具有一定带宽的中心波长为λ₁和λ₂的光波进入该装置后，分解出两束相互垂直振动的偏振光，其中心波长分别为λ₁和λ₂。出射的两束光波是振动方向相互垂直的两个波段。提供一种两个通道作为某一波段分束的偏振滤波器。即当入射光波波段覆盖紫外至可见光范围，则一个通道透射偏振紫外光波，另一个通道透射偏振可见光波。或者当入射光波覆盖可见至红外范围，则一个通道透射偏振可见光波，另一个通道透射偏振红外光波。

本发明的方案是这样实现的：一种基于晶体光学和色散原理基础上的偏光分束方法和装置，利用偏振光在波片中，由于寻常光(o-光)和非寻常光(e-光)的折射率n_e，n_o不相同，入射光被分成具有不同传播速率的两束光。e-光和o-光的电位移矢量D_e和D_o在两个互相正交的方向上振动，并且与波片的法向成直角，如图1所示，图1.入射光电场矢量在波片的快轴和慢轴以及起偏器和检偏器轴向投影示意图。θ为起偏器和检偏器轴向的夹角。φ为晶体中电位移矢量D_o和起偏器轴向的夹角。

在图1中，入射光垂直入射到波片上，矢量D_e和D_o在晶体中的振动方向正交。为了研究光波经由起偏器，波片，检偏器组成的光学系统所产生的干涉，我们令φ为矢量D_o与起偏器轴向的夹角，令θ为起偏器轴与检偏器轴间的夹角。入射光的电场E在矢量D_e和D_o方向上的分量分别为Esin(φ)和Ecos(φ)。e-光和o-光经过厚度为d的波片，产生一个相位差δ＝2π(n_e-n_o)d/λ，λ为入射光在真空中的波长。在这一系统中，只有平行于检偏器轴向振动的入射光波可以通过。图1中，分量OG和OF为光电场OC和OB在检偏器轴向的投影，分别表示为Esin(φ)sin(φ-θ)和Ecos(φ)cos(φ-θ)。当起偏器和检偏器轴向相互平行(θ＝0)时，透射率T(T＝I_t/I_i，I_t和I_i分别为出射光和入射光的光强)可以表示为T＝1-sin²(2φ)sin²(π(n_e-n_o)d/λ)。对于一给定的相位差δ，当φ＝π/4时，透射率具有最大值cos²(π(n_e-nx)d/λ)。在起偏器和检偏器轴向正交(θ＝π/2)情况下，透射率同样在φ＝π/4时具有最大值sin²(π(n_e-n_o)d/λ)。因此，在这两种情况下，当φ＝π/4时，由于等振幅干涉而使光学干涉对比度最大，并且光学干涉显示互补性，即偏振器与检偏器轴向平行时的相消干涉对应于两轴向垂直时的加强干涉，反之亦然。这些特点是制作新型偏光分束装置的物理基础。

对于给定的波片厚度d，由于双折射率是波长的函数，即n_e-n_o＝f(λ)，相位差δ(δ＝2π(n_e-n_o)d/λ)也是波长λ的函数。根据光学干涉原理，当δ＝2mπ时，光波产生加强干涉透射率有最大值，当δ＝(2m+1)π时，光波产生相消干涉透射率有最小值，这里m＝0，1，2，3，…，称为干涉级数。为了将波长为λ₁和λ₂的光波分开(λ₁＞λ₂)，波片的厚度必须满足如下条件：

       d(n_e-n_o)_λ1＝mλ₁ (m＝0，1，2，3，…)，    (1)

和

$d{(n_e-n_o)}_{{\mathrm{\λ}}_2}=(m+\frac{1}{2}){\mathrm{\λ}}_2.---\left(2\right)$

对于给定的两波长λ₁、λ₂，波片厚度d通过式(1)，式(2)确定后，则透过波片的寻常光与非寻常光之间的光程差对于波长λ₁为mλ₁，对于波长λ₂为(m+1/2)λ₂。因此，当双折射晶体的光轴分别与起偏器和检偏器轴向成π/4时，如果能够在空间上把两种相互垂直的偏振光分开，则可实现分出波长为λ₁和λ₂的两束偏振光波，而且透射光的光学干涉对比度为最大。干涉级数m的取值高，即波片厚时装置具有波长分辨率高的分束能力。

本发明也用于实现分出波长为λ₁和λ₂为中心的两个宽带的两束偏振光波。同上述参数选择。

如果连续使用本方法，分束出带宽较窄的λ₁和λ₂为中心的两束偏振光波。

偏振分波的装置由偏振器，波片，偏振分束器组成，如图2(a)所示。起偏器的轴向与波片光轴夹角为π/4，波片的参数由上述。在此情况下，电场E沿D_o和D_o方向的两分量相等。正方形波片的光轴沿对角线的方向，如图2(b)所示。经过波片的透射光由寻常光与非寻常光组成，其偏振方向相互垂直，振动方位角分别为π/4和3π/4。透射的e-光和o-光在偏振分束器中沿两个相互垂直的方向透射和反射。在偏振分束器的作用下，透射光束的偏振方向平行于入射面，反射光束的偏振方向垂直于入射面。构成两个光通道，这两个通道可以作为某一波段的偏振滤波器。

在这种情况下，通道I等同于两偏振器轴向相互平行的情形，而通道II则对应于两偏振器相互垂直的情形。o-光和e-光具有相位差2π(n_e-n_o)d/λ，并且在两相互垂直的振动方向上发生干涉。这两种情况的透射率分别等于cos²(π(n_e-n_o)d/λ)和sin²(π(n_e-n_o)d/λ)。因此，透射通道I用于通过波长为λ₁的p-波，而反射通道II则用于通过波长为λ₂的s-波。当入射光波波段覆盖紫外至可见光范围，则一个通道透射偏振紫外光波，另一个通道透射偏振可见光波。或者当入射光波覆盖可见至红外范围，则一个通道透射偏振可见光波，另一个通道透射偏振红外光波。

本发明可以构成紫外或红外与可见光分光装置，即选择λ₁和λ₂分别为可见光波长中心和紫外或红外波长中心，当入射光波波段覆盖紫外至可见光范围，则一个通道透射偏振紫外或红外光波，另一个通道透射偏振可见光波。可以制成下述装置：由两个或多个上述基本装置连续构成，用于实现宽带中的波长细分和波长分辨率高的分束。

本发明的特点和效果：在满足上述条件或部分满足上述条件的情况下能进行各种情况的分束，提供了一种新型的且结构简单、制备方便的分束装置，尤其可以进行精密的波长分束控制，这是现有方法和装置无法完成的。波片材料的选择和应用十分广泛，α-石英、蓝宝石、方解石等均可，偏振分束器是选用现有的装置，通过起偏器和偏振分束器后产生不同频率的偏振光。本发明使入射光波进入该装置后，分解出两束相互垂直振动的偏振光，而且分束出的两束光波的中心波长为λ₁和λ₂。同时作为某一波段分束的偏振滤波器，即当入射光波波段覆盖紫外至可见光范围，则一个通道透射偏振紫外光波，另一个通道透射偏振可见光波。或者当入射光波覆盖可见至红外范围，则一个通道透射偏振可见光波，另一个通道透射偏振红外光波。本发明可以对任意波长和波段范围的光波进行分束。本发明的方法和装置可以进行多级使用，用于精密波长分束。因此本发明可以制成两通道或多通道带宽滤波器。本发明的用途极为广泛，可以在光通讯、各类光学检测仪表、激光器应用、红外检测医疗等行业或领域使用。

三、附图说明

图1为本发明原理图，入射光电场矢量在波片的快轴和慢轴以及起偏器和检偏器轴向投影示意图。θ为起偏器和检偏器轴向的夹角。φ为晶体中电位移矢量D_o和起偏器轴向的夹角。

图2为本发明结构示意图，图2(a)偏光分束装置示意图；图2(b)波片结构示意图，波片的光轴与x/y轴成π/4，且处于对角线位置，或者x/y轴处于对角线位置。

图3为本发明e-光和o-光在α-石英中的色散关系和通道透过的实施例曲线，图3(a)e-光和o-光在α-石英中的色散关系(圆点和方点是实验结果，实线为图中公式的拟合值)；图3(b)厚度为540.4μm的石英波片在相互平行的两偏振器间的透射率(通道1)以及相互垂直的两偏振器间的透过率(通道2)。

图4为本发明一实例的红外光谱图，光通过一夹在两平行(通道I)和垂直(通道II)偏振器间的波片(542.0μm)的红外光谱。

图5为本发明入射光波波段覆盖可见光至红外范围，则一个通道透射偏振红外光波，另一个通道透射偏振可见光波。α-石英波片厚度为20μm。

四、具体实施方式

实例一

如图3、4所示，为了说明本偏振分波装置，我们使用α-石英波片以分开在光通讯中常用的两个波长为1310nm和1550nm的光波。在α-石英中，o-光和e-光的色散关系如图3(a)所示。由式(1)和式(2)，确定波片的厚度为540.4μm，对应于干涉级数m＝3。不同波长光波透射率的计算结果，如图3(b)所示。为了验证这一计算结果，我们把厚度为542.0±0.5μm的石英波片置于起偏器和偏振分束器之间。偏振分束器的带宽为400nm(1200～1600nm)，红外透射测量时的分辨率为4cm^-1，两个通道的测量结果如图4所示。两个通道分别在波长为1310nm和1550nm处出现透射率极大值。图4所显示的测量结果与图3所示的计算结果是相吻合的。这些结果表明偏振分束功能可以通过图2所示的光学系统实现。所分光波的线宽随着干涉级数的增加而变窄。用于宽波段偏振分束功能，本装置选用低干涉级数甚至干涉级数为零的波片。若本装置用于分离两个线宽很窄的入射光波，则选用干涉级数高的波片。

这种偏光分波方法的主要特点是两相互正交的偏振光(e-光和o-光)通过一波片后产生相位差。对于给定的两个波长λ₁和λ₂，波片厚度由双折射晶体光学色散关系确定。波长为λ₁和λ₂且相互垂直的偏振光透过波片后分别产生mλ₁和(m+0.5)λ₂的光程差，并通过偏振分束器，在两相互垂直的方向上振动和干涉(s-波和p-波)。通过空间上将s-波和p-波分离以实现偏光分束的功能。两个通道分离的波长为λ₁和λ₂的透射光是相互垂直的偏振光。因此，这种方法不同于传统的分波技术。

除α-石英波片外，波片材料还可以用蓝宝石(Al₂O₃)、方解石、BBO(BaB₂O₄)，LiNbO₃，TiO₂，YVO₄等单晶材料制作，这些材料亦为双折射率材料。这些单晶材料的双折射率以及色散关系如表1所示。

不同双折射单晶材料色散关系以及透射范围不同，但对于给定波长λ₁和λ₂，以及要求带宽，波片的厚度均由式(1)和式(2)确定。波片的取向及光轴方向同上述。

偏振分束器为常用的光学器件，典型的有：立方多层膜偏振分束器，Nicol棱镜、Rochon棱镜等。但立方多层膜偏振分束器比较实用。

实例二

α-石英波片提供一种当宽频带的光波进入该装置后，分解出两束相互垂直振动的可见和红外偏振光。提供一种两个通道作为某一波段分束的偏振滤波器。即当入射光波波段覆盖可见光至红外范围，则一个通道透射偏振红外光波，另一个通道透射偏振可见光波。

            表1几种典型双折射单晶材料的双折射率及色散关系

Claims (10)

1、对于一种基于光学干涉和色散的偏振分波的方法，其特征是入射光通过偏振器产生一束入射偏振光，入射偏振光通过双折射晶体波片，使入射偏振光振动方向与波片光轴呈π/4夹角正入射，在波片中入射偏振光被分成具有不同传播速率的两束光非寻常光e-光和寻常光o-光；它们的电位移矢量D_e和D_o在两个互相正交的方向上振动，其在波片的传播中折射率n_e、n_o不相同，透过波片后o-光与e-光就形成一个相位差δ＝2π(n_e-n_o)d/λ，λ为入射光在真空中的波长。对于给定的波片厚度d，由于双折射率是波长的函数，即n_e-n_o＝f(λ)，相位差δ(δ＝2π(n_e-n_o)d/λ)也是波长λ的函数，为了将波长为λ₁和λ₂的光波分开(λ₁＞λ₂)，波片的厚度满足如下条件：

${d(n_e-n_o)}_{{\mathrm{\λ}}_1}={\mathrm{m\λ}}_1,(m=\mathrm{0,1,2,3},\·\·\·),---\left(1\right)$

和

$d{(n_e-n_o)}_{{\mathrm{\λ}}_2}=(m+\frac{1}{2}){\mathrm{\λ}}_2.---\left(2\right)$

对于给定的两波长λ₁、λ₂，波片厚度d通过式(1)，式(2)确定后，则透过波片的寻常光与非寻常光之间的光程差对于波长λ₁为mλ₁，对于波长λ₂为(m+0.5)λ₂。当双折射晶体波片的光轴分别与起偏器和通过偏振分束器的两个垂直振动方向分别呈π/4夹角时，透过波片的o-光与e-光在偏振分束器的两个振动方向发生等振幅干涉，当δ＝2mπ时，透射率有最大值，当δ＝(2m+1)π时，透射率有最小值，这里m＝0，1，2，3，…，称为干涉级数。用偏振分束器把两种相互垂直的偏振光分开，则可实现分出波长为λ₁和λ₂的两束偏振光波，而且透射光的光学干涉对比度为最大。

2、由权利要求1所述的基于光学干涉和色散的偏振分波的方法，其特征是波片的光轴与偏振光轴和偏振分束器轴两偏振方向均呈π/4，且处于对角线位置可以使分束后的光波产生等振幅干涉。出射的两束光波是振动方向相互垂直的两个不同波段。

3、由权利要求1或2所述的基于光学干涉和色散的偏振分波的方法，其特征是用于实现分出波长为λ₁和λ₂为中心的两个宽带的两束偏振光波。

4、由权利要求3所述基于光学干涉和色散的偏振分波的方法，其特征是连续使用本方法，分束出带宽较窄的λ₁和λ₂为中心的两束偏振光波，以两个通道作为某一波段的偏振滤波器。

5、由权利要求1或2所述的基于光学干涉和色散的偏振分波的方法，其特征是干涉级数m值取较大即波片厚时具有波长分辨率高的偏振分束能力，干涉级数m为零时具有宽波段的偏振分束能力。

6、一种基于光学干涉和色散的偏振分波的装置，其特征是偏振分波的装置由偏振分束器，波片，偏振分束器组成，波片光轴与两偏振分束器相互垂直的振动方向的夹角为π/4，波片的参数由权利要求1给出。

7、由权利要求6所述基于光学干涉和色散的偏振分波装置，其特征是产生偏振紫外与可见光分光装置或者产生偏振可见与红外分光装置，即选择λ₁和λ₂分别为可见光波长中心和紫外波长中心，当入射光波波段覆盖紫外至可见光范围，则一个通道透射偏振紫外光波，另一个通道透射偏振可见光波。或者当入射光波覆盖可见至红外范围，则一个通道透射偏振可见光波，另一个通道透射偏振红外光波。

8、由权利要求1或6所述基于光学干涉和色散的偏振分波装置，其特征是由两个或多个由权利要求1或6的装置连续构成，用于实现宽带中的波长细分和波长分辨率高的分束。

9、由权利要求1或6所述基于光学干涉和色散的偏振分波装置，其特征是由n个由权利要求1或6的装置连续构成，用于实现每个通道中心波长为λ₁、λ₂、…、λ_n的偏振波分功能。

10、由权利要求1或6所述基于光学干涉和色散的偏振分波装置，其特征是在分光波片中被分成非寻常光e-光和寻常光o-光的波片材料在α-石英、蓝宝石(Al₂O₃)、方解石、BBO(BaB₂O₄)，LiNbO₃，TiO₂，YVO₄等双折射晶体中选择。

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