一種三元式寬帶消色差復合波片及其制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光學元件設計領域，更具體地，設及一種=元式寬帶消色差復合波片。
【背景技術】
[0002] 波片是光學儀器設計與光學測量領域中常用的光學元件，它能夠使得偏振光的兩 個垂直分量產(chǎn)生附加光程差(或相位差），該光程差稱為波片的相位延遲量。波片的相位延 遲特性可用于改變光波的偏振態(tài)(例如從線偏振光變成圓偏振光，從楠圓偏振光變成線偏 振光等），或者檢查光波的偏振態(tài)。波片通常由雙折射晶體制作而成，常用的雙折射晶體包 括云母、石膏、氣化儀、藍寶石、結晶石英等。
[0003] 單波片是一片雙折射晶片，由于雙折射晶體通常具有較大的色散，因此，單波片的 相位延遲量具有較大的色散，不具備消色差功能。近年來，隨著寬光譜楠偏測量等寬光譜光 學系統(tǒng)的發(fā)展，對波片的寬光譜適應特性要求越來越高。消色差波片是由多個不同單波片 按照一定的光軸夾角組合而成，其相位延遲量等光學特性能夠在一定的波段范圍實現(xiàn)消色 差，能夠滿足寬光譜光學系統(tǒng)對波片的使用要求。
[0004] 常見的消色差波片包括不同材料消色差波片和同種材料消色差波片兩大類。 Beckers(J.M.Beckers,Apllied Optics,Vol. 10,No.4，pp.973-975)提出由不同材料單波 片組成的消色差復合波片設計方法，運種類型的消色差波片的各個單波片由不同的材料制 作而成，不同單波片的光軸互相垂直或平行布置，由不同材料雙折射率互相補償實現(xiàn)相位 延遲量消色差特性。運種復合消色差波片的消色差特性依賴于材料的特性。 S.Pancharatnam(S.Pancharatnam,Proc.Indian.Acad.Sci.A,Vol.41,PP.137-144,1955) 提出了同種材料消色差復合波片設計方法，該方法將=個同種材料的波片進行復合，其中， 中間的波片為半波長波片，其光軸與兩邊兩個波片成一定的夾角C，而兩邊的兩個波片擁有 相同的相位延遲量8,并且運兩個波片按光軸方向平行放置，運樣調整C和S的大小便可W得 到不同波段的消色差復合波片，從而實現(xiàn)了同種材料復合波片消色差功能。后來， ?.化1'化日扣]1。.化1'；[11日扣]1,]\16日3.5。;[.16。11]1〇1,￥〇1.9,郵.1678-1681,1998)等人在 化ncharatnam、Beckers的基礎上加 W改進，設計出了適用于寬波段的超級消色差復合波片 相位延遲器。但是運種復合波片至少需要6個單波片或者更多波片，至少需要兩種不同的材 料，運增加了加工制作的難度和成本。
【發(fā)明內容】
[000引本發(fā)明的目的在于提供一種=元式寬帶消色差復合波片，該復合波片由=個同種 材料的四分之一零級波片組成，通過優(yōu)化=個單波片的中屯、波長和光軸夾角，從而實現(xiàn)在 相位延遲量消色差特性。該=元式復合波片可W在包括紫外、可見及近紅外的寬波段內實 現(xiàn)相位延遲量消色差功效。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術方案是:一種=元式寬帶消色差復合波片，該復合波 片包括=個同種材料的四分之一零級波片，各四分之一零級波片均平行放置，其中，所述= 個四分之一零級波片的中屯、波長和光軸夾角滿足使得該=元式復合波片在所設計波段范 圍r內各波長點對應的相位延遲量Se(A)與理想相位延遲量值So之間差值的最大值取得最 小值。
[0007] 此外，本發(fā)明目的還在于提供一種上述=元式寬帶消色差復合波片的制備方法， 該方法包括：
[0008] S100、選擇所設計=元式寬帶消色差復合波片的適用波段范圍r和目標相位延遲 量8〇,根據(jù)所設計的=元式寬帶消色差復合波片使用的實際場合，選擇波段范圍和目標相 位延遲量；
[0009] S200、選擇=元式寬帶消色差復合波片的制作材料，確定材料的雙折射率dn(入）；
[0010] S300、設計用于組成=元式寬帶消色差復合波片的=個四分之一零級波片的中屯、 波長、厚度和光軸夾角；
[0011] 波片的快軸與X軸之間的夾角為0，波片的相位延遲量為5,則波片的傳輸特性用式 (1)表示：
[001引其中，i表示虛數(shù)單位，S可W用式(2)得到：
(2)
[001引其中，A為波長，A的范圍即是第1步選擇的波段范圍r，dn為波長A時的材料的雙折 射率，該材料即第2步所選擇的波片制作材料，d為波片的厚度；
[0016]對于=元式寬帶消色差復合波片而言，其傳輸特性用式(3)所示的等效模型表達：
[0018] 其中，Se, 06和Pe分別表示S元式寬帶消色差復合波片的等效相位延遲量、等效快 軸與X軸之間的夾角和等效旋光角；
[0019] 由于上述=元式寬帶消色差復合波片是由=個單波片復合而成，所W有(4)式所 表達的關系：
[0021 ]其中，Si、S2和S3分別為S元式復合波片的第一個波片、第二個波片和第S個波片 的相位延遲量，01、02和03分別為=元式復合波片的第一個波片、第二個波片和第=個波片 的光軸與X軸之間的夾角，則第二個波片和第=個邊與第一個波片的光軸夾角分別為021 = 白2-目1 I，曰31二 I 目3-目1 I ,HlijQ = I ,2; j = l ,2)表示由矩陣 M(Si,目1)、M(S2,目2)和 M(S3,目3)相乘后 得到的結果矩陣中的4個元素，其中^51，01)、1他，02)和^53，03)分別由式（1)得到的；個 波片的特性矩陣；
[002引聯(lián)立式(3)和式(4)得到Se,目e和Pe的表達式，首先解得Pe和目e如式(5)和(6)所示：
[0025]將式(4)-(6)代入式(3)可得：
[0027]則解得Se為：
傲
[0029] 其中，TijQ = I, 2; j = l, 2)表示由矩陣
GOS 食 一 sia 巧 和? / /相乘后得到的結果矩陣中的4個元素； 8111? COS^
[0030] 設計S個零級波片的中屯、波長和光軸夾角，具體按照W下步驟進行：
[0031] S301、在S200選好的波片材料的可用波段范圍Q內任意給定第一個四分之一零級 波片的中屯、波長、第二個四分之一零級波片的中屯、波長和第=個四分之一零級波片的中屯、 波長分別為^Di =、入2 = ^2和^。3 = ^，并在[0，V2]范圍內給定波片2和波片3與波片1之間 的光軸夾角日21。=日21，日31。= 口31;
[0032] S302、根據(jù)S200選擇的材料，得到SlOO所選波段內=個零級波片所用材料的雙折 射率dn(入）；
[0033] S303、根據(jù)S301給定的S個四分之一零級波片的中屯、波長、，\2，人3,5302給出的^ 個四分之一零級波片制作材料的雙折射率dn(A)，由式(2)得到=個四分之一零級波片的厚 度di,d2,d3:
[0037] S304、根據(jù)S303得到的=個四分之一零級波片的厚度山，(12，(13，=個四分之一零級 波片的材料的雙折射率dn(A)，由式（1)可W得到=個四分之一零級波片在SlOO所選擇的波 段范圍r內每個波長點下的相位延遲量Si(A)、S2(A)和S3(入）：
[0041 ] S305、根據(jù)S301給定的S個四分之一零級波片的中屯、波長和光軸夾角(Ai，A2,入3)、 (口21，〇31)，由根據(jù)式（3)-(10)得到=個四分之一零級波片所組成的=元式復合波片在第1 步所選的波段范圍r內每個波長點下的相位延遲量Se(A)，進一步可W得到Se(A)與所設計 的理想值So之間差值的最大值： 巧04引 AGa^max= I I max (Il)
[0043] S306、在S200所選的波片材料的可用波段范圍Q內改變=個四分之一零級波片的 中屯、波長的值，并在[0，V2]范圍改變波片2和波片3與波片1之間的光軸夾角值，重復步驟 S301-S305，如果得到A S(A)max的值比之前的值小，則用新的中屯、波長值和光軸夾角值代替 之前的中屯、波長值和光軸夾角值作為優(yōu)化設計的S個零級波片的中屯、波長(AdI入2入3)和 (口21。，日31。），如果得到A SWmax的值比之前的值大，則仍用之前的中屯、波長值和光軸夾角值 作為優(yōu)化設計的=個零級波片的中屯、波長和光軸夾角；
[0044] S307、不斷重復步驟S306直至Ai，A2，A3遍歷S200所選擇的波片材料的可用波段范 圍Q，并且(日21，日31)遍歷[0，V2]范圍，此時得到S個零級波片的中屯、波長和光軸夾角的優(yōu) 化值(Aol，A02，A03 )和(021。，031。），W 及對應的厚度值(dol，d〇2，山3 )
[0048] 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的=元式寬帶消色差復合波片具有如下優(yōu)點：
[0049] (1)本發(fā)