（光学专业论文）双反射对称分束与平行分束偏光镜的设计.pdf

曲阜师范大学硕1 ：研究生毕业论文第l 页 摘要 双反射型偏光分束棱镜是根据双折射晶体表面的双反射现象设计的一类新型偏光器 件，这类棱镜的特点是集偏光分束与光传播的转向于一身，在偏光分束的同时，可以使光 的传播方向偏转一定的角度。目前，双反射偏光分束棱镜的研究比较少，只限于几种常规 的设计。在激光偏光调制技术中，对称分束镜和超大剪切差的平行分束偏光镜受技术和材 料的限制，制作难度很大，为了提高偏光棱镜出射光束的对称性和平行分束性，本文从双 反射棱镜结构出发，研制了复合式结构的双反射型对称分束和平行分束偏光棱镜，并对其 光学性能进行了理论分析和性能测试，全文概括起来主要有以下几部分： 第一章为绪论部分，讲述了论文写作的背景和写作目的，以及论文的创新点和本人所 做的主要工作。 第二章是偏光器件设计综述，首先给出了部分基础理论知识，然后详细介绍了起偏棱 镜和偏光分束棱镜的种类、设计思想和性能参数，并对冰洲石晶体偏光棱镜设计概要进行 了简单的介绍。 第三章是双反射对称分束与平行分束偏光镜的设计，在分析了双反射棱镜结构的基础 上提出了i 、i i 型双反射对称分束棱镜、双反射超大剪切差平行分束棱镜和双反射平行扩 束棱镜四种不同结构的偏光分束棱镜设计思想，并对各光学参量进行了严密的理论分析。 第四章为实验测试及分析部分，对试验样品进行精密的实验测试，并对各参量进行了 综合误差分析。 论文的后两章是本文的核心内容，也是我的主要工作。这两章对新设计的双反射对称 分束和平行分束偏光棱镜的结构、性能参数作了详细的理论分析，并进行了实验测试：首 先我们根据双反射偏光棱镜的结构和冰洲石晶体的双折射性质，提出了i 、i i 型双反射对 称分束棱镜、双反射超大剪切差平行分束棱镜和双反射平行扩束棱镜四种不同结构的偏光 分束棱镜的设计构想。理论分析证实，i 型双反射对称分束棱镜通过改变结构角参数多和 ，不仅能保证分束角的对称，而且可以拓宽分束角，并可以根据需要，选择不同的结构 角参数以获得合适的对称分束角；、i i 型双反射对称分束棱镜通过改变其中一块晶体光轴的 方向实现对称分束；双反射超大剪切差平行分束棱镜是在i 型的基础上通过把出射平面改 为两个向外凸的平面，能得到剪切差大的平行出射的0 、e 光，且剪切差大小可根据用户 要求设计；双反射平行扩束棱镜是根据单元式双反射平行分束棱镜和扩束原理对棱镜重新 组合，实现了结构的优化设计。在棱镜结构固定后，我们对各棱镜的性能，如透射比、分 束角不对称度随入射波长的变化关系等进行了理论分析。然后选择了其中两种棱镜加工成 样品，并对样品进行了实验测试。从光强透射比、分束角不对称度随入射波长的变化关系 和剪切差的实验数据可以看出，虽然测试数据在一些点上与理论结果相比有所偏离，但两 者总体趋势基本一致，特别是从分束角不对称度随入射波长变化的实验值和理论值的对比 中，可以更清楚地看到这一点。通过对棱镜进行消光比测试发现，所测棱镜的两出射光束 中，o 光的消光比性能要优于e 光的消光比性能，消光比性能都不低于l o 5 ，具有实际应用 曲阜师范人学顾t ：研究生毕业论文第2 页 价值。 理论分析和实验测试结果均表明：双反射对称分束偏光棱镜和平行分束偏光棱镜的设 计是可行的，都具有较好的性能，有较高的实用价值。 本文的主要创新之处在于： ( 1 ) 提出了i 、i i 型双反射对称分束棱镜设计思想，该设计不仅能保证分束角的对称， 而且可以拓宽分束角，并可以根据需要，选择不同的结构角参数以获得合适的对称分束角。 ( 2 ) 提出了双反射超大剪切差平行分束棱镜和双反射平行扩束棱镜设计思想，该设计 的剪切差大小可根据用户要求设计，并实现了结构的优化设计。 ( 3 ) 从理论上对设计的棱镜进行了详细的推导，对各光学参量进行了严密的理论分析； 对试验样品的性能进行了精密的实验测试，并对误差进行了综合分析，验证了新设计的实 用i 生。 关键词：偏振光学；双反射；分束角；剪切差；结构角；不对称度；消光比； 透射比 曲阜师范人学硕i ：研究生毕业论文第3 页 a b s t r a c t b i r e f l e c t i v ep r i s m sw h i c ha r ed e s i g n e db a s e do nb i r e f r i n g e n tc h a r a c t e ro ns u r f a c eo f c a l c i t ec r y s t a la r en e wp a t t e r n so fp r i s m s t h ec h a r a c t e r so ft h e s et y p e so fp r i s m sa r et h a tt h e y c a nn o to n l ys p l i toa n del i g h tw h i c ha r eb o t hl i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h t ，b u ta l s oc h a n g et h e p r o p a g a t i n gd i r e c t i o n so foa n d el i g h t a tp r e s e n t ，t h es t u d i e so nb i r e f l e c t i v ep r i s m sa r el i m i t e d a n do n l yc o n c e n t r a t eo n af e wo fr e g u l a rd e s i g n s i nt h et e c h n o l o g yo fl a s e rm o d u l a t i o n ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt op r o d u c eb i r e f l e c t i v es y m m e t r i cb e a ms p l i t t i n gp r i s ma n dp a r a l l e lb e a ms p l i t t i n gp r i s m w i t hl a r g es h e a rd i f f e r e n c eb e c a u s eo ft e c h n i c a la n dm a t e r i a lr e s t r i c t i o n s i no r d e rt oi m p r o v et h e s y m m e t r ya n dp a r a l l e l i s mo fo u t p u tb e a m so fap o l a r i z a t i o np r i s m ，t h ec o m p o s i t eb i r e f l e c t i v e s y m m e t r i cb e a ms p l i t t i n gp r i s ma n dp a r a l l e lb e a ms p l i t t i n gp r i s ma r es t u d i e di nt h i sw o r kf r o m t h ep e r s p e c t i v eo ft h es t r u c t u r eo fb i r e f l e c t i v ep r i s m t h ed e v i c e s o p t i c a lp e r f o r m a n c e sa r ea l s o a n a l y z e da n d t e s t e d t h ec o n t e s t so ft h ef u l lt e x tc a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s t h ef i r s t c h a p t e ri n t r o d u c e s t h ew r i t i n gb a c k g r o u n d ，t h e w r i t i n g m o t i v a t i o na n d i n n o v a t i o n so ft h ew o r ka sw e l la st h em a i nw o r kid i di nt h es t u d y i n g t h es e c o n dc h a p t e ri sar e v i e wf o r t h ep o l a r i z e r s o m eb a s i ct h e o r i e so fp o l a r i z i n gd e v i c e s a r ep r e s e n t e da tt h eb e g i n n i n go ft h i sc h a p t e r a f t e rt h a t ，w ei n t r o d u c ei nd e t a i l e dt h ep o l a r i z i n g p r i s m sa n db e a ms p l i t t i n gp r i s m s ，i n c l u d i n gs p e c i e s ，d e s i g n i d e o l o g i e sa n dp 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tp a r a m e t e r so ft h ep r i s m sa r e a n a l y z e dr i g o r o u s l y t h ef o u r t hc h a p t e ri sf o r t h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s w et e s tv a r i o u ss a m p l e se x a c t l ya n d a n a l y z et h et e s t i n ge r r o r s t h el a s tt w oc h a p t e r sa r et h ec e n t r a lp a r t so ft h i sp a p e ra n da l s om yw o r k s o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r so ft h ep r i s m sw ed e s i g n e da r ea n a l y z e da n dt e s t e di nf u l l ，s u c ha ss t r u c t u r e s ，o p t i c a l p e r f o r m a n c e sa n ds oo n f i r s to fa l l ，f o u r n e wp r i s m sw h i c ha r ed e s i g n e db a s e do nt h e c o n s t r u c t i o no fb i r e f l e c t i v eb e a ms p l i t t i n gp r i s ma n db i r e f l e c t i v ep r o p e r t yo fc a l c i t ec r y s t a la r e p r e s e n t e d t h e o r e t i c a la n a l y s i st u r n so u tt h a ta l lp r i s m sh a v ep e r f e c tc a p a b i l i t i e s t h ef i s ts c h e m e o fb i r e f l e c t i v es y m m e t r i cb e a ms p l i t t i n gp r i s mi st oc h a n g ea n g l ep a r a m e t e r s pa n dd ，w h i c hc a l l n o to n l ye n s u r et h es y m m e t r yo ft h es p l i t t i n gb e a ma n g l e ，b u ta l s ob r o a d e nt h es p l i t t i n ga n g l e a l s o ，a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s ，a p p r o p r i a t es y m m e t r i cs p l i t t i n ga n g l e c a l lb eo b t a i n e db y 曲中圳币范人学硕i j 研究生毕业论文第4 页 c h o o s i n gd i f f e r e n ta n g l ep a r a m e t e r s t h es e c o n ds c h e m eo f b i r e f l e c t i v es y m m e t r i cb e a ms p l i t t i n g p r i s mc a nm a k es u r et h a tt h et w ol i g h t se m e r g e n c ea n g l e sa r ee q u a lb yc h a n g i n gt h e o r i e n t a t i o n o fo n ec r y s t a l sl i n ga x e s b i r e f l e c t i v ep a r a l l e lb e a ms p l i t t i n gp r i s mw i t hl a r g es h e a rd i f f e r e n c ei s t oc h a n g eo n ef l a to ft h ee x i tf a c e ti n t ot w oc o n v e xf l a t s ，b i gs h e a rd i f f e r e n c ec a nb eo b t a i n e da n d t h es h e a ro ft h ep r i s mc a nb ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u i r e m e n t s b i r e f l e c t i v ep a r a l l e l d i s t e n s i b l eb e a ms p l i t t i n gp o l a r i z a t i o np r i s mt h a ti sd e s i g n e db a s e do nt h eb i r e f l e c t i v ep r i s ma n d p r i s me x p a n d e db e a mp r i n c i p l ei sp r e s e n t e d w ea l s or e a l i z et h eo p t i m a ld e s i g nf o r t h ep r i s m s t r u c t u r e a f t e rp r i s m s s t r u c t u r e sa r ef i x e d ，s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fe a c hp r i s ma r e a n a l y z e d ，s u c ha sh o w t os p l i ta n g l e sa s y m m e t r ya n dt r a n s m i s s i o no fl i g h tv a r i a t i o nw h e n i n c i d e n c ew a v el e n g t hi sc h a n g e d t h e nt w op r i s m sa r ep r o c e s s e da n dt e s t e d t h r o u g h c o m p a r i s o n so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r yr e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a t ，a l t h o u g ht h e d e v i a t i o n se x i s t ，t h eb a s i ct e n d e n c yi ss t i l lc o i n c i d e n t ，e s p e c i a l l yf r o mt h ec o m p a r i s o n so f e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a ld a t aw h i c hc a ni n d u c et h ev a r i a t i o no fs p l i t t i n ga n g l e s a s y m m e t r yw h e ni n c i d e n c ew a v el e n g t hi sc h a n g e d f r o mt e s t i n go fe x t i n c t i o nr a t i ow ec a nf i n d t h a t ，t h ee x t i n c t i o nr a t i oo f0l i g h ti sp r i o rt h a nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo f el i g h t ，b u tb o t ho ft h e ma r e h i g h e rt h a n10 一 b o t hr e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t i n ga r ei l l u s t r a t e dt h a t ，t h ed e s i g n s o ft h e s ep r i s m sa r ef e a s i b l e ，t h ep e r f o r m a n c e sa r eq u i t ew e l la n dt h e yc a nb eu s e di ns e v e r a l f i e l d s t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sa r t i c l ec a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ， 1 t w od e s i g ni d e a so fb i r e f l e c t i v es y m m e t r i cb e a ms p l i t t i n gp r i s ma l ep r o p o s e d t h e s e d e s i g n sc a nn o to n l ye n s u r et h es y m m e t r yo ft h es p l i t t i n gb e a ma n g l e ，b u ta l s ob r o a d e nt h e s p l i t t i n ga n g l e a l s o ，a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s ，a p p r o p r i a t es y m m e t r i cs p l i t t i n ga n g l ec a nb e o b t a i n e db yc h o o s i n gd i f f e r e n ta n g l ep a r a m e t e r s 2 t h ed e s i g ni d e a so fp a r a l l e lb e a ms p l i t t i n gp r i s mw i t hl a r g es h e a rd i f f e r e n c ea n dt h e b i r e f l e c t i v ep a r a l l e ld i s t e n s i b l eb e a ms p l i t t i n gp r i s ma r ep r o p o s e d t h es h e a ro ft h ep r i s mc a nb e d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h eu s e r sr e q u i r e m e n t s t h eo p t i m a ld e s i g n sf o rt h ep r i s ms t r u c t u r ec a nb e a l s or e a l i z e d 3 t h ed e t a i l e dd e r i v a t i o no nt h en e wd e s i g n si sg i v e ni nt h e o r ya n dr i g o r o u sa n a l y s i si s i m p l e m e n t e df o rt h em a i no p t i c sp a r a m e t e r s t h eq u a l i t i e so fn e wd e s i g n sa r et e s t e de x a c t l y i n e x p e r i m e n ta n dt h ee r r o r sa r ea n a l y z e ds y n t h e t i c a l l y , w h i c hv a l i d a t et h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h en e w d e s i g n s k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o no p t i c s ；b i r e f l e c t i v e ；s p l i t t i n ga n g l e ；s h e a rd i f f e r e n c e ； s t r u c t u r a la n g l e ；d e g r e eo fa s y m m e t r y ；e x t i n c t i o nr a t i o ；t r a n s m i s s i o n 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士留论文双反射对称分束与 平行分束偏光镜的设计，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士 口硕士留学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外 不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者虢绎职盘 隰砂形加 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“4 ) 双反射对称分束与平行分束偏光镜的设计系本人在曲阜师范大学攻读博 士口硕士日学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士昀学位论文。本 论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的 名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可 以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 缘弧i 喧日期：7 唧夕， 导师签名： 魄7 c ，7 ，7 曲争师范人学硕 ：研究生毕业论文第l 页 第一章绪论 光的偏振特性证明了光是横波，表征了光本身的运动状态。在波动光学范畴，光的偏 振属性，比光的干涉和衍射属性更为抽象。这主要是因为，借助一般的光学检测仪器很难 直接观察和识别光的偏振状态，所以光的偏光技术发展相对缓慢。到2 0 世纪6 0 年代，偏 光技术的应用也仅限于探矿、测量晶体光轴、光弹测机械零件的应力分布和量糖术等，所 用的偏光器件也仅仅是n i c o l 棱镜、人造偏振片数种。 随着激光和光通信技术的发展，偏光技术和偏光器件【l ，2 j 得到了飞速的发展。在短短数 十年中，国际上通用的偏光器件就由原来的几种发展到几十种，而且还有不少专用偏光器 件问世。随着光纤传输技术和集成光学的发展，偏光器件越来越趋于小型化、专业化、模 块化，偏光技术已成为光学检测、光学计量、光信息处理中的一种专门化手段，在与光学 应用技术相关的各学科领域中都得到了广泛的应用【3 叫。 偏光技术的发展关键是偏光器件。自上世纪6 0 年代起，新型偏光器件，特别是激光 偏光器件发展较为迅速。偏光器件种类繁多，形式各异，按实现方法的不同可分为：反射 式偏光器件、二向色型偏光器件、晶体双折射型偏光器件；按功能不同可以分为起偏器件、 延迟器件、退偏器件等。其中应用最广泛的是偏光棱镜。 目前制作偏光棱镜的主要材料是冰洲石晶体【7 】，也称作光学方解石。该晶体的最大双 折射率比较理想，而且透明度好，透射比高，抗光损伤阈值比较高，物化性能稳定，棱镜 可以在波段为0 2 3 t m 一2 8 p m 的范围内使其用，分波段使用可达1 5 t m 。由于冰洲石的光学 性能优良，在激光偏光技术中偏光棱镜应用比较多，因此这种棱镜也称为激光偏光棱镜。 偏光棱镜有多种结构，大体可分为激光偏光棱镜和偏光分束棱镜两类。激光偏光棱镜 主要有尼科耳型棱镜和格兰型棱镜两种结构。人们最早使用的是尼科尔型棱镜，但由于结 构本身有很多缺陷，逐渐被格兰型棱镜【8 】取代。格兰型偏光棱镜大体可以分为两类：一类 是格兰泰勒棱镜，另一类称为格兰付科棱镜。偏光分束镜中比较典型的设计有洛匈 棱镜和渥拉斯顿棱镜，这种棱镜兼有起偏和分束两种功能。 表征棱镜型偏光器件性能的参量主要有消光比、透射比、分束角、剪切差和视场角等， 在偏光棱镜中，两种格兰型棱镜是应用最广泛的，对其光学性能参数的研究具有一定的实 用意义和代表性，所以最近几年来一些光学工作者在这两种棱镜的优化设计和性能参数研 究较多，而对于其它类型偏光棱镜，其优化设计和性能参数研究都比较少。 双反射型偏光棱镜是根据双折射晶体的双反射原理设计的一种新型偏光分束镜，它的 特点是把光的转向和偏光分束融为一体。双反射型偏光棱镜【9 j 是上世纪8 0 年代才被人们注 意的一种偏光分束棱镜，目前，国际上未见有关产品报道，仅有原理性研究文献。只有我 国曾设计过几种双反射偏光分束棱镜。在激光偏光调制技术中，对称分束镜和超大剪切差 的平行分束偏光镜受技术和材料的限制，制作难度很大，为了提高偏光棱镜出射光束的对 称性和平行分束性，我们从双反射偏光分束棱镜的结构出发，经过严格分析，设计了i 、 曲中卅币范人学硕i ：研究生毕业论文第2 页 i i 型双反射对称分束棱镜、双反射超大剪切差平行分束棱镜和双反射平行扩束棱镜四种不 同结构的偏光分束棱镜，通过对比分析把其中的两种棱镜加工成样品，并进行了实验测试。 棱镜的研制过程大体分以下几步进行： ( 1 ) 首先确定所设计棱镜的结构参数、光轴方向等，即按照棱镜的某一设计波长， 综合考虑棱镜的消光比、透射比、分束比等因素，通过理论分析和公式推导，确定棱镜的 晶体光轴方向以及结构角等参数。 ( 2 ) 棱镜样品加工：偏光棱镜的制作一般要经过选料、粗磨、细磨、定光轴、切割、 细较、抛光以及胶合等加工程序。 ( 3 ) 样品性能测试：主要测试棱镜的光强透射比、消光比、分束角及其不对称度等。 通过测量值与理论值的对比，来检验所测样品的性能。 以上述实验条件和理论依据为基础，本文主要从以做下几个方面的工作： l 、首先，总结了几种单元式和复合式双反射型偏光分束棱镜的结构和性能特点，为 本文的棱镜设计提供理论参考。 2 、通过查阅文献资料，提出了i 、i i 型双反射对称分束棱镜、双反射超大剪切差平 行分束棱镜和双反射平行扩束棱镜四种不同结构的偏光分束棱镜的设计方案。经过详细的 理论计算确定其结构角，并得到了棱镜的光强透射比、分束角及其不对称度随入射波长变 化的理论曲线。 3 、对过对比将其中的两种棱镜加工成样品，并测试了它们的消光比、透射比、分束 角及其不对称度和剪切差等，并分析了测量值和理论值的差异及其产生误差的原因，为本 课题的棱镜设计提供了可靠的实验依据。 随着偏光技术的发展，偏光器件越来越广泛的应用于航空航天、通信、生物、地质、 海洋等领域，对偏光器件的种类的需求也将越来越大。因此我们所设计的双反射对称分束 和平行分束偏光棱镜在激光偏光调制技术中有着广泛的应用前景，也为今后的棱镜设计提 供一定的参考价值。 曲阜师范人学硕1 ：r d f 究生毕业论文第3 页 第二章偏光棱镜设计综述 现代偏光技术和激光应用涉及到的偏光器件，已由上世纪六十年代以前的几种发展到 了几十种，偏光器件已成为激光调制技术及应用技术中不可替代的关键器件。偏光器件的 种类比较多，常用到的有偏光棱镜、偏光分束棱镜、偏振片、相位延迟器件以及退偏器件 等。在偏光技术中应用中，偏光棱镜的应用最为广泛。在激光调制、光信息处理、光纤通 讯等现代光学技术中，获得偏振光的最主要的器件是偏光棱镜。 目前国内外常用的棱镜型激光偏光镜可多达几十种 t o - 1 3 ，其特点和用途也各异。棱镜 型激光偏光镜大体可分为激光偏光镜和激光偏光分束镜两大类。偏光棱镜有多种设计形 式，其设计原理基础是几何光学。本章首先引入了一些基础设计理论，然后介绍了几种常 用的偏光器件的性能及结构特点。 2 1 偏光棱镜基础设计理论 2 1 1 光的偏振概念 一般光源的光波振动( 光波的电矢量e 或d ) 在垂直光传播方向的平面内，各方向随 时间的平均值是相等的，这就是自然光。 光波电矢量的振动方向具有一定规则的光称为偏振光，若其振动方向与光的传播方向 在一个平面内则为平面偏振光或线偏振光。平面偏振光与自然光的掺合形成部分偏振光。 任一偏振光的偏振度( p ) 都可用下式表示： p ：垒：i r m a x - - i m i a i 怠i 雠+ i 幽 其中，k 和，m 佃是两个j 下交方向的偏振光光强的最大 值和最小值。对于线偏振光，= ，总，p = l ；对于自然光， ，蚴= l i n ，p = 0 ；其它情况为部分偏振光，即0 p 图2 3 5 平行分束偏光 o e 2 4 冰洲石晶体偏光棱镜设计概要 虽然冰洲石晶体的偏光棱镜形式多种多样，但其总的设计思想则是相同的，即在所需 的波长范围内，尽可能有较好的透射比和消光比，增大视场角和通光孔径，并节省晶体材 料。因为冰洲石晶体具有一定的双折射色散和各向异性温度系数，设计中难以兼顾所有参 数，所以在设计时只能根据实际需要有所侧重。下面分别介绍几个设计中比较重要的技术 环节。 选料：在自然界所有矿物中，方解石是分布最广的一种，仅次于石英。通常，它和大 理石、石灰石或白垩一样，以不纯的多晶形存在。光学方解石，即冰洲石非常难得，现在 各地难以找到该矿物的富产矿，大多数是以副产品的形式开采。目前冰洲石的光学级别的 评定多是凭经验，没有具体的量化标准。任何光学级不容许的缺陷，如裂缝、双晶、包裹 体等，都会严重影响到偏光器件的透射比及消光比。因此，选料是比较重要的基础环节。 胶合剂：一般情况下，以空气隙形式胶合的棱镜的抗光损伤阈值比较高，以胶合剂形 式胶合的棱镜由于受胶合剂性能影响，抗光损伤阈值比较低，并可能对某些波段的光有较 为明显的吸收。一般情况下，应尽量选取在应用波段与晶体的透射光折射率接近的胶合剂， 以减少光在切割面上的反射损失。当棱镜结构角较大时，这一点尤为重要，如对 曲申师范人学硕i ：研究生毕业论文 第l o 页 g l a n t h o m p s o n 棱镜而言，当结构角为7 1 5 。，波长为6 3 3 n m 时，e 光在胶合剂折射率分 别为1 5 4 ( 树脂胶) 和1 4 7 6 ( 2 0 ，甲醇胶) 的胶合面上的反射总损失分别为4 1 6 和0 2 4 。 另外，对温差较大的环境，还要注意胶合剂的线胀系数与冰洲石的线胀系数的匹配问题( 冰 洲石在垂直晶体的光轴和平行晶体的光轴两个方向上的线胀系数相差较大) 。 结构角：通常将入射端面或出射端面与切割面之间的央角称为棱镜的结构角。一般情 况下，结构角越大，棱镜的长度孔径比( 彳) 越大，使用的晶体材料就越多，视场角也越 大。因此，结构角不仅是决定棱镜的形状和大小，也是决定棱镜性能的重要参数。 入射角：不同入射方式也会影响棱镜透射比。一般有两种入射方式：垂直入射和以布 儒斯特角入射。以布儒斯特角入射可以增加透射比，但由于光线斜入射造成的像畸变和横 向色差则会影响像质，还会减小通光孔径，并造成光路调整的诸多不便。 抛光：抛光是偏光棱镜技术加工的一个比较重要环节，它的效果直接影响到棱镜的消 光比和透射比。一般要求抛光面的平面度、光洁度要尽量好，否则棱镜性能则会大打折扣。 曲阜师范人学硕i ：研究生毕业论文第l l 页 第三章双反射对称分束与平行分束 偏光镜的设计 双反射型偏光分束镜是李国华教授发明的一种新型偏光分束镜，它是根据双折射晶体 的双反射原理设计而成的。目前，双反射偏光分束棱镜的研究比较少，只限于几种常规的 设计。在激光偏光调制技术中，对称分束镜和超大剪切差的平行分束偏光镜受技术和材料 的限制，制作难度很大，为了提高偏光棱镜出射光束的对称性和平行分束性，本文从双反 射棱镜结构出发，提出了i 、i i 型双反射对称分束棱镜、双反射超大剪切差平行分束棱镜 和双反射平行扩束棱镜四种不同结构的偏光分束棱镜。随着偏光技术的不断发展，对偏光 棱镜的需求也不断增大，因此，开发这种新型偏光器件，将会在偏光技术领域获得广泛的 应用。 3 1 基础知识 3 1 1 冰洲石晶体介绍 方解石是自然界中是仅次于石英分布较广的一种的矿物。通常它以不纯的多晶形式存 在。然而，光学方解石( 或称冰洲石) 是非常难得的。二十世纪以前，光学方解石主要来 自冰岛东海岸的瑞德富琼达附近的玄武岩洞中。由于伊 拉兹马斯巴索利纳斯在1 6 6 9 年详细描述过这个矿的晶 体，从而导致克里斯琴更斯于1 6 9 0 年发现双折射定律 和马吕斯于1 8 0 8 年发现了光的偏振现象。方解石晶体是 负单轴晶体，这种材料沿三个不同的面劈开就成为如图 3 1 1 所示的菱面体。其角度如图中所示。在含有光轴并 且垂直于两个相对菱形面a b c d 和e f g h 的任一平面， 如d b f h 面，叫作主截面。 a 、h g 图3 1 1 菱形方解石品体各面角 度关系示意图 如果入射面和主截面重合，则光就分成两个相互垂直的分量，一束称为寻常光，即o 光， 遵守f r e s n e l 定律，其振动面垂直于主截面。另一束光称为非常光，即e 光，其振动面平行 于主截面。但在一些情况下非常光的折射与f r e s n e l 定律是相违背的。 3 1 2 色散 光的色散是指媒质中折射率n 随入射光波长力的变化而改变的现象。色散率则是描述 介质折射率随波长变化的快慢程度。其定义为材料的折射率对波长的导数，用下式表示： i d n ：d f ( 2 ) a ( 3 1 1 ) 一= 1 - _ - 、， 口l“几 但实际上，由于n 和五的关系比较复杂，一般都是通过实验测定刀随五变化的关系， 然后做成曲线，就是色散曲线。正常色散是指折射率随波长的增大而减小的现象；反之称 为反常色散。 科希首先研究了色散现象并给出了正常色散的经验公式： 曲胄师范大学硕i ：研究生毕业论文 第1 2 页 刀= 彳+ 万b + 万c ( 3 1 2 ) 其中a 、b 、c 为常数，与材料的性质有关。但最经常使用的是修正的s e u m e i e r 公式： 矿= 4 + 忐一p 矛 ( 3 1 - 3 ) 式中b 为与吸收能带有关的常数，c 为媒质吸收的波长，d 为远红外的修正项。 冰洲石晶体的色散曲线可以利用修正的s e l l m e i e r 方程严格求解，通过计算冰洲石晶体 的色散曲线如图3 1 2 所示。其中左图和右图分别为e 光、o 光主折射率色散曲线。由图可 知，冰洲石晶体两个折射率 e 和”。均随着波长的增加而逐渐减小，且减小的速度越来越趋 于缓平。 2 1 0 3 n m 图3 1 2e 光和0 光主折射率的色散曲线 3 2 双反射偏光分束棱镜 双反射偏光分束棱镜是最近几十年才被人们注意的一种新型棱镜，这种棱镜不仅能够 实现起偏分束，而且还能够使光束转向。在系统设计中，如果要求光路转向，或过长的光 路转向时等，使用这种棱镜可省去一只转向棱镜，而且能保持好的光束质量( 因为一般偏光 经反射或转向时，其偏振态都要受到影响) 。双反射型偏光分束棱镜一般分为单元双反射光 分束棱镜和复式双反射偏光分束棱镜两种。 3 2 1 单元式双反射偏光分束棱镜 单元式反射型偏光分束棱镜的设计一般是采用 直角三角形结构，如图3 2 1 所示。其光轴方向与 入射光线方向平行，入射光经棱镜双全反射而分束。 在单元式双反射棱镜的基础上我们所又研制了 单元式双反射平行分束棱镜、i 型单元式双反射偏 光分束棱镜和i i 型单元式双反射偏光分束棱镜 1 2 3 。图3 2 2 为单元式双反射平行分束棱镜，其结 3 2 1 单元式双反射偏光分束棱 镜结构图 曲自师范人学硕i j 研究生毕业论文第1 3 页 构是一个等腰直角三角形，其光轴方向和棱镜通光端面成4 5 0 角，入射光经棱镜双全反射 而分束，被分束的光平行出射。 i 型单元式双反射偏光分束棱镜的结构如图3 2 3 所示，棱镜光轴方向与入射光线方 向平行，结构角为s ，经过精密计算可知，当结构角取4 3 4 4o 时，0 光和e 光的出射角为 w = w ，= 5 1 70 ，这时达到了对称分束的要求。 i i 型单元式双反射偏光分束棱镜的四种结构如图3 2 4 所示。其光轴方向与水平或竖 图3 2 2 单元式双反射平行分束棱镜 图3 2 3i 型棱镜的结构 a 单元结构双反射偏光棱镜 b 单元结构双反射偏光棱镜 c 单元结构双反射偏光棱镜d 单元结构双反射偏光棱镜 图3 2 4i i 型单元结构双反射偏光棱镜结构图 曲阜帅范人学硕上研冗生毕业论文第i 4 页 直方向成一小角度。若取每种棱镜中光轴旋转过的角度都取5 度，经计算分析可知，若 要达到对称分束：a 型棱镜的最佳结构角为4 3 4 7 0 ，分束角为5 0 6 0 ；b 型棱镜的最佳结 构角为4 3 4 4 0 ，分束角为5 1 3 0 ；c 型棱镜的最佳结构角为4 6 4 7 0 ，d 棱镜的最佳结构角为 4 6 4 8 0 ，它们的分束角均为4 8 7 0 。从棱镜的分束功能来看，b 型棱镜的分束功能最强，与 i 型棱镜的分束角大致相等。 3 2 1 复式双反射偏光分束棱镜瞰啪1 复式双反射偏光分束棱镜是二元结构的冰洲石 晶体，图3 2 5 为其中一种棱镜的具体结构。第一块 晶体的光轴方向垂直于入射面，第二块晶体光轴方 向在出射面内且与第一块晶体光轴垂直，棱镜入射 面与反射面的夹角为4 5 度。正入射光束进入第一块 晶体后，沿光轴方向传播到达棱镜斜面a bf i i s ，此 时无双折射发生，在a