CN1700057A - 一种偏振分束方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分束方法和装置，该装置由光源及一个透明双折射晶体构成，晶体可以是棱镜、圆锥体或光劈形状，其光源的频带宽，可为紫外光、可见光、或红外波段的相干和非相干光，晶体的切割角要满足反射的两束偏振光均为全反射光束。偏振分束方法是当入射光波进入晶体反射界面之后，发生反射后被分解出两束相互垂直振动的偏振光波，当入射光波覆盖某一波段时，分解出的两束状，两带状或两个同心环状的相互垂直振动的偏振光波或者多束锥形线性偏振光束均具色散特征，该偏振分束方法及装置具有结构简单、偏振分束的波段宽广，两偏振线性分束的分束角大，且偏振分束具有极高而且相等的消光比值，可用于高强度入射光的偏振分束条件。

Description

一种偏振分束方法及其装置

一、技术领域

本发明属于光学技术领域，具体是涉及一种基于光学全反射原理的偏振分束方法和偏振装置。

二、背景技术

偏振器是光学和光学工程，包括光纤光学的重要光学元器件。对于偏振装置，最理想的情形是将入射光束分解成两束振动方向相互垂直的偏振光束。传统的偏振分束方法可分成如下三种：1、薄膜偏振分束方法。2、Brewster角反射偏振法。3、双折射偏振分束方法。薄膜偏振分束方法是在两个直角棱镜的接合界面上交替镀上多层介质薄膜，使入射光的TE波的透射系数增加，而TM波的反射系数增加，因而使透射光束成为TE波，而与透射光束相垂直的反射光束成为TM波。薄膜偏振分束装置的局限在于工作波段窄，一般为几百纳米，二是由于薄膜界面TE波的部分反射，使反射波束中含有部分TE波的成分。Brewster角反射偏振方法是当入射光的入射角为Brewster角(θ_B＝arctan(n))时，反射光束只有TE波的成分。这一方法的局限在于Brewster角与波长有关，因此针对某一给定的Brewster角，只有与之对应波长的反射光波是完全偏振的。另外，由于界面的反射率低，因此反射光波的强度较低。双折射偏振器是较常采用的偏振分束方法，其原理是：将透明的双折射晶体切割成棱镜，入射光束经过光学均质/双折射界面透射和反射形成两束振动方向相互垂直的偏振光束。常见的晶体材料为方解石、云母、石英和金红石。各种双折射棱镜偏振器通常是将沿着两个不同结晶学方向切割的两个光学棱镜组合使用。两个棱镜或者用树胶粘合，或者形成空气间隙。常用的偏振分束棱镜有Rochon棱镜、Wollaston棱镜、Nicol棱镜、Glan-Thompson棱镜等。这些双折射棱镜的局限在于：如果采用树胶粘合两个棱镜，则由于树胶对入射光的吸收，使入射光的强度不能太高，否则产生老化或容易被击穿，频带宽度也由此受到限制。如果两棱镜间存在空气间隙，则由于光束在间隙中的多次反射，使反射偏振光束的消光比降低。

二、发明内容

1.发明目的

本发明的目的在于提供一种具有应用频率宽、两偏振分束消光比高且相等、结构简单并能应用于高强度入射光的偏振分束方法及其装置。

2.技术方案

一种偏振分束装置，包括光源和透明双折射晶体棱镜，并由两个棱镜在切割面上胶合后组合使用，其特征在于只采用一个双折晶体棱镜或圆锥体或光劈状，该晶体的切割角α应满足反射的两束光均为全反射光束，其光源的频带宽，且入射光强度高。

上述的光源可为紫外光、可见光或红外波段的相干和非相干光。

上述晶体切割角α的范围介于全反射角γ与90°之间，即γ≤α＜90°。

一种偏振分束方法，其特征是由光源射出的入射光束沿光轴方向正入射进入单轴晶体，通过切割晶体的界面∑全反射在空间上分解出两束相互垂直振动的偏振光，即e-光和o-光；确定晶体的切割角α的度数，使全反射的两束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，则分束效果最佳。

上述的单轴晶体可切割成棱镜形，圆锥体或尖劈状，使分解的偏振光波分别成束状，带状或同心环状。

上述的晶体切割角α的最佳度数分别为α-石英：60.17度，兰宝石：59.59度，方解石：56.16度，金红石：62.46度，BBO：57.87度，LiNbO₃：59.02度，YVO₃：62.46度。

上述的两束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。

当入射光束覆盖某一波段时，分解出射的两束相互垂直振动的偏振光均具有色散效用。

下面结合附图阐述偏振分束方法的原理：

结合图1，设光束沿光轴方向正入射进入由单轴晶晶体切割抛光的棱镜。在这一方向晶体表现出均质性，只有一个折射率n_o，入射光至反射界面之后发生反射，通过界面∑反射之后分解出e-光与o-光，由于e-光与o-光的折射率不等，因此反射的e-光与o-光沿不同的方向在晶体内传播。如果入射角α大于e-光及o-光的全反射角，则分解出的e-光和o-光在界面发生全反射，在界面∑反射的o-光的反射角与入射角相等，而e-光的反射角β不等于入射角α，因而实现由全反射偏振分束的目的。由于e-光波的法向遵循折射定律：

    n_osinα＝n_esinβ              (1)

n_e为e-光的折射率，β为其波法向的折射角，e-光的折射率n_e取决于其在各向异性晶体内的传播方向。对于单轴晶晶体，e-光的折射率只与e-光法向与光轴的夹角θ有关：

$\frac{1}{{n_e}^2\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{{n_o}^2}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{n_e}^2}---\left(2\right)$

n_o和n_e为单轴晶晶体的两个主折射率。

对于正光性单轴晶晶体棱镜(n_e＞n_o)，其偏振分束型如图1(a)所示，对于负光性单轴晶晶体棱镜(n_e＜n_o)，其偏振分束构型如图1(b)所示。根据双折射晶体e-光与o-光色散特性，即n_e(λ)、n_o(λ)，确定棱镜的切割角α，使透射的两束相互垂直的偏振光束分离角δ最大。在图1中正光性晶体的光束分束角δ＝α-β，负光性晶体δ＝β-α，e-光和o-光法向与光轴的夹角θ分别为θ＝α+β以及θ＝2α。在上述晶体光学基础上优化棱镜的切割变成在等式(1)，(2)的约束条件下求两相互垂直偏振光束分束角δ的最大值，可采用拉格朗日乘数法求解。几种主要单轴晶体(石英、蓝宝石、方解石、金红石， BaB₂O₄(BBO)LiNbO₃、及YVO₃)在不同入射波长范围内计算的最佳切割角α列于表1，最大分离角的计算结果如图2所示。其他透明双折射晶体的切割优化可依上述步骤进行。

表1.由拉格朗日乘数法计算的几种常见单轴晶全反射棱镜的最佳切割角α

晶体	α-石英(SiO2)	蓝宝石(Al2O3)	方解石(CaCO3)	金红石(TiO2)	BBO(BaB2O4)	LiNbO3	YVO3
								最佳切割角α(度)	60.17	59.59	56.16	62.46	57.87	59.02	62.46

在正常色散波长范围内 $(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\&lambda;}}<0)$ ，介质折射率随波长的增加而减少。由本发明装置分离的偏振方向相互垂直的两束间的分束角δ在正常色散波长范围内随波长的增加而略为减小。这一色散特性使本发明装置还可用于分波测量的光谱仪器中。

3.有益效果

本发明的偏振分束方法及其装置与传统的偏振器及方法相比，具有如下特点：

(1)、本发明装置只采用单一双折射晶体切割抛光的棱镜、圆锥体或劈状晶体制成，因此结构简单。

(2)、本发明装置由于无需其他膜层，没有吸收，因此偏振分束的波段宽广，其偏振分束应用范围与双折射晶体的透射范围一致。

(3)、由于本发明装置内没有其他物理界面，因此可应用于高强度的入射光条件。

(4)、利用本发明装置全反射的特点制成，本分束方法的两束全反射的偏振分束具有很高(＞10⁶)而且相等的消光比值。

(5)、对于同一晶体材料，本分束方法可以获得最大的分束角，且其中一出射光束垂直于出射表面。

(6)、由于全反射具有色散特征，因此本发明装置不但具有偏振分束特点，而且具有偏振波分波的特点，因此可以用于光谱测量领域。

(7)、本发明装置中单轴晶还可设计切割成尖劈型或圆锥型或圆锥体，入射光平行于尖劈对称轴或者圆锥轴线入射，通过多次反射分解成多束带状或同心环形线性偏振光波。

四、附图说明

图1、偏振分束装置示意图

a、棱镜型   b、圆锥体型   c尖劈状

图2、基于光学全反射原理的偏振分束棱镜

(a)正光性单轴晶体棱镜偏振分束装置

(b)负光性单轴晶体棱镜偏振分束装置

图3、几种常见单轴晶在不同入射波长范围内计算的最大分束角(α-β)最大

A、α-石英   B、蓝宝石     C、方解石     D、金红石

E、BBO       F、LiNbO₃     G、YVO₃

图4、由α-石英棱面体构成的全反射偏振分束装置

五、具体实施方式

实施例1偏振分束方法

由石英卤素灯作为光源和α-石英双折射晶体棱镜构成的偏振分束装置，见图1(a)。当光源射出的入射光束正入射进入棱镜界面∑全反射后在空间上分解出两束相互垂直振动的偏振光，即o-光和e-光。棱镜的切割角α为60.17°使全反射的两束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，其分束效果最佳。

实施例2、由He-Ne激光器作为光源和用α-石英晶体切割成的圆锥体，构成的偏振分束装置。

结合图1(b)，当紫外光束入射到圆锥体的切割界面∑时发生全反射，在空间上分解出两束偏振光，其中一束为o-光，另一束为e-光。

同理，用可见光作为光源和用金红石晶体切割成尖劈状构成的偏振分束装置。结合图1(c)，当光源发出的一束入射光进入晶体的切割界面∑后，发生反射，通过界面∑反射分解出两束偏振光，其中一束为o-光，另一束为e-光。

实施例3、由石英卤素灯作为光源和α-石英棱面体构成的偏振分束装置(见图4)。为了说明本光学全反射偏振分束装置，我们切割了如下所示的α-石英菱面体，用准直的石英卤素灯垂直于光轴方向入射，经45°角在菱面体内14次全反射后沿Y-轴方向出射。出射光分成三个斑点，将一偏振器置于出射光前，发现左右两个光斑是振动方向相互垂直的线偏振光，转动偏振器，左右两个光斑发现交替消光。

Claims (8)

1.一种偏振分束装置，包括光源和透明双折射晶体棱镜，并由两个棱镜在切割面上胶合后组合使用，其特征在于只采用一个双折晶体棱镜或圆锥体或尖劈状，该晶体的切割角α应满足反射的两束偏振光均为全反射光束，其光源的频带宽，且入射光强度高。

2.根据权利要求1所述的偏振分束装置，其特征在于所述的光源可为紫外光、可见光或红外波段的相干和非相干光。

3.根据权利要求1所述的偏振分束装置，其特征在于所述的晶体切割角α的范围介于全反射角γ与90°之间，即γ≤α＜90°。

4.一种偏振分束方法，其特征是由光源射出的入射光束沿光轴方向正入射进入单轴晶体，通过切割晶体的界面∑全反射后在空间上分解出两束相互垂直振动的偏振光，即e-光和o-光；确定晶体的切割角α的度数，使全反射的两束相互垂直的偏振光束的分束角δ最大，则分束效果最佳。

5.根据权利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于所述的单轴晶体可切割成棱镜形，圆锥体或尖劈状，使分解的偏振光波分别成束状，带状或同心环状。

6.根据权利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于所述的晶体切割角α的最佳度数分别为α-石英：60.17度，兰宝石：59.59度，方解石：56.16度，金红石：62.46度，BBO：57.87度，LiNbO₃：59.02度，YVO₃：62.46度。

7.根据权利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于两束全反射的偏振分束的消光比值高而且相等。

8.根据权利要求3所述的偏振分束方法，其特征在于当入射光束覆盖某一波段时，分解出射的两束相互垂直振动的偏振光均具有色散效应。

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