JP2015025961A

JP2015025961A - 偏光変換装置

Info

Publication number: JP2015025961A
Application number: JP2013155765A
Authority: JP
Inventors: 勝川田; Masaru Kawada; 泰之古川; Yasuyuki Furukawa
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-02-05

Abstract

【課題】人工水晶等の異方性結晶を用いることなく入射光の偏光状態を変換することができる偏光変換装置を提供する。
【解決手段】入射光束を、互いに直交する方向の偏光成分を有する第１光束（P偏光）と第２光束（S偏光）に分割する偏光ビームスプリッター１１と、第１光束と第２光束とを統合する偏光ビームスプリッター１４と、これら２つの偏光ビームスプリッター１１、１４の間で、互いに長さが異なる第１光路と第２光路を構成するミラー１２、１３を用いて、偏光変換装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射光の偏光状態を変換する偏光変換装置に関する。

波長板は、該波長板に入射する光束に含まれる、直交する２つの偏光成分の光束の間に所定の位相差を生じさせる光学素子であり、直線偏光の偏光方向を変換するλ／２波長板や、直線偏光と円偏光を相互に変換するλ／４波長板が広く用いられている。また、直交する２つの偏光成分の間に生じさせる位相差を連続的に変化させる場合には、バビネ・ソレイユ補償板が用いられる（特許文献１）。これらはいずれも、異方性結晶内を光が進むときに、異方性結晶の光学軸に平行な電場成分（異常光線）と、これに垂直な成分（常光線）の間に位相差が生じることを利用している。

λ／４波長板やλ／２波長板は、２つの異方性結晶を、それらの光学軸が直交するように貼り合わせて構成される。バビネ・ソレイユ補償板１００は、図１に示すように、直方体状の異方性結晶１０１とくさび形状の異方性結晶１０２とを光学軸が互いに直交するように配置させてなる光学素子１１０と、くさび形状の異方性結晶１０２と逆方向のくさび形状で該異方性結晶１０２と同じ方向に光学軸を持つ異方性結晶１０３とを、くさび形状の斜部が互いに平行になるように組み合わせて構成される。

特開平9-281328号公報

従来、波長板を構成する異方性結晶として、人工水晶が広く用いられている。しかし、人工水晶は、200nm以下の波長を有する紫外線や、4μm以上の波長を有する赤外線を透過しない。また、レーザ光などの強力な光の照射に対する耐性が低い。そのため、上述の波長を有する光やレーザ光の偏光状態を変換する際には人工水晶を用いることができない。

本発明が解決しようとする課題は、人工水晶等の異方性結晶を用いることなく入射光の偏光状態を変換することができる偏光変換装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る偏光変換装置は、
a) 入射光束を、互いに直交する方向の偏光成分を有する第１光束と第２光束に分割する光束分割手段と、
b) 前記第１光束と前記第２光束とを統合する光束統合手段と、
c) 前記光束分割手段から前記光束統合手段に至る、前記第１光束と前記第２光束の光路を互いに異なる光路長で構成する輸送光学系と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る偏光変換装置では、入射光束を、互いに直交する方向に偏光する２つの光束に分割し、互いに光路長が異なる輸送光学系を経て統合する。輸送光学系を進む間に第１光束と第２光束の間には位相差が生じるため、それらを統合すると偏光状態が入射光束の偏光状態とは異なる状態に変換される。このように、本発明に係る偏光変換装置は、異なる光路長を進む間に位相差を生じさせた２つの光束を統合する構成であるため、人工水晶等の異方性結晶を用いることなく入射光の偏光状態を変換することができる。

前記光束分割手段や前記光束統合手段には、偏光ビームスプリッターを好適に用いることができる。
偏光ビームスプリッター等の光学素子を構成する材料としては、例えばCaF₂やLiFを用いることができる。これにより、従来用いられている人工水晶を透過しない、200nm以下の波長を有する紫外線や、4μm以上の波長を有する赤外線の偏光状態を変換することができる。また、光学素子の材料として石英を用いると、レーザ光などの強力な光の照射に対する耐性が従来よりも高い偏光変換装置を構成することができる。

本発明に係る偏光変換装置は、
d) 前記光束分割手段から前記光束統合手段に至る、前記第１光束及び／又は前記第２光束の光路長を変更する光路長調整手段
を備えるように構成することができる。

上記態様の変更変換装置では、光路長調整手段を用いて第１光束及び／又は第２光束の光路長を変更して、第１光束と第２光束の光路長の差を任意に変化させる。これにより、光束統合手段における第１光束と第２光束の位相差を任意に変化させ、入射光を所望の偏光状態に変換することができる。

本発明に係る偏光変換装置では、入射光束を、互いに直交する方向に偏光する２つの光束に分割し、互いに光路長が異なる輸送光学系を経て統合することにより、光束間に位相差を生じさせて偏光状態を変換する。従って、従来のように異方性結晶を用いることなく入射光の偏光状態を変換することができる。

バビネ・ソレイユ補償板の構成について説明する図。実施例１の偏光変換装置の構成について説明する図。実施例２の偏光変換装置の構成について説明する図。実施例３の偏光変換装置の構成について説明する図。

本発明に係る偏光変換装置の実施例について、以下、図面を参照して説明する。

実施例１の偏光変換装置１０は、図示しないレーザ光源（以下、「光源」という。）から発せられた、X-Y平面内で直線偏光を有する光（波長λ=200nm）を円偏光の光に変換する装置であり、光源から発せられる光の進行方向に配置された２つの偏光ビームスプリッター１１、１４と、その進行方向から外れた位置に配置され、２つの偏光ビームスプリッター１１、１４間で迂回路を形成する２枚のミラー１２、１３、及びミラー１２、１３の位置を変更する光路長調整部１５で構成される。

光を透過させる偏光ビームスプリッター１１、１４の材料には、入射光の波長（200nm）において高い透過率を持つフッ化カルシウム(CaF₂)を用いた。
また、偏光ビームスプリッターの内部で反射して位相にずれが生じた光が混入することを防止するために、偏光ビームスプリッター１１、１４の出射面側には、それぞれ反射防止コーティング（ARコート）が施されている。

光源から発せられた光は、まず、偏光ビームスプリッター１１の表面に対して45度の角度で入射し、P偏光（X軸方向に偏光成分を有する光）と、S偏光（Y軸方向に偏光成分を有する光）の２光束に分離される。P偏光は偏光ビームスプリッター１１を通過して直進し、偏光ビームスプリッター１４に向かう。この光路が第１光路となる。一方、S偏光は、偏光ビームスプリッター１１の表面で反射され、上述した迂回路にあたる第２光路に進む。そして、２枚のミラー１２、１３で順に反射されて偏光ビームスプリッター１４に向かう。そして、偏光ビームスプリッター１４の表面で反射される。その結果、偏光ビームスプリッター１４において、P偏光とS偏光が再び合流して１光束になる。

電気ベクトルの強度がE₀で、振動方向がX軸に対して45度方向を向いた直線偏光の光を、本実施例の偏光変換装置に入射した場合を考える。入射光の電気ベクトルのX成分とY成分は、それぞれ、
E_X0=E₀/√2 sin(2πz/λ-ωt) ・・・(1)
E_Y0=E₀/√2 sin(2πz/λ-ωt) ・・・(2)
となる。

上述のとおり、偏光ビームスプリッター１１を透過したP偏光は第１光路を進んで偏光ビームスプリッター１４に到達し、偏光ビームスプリッター１１で反射したS偏光は第２光路を進んで偏光ビームスプリッター１４に到達する。第１光路の光路長をL_X0、第２光路の光路長をL_Y0(L_X0＜L_Y0)とすると、偏光ビームスプリッター１４で合流した光束の電気ベクトルのX成分とY成分は、それぞれ、
E_Xf=E₀/√2 sin(2πL_X/λ-ωt) ・・・(3)
E_Yf=E₀/√2 sin(2πL_Y/λ-ωt) ・・・(4)
となる。

式(3)及び式(4)を変形してωtを消去すると、
E_Xf ²-2cosδE_XfE_Yf+E_Yf ² =sin²δ/2 ・・・(5)
となる。なお、δ=2π(L_Y-L_X)/λである。

本実施例の偏光変換装置１０には波長が200nmである光が入射する。また、第１光路の光路長L_X=30mm、第２光路の光路長L_Y=60.00005mmに設定されている。即ち、光路長調整部１５によってミラー１２、１３の位置が調整され、第２光路の光路長が、第１光路の光路長よりも(150000+1/4)×λ（λは波長）だけ長くなるように構成されている。従って、式(5)は、
E_Xf ²+E_Yf ² =1/2 ・・・(6)
となり、円偏光になる。即ち、本実施例の偏光変換装置１０では、第２光路の光路長が、第１光路の光路長よりも(N+1/4)×λ（Nは0以上の整数、λは波長）だけ長くなるように構成することにより、λ／４波長板としての機能を付与することができる。

ここでは、直線偏光を円偏光に変換する例を説明したが、本実施例の偏光変換装置１０では、光路長調整部１５によってミラー１２、１３の位置を調整することにより、任意に偏光状態を変換することができる。例えば、第２光路の光路長が、第１光路の光路長よりも(N+1/2)×λ（Nは0以上の整数、λは波長）だけ長くなるように構成すると、式(5)は、
E_Xf ²=-E_Yf ² ・・・(7)
となり、-45度方向に振動する直線偏光になる。即ち、本実施例の偏光変換装置１０がλ／２波長板としての機能を有することになる。
以下の実施例においても、説明を容易にするため、直線偏光を円偏光に変換する場合を例に挙げて説明するが、本実施例と同様に、種々の偏光状態の変換を行うことができる。

次に、図３を参照して、実施例２の偏光変換装置２０について説明する。
本実施例の偏光変換装置は、実施例１の偏光変換装置と同様に、２つの偏光ビームスプリッター２１、２４、第２光路上に配置されS偏光を順に反射する２枚のミラー２２、２３、及びミラー２２、２３の位置を変更する第１光路長調整部２５を備えている。本実施例の偏光変換装置は、さらに、第１光路上に配置され、偏光ビームスプリッター２１によりS偏光から分離されたP偏光を順に反射して偏光ビームスプリッター２４に導く４枚のミラー２６〜２９と、これらの位置を変更する第２光路長調整部３０を備えている。

本実施例では、４枚のミラー２６〜２９を備えることにより、第１光路の光路長（L_X=60mm）と第２光路の光路長（L_Y=60.00005mm）が1/4λとなるように構成している。
入射光のコヒーレンス長が短い場合には、第１光路と第２光路の光路長の差が大きいと、P偏光とS偏光のコヒーレンシーに差が生じ、これらを合流して１光束にした際に可干渉性が崩れる可能性がある。しかし、本実施例のように光路長の差がλ以下となるように構成することによって、こうした光の可干渉性を維持しつつ偏光状態を変更することができる。

実施例３に係る偏光変換装置４０は、図２を参照して説明した実施例１に類似の構成を有しており、キューブ型の偏光ビームスプリッター４１、４４を用いている点と、２枚のミラー１２、１３に代えてプリズム４２を配置し、プリズム４２の全反射面を用いてS偏光の光を反射する点で異なる（図４参照）。本実施例の偏光変換装置では、光路調整部４５により、プリズム４２を移動させることによって、第２光路の光路長を変更する。
また、本実施例の偏光変換装置では、各光学素子が温調室４６内に配置されており、温度制御部４７によって温調室４６の内部が一定の温度に維持されている。これにより、温度変化によって各光学素子が膨張したり収縮したりして、光路長が変化することや、光路にずれが生じたりすることを防止できる。

上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
本発明に係る偏光変換装置は、入射光を偏光方向が直交する２光束に分割し、それらに異なる長さの光路を進ませ、位相差を生じさせた２光束を再び統合することによって偏光状態を変換するという技術的思想に基づく。従って、上記の実施例１〜３で説明した例に限らず、様々な形態で本発明に係る偏光変換装置の構成を具現化することができる。例えば、実施例１（図２）や実施例２（図３）の構成において、複数の光学素子を一体化して構成することができる。これにより、偏光変換装置を構成する光学素子の数を減少し、光路調整を容易に行うことができる。

また、本発明に係る偏光変換装置では、従来のように人工水晶等の異方性結晶を用いる必要がない。上記の実施例では、偏光ビームスプリッター１１、１４の材料に、入射光の波長（200nm）において高い透過率を持つフッ化カルシウム(CaF₂)を用いたが、光学素子の材料は、入射光の波長を考慮して適宜に変更することができる。例えば、フッ化リチウム（LiF）を用いることにより、4μm以上の波長を有する赤外線の偏光状態を変換することができる。また、合成石英を用いることにより、高強度のレーザ光の偏光状態を変換することもできる。

１０、２０、４０…偏光変換装置
１１、１４、２１、２４、４１、４４…偏光ビームスプリッター
１２、１３、２２、２３、２６、２７、２８、２９、…ミラー
１５、４５…光路長調整部
２５…第１光路長調整部
３０…第２光路長調整部
４２…プリズム
４６…温調室
４７…温度制御部
１００…バビネ・ソレイユ補償板
１０１、１０２、１０３…異方性結晶
１１０…光学素子

Claims

a) 入射光束を、互いに直交する方向の偏光成分を有する第１光束と第２光束に分割する光束分割手段と、
b) 前記第１光束と前記第２光束とを統合する光束統合手段と、
c) 前記光束分割手段から前記光束統合手段に至る、前記第１光束と前記第２光束の光路を互いに異なる光路長で構成する輸送光学系と
を備えることを特徴とする偏光変換装置。
d) 前記光束分割手段から前記光束統合手段に至る、前記第１光束及び／又は前記第２光束の光路長を変更する光路長調整手段
を備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換装置。