一種帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡的制作方法

本發(fā)明屬于光學元件的結構設計和材料選用領域，特別涉及到一種冰洲石與玻璃組合的帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡。

背景技術：

隨著偏振光學的發(fā)展，尤其是偏振檢測技術的迅速發(fā)展，偏光棱鏡一直是人們關注的對象，它是光路起偏、檢偏的核心器件，主要起到偏振分光、檢偏的作用，是各種光學偏振檢測設備的關鍵元器件之一。因為冰洲石晶體的雙折射率較大，所以目前一般采用冰洲石晶體制作偏光棱鏡，但是天然的光學級冰洲石晶體資源日漸枯竭，而冰洲石晶體的人工生長技術至今尚未取得突破，因此，尋找替代晶體或者改進設計降低單只棱鏡中冰洲石晶體材料的消耗，以及提高單只棱鏡的功能集成，就成為研究熱點。

技術實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的目的在于通過新的棱鏡結構設計和材料選擇，采用冰洲石晶體和玻璃組合的方法，設計冰洲石與玻璃組合的帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡，使棱鏡同時具備將光束90°轉向和偏振分束功能，而且提供可用于光源狀態(tài)監(jiān)控的第三束出射參考光，實現(xiàn)單只組合棱鏡的多功能集成，同時降低冰洲石晶體材料的消耗。

h-qk3l玻璃為光學玻璃，是一種光學窗口材料，h-qk3l為光學領域根據(jù)國標gb/t903對該玻璃的公認編號，為h代表環(huán)保型無鉛、砷、鎘以及其他放射性元素，其中qk代表輕冕玻璃，l代表玻璃折射率與國標的標準值偏差的絕對值小于等于10^-3，h-qk3l玻璃作為一種光學玻璃，具備尺寸大、價格低的特點，其光學透過范圍為290nm~2400nm，覆蓋冰洲石晶體棱鏡的透過范圍，本發(fā)明選用h-qk3l玻璃的關鍵技術是h-qk3l玻璃的折射率色散曲線在290nm~1200nm范圍內(nèi)近乎完美的與冰洲石非常光（e光）主折射率色散曲線重合，如圖1所示；在與冰洲石晶體棱鏡組合時，通過結構設計，可以使e光近乎無折變的通過，而尋常光（o光）通過棱鏡時發(fā)生偏折，從而實現(xiàn)偏振分束。

現(xiàn)有的冰洲石與冰洲石組合的常規(guī)偏振棱鏡在光軸加工精度和膠合精度方面有著極高的要求，若單塊冰洲石三棱鏡光軸定位有偏差，或者兩塊冰洲石三棱鏡間膠合時存在光軸定位偏差，將導致偏振棱鏡消光比的下降；本發(fā)明設計的偏振棱鏡采用h-qk3l玻璃與冰洲石組合，因玻璃為光學各向同性，在與冰洲石組合時，無需考慮光軸的精確定位問題，極大的降低了棱鏡加工、膠合的難度，保證了棱鏡的消光比質量，使棱鏡的消光比僅決定于選用的冰洲石晶體的質量。

本發(fā)明采用的技術方案為兩塊棱鏡通過樹脂膠、光膠或者空氣隙膠合在一起，形成不規(guī)則棱體結構，如圖2所示；所述的兩棱鏡的材質分別為h-qk3l玻璃和冰洲石晶體；所述的冰洲石晶體為天然光學級冰洲石晶體；所述的截面為不規(guī)則四邊形棱鏡的通光面為左側入射端面和下方出射斜面以及右側參考光出射斜面，上方全反射斜面也是拋光面；所述直角棱鏡的通光面為下方直角面和上方斜面；所述的冰洲石直角棱鏡中冰洲石晶體光軸方向平行于冰洲石直角棱鏡下方通光直角面。

如圖3所示，所述的兩棱鏡通光面間的結構角分別為s2、s3和s4，結構角之間的關系為：

（1）

（2）

所述的組合棱鏡另一結構角s1恒為45°，其目的是使光束全反射，實現(xiàn)90°轉向。

冰洲石直角棱鏡中冰洲石晶體光軸方向有兩種特殊取向，一種是光軸平行于通光斜面和兩直角面（如圖3（a）所示），以下稱其為方案一，另一種是光軸平行于下方通光直角面且垂直于左側非通光直角面（如圖3（b）所示），以下稱其為方案二，本發(fā)明所述的冰洲石直角棱鏡中冰洲石晶體光軸的方向平行于冰洲石直角棱鏡下方通光直角面，包含以上兩種常用的特殊取向，但不限于這兩種取向，只要光軸方向與下方通光直角面平行即可。

在常規(guī)純冰洲石組合棱鏡中，為了避免第一塊冰洲石晶體中偏振分離的o、e光在通過第二塊冰洲石晶體時出現(xiàn)o、e光分別再分束現(xiàn)象，導致出射偏振光消光比降低，冰洲石晶體光軸間夾角必須為特殊角0°或90°，即便如此，在斜入射情況下還是經(jīng)常會出現(xiàn)一定程度的o、e光分別再分束現(xiàn)象；在本發(fā)明設計中，因為采用的是玻璃與冰洲石晶體的組合方式，僅用一塊冰洲石晶體，偏振分離和偏振分束是在一塊晶體內(nèi)完成的，所以不會出現(xiàn)o、e光再分束現(xiàn)象，即使是斜入射情況下，亦不存在o、e光再分束現(xiàn)象，保證了偏振光束的消光比。

本發(fā)明所述的偏光棱鏡中，因為h-qk3l玻璃的折射率與冰洲石晶體e光主折射率基本相同，所以在入射光束垂直玻璃棱鏡左側端面入射的情況下，冰洲石晶體內(nèi)e光波矢方向近似為豎直方向，冰洲石晶體光軸在冰洲石直角棱鏡下方通光直角面內(nèi)不同的取向會導致不同的出射偏振光的振動方向，但對傳播方向沒有影響，如圖3所示。

根據(jù)折射定律可以得到圖3中所示的偏振分束后的o光偏折光束方向與豎直方向之間的夾角θ1、e光偏折光束方向與豎直方向之間的夾角θ2，以及組合棱鏡的分束角δ：

（3）

（4）

（5）。

圖3中所述的兩種方案，其區(qū)別在于冰洲石直角棱鏡中光軸的方向不同，光軸方向的不同會導致分束后的兩束偏振光的振動方向不同，如圖3中（a）、（b）所示，對于分束后兩束偏振光的傳播方向沒有影響，因此兩種設計方案中計算θ1、θ2和δ的公式（3）~（5）是相同的。

光束從組合棱鏡左側端面垂直入射，在h-qk3l玻璃棱鏡的上方反射面全反射后轉向90°，然后在h-qk3l玻璃棱鏡下方界面上發(fā)生折射和反射：對于反射光束，因h-qk3l玻璃棱鏡右側通光面與下方通光面夾角s4設定為與冰洲石直角棱鏡結構角s2相等，由反射定律可知，反射光束垂直h-qk3l玻璃棱鏡右側端面出射，該反射光束可以作為參考光束，對光源的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，或者根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步的對光源進行反饋控制，因為該參考光束為光源光束經(jīng)過一次垂直端面入射、兩次反射、一次垂直端面出射后形成，中間無斜角折射的情況，所以該參考光束具有面型與光源一致，無畸變的優(yōu)點；對于折射光束，光束在折射穿過樹脂膠（樹脂膠膠合形式）或空氣隙（空氣隙膠合形式）后折射進入冰洲石晶體，或折射光束直接折射進入冰洲石晶體（光膠膠合形式），折射光束在冰洲石直角棱鏡中會發(fā)生雙折射，分成o光光束和e光光束，同時實現(xiàn)偏振分離和光束分離，根據(jù)折射定律，其中o光光束會偏離豎直方向，之后在冰洲石直角棱鏡下方直角通光面上再次折射后出射，因h-qk3l玻璃折射率與冰洲石中e光主折射率近乎相同，所以e光光束近乎保持豎直方向，在冰洲石直角棱鏡下方直角通光面上折射后出射到空氣，方向仍為近似豎直方向。

通過該偏光棱鏡最終實現(xiàn)了使入射光束整體轉向90°，之后偏振分束，其中一束偏振光傳播方向垂直原入射光方向；除這兩束偏振光外，還有一束面型相對入射光無畸變的參考光垂直右側端面出射。

當h-qk3l玻璃棱鏡的結構角s2=22.5°時，h-qk3l玻璃四棱鏡退化為三棱鏡，參考光束方向將相對入射光方向向上偏折45°，圖4為根據(jù)公式（3）、（4）計算得到的兩偏振分束光的θ1、θ2角度隨波長的變化曲線，可以看到θ1在4°左右，θ2近似為零。

本發(fā)明的有益效果是：節(jié)省冰洲石晶體資源，降低棱鏡制作成本，將光束的轉向、偏振分束和提供無面型畸變參考光三個功能進行了集成，節(jié)約光路空間，減少光強損失，提高光路調節(jié)的便易度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明采用的h-qk3l玻璃的折射率色散曲線與冰洲石非常光主折射率色散曲線圖，其中ng為h-qk3l玻璃的折射率，ne為冰洲石非常光的主折射率；

圖2為本發(fā)明帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡的結構圖，其中雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向，（a）為權利要求2中所述的設計方案，（b）為權利要求3中所述的設計方案；

圖3為本發(fā)明帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡的光路圖，其中圓點表示冰洲石晶體光軸的方向垂直于紙面；雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向平行于紙面，（a）為權利要求2中所述的設計方案，（b）為權利要求3中所述的設計方案；

圖4為本發(fā)明帶參考光窗口的轉向分束偏光棱鏡在結構角s2=22.5°時，h-qk3l玻璃四棱鏡退化為三棱鏡時，兩偏振分束光的θ1、θ2角度隨波長的變化曲線。

具體實施方式：

實施例一：如圖2所示，兩棱鏡的結構分別為截面為不規(guī)則四邊形棱鏡和直角棱鏡，材質分別為h-qk3l玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過光膠形式膠合，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45°，s2=30°，s3=120°，s4=30°；取入射光波長為365nm，此時，h-qk3l玻璃的折射率為1.504，冰洲石晶體的e光主折射率為1.501，o光主折射率為1.691。

光線從h-qk3l玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-qk3l玻璃和冰洲石界面上發(fā)生折射和反射：其中反射光從h-qk3l玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，參考光方向相對入射光方向向上偏折30°；折射光進入冰洲石，發(fā)生雙折射分束。

因為h-qk3l玻璃的折射率與冰洲石晶體的e光主折射率近似相等，所以e光的方向為近似沿豎直方向，在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，方向仍近似為豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到e光與豎直方向的夾角θ2僅為0.08°。

折射光中的o光偏離豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到o光與豎直方向的夾角為6.1°。

實現(xiàn)了對入射光束進行90°轉向和偏振分束輸出，同時無面型畸變的參考光轉向30°輸出。

實施例二：如圖2所示，兩棱鏡的結構分別為截面為不規(guī)則四邊形棱鏡和直角棱鏡，材質分別為h-qk3l玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于下方通光直角面，垂直于左側非通光直角面，兩棱鏡之間通過樹脂膠形式膠合，樹脂膠為常規(guī)光學粘合用樹脂膠，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45°，s2=35°，s3=125°，s4=35°；取入射光波長為706.5nmnm，此時，h-qk3l玻璃的折射率為1.484，冰洲石晶體的e光主折射率為1.483，o光主折射率為1.652。

光線從h-qk3l玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-qk3l玻璃和膠合劑的界面上發(fā)生折射和反射：其中反射光從h-qk3l玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，參考光方向相對入射光方向向上偏折20°；折射光透過膠合劑后進入冰洲石，發(fā)生雙折射分束。

因為h-qk3l玻璃的折射率與冰洲石晶體的e光主折射率近似相等，所以e光的方向為近似沿豎直方向，在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，方向仍近似為豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到e光與豎直方向的夾角θ2僅為0.03°。

折射光中的o光偏離豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到o光與豎直方向的夾角為6.6°。

實現(xiàn)了對入射光束進行90°轉向和偏振分束輸出，同時無面型畸變的參考光轉向20°輸出。

實施例三：如圖2所示，兩棱鏡的結構分別為三棱鏡和直角棱鏡，材質分別為h-qk3l玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過空氣隙形式膠合，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45°，s2=22.5°，s3=112.5°，s4=22.5°；取入射光波長為632.8nm，此時，h-qk3l玻璃的折射率為1.486，冰洲石晶體的e光主折射率為1.485，o光主折射率為1.656。

光線從h-qk3l玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-qk3l玻璃和空氣隙界面上發(fā)生折射和反射：其中反射光從h-qk3l玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，參考光方向相對入射光方向向上偏折45°；折射光穿過空氣隙到達空氣隙和冰洲石界面，發(fā)生雙折射分束。

因為h-qk3l玻璃的折射率與冰洲石晶體的e光主折射率近似相等，所以e光的方向為近似沿豎直方向，在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，方向仍近似為豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到e光與豎直方向的夾角θ2僅為0.02°。

折射光中的o光偏離豎直方向，根據(jù)折射定律可以得到o光與豎直方向的夾角為4.0°。

實現(xiàn)了對入射光束進行90°轉向和偏振分束輸出，同時無面型畸變的參考光轉向45°輸出。