（光学专业论文）单元反射型偏光分束棱镜的设计.pdf

曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 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 新的偏光器件，这类棱镜的特点是集偏光分束与光传播的变向于一身，在偏 光分束的同时，可以使光的传播方向改变一定的角度。目前的几种双反射偏 光分束棱镜多采用二元结构，由于胶合层的存在，使得这几种棱镜的光强透 射比普遍偏低。本文借鉴了它们的部分设计思想，研制了两种单元结构的反 射型偏光棱镜，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； 第一章绪论部分，主要介绍了偏光器件的分类、性能和应用范围，并对 本文的工作进行了说明。 第二章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，并对相位延迟器件、退偏器件和冰 洲石晶体偏光棱镜设计概要进行了简单的介绍。 论文的后三章是本文的核心内容，也是我的主要工作。这三章对单元结 构双反射偏光棱镜的结构、性能参数作了详细的理论分析，并进行了实验测 试：首先我们根据冰洲石晶体的双折射性质，提出了i 、i i 两种类型五种不 同结构的单元双反射偏光分束棱镜的设计构想。理论分析证实，这五种结构 的单元双反射偏光分束棱镜都可以使两束出射光等分束角输出，并且找到了 实现等角分束的最佳结构角。在结构固定后，我们对各棱镜的性能，如分束 角不对称度随入射角和入射波长的变化关系，光强透射比随波长的变化关系 等进行了理论分析。通过棱镜性能的比较，我们选择了其中两种性能最好的 棱镜作为i 、l i 两种类型的代表加工成样品，并对样品进行了实验测试。从 分束光不对称度和光强透射比随入射角、入射波长变化的实验数据可以看 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角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，两出射光 束中，0 光的消光比性能要优于e 光的消光比性能，但两束光的消光比性能 都不低于l o 5 ，具有实际应用价值。 理论分析和实验测试结果均表明：i 、i i 两种类型的单元双反射偏光分 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 束棱镜都具有较好的性能，较高的实用价值。 本文的主要创新之处在于：提出了新的单元双反射偏光分束棱镜的设计 方案，从理论上进行了详细的推导，并结合实验对器件设计性能进行了验证 分析 关键词：偏振光学；双反射；分束角；结构角；不对称度；透射 比；消光比 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第3 页 a b s t r a c t r e f r a 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 i n go nb i r e f r i n g e n tc h a r a c t e ro n s u r f a c eo f c a l c i t ec r y s t a la r en e w p a t t e r n so f p r i s m s n o to n l y 啪t h e ys p l i toa n d e t i g h t w h i c ha l eb o t hl i n e a r l y p o l a r i z e dl i g h t ，b u ta l s o c a nc 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 f0a n del i g h t a tp r e s e n t , t h e r ea r es e v e r a lp a t t e r n so f r e f r a c t i v ep r i s m s m o s to fw h i c ha c o m p o s e do ft w op a r t s f o rt h ee x i s t e n c eo f c e m e n t i n gl a y e r , t h et r a n s m i s s i o no fl i g h ti sn o tv e r yh i g h i no r d e rt oi m p r o v e t h et r a n s m i s s i o no f l i g h t ，t w on e wp a t t e r n sw h i c hh a v eo n l yo n ep a r ta r ed e s i g n e d i nm y p a p e r s o m eo f t h ed e s i g ni d e o l o g yi sd r a w nl e s s o n sf r o mt h eo l dp a t t e r n s b a s i n go nt h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t , w ea n a l y s et h et w o p a t t e r n s o p t i c a lp e r f o r m a n c e s t h ef u l l t 6 x ti n c l u d e st h e f o l l o w i n g c o n t e s t b r i e f l y i nt h ef i r s tc h a p t e r , s o m eb a s i ck n o w l e d g e ，s u c ha ss p e c i e sa n dp e r f o r m a n c e s o f p o l a r i z i n gp r i s m ，f i e l d so fa p p l i c a t i o na n ds oo n , a r ee x p l a i n e da n dt h e ni st h e i n t r o d u c g o no f t h em a i n c o n t e n to f t h i sp a p e r s o m eb a s i ct h e o r i e so f p o l a r i z i n gd e v i c e sa l er e c o m m e n d e da tt h eb e g i n n i n go f t h es e c o n dc h a p t e r a f t e rt h a td e t a i l e de x p l a n a t i o no f p o l a r i z i n gp r i s m sa n db e a m s 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 ni d e o l o g i e sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ， i sd o n e f i n a l l y , w ei l l u s t r a t es o m eo t h e rk n o w l e d g er e l a t e dt op r i s m , s u c ha s p h a s ed e l a yd e v i c e s ，d e p o l a r i z i n gd e v i c e sa n dm a i np o i n t so fp r i s md e s i g n a t i o n w h i c hi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rp r i s mm a d eo f c a l c i t ec r y s t a l t h el a s tt h r e ec h a p t e r sa r et h ef o c a lp o i n t si nm yp a p e ra n da l s om yw o r k s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ep r i s i l l sw ed e s i g n e da r ea n a l y s e di nf u l l ，s u c h a ss t r u c t u r e s o p t i c a lp e r f o r m a n c e sa n ds oo n o fc a b s e ，d e t a i l e de x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t sa r ev e r yn e c e s s a r y f i r s to fa l l ，t w ou c wp r i s m si n c l u d i n gf i v e d i f f e r e n ts l r u c b l r e s w h i c ha r ea l lm o d u l a rc o n s t r u c t i o na n dc a ns p l i tl i g h tb y d o u b l er 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 l ，a r et e n d e r e d t h e o r ya n a l y s i st u r n s o u t t h a t , e a c h # s i nc a nm a k e s i 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 l a f t e rp r i s m s s t r u c t u r e s 躺f 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 h 面锄眦 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第4 页 a n a l y s e d s u c ha sh o ws p l i t t i n ga 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 t v a r i e dw h e ni n c i d e n c ea n g l ea n di n c i d e n c ew a v el e n g t ha r ec h a n g e d c o m p m i n g t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s ep r i s m s , t w ov r i 湖sw h i c hh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e s a n dc a r tr e p r e s e n tt h et w op a t t e r n sc o n s i d e r e da b o v ea p r o c e s s e d t h o u g h c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h e o r yr - 嚣u h s , w ec a l lc o n c l u d et h a l i a l t h o u g hd e v i a t i o ni 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 m t h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r yd a t aw h i c hc a nr e n d e rt h e v a r i a t i o no fs p l i t t i n ga n g l e sa s y m m e t r yw h e ni n c i d e n c ea n g l e sf i f e c h a n g e d f r o m t 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 dt h a t , t h ee x t i n c t i o nr a t i oo fot i g h ti s v r i o rt h a nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo r el i g h t , b u tb o t ho f t h e m 瓣h i 曲e f t h a n1 0 弓 b o t ho f t h er e s u l t so f t h e o r ya 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 l ea l li l l u s t r a t e d t h a t , t h ep e r f o m m c e so ft h e s et w op r i s m sb a s i n go nd o u b l er e f l e c t i o na r eq p i t c w e l la n dt h e yc a nb eu s e di ns e v e r a lf i e l d n 圮m a i ni n n o v a t i o n 8o ft h i sa r t i c l ea f et h a t ：w ep u tf o r w a r dan e wd e s i g ni d e a o f 州s m 删sn e wp r i s mi sb a s i n go nd o u b l er e f r a c t i o na n dh a so n l yo n ep a n a f t e rt l l e o r y a n a l y s i si nf u l l t h ep e r f o r m a n c e so ft h ep r i s ma 阳c e r t i f i e db y e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o no p t i c s ；d o u b l er e f l e c t i o n ；s p l i t t i n ga n g l e ； s t r u c t u r a la n g l e ；d e g r e eo f a 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 l f l l 宁9 f l i 扎人学帧1 1 d 究生毕业论文第1 衄 第一章绪论 1 8 0 8 年马吕斯发现了光的偏振现象，从此偏振光学应运而生。随着卜 个世纪6 0 年代第一台红宝石激光器的诞生以及现代光学技术的不断发展， 偏光技术作为光学技术的重要一支，其应用逐渐渗透到与光学技术相关的 各学科领域i l 州，已成为光学测量和光信息处理的一种专门化手段。而偏光 技术的不断发展，使得偏光信息处理和偏光技术应用的核心元件偏光 器件，也由以前的几种发展到几十种d o q 2 ，并且日益广泛地应用于光调制、 偏光导航、光纤通讯、光电检测以及光传感等技术领域。 偏光器件种类繁多，形式各异。按实现方法的不同，偏光器件可分为： 反射式偏光器件，如各种材料的行氏角起偏器l 】、薄膜干涉起偏镜【h i 等；二 向色型偏光器件，如各种人造偏振片，线栅偏光镜1 1 5 1 、晶体二向包偏光镜等： 晶体双折射型偏光器件，如各种双折射晶体材料的偏光镜和偏光分束镜。按 功能不同可以分为起偏器件，如格兰泰勒棱镜、渥拉斯顿棱镜；延迟器件， 如云母、石英波片、穆尼菱体、电光调制器、巴俾涅补偿器等；退偏器件， 如楔型晶体退偏器、石英旋光退偏器6 1 、晶体复合延迟退偏器l 等。其中应 用最广泛的是偏光棱镜。 目前制作偏光棱镜应用最多的材料是天然冰洲石晶体l l “，即光学方解 石。该晶体在较宽的光谱区内有理想的最大双折射率和高的透射比，透明度 高，物化性能稳定，抗光损伤阈值高，制成的偏光棱镜可在2 3 0 n m 一2 8 0 0 n m 波段内使用，分波段使用可达1 5 z m 。 棱镜大部分可以应用于激光偏光技术， 由于它优良的光学性能，制作的偏光 因此被称为激光偏光棱镜。 偏光棱镜的设计结构有很多种，但大体可分为激光偏光镜和偏光分束镜 两类。激光偏光棱镜主要有格兰型和尼科耳型两种设计结构。尼科尔型设计 是人们最早使用的一种，但由十结构本身缺陷：( 1 ) 光束进入棱镜棱镜时并 i ： 正入射，丽是有一个较大的入射角，这不仅增加了光的反射损失，且调整很 不方便；( 2 ) 透射光束有较大的偏移，转动棱镜透射光束也随之转动，给使用 带来了许多不便；( 3 ) 尼科尔型棱镜用加拿大树胶胶合，抗光损伤阈值低，不 能用f 强激光光路，已经逐渐被格兰型设计所代替。虽然制作格兰型棱镜比 制作尼科耳型棱镜需要耗赞更多的方解石，但格兰型偏光棱镜在光学上有几 曲中帅范人学帧lf i f 饨生毕业论文 方面的优点：( 1 ) 因棱镜的晶体光轴与入射光线正交，利用了晶体的最大双折 射率，从而使棱镜具有较大的视场角和较小的长度一孔径比；( 2 ) 视场内光的 偏振分布均匀，透射光横向平移小；( 3 ) 出射光几乎是均匀偏振的；( 4 ) 离轴漂 移引起的像散最小。 格兰型晶体偏光棱镜一般采用二元复合结构。按晶体的光轴与切割斜面 的方位关系和切割斜面阃胶合介质的不同，格兰型设计大致可以分为两大 类：( 1 ) 光轴与切割斜面、入射端面之交线垂直的结构。两切割斜面自j 用介质 胶合的为李普奇棱镜；中白j 为空气层的称为格兰泰勒棱镜。( 2 ) 光轴与切割 斜面平行的结构。若两切割斜面问为空气层，则称为格兰付科棱镜；若棱 镜的两切割斜面用介质胶合，则称为格兰汤姆逊棱镜。 偏光分束镜兼有起偏、分束两种功能，它是把一束非偏振光分解成振动 方向吒相垂直的两束平面偏振光，按一定的分束角同时输出。比较典型的设 计有渥拉斯顿棱镜【1 9 0 0 1 和洛匈棱镜1 2 1 , 2 2 j 。渥拉斯顿棱镜是最典型的一种偏光 分束镜，有着广泛的应用领域：在微分干涉相衬技术中用来观察与定量测量 表面形貌；在傅罩叶光谱仪中用来测量波长；在精密光学成像系统中也得到 了重要的| 应用。由于被洛匈棱镜分束的两束光中有一束传播方向不变，有时 也作为起偏棱镜使用，它的长度孔径比与格兰泰勒棱镜相当，透射比优于 格兰泰勒棱镜。 对棱镜型偏光器件，表征其性能的技术参量主要有透射比、消光比、视 场角、分束角和长度孔径比等由于大部分偏光棱镜都是在以上两种格兰型 棱镜的基础上修改设计而成的，因此对以上两类棱镜的光学性能参数的研究 具有一定的代表性和实用意义，也能为其他类型棱镜的设计及应用提供参 考，所以近年来国内外的一些光学工作者对偏光棱镜的优化设计及相关参数 的研究基本上都集中在这两种棱镜上，而对其它类型偏光棱镜的研究则相对 比较少。 反射型偏光棱镜是根据双折射晶体表面的双反射现象设计的，这类棱镜 的特点是集偏光分束与光传播的变向于一身，在偏光分束的i 司时，使光的传 播方向改变一定的角度。双反射型偏光棱镜是最近几年j j 。被人们注意的偏光 分束棱镜| 2 3 j ，目前只有我国曾设计过几种这类结构的双反射偏光分束棱镜， 曲争帅范人学坝i 研究生毕业论文第3 虹 国际上仅有原理性研究文献，未见产品报道。由于加工技术的限制，我国设 计的几种双反射偏光分束棱镜多采用二元结构，由于胶合层的存在，使得这 种棱镜的光强透射比和格兰型棱镜一样普遍偏低。为了进一步丰富这类结构 的棱镜，我们经过严格分析，设计了两类单元双反射偏光分束棱镜，并把其 中光学性能较好的两种加工成样品进行了实验测试。这两类棱镜的研制工作 一般分以下3 步进行： ( 1 ) 确定单元双反射偏光分束棱镜的结构参数：即按某一设计波长， 综合考虑棱镜的透射比、消光比，分束比、视场角和通光孔径等因素，通过 详细的理论分析，确定棱镜的结构角和晶体光轴方向等参数。 ( 2 ) 样品制作：偏光棱镜的制作，一般要经过粗磨、细磨、定光轴、 切割、抛光、胶合等冷加工工序。 ( 3 ) 性能测试：对样品进行实验测试的内容包括：棱镜的消光比、光 强透射比、分柬角不对称度对入射角度和入射波长的敏感度等。通过实验数 据与理论数据的对比，来检验样品棱镜性能。 以上述理论依据和实验条件为基础，本文主要做了以下具体工作： 1 、首先总结分析了目前研制出的几种反射型偏光分束棱镜性能特点， 为本文的设计提供参考。 2 、通过查阅资料，我们提出了l 型和l i 型两种单元双反射偏光分束棱 镜的设计方案。经过详细的理论计算确定了五种可能结构的最佳结构角，并 得到了每种棱镜的分束角不对称度随入射角和入射波长、光强透射比随入射 波长变化的理论值。 4 、将性能最好的两种典型棱镜设计加工成样品，分别测试了它们的透 射比、消光比、分束角不对称度随入射角度和入射波长的变化等，为本课题 提供j ，可靠的实验依据。 随着激光技术的发展，棱镜型偏光器件必将越来越广泛的应用于通信、 航空航天、海洋、地质、生物等领域，对棱镜型偏光器件的种类和数量的需 求也将越来越大。到目前为止，国内外基本上还没有关于单元双反射偏光分 束棱镜的报道，因此我们设计的单元双反射偏光分束棱镜不仅有广泛的应f | j 前景，还可以为今后的设计提供一定的参考，是一项非常有意义的工作。 曲阜师范大学坝i 州 究生毕业论文第4 贝 第二章偏光器件设计综述 晶体偏光器件是调整和改变光的各种偏振态的专用品体器件，是激光应 用和调制技术不可替代的关键器件，是光通信和现代光信息技术发展与产业 化的基础无源器件。偏光器件的种类很多，通常用到的有偏振片、偏光棱镜、 偏光分束棱镜、各种相位延迟器件及退偏器件等。在偏光技术中应用最广泛 的是偏光棱镜和相位延迟器件，而后两者相比，偏光棱镜的应用又更为广泛， 在光纤通讯、激光调制、光信息处理等现代光学技术中，偏光棱镜都是获得 偏振光的最主要的器件。 棱镜型激光偏光棱镜是适合激光特点的棱镜型偏光器件，大体可分为激 光偏光镜和激光偏光分束镜两类，每一类又有十几个系列品种1 2 4 - 2 6 】。偏光棱 镜有多种设计，目前最普遍采用的是格兰型设计的棱镜，虽然制作格兰型偏 光棱镜比制作同样大小的尼克耳型棱镜需要更多的材料，但它在光学性能i ： 有几方面的优点：( 1 ) 晶体的光轴与入射端面平行，发挥了晶体的最大双折射 特性，从而使棱镜具有较大的视场角和较小的长度一孔径比；( 2 ) 视场内光的 偏振分符均匀，引起的偏振像差小；( 3 ) 会聚光束入射时离轴漂移小成像质 量好。 激光偏光棱镜的设计原理基础是几何光学，光的全反射原理的应用成就 了偏光棱镜，棱镜的透射性能由光能反射比和光的干涉理论解释。本章首先 引入一些基本概念，然后介绍各类偏光器件【2 7 1 中常用的几种器件的特点。 2 1 相关概念 2 1 1 光的偏振概念 一般光源含有大量的发光原子或分子，由于发光物质微观运动的复杂性 以及诸独立振子在辐射时的不连续性，其辐射光波的电矢量振动方向和初位 相都处于随机状态，因而光波的振动( 光波的电矢量e 或d ) 在垂直光传播 方向的平面内，各方向随时问的x f 均值是相等的，这就是自然光。 电矢量的振动方向具有一定规则的光称为偏振光。若电矢量的振动方向 始终与光的传播方向在同一平面内，称为线偏振光或平面偏振光。电矢量庄 与传播方向霞构成的平面称为振动面，包龠传播方向并与振动方向垂直的；f 曲阜师范大学坝f ：研究生毕业论文第5 贝 面称为偏振面。自然光与平面偏振光的掺杂形成部分偏振光。任一束偏振光 的偏振化程度可用偏振度p 表示： ：生：1一-imp 但1 1 ) ：堕： 陀1 1 ) ，总，。+ ，。 、 式中，。和，。是两个币交方向的偏振光光强的极值。对自然光， i 。= ，。，p ；0 ，此时偏振度最低：对于平面偏振光，信= ，总，p = l ， 此时偏振程度最高：其它情况，即部分偏振光，0 尸 v 2 啊时，s i n o 1 ， 此时0 已经不是实角。 上述第二种情况即为全反射。根 据前面的讨论可知发生全反射的条件 为： ( a ) 光从光密介质向光疏介质传 播； ( b ) 入射角i 大于临界角f 。，i 。由下 式给出： v is i n l r2 1 2 翻2 1 1 平面波的折射和反射 ( 2 1 4 ) 曲卑帅池人学颅i j 埘究生毕业论文 当一束光由光疏介质入射到光密介质，或者由光密介质入射到光疏介质 且入射角小于临界角时，即不满足全反射的条件，就会有一部分光透过界面 进入第二种介质，另一部分光经界面反射回到第一种介质。当入射角不为零 时，对于s 振动的光的反射系数r ；和p 振动的光的反射系数r ，是不同的， 它们分别由下式给出： b = n c o _ s o - n l c o s ) 2 c z 小s ， 耳兰5 c o s o - n 2c o s 2( 2 1 6 ) 相应的光强透射比l ，和疋分别为： 耳= l r ，2 j 石s i n 2 而i s i n 而2 r 丽2 - 7 s l n c o s 一“+ ，j一一rj t s = i - r s = 器s l 筹 亿t 固 n lz 十，j 2 1 3 布儒斯特角和临界角 这两个角度概念在偏光器件设计中经常用到。 ( 1 ) 布儒斯特角：当光在透明介质表面反射，当反射光中没有电矢最振动 方向平行入射面的光时，对应的入射角巩称为布儒斯特角，l i p ( 2 1 6 ) 式中 r ，= 0 。由反射定律可得命儒斯特角定律： 僖吼= n i h 2 ( 2 1 - 9 ) ( 2 ) l | 为界角：光由光密介质( 。) 向光疏介质( 啊) 传播，在分界面上恰好能 发生全反射时，对应的入射角称为全反射的临界角，用p 表示，其值为： 眭= a r c s i n ( n l ) ( 2 1 - j o ) 2 1 4 偏光棱镜陛能参数 ( 1 ) 主透射比：也称偏光器件的透射比即起偏系统的偏振输 h 与相应偏 振输入的百分比，用r 表示。对反射型偏光器件，其主透射比应是偏振的反 曲卞帅范人学坝i ：研究生! # 业论文第7 贝 射光强与相应的偏振入射光强的百分比。 ( 2 ) 消光匕匕1 2 9 l ：起偏系统的最大偏振透射比和最小透射比的比值成为消光 比，用字母p 表示，是表征偏光系统起偏性能的重要参数，也是表征光学材 料各向异性的重要物理量。对一个偏光器件，若其主透射比为t ，与其垂直 方向的透射比为瓦，剜： t p = ( 表示为正指数)( 2 1 1 1 ) p = ( 表示为负指数)( 2 1 1 2 ) 我们习惯上用负指数表征偏光器件的消光比。光学材料偏振效应的消光 比常以d b ( 分贝) 作单位，即： r p = l o l g ( d b )( 2 i 1 3 ) 1 1 式中，歹和，的选取应满足在这一j 下交方向上二者差值最大。 ( 3 y 通光孔径：通光孔径指棱镜允许通过光束的最大有效面积。棱镜类 型不同，通光孔径的表示方法也不同。起偏棱镜的通光孔径用锄表示，其 中疗表示大小，单位是毫米。如 1 2 表示该棱镜的通光孔径为直径1 2 毫米的 圆形；偏光分束棱镜多用抑刀表示，如1 0 x 1 0 表示棱镜的通光孔径为边长l o 毫米的f 方形。通光孔径般根据光路光斑大小决定，通常通光孔径比光龉 光斑大2 3 毫米；对于镜多用的情况，可按最大使用光斑选敬相应通光 孔径的棱镜。 ( 4 ) 使用波段：偏光棱镜的使用波段范围受到材料自身( 如晶体、玻璃、 胶合剂等) 光学性质的限制，如一般材料在紫外区和红外区的透射比下降较 快，甚至截止。冰i f l 石晶体材料制作的偏光棱镜的使用波段一般为 2 3 0 n m 一2 8 0 0 n m ，在接近2 2 0 n m 的紫外和接近3 0 0 0 n m 的红外，其透射比儿 乎趋丁零，而在2 8 0 h m 一2 5 0 0 h m 的光谱区却有非常理想的透射比。 ( 5 ) 抗光损伤阈值：由于激光的强度岛，破坏力大，所以抗光损伤阈值 是针对激光偏光棱镜提出的。它是指器件单位面积能承受的最大光强度，即 f i i i 宁师范人学颂i 研究生毕业论文第8 蚝 功率密度，用“w c m 2 ”或“m w c m 。表示。激光偏光棱镜的抗光损伤阈值对 连续激光和脉冲激光是分别表示的，如一只理想的g | a n - t a y l o r 棱镜，其抗 光损伤阈值为5 0w c m 2 ( 连续) ，5 0 0m w c m s ( 脉冲) 。 ( 6 ) 光束偏离角；透过偏光棱镜的光束相对于入射光束偏折的角度成为 光束偏离角，单位为“毫弧度”。国际上对这一指标一般为3 毫弧，而在信 息处理和光通信技术中要求更严格。 ( 7 ) 波前畸变：对应用光学，畸变是指由于在像的范围内单向放大率各处 不同产生的像形变；波前畸变是描写通过器件后的波前面形相对原波前面形 的变化量。对激光偏光棱镜，主要考虑由面形偏差引起的波前畸变。由于激 光光束本身的相干性特点，为保证光束质量，对激光偏光棱镜波i i 畸变要求 往往较高，这一指标通常定为州4 2 8 。 ( 8 ) 分柬角和剪切差：这两个参数专用于偏光分束棱镜。偏光分柬棱镜 按出射光的夹角大小可分为两种基本形式：角剪切分束偏光镜( 分束角不为 零) 和平行分束偏光镜( 分束角为零) 。角剪切分束偏光镜输出的两束平面偏 振光的夹角即为分束角。对一定双折射晶体材料的棱镜而苦，分束角由棱镜 结构角、入射角和波长决定：平行分束偏光镜输出的两束平面偏振光相互平 行，它们的垂直间距即为剪切差 3 0 1 。对某一双折射晶体材料制作的棱镜而言， 剪切差由棱镜厚度、晶体光轴取向、入射角和波长决定。 ( 9 ) 半视场角和视场角：当棱镜绕其轴旋转时，能够穿透棱镜并保持完 全偏振的光线与棱镜表面法线所央的最大角度为半视场角：视场角为半视场 角的二二倍。如g l a n t a y l o r 棱镜的半视场角常取为2 5 。，则视场角为5 。 增大视场角往往需要牺牲透射比，或消耗更多的晶体材料。 ( 1 0 ) 分束角的不对称度：我们定义两分柬角的实验测试值之差与分束 角的理论计算值相除得到的结果为分柬角的不对称度。 2 2 起偏棱镜 起偏棱镜是将冰洲石晶体按一定光轴方向研磨成长方体，然后按一定结 构角切割成两半块大小相同的三角棱镜，并胶合在一起制作而成的。只允许： 一个方向的偏振光透过，而与之垂直方向振动的光在胶合面发生全反射。对 于冰洲石晶体的起偏棱镜，在棱镜的前半块。和e 光同向传播，在胶合面上 曲申帅托人学顺i 。研究生毕业论文第9 吐 折射率较大的o 光被全反射，e 光则以较高的透射比通过，从而实现光的偏 振输出。历史上的起偏棱镜主要有两类：尼科尔型和格兰型。 2 2 1 尼科尔型起偏棱镜 第一个尼科尔棱镜诞生于1 8 2 8 年，出苏格兰物理学家尼科尔研制而成， 是最早的棱镜型偏光器件，在历史上占有重要地位。它充分利用了冰洲石的 自然解理面，光轴既不平行也不垂直于端面，可以达到省料的目的。常规尼 科尔棱镜的主截面结构如图2 2 1 ( a ) 所示。为使棱镜具有较为对称的大视场 1 b c 、一b 一亨 d 丽一c 。d 一”而一毛 角，尼科尔棱镜的截面a b c d 的锐角常被修磨成6 8 。，然后将晶体沿垂直 于截面和两端面的方向切成两半，通光面抛光后，用折射率为1 5 4 的加拿 大树胶粘合起来，即制成尼科尔棱镜。修改形式的尼科尔棱镜主要有斯蒂格 和罗特尼科尔棱镜、阿伦斯尼科尔棱镜、汤普森倒尼科尔棱镜、缩短的尼科 尔棱镜、方形端面尼科尔棱镜、哈特纳克一酱拉斯莫斯基棱镜等。如图2 2 l ( b ) 一( f 1 所示，它们的主截面重叠在基本的方解石菱面体的主截面之上。因此， 可以清楚地看到不同形式的尼科尔棱镜用料多少。 呻早帅范人学碘i ，研，：生毕业论文第1 0 蚝 由于尼科尔棱镜自身结构原因，使得透射光束相对于入射光束发生平 移，并且光束在前后两个通光端面上的入射和出射角度较大，造成光束波前 畸变较严重，不适合做检偏器；用做起偏器时，透射比较低。目日f 科研工作 中己不使用该棱镜，但作为晶体偏光器件的设计原理的范例，它的历史地位 是其它偏光器件所不能代替的，所以它仍在教学中发挥重要作用。 2 2 2 格兰型起偏棱镜 格兰型棱镜的光轴在入射端面内，这种结构要比相同孔径的尼科尔棱镜 耗费更多的冰洲石，但由于光束垂直端面入射和出射，大大减小了波前畸变； 由于。光和e 光有最大双折射率，使它们的全反射i 临界角相差较大，从而可 以使棱镜获得较大视场角。下面介绍几种典型的格兰型起偏棱镜。 g l a n - t a y l o r 棱镜1 3 1 j 2 ：该棱镜是当前国内外激光技术和偏光技术中普 遍采用的偏光器件之一，其主截面结构如图2 2 2 ( a ) 所示，晶体光轴在入射 ( a ) e ( b ) ( c ) ( d ) 图2 2 - 2 典型的几种g l a n 型起偏棱镜的主截面结构及其光路图 ( a ) g l a n t a y l o r 棱镜( b ) g l a n t h o m p s o n 棱镜 r ) g l a n f o u c a u l t 棱镜( d ) l i p p i c h 棱镜 e 端面内且垂直于入射端面与切割面的交线。棱镜的前后半块为形状一致、大 小相同的三棱镜，采用空气隙形式胶合而成，空气隙厚度一股为2 6 p r o 左右。 棱镜的长度孔径比( 叫_ ) 为o 8 。g l a n t a y l o r 棱镜具有极好的抗光损伤能力： 消光比优于l t o 一；透射比高达8 5 左右；常规使用波段为 曲宁师范人学坝i 。研究生毕业论文第l i 衄 3 0 0 n m 一2 8 0 0 n m ，若经特殊选料加工，紫外可至2 3 0 n m 。这些优越性能为该 棱镜在激光偏光技术中的广泛应用提供了保障，使它常用于大功率激光的起 偏和检偏。使用时既要调节光束垂直入射，同时要避免棱镜端面的反射光反 馈幽光源。 g l a n - t h o m p s o n 棱镜”3 j ：该棱镜的主截面结构如图2 2 2 ( b ) 所示，晶体 光轴平行于切割面与端面的交线。对于常用波长，如6 3 3 n m 、6 5 0 n m ，其结 构角取为7 1 5 。；胶合剂为折射率约1 5 4 的中性树脂胶。该棱镜的消光比可 达到相当高的精度要求，常规值为l o 数量级，专用特制的棱镜，其消光比 可达5 1 0 。棱镜的视场角取决于两半块晶体之间的胶合剂和长度孔径比 ( a ) 。此类棱镜可以得到较大的视场角，特别适合在高精度光学仪器和科 研中做起偏器和检偏器。它的使用波段与晶体材料和胶合剂的光学性质有 关，对于冰洲石材料和加拿大树胶胶合剂而占，常规的使用波段为 3 5 0 n m 一2 5 0 0 n m 。一般情况下，g l a n t h o m p s o n 棱镜在做起偏器旋转时，轴 向光束会发生偏移，即扭曲现象( s q u i r m ) ，这是由棱镜的前后两半块晶体光 轴不严格平行造成的。该棱镜的光束偏向角一般为1 分3 分。 g l a n 1 c o u c a u l 棱镜：该棱镜的结构如图2 2 2 ( c ) 所示，晶体光轴方向与 g l a n t h o m p s o n 棱镜相同。胶合层为空气隙结构，其厚度一般为2 6 p m 。棱 镜的长度孔径比纠一= 0 8 。与g l a n t a y l o r 棱镜相似，该棱镜具有极好的抗 光损伤能力；偏光性能好，其消光比可优于l l o 一；但透射比不太理想。 常规使用波段为3 0 0 n m ，2 5 0 0 n m 。虽然浚棱镜在结构形式上与g l a n t a y l o r 棱镜相比，只是光轴方向相对旋转了9 0 。，但是出射的p 光的电矢量偏振方 向也改变了，造成两者在切割面上的反射损失相差较大，约为g l a n t a y l o r 棱镜的7 s 倍，这也是造成它透射比不理想的主要原因。 l i p p i c h 棱镜：该棱镜的结构如图2 2 2 ( d ) 所示，晶体光轴方向与 g l a n - t a y l o r 棱镜相同。对于常用波长，其结构角一般为7 1 。5 。，l a = 3 。 胶合层问一般为中性树脂胶，其折射率在可见光区约为1 5 4 。该棱镜视场角 较大，偏光性能好，特制棱镜的消光比可达5 x1 0 。该棱镜町以用于高精 度光学仪器和科研中的起偏和检偏。常规使用波段在3 5 0 n m 一2 5 0 0 n m 问。 i i l l 阜帅范人学坝f 硝究生毕业论文 2 3 偏光分束棱镜 一般情况下，偏光分束棱镜可以将束入射光分解为两束电矢量振动方 向相互垂直的平面偏振光。若出射的两束平面偏振光相互平行，则称为平行 分束偏光镜；若以一定夹角( 不为0 ) 出射，则称为角剪切分柬偏光镜。下面 就介绍几种常见的偏光分柬棱镜。 平行分束偏光镜和微角分束偏光镜：平行分束偏光镜1 3 4 i - - 般设计为如图 2 3 1 ( a ) 所示的结构形式：它为一块长方体双折射晶体，晶体光轴在主截面 内且与入射端面成一定夹角。对冰洲石晶体，这个夹角一般为4 5 。，但为了 保证剪切差( 定义见2 1 4 ) 对入射角变化的不敏感性，这个角度可取3 7 。左 右( 这样会使剪切差略有 下降) 。在垂直入射的情 况下，对于同一棱镜， 剪切差的大小仅与波长 有关。设d 为棱镜厚度， 口为离散角( 随波长而 变) ，则剪切差的计算 公式为： ， n f r 一d + 川一 b 脚2 ，3 j 两种单元结构的偏光分束棱镜的士截面 ( a ) 平行分束偏光镜( b ) 微角分求偏光镜 a = a t g a ( 2 3 1 ) 微角分束偏光镜的截面一般为直角梯形，其结构如图2 3 一l ( b ) 所示：光 出曳角面一侧入射，晶体光轴在截面内且与入射端面平行。该棱镜的分束角 一般在2 。以内，出射光的偏折不大，不会产生明显的像畸变，适合用作分 级的分束镜。以上两种偏光分束棱镜多用于激光显微、光隔离器、光纤耦合 及剪切干涉系统。 r o c h o n 棱镜和s e n a r m o n t 棱镜：r o c h o n 棱镜的主截面结构及其光路如 图2 3 - 2 ( a ) 5 ) j ：示。棱镜的f i 后两半块用光学胶胶合，前半块的晶体光轴垂直 于入射端面，后半块的晶体光轴平行于切割面与出射端面的交线。在l i i 半块 中，光沿晶体光轴传播，无。光和e 光之分，折射率与。光折射率相同；当 进入后半块时，o 光方向不变，e 光偏折。由于e 光折射率与波长有关，因而 分束角大小随波长有微小变化。该棱镜不能反向应用，反向时。光因发生锥 帅宁师范人学坝t 研究生毕业论文 第1 3 虹 太。一。 ( a ) r o c h o n 棱镜( b ) s e n a r m o n t 棱镜 慕 d ( c ) w o l l a s t o n 棱镜 ( d ) 烈w o l l a s t o n 棱镜 图2 3 - 2 儿种角剪切分柬偏光镜的主截面 光干涉而退偏。对负单轴晶体，如冰洲石。该棱镜的分束角妒与结构角s 的 关系式为： 岬矿卜n p ( 等爷 亿，埘 s c n a r m o n t 棱镜主截面结构及其光路如图2 3 2 ( b ) 所示，它与r o c h o n 棱镜结构相似，只不过它的后半块的晶体光轴方向与r o c h o n 棱镜的垂直。 这两种棱镜的共同特点是0 光不发生偏折，挡掉e 光可以作起偏器用；另外， 这两种棱镜的一个通光面为光轴面，对冰洲石而言，光轴面加工和抛光非常 困难，容易引起“掉肉”，即光轴面晶体脱落，使抛光面出现小三角坑，难 以达到理想光洁度。 w o i l a s t o n 棱镜1 3 5 j ：陔棱镜是目f i i 应用最广泛的偏光分束棱镜，它的毛 截面结构及其光路如图2 3 2 ( c ) 所示。棱镜的前半块晶体光轴与棱镜的底硅l j 垂直，后半块的晶体光轴平行于切割面与出射端面的交线；在国内，的后两 半块一般以胶合剂胶合。它的分束角约为r o c h o n 棱镜的两倍，其表达式为： 妒= 2 s i n i ( n o n e ) t g s 】 ( 2 3 3 ) 上式是在将0 光和e 光的分束角看作是完全对称的近似情况下获得的， 实际上0 、e 光的分束角并不相等，它们的精确表达式分别为： 曲