一种单色光可调比例偏振无关分束器

摘要

本发明公开了一种单色光可调比例偏振无关分束器，其包括：依次设置的5块光束位移器BD，记为BD1～BD5；其中，入射光射入BD1后，被分为上下两束；上下两束光分别对应的经过半波片与玻璃补偿片后射入BD2，经过BD2的走离作用使得上下两束光均向下平移；上下两束光分别经过相应的半波片后射入BD3，由BD3将上下两束光分别分为两束，成为自上向下分布的四束光；这四束光经过半波片射入BD4，由BD4将中间两束光合为一束，成为自上向下分布的三束光；这三束光分别对应的经过半波片、玻璃补偿片及半波片后射入BD5，由BD5将中间一束光分别与上下两束光进行合并，合并为上下两束光后射出。本发明公开的分束器，可实现任意比例分束的调节，且具有较高的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种单色光可调比例偏振无关分束器。

背景技术

光束分束器是各种光学仪器和实验的基本器件，可以将一束光分成两束光或者可以 将两束光合并成一束光，现在空间光主流的偏振无关的光束分束器是表面镀膜型的光束 分束器(Beam Spliter简称BS)，分为两种：一种是45度型BS，但是由于现在的镀膜工 艺很难将反射透射膜镀的很好，不能很好的控制比例，并且往往这种镀膜型的BS只能做 到对o光(寻常光)50:50，或者对e光(非寻常光)50:50，而无法同时达到；另一种BS是0 度反射BS，这种BS可以做到很好的分光比，但是由于是0度反射所以实际应用的时候有 很多不便；并且这两种BS都不可以调节其分光的比例，无法实现任意比例的调节。

在实际的光学仪器或光学实验中往往需要比较精确并且可调的分光比，比如光学中 最常见的MZ干涉仪，如果需要观察到一个比较好的干涉可见度就需要很好的偏振无关的 BS，来实现；因此需要一种比例可调，偏振无关，高精度的光束分束器来实现一些高精 度的分束。

发明内容

本发明的目的是提供一种单色光可调比例偏振无关分束器，可实现任意比例分束的调 节，且具有较高的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种单色光可调比例偏振无关分束器，包括：依次设置的5块光束位移器BD，记为 BD1～BD5；其中，BD1与BD2之间设有一块半波片与一块玻璃补偿片，BD2与BD3之间 设有两块半波片，BD3与BD4之间设有一块半波片，BD4与BD5之间设有两块半波片与一 块玻璃补偿片；

入射光射入BD1后，被分为上下两束；上下两束光分别对应的经过半波片与玻璃补偿 片后射入BD2，经过BD2的走离作用使得上下两束光均向下平移；上下两束光分别经过相 应的半波片后射入BD3，由BD3将上下两束光分别分为两束，成为自上向下分布的四束 光；这四束光经过半波片射入BD4，由BD4将中间两束光合为一束，成为自上向下分布的 三束光；这三束光分别对应的经过半波片、玻璃补偿片及半波片后射入BD5，由BD5将这 三束光合并为上下两束光后射出。

进一步的，所述BD1～BD5，以及BD1～BD5之间的半波片和/或玻璃补偿片均为平行 设置。

进一步的，BD1、BD2与BD5均为大尺寸BD，BD3与BD4均为小尺寸BD；其中，大 尺寸BD的长度为小尺寸BD长度的两倍。

进一步的，所述BD为天然的双折射晶体。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，一方面，通过天然的双折射晶体对o光和e 光的走离效应实现o光和e光的分离，其具有很高的偏振分束比，并且可以保持出射光的 平行度；另一方面，使用了波片对偏振控制的特性实现了光束任意比例的调节，同时， 通过块玻璃补偿片保证在内部光束的光程绝对相等，从而保持出射光具有较好的相干 性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种单色光可调比例偏振无关分束器的示意图；

图2为本发明实施例提供的BD的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种单色光可调比例偏振无关分束器的示意图。如图1所 示，其主要包括：

依次设置的5块BD(beam displacer，光束位移器)，记为BD1～BD5；其中，BD1 与BD2之间设有一块半波片(图1中的HWP1)与一块玻璃补偿片(图1中玻璃1)，BD2 与BD3之间设有两块半波片(图1中的HWP2～HWP3)，BD3与BD4之间设有一块半波 片(图1中的HWP4)，BD4与BD5之间设有两块半波片(图1中的HWP5～HWP6)与一 块玻璃补偿片(图1中玻璃2)。

本发明实施例中，所述BD为天然的双折射晶体，一束光入射到双折射晶体上会产生 两束折射光，他们沿着不同方向传播，在离开晶体候变成两束光，在晶体中有一个特殊 的方向，当光线在晶体内沿着这特殊的方向传播时不会发生双折射现象，这样特殊的方 向称之为晶体的光轴。

示例性的，本发明实施例可以采用冰洲石，如图2所示，沿着与光轴成45度角的地方 切割，之后o光和e光会自然的分开，经过在晶体内传播之后到空气介质中又变成平行的 两平行的束光，两束光分开的距离和入射光的波长以及晶体的长度有关系，可根据实际 要求进行设定。

本发明实施例的上述方案中，利用了天然的双折射晶体对o光和e光的走离效应，来 实现o光和e光的分离，因为走离的距离根据波长的不同而不同，因此可以根据相应的波 长的光可以计算出需要的BD的长度，BD的大小依据要分开的光束距离的尺寸而定，必须 大于两倍大BD的分开的距离确保光束可以全部通过BD。本发明实施例中，BD1、BD2与 BD5均为大尺寸BD，BD3与BD4均为小尺寸BD，大尺寸BD的长度为小尺寸BD长度的两 倍。

另外，BD1～BD5之间还设置了6块半波片和2块玻璃补偿片，通过半波片对偏振控制 的特性实现了光束任意比例的调节，设置玻璃补偿片的目的在于保证在装置内部的光束 的光程绝对相等，从而保持出射光具有较好的相干性。

优选的，上述BD1～BD5，以及BD1～BD5之间的半波片和/或玻璃补偿片均为平行设 置，一方面，可以使得各个光束的光程尽量相等，另一方面，还可以使得出射光有较好 的相干性。

以上为本发明提供的单色光可调比例偏振无关分束器的组成结构及其原理，下面针 对其分束的过程做详细说明。

如图1所示，入射光射入BD1后，被分为上下两束；分开的距离依照入射光的波长和 晶体的长度而定，示例性的，可以假定大尺寸BD(BD1、BD2与BD5)分开的距离为4毫 米，小尺寸BD(BD3与BD4)分开的距离为2mm。

上下两束光分别对应的经过半波片(HWP1)与玻璃补偿片(玻璃1)，此处，调节 半波片(HWP1)到45度的位置，使得上面为o光的光束经过半波片(HWP1)后变为e 光；对于下面为e光的光束则加入玻璃补偿片(玻璃1)行补偿。其偏振方向不变；之 后，射入BD2，经过BD2的走离作用使得上下两束光均向下平移。

上下两束光分别经过相应的半波片(HWP2～HWP3)，调节半波片(HWP2～ HWP3到22.5度的位置，这两个波片的作用是将单一的水平偏振或竖直偏振的光变成任意 角度的斜偏振光，从而通过这两个半波片实现光束任意比例的分束。

示例性的，可通过调节半波片的转动角度来实现。

半波片转动的琼斯矩阵式为：

$\left(\begin{array}{cc}cos\left(2x\right)& sin\left(2x\right)\\ sin\left(2x\right)& -\cos \left(2x\right)\end{array}\right)$

其中，x是波片转动的角度，也就是说转动某个的角度，可以使线偏振光的偏振方向 发生改变，假设水平偏振光为H光，竖直偏振光为V光，则一个H光经过半波片旋转，就 可以变成aH+bV，其中a²+b²＝1。这样一束H光或V光经过一个半波片，再经过BD3时 就会分成任意需要的比例，如示意图可以看到，BD3出射光的分束比直接就决定了最后输 出两端口的分束比，因此HWP2和HWP3根据比例算出角度，达到需要的分束比即可。需 要说明的是，前述的o光和e光指的是相对于晶体来说的，o光的偏振方向总是与光轴垂 直，不随传播方向改变而改变的光，e光与光轴的夹角随着传播方向的不同而改变；而此 处的H光和V光是相对于实验室坐标而定的，H光指的是沿水平方向偏振的光，而V光指的 是沿着竖直方向偏振的光。将实验室坐标和晶体的光轴统一之后就可以相互转换，由于 描述上述问题时，通常都是按实验室坐标描述的，因此，此处也采用H光与V光的方式进 行描述。

之后，射入BD3，由BD3将上下两束光分别分为两束，成为自上向下分布的四束光。

这四束光经过半波片，此处，调节半波片(HWP4)到45度的位置，使得所有的光 偏振方向都变化90度；之后，射入BD4，由BD4将中间两束光合为一束，成为自上向下 分布的三束光。

这三束光分别对应的经过半波片、玻璃补偿片及半波片后射入BD5，由BD5将这三束 光合并为上下两束光后射出。

其合并过程如下：这三束光中第一束光只包括e光，第二束光既包括o光也有e光，第 三束光只包括o光；则进入BD5后，第一束光会向下偏折，第二束光中的o光沿着以前的 方向继续传播，并与第一束光合并成一束，而剩下的e光则向下偏折与第三束光合并，最 终以两路光出射。

本发明实施例上述方案的相对于现有技术而言，主要具有如下优点：

1)使用天然的双折射晶体，对o光和e光的分束是天然的具有很高的偏振分束比，并 且可以保持出射光的平行度。

2)使用半波片对光束的分束比进行控制，这样就可以进行任意比例的分束调节。

3)使用天然的双折射晶体，因此方便调节只要保持晶体的平行就可以构造出这种分 束器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。