CN201017129Y - 高效率偏振转换装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种偏振转换装置，它包括光轴相互垂直的第一单轴晶体和第二单轴晶体，第一单轴晶体包括一入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，第二单轴晶体包括折射面、第一反射面和第二反射面，第一单轴晶体的入射面和出射面与其第一反射面之间成一角度θ，该角度θ使入射光线的一部分光反射，与该一部分光偏振方向垂直的另一部分光折射，第一单轴晶体的第二反射面与第一单轴晶体的第一反射面平行；第二单轴晶体的第一反射面和第二反射面与其折射面之间成一角度β，该角度β使第一反射面将光以与第二单轴晶体的折射面平行的方向反射。该装置，能将非偏振光高效转换为线偏振光，显著降低偏振转换过程中的光强损耗，可广泛地用于各种光学设备中。

Description

高效率偏振转换装置

技术领域

本实用新型涉及激光及光学器件，尤其涉及一种对非偏振光的高效率偏振转换装置。

背景技术

在激光及光学技术领域中，通常需要输出线偏振光，这就需要将非偏振光转换为线偏振光，已有的偏振片是将非偏振光等效的投影在两个互相垂直的方向，得到两个光强相等振动方向垂直的线偏振光，接着通过偏振片让其中一部分的线偏振光通过，同时消除另一部分的线偏振光。这会浪费了另一偏振分量的能量，致使其偏振转换效率低下(光强损耗超过50％)，且被浪费的另一偏振分量的光甚至有可能成为背景杂光，影响器件的性能。

实用新型内容

本实用新型提供一种高效偏振转换装置，它克服了现有技术对光强损耗较高的缺陷，且结构相对简单，使得本实用新型的偏振转换装置能够更加紧凑，符合光学器件小型化的发展趋势。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种偏振转换装置，它包括光轴相互垂直的第一单轴晶体和第二单轴晶体，第一单轴晶体包括一入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，第二单轴晶体包括折射面、第一反射面和第二反射面，第一单轴晶体的入射面和出射面与其第一反射面之间成一角度θ，该角度θ使入射光线的一部分光反射，与该一部分光偏振方向垂直的另一部分光折射，第一单轴晶体的第二反射面与第一单轴晶体的第一反射面平行；第二单轴晶体的第一反射面和第二反射面与其折射面之间成一角度β，该角度β使第一反射面将光以与第二单轴晶体的折射面平行的方向反射。

如本领域已知的，单轴晶体可分为正晶体(光在正晶体中传播时，e光的速度在除光轴外的任何方向上都比o光小)和负晶体(光在负晶体中传播时，e光的速度在除光轴外的任何方向上都比o光大)。

相应地，在第一单轴晶体和第二单轴晶体都是负晶体的情况中，这两个负晶体需满足以下几何条件：

$\left(i\right),\frac{\mathrm{\π}}{2}>\mathrm{\θ}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体中对于输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1;$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\θ}}{n_o^{-}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\θ},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

此外，在第一单轴晶体和第二单轴晶体都是正晶体的情况中，这两个正晶体需满足以下几何条件：

$\left(i\right),\frac{\mathrm{\π}}{2}>\mathrm{\θ}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体中对于输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1;$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\θ}}{n_e^{+}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\θ},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

此外，在第一单轴晶体是负晶体而第二单轴晶体是正晶体的情况中，这两个单轴晶体还需满足以下几何条件：

${\left(a\right),n}_o^{-}>n_o^{+},$ 且 $n_e^{+}>n_e^{-}:$

$\left(i\right),\frac{\mathrm{\π}}{2}>\mathrm{\θ}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\θ}}{n_o^{-}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\θ},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离；

或者 $\left(b\right),n_o^{-}>n_o^{+},$ 且 $n_w^{+}<n_e^{-}:$

$\left(i\right),\arcsin \left(\frac{n_e^{+}}{n_e^{-}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

此外，在第一单轴晶体是正晶体而第二单轴晶体是负晶体的情况中，这两个单轴晶体还需满足以下几何条件：

$\left(a\right),n_e^{+}>n_e^{-},$ 且 $n_o^{-}>n_o^{+}:$

$\left(i\right),\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离；

或者 $\left(b\right),n_e^{+}>n_e^{-},$ 且 $n_o^{-}<n_o^{+}:$

$\left(i\right),\arcsin \left(\frac{n_o^{-}}{n_o^{+}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

$\left(\mathrm{ii}\right),\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}};$

(iii)第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

本实用新型的高效率偏振转换装置还包括用于调整两束线偏振光之间的相位差的补偿器。

本实用新型的高效率偏振转换装置还可在本装置中的各光学器件的通过光的表面处镀敷增透膜。

与现有技术一般采用的诸如偏振片和布儒斯特窗等偏振器件相比，本实用新型充分利用单轴晶体的特性，通过对晶体的几何形状进行计算和调整，能在极低光强损耗的情况下高效地将输入的非偏振光转换成线偏振光。

假设波长为λ的激光在组成高效偏振转换器的单轴晶体的表面的光强反射率和现有起偏装置的表面的光强反射率均为5％，那么直接通过全光强偏振转换器后得到的线偏振光的光强大于入射非偏振光的光强的80％，而通过现有的起偏装置得到的线偏振光的光强小于入射非偏振光的光强的47.5％；如果在全光强偏振转换器的各个入射界面与出射界面使用适当的增透膜可以得到光强大于入射非偏振光的光强95％的线偏振光，而现有的起偏装置的光强利用率不会超过50％。

通过上述分析可以了解，本实用新型能节省能源，降低损耗，可广泛地应用于激光器、显示器等光学设备中。

应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为本实用新型提供进一步的解释。

附图说明

图1是根据本实用新型第一实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图2是根据本实用新型第二实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图3是根据本实用新型第三实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图4是根据本实用新型第四实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。

图1是根据本实用新型第一实施例的高效率偏振转换装置的示意图。如图1所示，一个偏振转换装置由两块材料相同的负晶体A和B、以及Soleil补偿器C组成。晶体A的光轴平行于纸面(图中，MA是晶体A的光轴方向)，晶体B的光轴垂直于纸面(图中，MB是晶体B的光轴方向)。如图所示，本实施例中使用Soleil补偿器，但如本领域所公知的，在其它实施例中，也可以使用其它类型的补偿器。此外，补偿器可以是任何不改变光路的可调节相位差的，例如Soleil补偿器，或者是不可以调节相位差的固定厚度的补偿器，例如固定厚度的波片。

晶体A与晶体B相互接触的部分完全密接。构成该偏振转换装置的两块晶体的几何形状要满足如下的条件：

如图1所示，负晶体A为等腰梯形，其中

并且 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}};$ 负晶体B的两个全反射面(即图中的ef和fg)与折射面(即图中的eg)的夹角相等。负晶体B的底边ge与A的底边cd相接触。

非偏振的激光垂直地射入负晶体A，在负晶体A和负晶体B的界面上被分为两部分，除了入射光部分和汇合后的出射光部分以外，在负晶体A中的光是o光，且负晶体B中的光是o光，设入射的非偏振光的波长为λ，负晶体的波长为λ的o光、e光的折射率分别为 $n_o^{-},n_e^{-}(n_o^{-}>n_e^{-}>1)$ 所以图1中的θ必须满足：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_o^{-}}\right)={\mathrm{\&theta;}}_c---\left(1\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}}---\left(2\right)$

如图1所示，在负晶体B内的光线

与折射面平行(即

[0])，进入负晶体B部分的光射到负晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c^{\&prime;}=\arcsin \left(\frac{1}{n_o^{-}}\right)---\left(4\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则                            ψ＞θ_c＞θ_c′    (5)

所以在负晶体B内的光仅发生全反射。由方程(3)和

的条件知道负晶体B的角β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(6\right)$

确定了图1中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}},(N=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;)---\left(7\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)。

那么在负晶体B中的光经过两次全反射与在负晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图1使得合成光通过器件Soleil补偿器C调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ (i＝0，1，2……)    (8)

其中Φ表示两个线偏振光的相位差；π是圆周率。

此外，本实施例中，晶体A和B是完全密接的，但如本领域的熟练技术人员显而易见的，在稍许调节光路的情况下，晶体A和B可以相互平行并隔开一定距离而非密接。虽然本实施例中，两光轴与入射光的方向垂直，但只要对入射面和入射光的夹角有一定的限制(为保证晶体A中的o光和e光可分离)，光轴不与入射光的方向垂直也是可以的，其它方面与上述实施例中的基本相同。

图2是根据本实用新型第二实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图2与图1相类似，区别在于图2中，晶体A和B都是正晶体，且晶体A的光轴垂直于纸面，晶体B的光轴平行于纸面。与图1所示的实施例相类似，构成本实施例的全光强偏振器的两块晶体的几何形状要满足一定的条件：

如图2所示，正晶体A的几何形状条件为：

并且 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}};$ 正晶体B的的两个全反射面(即图中的ef和fg)与折射面(即图中的eg)的夹角相等。

非偏振的激光射入正晶体A，在正晶体A和正晶体B的界面上被分为两部分，除了入射光部分和汇合后的出射光部分以外，在正晶体A中的光是o光，在正晶体B中的光也是o光，设入射的非偏振光的波长为λ，正晶体的波长为λ的o光、e光的折射率分别为 $n_o^{+},n_e^{+}(n_e^{+}>n_o^{+}>1),$ 所以图2中的θ必须满足：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_e^{+}}\right)={\mathrm{\&theta;}}_c---\left(9\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}}---\left(10\right)$

如图2所示，在正晶体B内的

与折射面

平行(即

[0])，进入正晶体B部分的光射到正晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(11\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c=\arcsin \left(\frac{1}{n_e^{+}}\right)---\left(12\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则                          Ψ＞θ_c＞θ_c′    (13)

所以在正晶体B内的光仅发生全反射。由方程(11)和

的条件知道正晶体B的角β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(14\right)$

确定了图2中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}},(N=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;)---\left(15\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)

那么在正晶体B中的光经过两次全反射与在正晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图2使得合成光通过器件Soleil补偿器C调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ(i＝0，1，2……)    (16)

本实施例的其它方面与实施例1所述的相同，且不加以赘述。

图3是根据本实用新型第三实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图3与图1、图2相类似，区别在于图3中的晶体A是负晶体，晶体B是正晶体，且晶体A的光轴平行于纸面，晶体B的光轴平行于纸面。

如图3所示，负晶体A的几何形状条件为：

并且 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}};$ 正晶体B的的两个全反射面(即图中的ef和fg)与折射面(即图中的eg)的夹角相等。

非偏振的激光射入负晶体A，在负晶体A和正晶体B的界面上被分为两部分，在除了入射光部分和汇合后的出射光部分以外，负晶体A中的光是o光，在正晶体B中的光是e光。设入射的非偏振光的波长为λ，负晶体A对应波长为λ的o光、e光的折射率分别为 $n_o^{-},n_e^{-}(n_o^{-}>n_e^{-}>1),$ 正晶体B的波长为λ的o光、e光的折射率分别为 $n_o^{+},n_e^{+}(n_e^{+}>n_o^{+}>1);$ 但是同时还要满足：1、 $n_o^{-}>n_o^{+};$ 2.1、若 $n_e^{+}>n_e^{-},$ 则图3中的θ必须满足：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right)={\mathrm{\&theta;}}_c---\left(17\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}}---\left(18\right)$

如图3所示，在正晶体B内的光线

与折射面

平行(即

[0])，进入正晶体B部分的光射到正晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(19\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c^{\&prime;}=\arcsin \left(\frac{1}{n_e^{+}}\right)---\left(20\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则         ψ＞θ_c＞θ_c′    (21)

所以在正晶体B内的光仅发生全反射。由方程(19)和

的条件知道正晶体B的角β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(22\right)$

确定了图3中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(23\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)。

那么在正晶体B中的光经过两次全反射与在负晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图3使得合成光通过器件Soleil补偿器C调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ(i＝0，1，2……)    (24)

2.2、若 $n_e^{+}<n_e^{-},$ 则图3中的θ必须满足：

$\arcsin \left(\frac{n_e^{+}}{n_e^{-}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right)={\mathrm{\&theta;}}_c---\left(25\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}}---\left(26\right)$

如图3所示，在正晶体B内的光线与折射面

平行(即

[0])，进入正晶体B部分的光射到正晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(27\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c^{\&prime;}=\arcsin \left(\frac{1}{n_e^{+}}\right)---\left(28\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则    ψ＞θ_c＞θ_c′    (29)

所以在正晶体B内的光仅发生全反射。由方程(27)和的条件知道正晶体B的角β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(30\right)$

确定了图3中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(31\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)。

那么在正晶体B中的光经过两次全反射与在负晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图3使得合成光通过器件Soleil补偿器调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ(i＝0，1，2……)    (32)

本实施例的其它方面与实施例1所述的相同，且不加以赘述。

图4是根据本实用新型第四实施例的高效率偏振转换装置的示意图。

图4与图3相类似，区别在于图4中的晶体A是正晶体，晶体B是负晶体，且晶体A的光轴平垂直于纸面，晶体B的光轴垂直于纸面。

如图4所示，正晶体A的几何形状条件为：

并且 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}};$ 负晶体B的的两个全反射面(即图中的ef和fg)与折射面(即图中的eg)的夹角相等。

非偏振的激光射入正晶体A，在正晶体A和负晶体B的界面上被分为两部分，除了入射光部分和汇合后的出射光部分以外，在正晶体A中的光是e光，在负晶体B中的光是o光。设入射的非偏振光的波长为λ，正晶体A对应波长为λ的e光、o光的折射率分别为 $n_e^{+},n_o^{+}(n_e^{+}>n_o^{+}>1),$ 负晶体B的波长为λ的e光、o光的折射率分别为 $n_e^{-},n_o^{-}(n_o^{-}>n_e^{-}>1);$ 但是同时还要满足：1、 $n_e^{+}>n_e^{-};$ 2.1、若 $n_o^{-}>n_o^{+},$ 则图4中的θ必须满足：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right)={\mathrm{\&theta;}}_c---\left(33\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}}---\left(34\right)$

如图4所示，在负晶体B内的光线

与折射面

平行(即

[0])，进入负晶体B部分的光射到负晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(35\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c^{\&prime;}=\arcsin \left(\frac{1}{n_o^{-}}\right)---\left(36\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则    ψ＞θ_c＞θ_c′    (37)

所以在负晶体B内的光仅发生全反射。由方程(35)和

的条件知道负晶体B的角β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(38\right)$

确定了图4中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(39\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)。

那么在负晶体B中的光经过两次全反射与在正晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图4使得合成光通过器件Seloil补偿器C调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ  (i＝0，1，2……)    (40)

2.2、若 $n_o^{-}<n_o^{+},$ 则图4中的θ必须满足：

$\arcsin \left(\frac{n_o^{-}}{n_o^{+}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right){\mathrm{\&theta;}}_c---\left(41\right)$

若θ确定后，则可以得到θ₁：

${\mathrm{\&theta;}}_1=\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}}---\left(42\right)$

如图4所示，在负晶体B内的光线与折射面

平行(即

[0])，进入负晶体B部分的光射到负晶体B与空气的界面上，因为

$\mathrm{\&psi;}={\mathrm{\&theta;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(43\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_c^{\&prime;}=\arcsin \left(\frac{1}{n_o^{-}}\right)---\left(44\right)$

(这里假定空气的折射率为1)

则    ψ＞θ_c＞θ_c′    (45)

所以在负晶体B内的光仅发生全反射。由方程(43)和

的条件知道负晶体B的角β：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-{\mathrm{\&theta;}}_1---\left(46\right)$

确定了图4中

的长度后，可以得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{bc}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{da}}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}\cos \mathrm{\&theta;}}{2N{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(47\right)$

相应地，负晶体A的高为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ (N＝1，2，……)。

那么在负晶体B中的光经过两次全反射与在正晶体A中经过2N+1次全反射在界面的n点汇合，且合成光是由两束光适量相互垂直的线偏振光组成，但这两束线偏振光之间存在着固定的相位差。为了使输出的光是线偏振光，需要按照图4使得合成光通过器件Seloil补偿器C调整两束线偏振光之间的相位差为

Φ＝iπ  (i＝0，1，2……)    (48)

本实施例的其它方面与实施例1所述的相同，且不加以赘述。

如本领域所公知的，可在通过光的器件表面处增设增透膜以减少透射表面的反射损失。例如，在本实用新型中，可在晶体A的光入射表面和Soleil补偿器的光入射表面等处附着合适的增透膜，以进一步降低光强损耗。

本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。

Claims (8)

1.一种偏振转换装置，包括光轴相互垂直的第一单轴晶体和第二单轴晶体，所述第一单轴晶体包括一入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，所述第二单轴晶体包括折射面、第一反射面和第二反射面，所述第一单轴晶体的入射面和出射面与其第一反射面之间成一角度θ，该角度θ使入射光线的一部分光反射，与该一部分光偏振方向垂直的另一部分光折射，所述第一单轴晶体的第二反射面与所述第一单轴晶体的第一反射面平行；所述第二单轴晶体的第一反射面和第二反射面与其折射面之间成一角度β，该角度β使第一反射面将光以与第二单轴晶体的折射面平行的方向反射。

2.如权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于，所述第一单轴晶体和所述第二单轴晶体都是负晶体，其中：

(i) $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体中对于输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1;$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

3.如权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于，所述第一单轴晶体和所述第二单轴晶体都是正晶体，其中：

(i) $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体中对于输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1;$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

4.如权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于，所述第一单轴晶体是负晶体，所述第二单轴晶体是正晶体，其中：

(a) $n_o^{-}>n_o^{+},$ 且 $n_e^{+}>n_e^{-}:$

(i) $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cos \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离；

或者(b) $n_o^{-}>n_o^{+},$ 且 $n_e^{+}<n_e^{-}:$

(i) $\arcsin \left(\frac{n_e^{+}}{n_e^{-}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_o^{+}}{n_o^{-}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_o^{+}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_o^{-}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

5.如权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于，所述第一单轴晶体是正晶体，且所述第二单轴晶体是负晶体，其中：

(a) $n_e^{+}>n_e^{-},$ 且 $n_o^{-}>n_o^{+}:$

(i) $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1,$ n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离；

或者(b) $n_e^{+}>n_e^{-},$ 且 $n_o^{-}<n_o^{+}:$

(i) $\arcsin \left(\frac{n_o^{-}}{n_o^{+}}\right)>\mathrm{\&theta;}>\arcsin \left(\frac{n_e^{-}}{n_e^{+}}\right),$ 其中n_o ^-、n_e ^-分别是负晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_o^{-}>n_e^{-}>1$ ，n_o ⁺、n_e ⁺分别是正晶体对应输入光波长的o光、e光的折射率且 $n_e^{+}>n_o^{+}>1,$

(ii) $\mathrm{\&beta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \frac{n_e^{-}\sin \mathrm{\&theta;}}{n_e^{+}};$

(iii)所述第一单轴晶体的第一反射面和第二反射面之间的距离H为 $H=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mn}}}{2N}\cot \mathrm{\&theta;},$ 其中N＝1，2，……；

为所述第一单轴晶体的第一反射面上的两个全反射点之间的距离。

6.如权利要求1到5中的任一项所述的偏振转换装置，其特征在于，还包括所述两块单轴晶体构成的光学器件的输出端处设置的补偿器。

7.如权利要求1到5中的任一项所述的偏振转换装置，其特征在于，在所述偏振转换装置中的各光学器件的通过光的表面均镀敷增透膜。

8.如权利要求6所述的偏振转换装置，其特征在于，在所述偏振转换装置中的各光学器件的通过光的表面均镀敷增透膜。

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