三等腰棱镜组成的消色差1/4波片

摘要

本发明属于光学元器件的结构设计领域,由三个等腰棱镜组成,其中底角相同为α且倒立的第一、第二个等腰棱镜的侧面分别粘贴于第三个正立的底角为β的等腰棱镜的两侧面,底角α和低色散棱镜材料的中心折射率n之间满足方程式(1),且β=2α—90°,所说的第一、第二个等腰棱镜可以缺省或切去其顶角。本发明不但具有光透过率高,相位延迟的稳定性高,使90°相位延迟值准确;使有效通光孔径增加;且加工和检测工艺较简单,便于批量制造。

说明书

本发明属于光学元器件的结构设计领域，特别涉及一种适用于偏振光学系统、椭圆偏振测量技术、激光技术和其它光学实验装置或仪器中产生90°(1/4波长)的相位延迟的消色差1/4波片结构设计。

目前工程技术中通常通常采用的四分之一波片由石英晶体或云母等双折射材料的平行薄片制成，其相位延迟正比于2π(n_e-n_o)d/λ，式中n_e、n_o为材料的非常光、寻常光折射率，d为波片厚度，λ为入射光波长。这类波片的具有相位延迟误差往往较大，且相位延迟随波长变化而改变的缺点。一般石英波片的相位延迟对温度也十分敏感。克拉朋等(P.B.Clapham et al，Opt.Acta，vol.18，p.563，1971：ThinSolids Films，vol.4，p.291，1969)采用低色散光学材料研制出的1/4波片，如图1所示。

图1中的棱体由两块相同的四棱镜11、12组成。每个棱镜的四个棱角中有两个棱角为直角，一个锐角为α，一个钝角为(180°-α)。两个四棱镜对称连接，钝角和相邻直角之间的平面连接在一起。其工作原理为，垂直于棱镜11左侧表面入射的光束在棱镜的斜面上发生全内反射，入射角和反射角均为α。斜面的反射光束以入射角β＝2α-90°照射到底面上，发生第二次全内反射，再经过棱镜12的斜面发生第三次全内反射，最后垂直于棱镜12的右侧表面出射。出射后光的两分量之间由于连续三次全内反射而产生相位延迟Δ。根据菲涅尔公式可以得到，满足下式关系时，相位延迟Δ为90度，该四棱体组就成为了1/4波片。

式中n是中心波长或主要波长的折射率。当棱镜材料为低色散光学材料时，波长在一定范围内改变折射率变化很小，因而由(1)式计算出的相位延迟和90度也相差甚小，从而使该棱体组成为一定波长范围内的消色差1/4波片。

上述两块相同的四棱镜构成的消色差1/4波片有如下缺点：①底边中心的光束反射发生在棱镜11和12的直角棱角附近，而棱角处由于不可避免的工艺原因使应力双折射通常较大，这会产生不规则的附加相位延迟误差；②在胶合面处，由胶合引起的应力双折射也可以导致较大的相位延迟误差；③光束倾斜穿过棱镜11和12的交界面，根据菲涅尔公式可以得知，倾斜光束通过界面会使偏振态有所变化，因而使波片产生附加的相位延迟误差；④棱镜直角部不可避免地有缺陷或倒角，如果底边的反射光束中心在两个四棱镜的直角连接处，就会严重影响传输的波面特性，而要避开这一点，必然会使波片的有效孔径减小，同时使波片整体的左、右侧入射、出射光束的中心不在同一直线上。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，设计出一种用三等腰棱镜组成的消色差1/4波片，使其不但具有光透过率显著高于云母波片，相延的温度稳定性高于单石英晶体波片；而且避免了由于斜入射界面引起的相位改变，使90°相位延迟值准确；使有效通光孔径增加；加工和检测工艺较简单，便于批量制造。

本发明设计的一种三等腰棱镜组成的消色差四分之一波片，其特征在于由三个等腰棱镜组成，其中底角相同为α且倒立的第一、第二个等腰棱镜的侧面分别粘贴于第三个正立的底角为β的等腰棱镜的两侧面，底角α和低色散棱镜材料的中心折射率n之间满足方程式 $>>4>arctan>>>>(>1>->>>(>n>sin>\alpha >\}>>>->2>\; >)>>>1>/>2>\; >>tan>\alpha >>>+>2>arctan>>>>(>1>->>>(>n>sin>>(>2>\alpha >->90>)>>\}>>>->2>\; >)>>>1>/>2>\; >>tan>>(>2>\alpha >->90>)>>>>=>90>>>，且\beta ＝2\alpha -90°，所说的第一、第二个等腰棱镜可以缺省或切去其顶角。$

所说的第一、第二个等腰棱镜切去其顶角后的平面与所说的第三个棱镜的底面可构成一个平面。

所说的两连接面可采用粘接引力小且折射率基本匹配的材料胶合。

本发明的工作原理结合如图2说明如下。图中，参数相同的等腰棱镜21(ABC)和22(DEF)的底角A、B、E和D分别为α，等腰棱镜23(IGH)的底角G和H分别为β，各等腰棱镜的顶角附近的部分(如图2中的虚线部分)可以缺省、削去或降低加工要求。K9玻璃、K8玻璃或光学石英玻璃等常用低色散材料的中心折射率为n时，两等腰棱镜的底角α满足下列方程(角度单位为度)。 $>>4>arctan>>>>(>1>->>>(>n>sin>\alpha >\}>>>->2>\; >)>>>1>/>2>\; >>tan>\alpha >>>+>2>arctan>>>>(>1>->>>(>n>sin>>(>2>\alpha >->90>)>>\}>>>->2>\; >)>>>1>/>2>\; >>tan>>(>2>\alpha >->90>)>>>>=>90>->->->>(>1>)>>>>$

另一等腰棱镜的底角为β＝2α-90

本发明的特点为：

(1)由于底角满足关系式(1)：和β＝2α-90°，本发明中平面AA’和平面EE’互相平行且都垂直于平面GH，这样垂直于平面AA’的入射光束出射时光束也和平面EE’垂直，经AB面反射的光束垂直于BB’和IG的交界面，经GH面反射的光束垂直于IH和DD’的交界面，避免了由于斜入射界面引起的相位改变；BB’和IG的界面、IH和DD’的界面分别用低应力且折射率基本匹配的材料粘接，基本避免了粘接应力引起的附加相位延迟，使90°相位延迟值准确。光透过率显著高于云母波片，相延的温度稳定性高于单石英晶体波片。

(2)本发明底边中点是光学表面GH的中心部分而平面度好且基本无应力，使有效通光孔径增加。

(3)本发明的等腰三棱镜加工和检测工艺较简单，便于批量制造。

附图简要说明

图1为已有的1/4波片结构示意图。

图2为本发明的消色差1/4波片结构示意图。

图3为本发明的实施例结构示意图。

图4为本实施例相位延迟随波长变化的曲线示意图。

本发明设计的一种消色差1/4波片的实施例如图3所示，结合附图详细说明如下：

本实施例是选用优质K9玻璃制成的三个等腰棱镜切割、粘接而成，如图3所示。图3中面A’B’、D’E’和GH基本在同一平面内。在633nm时K9玻璃材料折射率为1.51466。由(1)式计算得，等腰棱镜的底角角度分别为角度α＝74°和β＝58°，工艺要求其角度误差限均为±1’。

消色差1/4波片器件总长为78.1mm、高度为18.5mm，宽度为19mm。对应图3中的相应尺寸分别为：A’E’为78.1mm，AA′(或EE’)长18.5mm，A′G长29.6mm，BG长10.0mm，GH长18.9mm，AB长36.3mm，整个菱体左右对称。胶合用应力小的光敏胶材料，其折射率与K9玻璃比较接近。

根据K9玻璃的色散参数计算所得的相位延迟随波长变化的曲线如图4所示。在633nm处相延理论值应当为89.9°，角度制造公差为α＝74°±1’和β＝58°±1’，实际相延误差能不大于0.5°。适当减小角度制造公差并测准材料样品的折射率，可以进一步减小相延误差。