（光学专业论文）复合偏光分束棱镜的设计和性能测试.pdf

曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第l 页 摘要 偏光器件是偏光信息处理和偏光技术应用的核心器件，偏光分束棱镜以其较高的消 光比、透射比、较强的抗光损伤能力和良好的分束性能，从众多偏光器件中脱颖而出， 在激光偏光技术的应用中发挥了难以替代的作用。目前，制作偏光分束棱镜最主要的材 料为冰洲石晶体，而此晶体为天然稀有晶体，价格昂贵，不利于这种优秀偏光器件的推 广使用。利用光学玻璃和冰洲石晶体组合的方法制作偏光分束棱镜可以大大降低生产成 本，在一定程度上解决了上述矛盾。这种类似想法在较早的时候便有人提出，但比较有 参考价值的相关设计仅有两种形式：f e u s s n e r 棱镜和a m m a n n - m a s s e y 棱镜。由于缺少 合适的光学玻璃和胶合剂，以及该形式棱镜自身固有缺陷，如光束偏离角、消光比较低、 温度适用范围等，它们没有引起人们的关注。 本文对冰洲石一玻璃组合偏光分束棱镜的研制工作主要围绕选材、计算、加工和测 试这四个要点展开：选材即选取可以与冰洲石晶体实现较好匹配的光学玻璃和胶合剂； 通过计算、分析，确定最优化的棱镜设计方案；样品加工，解决该棱镜加工的技术难题， 如材料匹配和提高透射比问题；实验测试主要关注棱镜在实现良好分束的基础上其透射 比和消光比的大小。论文中撰写的内容主要包括以下方面： 第一章是绪论，讲述了论文写作的背景和写作目的，以及论文的创新点和本人所做 的主要工作。 第二章主要针对传统冰洲石棱镜展开，包括：冰洲石棱镜的研发历史、棱镜设计的 基础理论以及冰洲石棱镜的一些经典设计，尤其是对本文的主要研究对象一分束型设计 进行了尤为细致的研究和描述。 第三章从对光学玻璃的研究开始，讲述了冰洲石一玻璃组合式偏光分束棱镜设计需 要的相关理论和棱镜的发展历史，以及最近几年中出现的一些经典设计。通过对比和分 析，提出了几种实用性的新设计方案。 第四章以两种具体的设计：平行分束棱镜和9 0 。分束棱镜为例，详细论述了冰洲石一 玻璃组合式分柬棱镜的设计原理、样品的测试过程和测试结果以及各注意事项，并对实 验误差进行了分析。 最后，通过与传统冰渊石分束棱镜的各项光学参数的对比研究表明：冰洲石一玻璃 组合形式的偏光分束棱镜的设计是可行的，它在节省了稀有昂贵的冰洲石晶体材料的前 提下，基本具备了与纯冰洲石晶体偏光棱镜相当的性能参数，而且实现了对光路的调制 和分束，大大的方便了光路的搭建和其它配件的配合使用。相信，该设计在今后的光学 实验中将会拥有广阔的使用前景。 本文的主要创新之处在于：对组合式分束棱镜的设计理论进行了系统的总结，提出 了组合平行分束棱镜和9 0 0 分束棱镜的优化设计方案。对新设计的各光学参量进行了严 密的理论分析，对试验样品进行精密的实验测试，并将新设计与传统的冰洲石设计进行 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第2 页 对比研究，总结其各参量之间的优劣关系，验证了新设计的实用性。 关键词：偏光器件；偏光棱镜；冰洲石；光学玻璃；偏光分束棱镜；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 bs t r a c t t h ep o l a r i z e ri st h ek e yc o m p o n e n ti nt h et r e a t i n go fp o l a r i z e di n f o r m a t i o na n dt h e a p p l i c a t i o no fp o l a r i z e dt e c h n i q u e p o l a r i z i n gp r i s mt a l e n ts h o w i n gi t s e l ff o ri t sh i g h e x t i n c t i o nr a t i o ，g o o dt r a n s m i t t a n c ea n dp o w e r f u lo p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d ，a n di ti s u n s u b s t i t u t e da sa ni m p o r t a n tp o l a r i z e ri nl a s e rp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y a tt h ep s e s e n tt i m e ， m o s to fp o l a r i z i n gp r i s mi sm a d eo fi c e l a n ds p a rw h i c hi sat a l en a t u r ec r y s t a l s ot h e e x c e l l e n tp o l a r i z e ri s n tf i tf o ra p p l i c a t i o nw i d e l yf o ri t sh i g hp r i c e m a k i n gp o l a r i z i n gp r i s m b yt h em e a n so fc o m b i n a t i o no fo p t i c a lg l a s sa n di c e l a n ds p a rc a nr e d u c et h ep r i c ea p p a r e n t l y f o rt h ep r i c eo fo p t i c a lg l a s si sc h e a p s o m es i m i l a ri d e a sh a db e e np u tf o r w a r dp r e v i o u s l y , b u to n l yt w ot y p eo ft h e ma r ew o r t h yo fr e f e r e n c e ，w h i c ha r ef e u s s n e rp r i s ma n d a i n l l l a n n m a s s e yp r i s m b u to n l yaf e wp e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h e mf o rt h el a c ko fo p t i c a l g l a s sa n dg l u ea n ds o m ei n h e r e n tf l a w , s u c ha sb e a md e f l e c t i o na n g l e 、l o we x t i n c t i o nr a t i o 、 t e m p e r a t u r es c o p eo fa p p l i c a t i o ne t c o u rr e s e a r c hw o r ko fc o m b i n a t i o no fi c e l a n ds p a ra n dg l a s sp o l a r i z i n gp r i s mi sb a s e do n f o u rp o i n t s ：s e l e c ts u i t a b l em a t e r i a l 、c a l c u l a t i o n 、m a c h i n i n ga n dt e s f i n g s e l e c ts u i t a b l e m a t e r i a lm e a n st h a ts e l e c tt h eo p t i c a lg l a s sa n dg l u et h a tc a nm a t c hw i t hi c e l a n ds p a rs u i t a b l y ； t h e o p t i m a ld e s i g ns c h e m eo fp r i s mi sd e t e r m i n e db yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ；t h es a m p l e s a r em a c h i n e d ，s o l v i n gt h et e c h n i c a lp r o b l e m s ，s u c ha st h em a t c h i n go fm a t e r i a la n d i n c r e a s i n gt r a n s m i t t a n c e ；w ep a ya t t e n t i o nt ot h et r a n s m i t t a n c ea n de x t i n c t i o nr a t i oo fp r i s m w h i c hb a s e do nt h eg o o db e a ms p l i t t i n gi ne x p e r i m e n t a lt e s t o u rt h e s i sm o s t l yi n c l u d e s t h e r e i n a f t e ra s p e c t ： t h ef i r s tc h a p t e ri st h ei n t r o d u c t i o n ，w h i c ht e l l i n go ft h ew r i t i n gb a c k g r o u n da n dt h e w r i t i n gp u r p o s e a n di nt h i sp a r t ，in a r r a t et h ei n n o v a t i o na n dm o s t l yw o r ki d i di nt h e s t u d y i n g t h es e c o n dc h a p t e ri sm a i n l yt e l l i n go ft h et r a d i t i o n a lp r i s m , i n c l u d i n gt h es t u d y i n g h i s t o r y 、t h eb a s i st h e o r ya n ds o m es u t r ad e s i g n so ft h et r a d i t i o n a li c e l a n ds p a rp r i s m ， e s p e c i a l l yd e s c r i b i n ga n ds t u d y i n gt h em o s t l yo b j e c to ft h i st e x t u a l - - t h eb e a ms p l i t t i n g p d s m t h et h i r dc h a p t e ri ss t a r t e do nt h er e s e a r c ho ft h eo p t i c sg l a s s ，n a r r a t et h ec o r r e l a t i o n t h e o r ya n dd e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ec o m b i n a t i o no fi c e l a n ds p a ra n dg l a s sb e a ms p l i t t i n g p o l a r i z i n gp r i s m ，a n di n c l u d es o m es u t r ad e s i g no fr e c e n ts e v e r a ly e a r s a c c o r d i n gt ot h e c o n t r a s t i n ga n dr e s e a r c h , a d v a n c es e v e r a ln e wp r a c t i c a lr e d e s i g n s t h ef o u r t hc h a p t e rm a i n l yt e l lo ft h ed e s i g nt h e o r yo ft h ec o m b i n a t i o no fi c e l a n ds p a r a n dg l a s sb e a ms p l i t t i n gp o l a r i z i n gp r i s m 、t h et e s t i n gc o u r s eo ft h es a m p l e 、t h et e s t i n gr e s u l t 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第4 页 a n dt h er e g a r dp r o c e e d i n g a n da n a l y z et h et e s t i n ge r r o r a tl a s t ，c o n t r a s t i n go fm a i n l yo p t i c sp a r a m e t e r s 州t l lt r a d i t i o n a lp r i s m ，i n d i c a t et h a t ：t h e d e s i g nt h e o r yo ft h ec o m b i n a t i o no fi c e l a n ds p a ra n dg l a s sb e a ms p l i t t i n gp o l a r i z i n gp r i s mi s f e a s i b l e ，i ts a v e st h ec o s t l yi c e l a n ds p a rm a t e r i a la n dp o s s e s s e st h es a m eo p t i c sc a p a b i l i t y a l s o ，i tr e a l i z e st h eb e a mm o d u l a t ea n ds p l i t t i n gw h i c hs m a r tc o n v e n i e n c e st h eo p t i c a l b u i l d i n ga n da s s o r t i n g 谢t l le l s ea p p a r a t u s t h i sd e s i g nw i l lh a v et h e 谢d eu s i n gf o r e g r o u n d i nt h ef u t u r e t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sa r t i c l ea r et h es u m m i n g - u po ft h ed e s i g nt h e o r ya n dt h e n e wd e s i g no ft h ec o m b i n a t i o no fi c e l a n ds p a ra n dg l a s sb e a ms p l i t t i n gp o l a r i z i n gp r i s m ， w h i c hi n c l u d ep a r a l l e lb e a ms p l i t t i n gp r i s ma n d9 0 0b e a ms p l i t t i n gp o l a r i z e dp d s m d e t a i l e d a n a l y s i sa r eg i v e na b o u t t h em a i n l yo p t i c sp a r a m e t e r so ft h en e w d e s i g n ，a n dt h en e wd e s i g n s a r em a d ei n t os a m p l e sw h o s ep e r f o r m a n c ea r et e s t e db ye x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h e c o n t r a s t i n g a n dr e s e a r c h ，s u n lu pt h er e l a t i o no fe v e r yp a r a m e t e ra n dv a l i d a t et h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h en e wd e s i g n k e yw o r d s ：p o l a r i z e r ；p o l a r i z i n gp r i s m ；i c e l a n ds p a r ；o p t i c a lg l a s s ；b e a m s p l i t t i n gp o l a r i z i n gp r i s m ；t r a n s m i t t a n c e ；e x t i n c t i o nr a t i o 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“ 夕 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士论文复合偏光 分束棱镜的设计和性能测试，是本人在导师指导下，在曲阜师范大 ， 学攻读博士口硕士日学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论 文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的 研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 瞳嗣 日期：矽伊护， 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“) 复合偏光分束棱镜的设计和性能测试系本人在曲阜师范大学攻读 博士口硕士口学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士口学位 论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不 得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使 用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采 用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内 麓名：秀艄 作者签名： 偬) 【q 仅 导师签名： 日期：洲乡f 日期：阅z 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第l 页 第一章绪论弟一早珀下匕 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：偏光器件【l 叼】是偏光 信息处理和偏光技术应用的核心元件。从上个世纪6 0 年代起，随着第一台红宝石激光 器的诞生，偏光技术得到飞速发展，已成为光学测量和光信息处理的一种专门化手段， 偏光器件也由以前的几种发展到几十种。 偏光器件种类繁多，形式各异，按实现方法的不同可分为：反射式偏光器件( 如 各种材料的布氏角起偏器 4 1 、薄膜干涉起偏镜【5 】等) 、二向色型偏光器件( 如各种人造偏 振片、线栅偏光镜f 6 】、晶体二向色偏光镜等) 、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、热解石墨起偏器1 7 j 等) 、延迟器件( 如云母、石英波片、穆尼菱体、巴 俾涅补偿器、电光调制器等) 、退偏器件( 如楔型晶体退偏器、石英旋光退偏器【8 】、晶 体复合延迟退偏器p j 等) 。 目前制作偏光棱镜应用最多的材料是天然晶体冰洲石【l o 】，即光学方解石，化学式 为c a c 0 3 ，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 2 8 0 0 n m 波段内使用，分波 段使用可达1 5 u m 。由于它优良的光学性能；制作的偏光棱镜大部分可以应用于激光偏 光技术，即称为激光偏光棱镜。因此本文所研究的偏光棱镜也称为激光偏光棱镜。激光 偏光棱镜与普通偏光棱镜在结构形式上并无区别，只是由于激光本身的固有特点，要求 激光偏光棱镜有较高的消光比和较大的抗光损伤阈值。 人工生长的冰洲石难以得到大块，其来源主要为自然开采。二十世纪以前冰洲石 主要来自冰岛东海岸瑞德富琼达附近的海果斯特德农场的一个玄武岩洞中，而今自然界 难以找到冰洲石的富产矿。近几十年，随着激光应用和偏光技术的发展，冰洲石的需求 量大增，造成本来稀有的冰洲石更加珍稀，同时也抬高了该材料的偏光棱镜的价格，不 利于推广使用和大尺寸器件的批量生产；另外，由于冰洲石晶体中e 光折射率的各向异 性会造成一定的成像质量问题，如像散、像畸变等；光轴面易“掉肉的缺点给棱镜的 抛光带来困难，容易造成光洁度不够理想。因此，采用价格较低、各向同性的光学玻璃 与冰洲石晶体配合制作偏光棱镜可以在一定程度上克服这些缺点，具有一定的现实意 义。 玻璃生产的历史可追述至公元前2 0 0 0 年的美索布达米亚，经过数千年的发展，到 1 9 7 0 年各种常用的不同折射率和色散的玻璃型号已经相当完备，解决了该课题的材料 选取问题。 其实采用双折射晶体和玻璃组合形式制作偏光棱镜的想法早就有过，只是由于当时 难以找到理想的光学玻璃和胶合剂，以及加工上的一些技术难题，使这些想法一直难以 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第2 页 推广应用。从1 8 2 8 年的尼科耳棱镜至今，该课题的相关研究工作主要有：1 8 8 4 年福斯 纳提出了采用双折射晶体材料( 如冰洲石、硝酸钠等) 与光学玻璃组合的起偏棱镜 f e u s s n e r 棱镜【l l 】的一个设计方案，伯特兰随后对该方案提出改进意见；1 9 5 2 年耶马格蒂 更好地解决了硝酸钠晶体薄片的f e u s s n e r 棱镜加工制作的技术难题【1 2 】；1 9 6 8 年阿曼和 马赛给出了a m l t l a n n m a s s e y 棱镜的一个设计方案【1 3 】哒些研究都为本文提供了一 定的启发。 7 由于历史原因，冰洲石一玻璃组合偏光分束棱镜以前的研究只是由基本原理给出简 单设计方案，大多没有加工成实际样品，更没有进行性能的实验测试。自上世纪6 0 年 代激光器诞生起，激光应用技术不断发展，对偏光器件的性能提出更高的要求。为此， 我们严格分析了所设计的棱镜的性能，并对部分样品进行了实验测试。所以，我们把该 形式棱镜的研制工作一般分以下4 步进行： ( 1 ) 选材：即选取折射率、色散系数与冰洲石晶体中的o 光或e 光主折射率相匹配、 质量指标高、物化性能稳定的普通无色光学玻璃【1 4 1 5 1 ，以及合适的胶合剂。 ( 2 ) 确定偏光棱镜的设计参数：即按某一设计波长，综合考虑棱镜的透射比、消光 比、长度孔径比( l a ) 、视场角和通光孔径等因素，通过理论分析、数学计算，确定棱 镜的结构角和晶体光轴方向等参数。 ( 3 ) 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、 胶合等工序。 ( 4 ) 性能测试：对加工得到的样品进行实验测试( 本文主要测试棱镜的消光比和透 过率) ，检验它的性能是否与理论相符。 以上述实验条件和理论依据为基础，本文主要做了以下具体工作： 1 、对传统冰洲石偏光分束棱镜，尤其是其中的两种特殊设计：平行分束棱镜和9 0 。 分束棱镜进行系统的研究，论述其设计理论和设计方案。 ， 2 、对冰洲石一玻璃组合的偏光棱镜进行系统的研究，主要针对上述两种设计，提出 自己新的设计方案，并研磨试验样品。 3 、对新设计的各光学参量进行严密的理论分析，对测试验样品进行精密的实验测 试，并对实验结果进行分析讨论。 4 、将新的设计与传统的冰洲石设计进行对比研究，总结其各参量之间的优劣关系， 提高论文的实用性，为以后棱镜的开发提供详细的参数依据。 因此，本文主要关心以下五个问题：选材、计算、加工、测试和参数对比。其中， 选材是基础再完美的理论形式，若没有合适的材料实现也无意义；计算为该形式偏 光棱镜的设计提供理论基础和技术借鉴，主要是结合晶体双折射特性，应用一些几何光 学理论，如全反射定律、布儒斯特定律、菲涅耳公式等，来确定棱镜的结构和性能参数； 加工和测试为实验部分，主要是测试棱镜样品的透射比和消光比；参数对比主要是分析 不同设计方案之间的优劣关系，以便为实际的选择提供参考依据。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第3 页 该课题严格地讲，应属于偏振光学和材料学的交叉领域，其发展程度与材料性能直 接相关该课题理论再完美，没有优越性能的材料匹配，也如镜中花、水中月。其中， 光学玻璃的折射率以及色散对棱镜性能的影响最大，所以更为适用的光学玻璃可能给冰 洲石一玻璃组合偏光棱镜带来新的发展契机。 本课题的理论分析、棱镜的设计、样品的制作和性能测试均是在导师和工人师傅的 指导下由本人独立完成的。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第4 页 第二章冰洲石晶体偏光分束棱镜 在现代偏光技术和激光应用技术中，获得偏振光的方法大体可以分为三类：1 、反 射法：光以布儒斯特角入射到透明介质的光滑表面，其反射光为振动方向垂直入射面的 平面偏振光。此法简单、方便，使用波段宽，但光能损失大，消光比较低。2 、吸收法： 利用介质的二向色性，对沿某一方向振动的光有强烈的吸收而与之垂直的方向上振动的 光有较好的透射比，从而实现光的偏振输出。一般情况，采用这种方法的偏光器件抗伤 闽值较低。3 、棱镜法：将双折射晶体材料制作成棱镜形式，使原入射光中的0 光和e 光分开，并加以选择利用。这种方法获得的偏振光的许多光学特性由所选的晶体材料决 定。现己查明，具有双折射性质的晶体多达6 0 0 多种，但能直接用于制作偏光棱镜的不 足1 0 种。这主要是因为偏光棱镜对晶体的要求比较严格，一般应满足如下条件：在使 用的光谱区内有理想的最大双折射率，透明度高，无光学级要求的缺陷( 如包裹体、裂 缝、双晶等缺陷都应控制在指标以内) ；物化性能稳定，容易获得需要的尺寸，不易潮 解，易于加工；抗光损失阈值高。 目前应用最广的是天然晶体冰洲石( 光学方解石) ，它不仅符合了偏光棱镜对晶体 材料的苛刻条件，还满足了激光偏光技术的发展要求。因此，冰洲石晶体材料的偏光棱 镜在光纤通讯、激光调制、偏光信息处理等领域得到广泛应用，成为现代光学技术中获 得偏振光的最主要手段。 本章将偏光棱镜分为起偏棱镜和偏光分束棱镜两种类型，主要介绍一下它们几种不 同形式的结构和性能特点。 2 1 基础设计理论 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，各方向随时间的平 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保持在 包括光传播方向在内的同一平面内，称为线偏振光或平面偏振光。电矢量e 与传播方向 k 构成的平面称为振动面，包含传播方向并与振动方向垂直的平面称为偏振面。 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： 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第5 页 p = 叠：生二尘 ) 气t m 戤- r i 1 ； 血( 2 1 - 1 式中，j 蛳和j 血是两个正交方向的偏振光光强的极值。对自然光，蛳= ，血，p = o ； 对于平面偏振光，= 吒，p - - - - 1 ，此时偏振程度最高；其它情况，即部分偏振光，0 1 。即光线通过复合棱镜后，两光路的剪切差增大， 达到了扩束的目的，而且，扩柬能力的大小与棱镜顶角q 和棱镜本身折射率的大小有关。 下面讨论三者之间的变化关系，并给出最佳设计方案。 4 1 3 优化设计理论 设计过程中必须考虑的问题是复合棱镜的光强透射比问题m ，蚓。从平行分束棱镜中 出射的两柬平面偏振光o 光和e 光，在棱镜两个表面的反射比分别为：r o l ，r 0 2 ，r e l ， 。由菲涅尔公式有： 耻( 舞焉 2 = ( 磊一 2 耻( 搿 耻( 舞焉) 2 = ( 舞一 2 耻( 嘉) 2 其中，n l 为入射介质折射率，n 2 为出射介质折射率，i 为入射角，n 为复合棱镜折射率。 则总的光强透射比t o 、t e 分别为： 纠h 卜蹦2 = 小 - 一4 1 - n s i n 2c t7 n 4 1 - s i n 2 c t 2 2 ，q 纠- 划卜蚴2 = 1 - ( ：等 2 1 ( 蠕怒 2 伟m ， 由( 4 1 4 ) 、( 4 1 5 ) 两式可以看出，光强透射比和复合棱镜的折射率n 以及顶角q 取值有关，其大小随折射率n 以及棱镜顶角q 的变化曲线分别如图( 4 1 2 ) 和图( 4 1 3 ) 所示： 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 2 页 由图中所示知，两透射比随棱镜顶角q 的改变有着不同的变化轨迹，但是，两者都随折 射率1 3 的增大而减小，所以，以此看来，在选择制造材料时，倾向于折射率较高的玻璃 r o t e 图4 1 - 2 透射比t 。随q 和n 的变化曲线 图4 _ 1 - 3 透射比t e 随q 和n 的变化曲线 d 3 d t 呻 图4 1 4 。剪切差d 3 d l 随q 和n 的变化曲线 材料，但实际中还要考虑扩束作用随棱镜顶 角和折射率的变化情况，即d 3 d l 随a 和n 的变化曲线，如图( 4 1 4 ) 所示： 由图( 4 1 - 4 ) 得：d 3 d 】的大小随a 和 n 的增大而增大，其变化规律与透射比的变 化相反，所以，制造转向型复合式扩束平 行分束棱镜，必须综合考虑三者变化的情 况，取长补短，以得到优化设计的目的。 然而，在a 和n 都不确定的情况下泛泛的 “ 去寻找最合理的方案是很难的，而且实际 应用中往往不采用这种方法。相比之下， 先确定折射率n 和d 3 d l 的值，然后去计算 榜镑顶角角序a 和诱射比t 的方案耳具有可操作性和实用性。 4 。1 4 设计实例 下面以折射率n 为1 6 0 的晶体为实例，阐述设计制作的过程。 将r = 1 6 0 分别代入( 4 1 3 ) 、( 4 1 4 ) 、( 4 1 5 ) ，得到当以= 1 6 0 时d l d 3 、t o 、t 。随 a 和n 的变化曲线如图( 4 1 5 ) 所示： 注：为在同一坐标系中表示各变量的变化情况，以便于比较，此处用d l d 3 来表示 d 3 d 1 变化规律。 从图中的变化关系得，要设计最理想的转向型复合式扩束平行分束棱镜，必须在寻 求最大扩束的基础上保证有较高的透射比。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 3 页 设计讨论：( 1 ) 当设计为双光 束输出时，可以选择适当的d 值， 使两束光具有较高的透射比且相 差不大，同时剪切差达到一个理想 的值。选取呜d l 2 2 ，则a f = 2 9 5 。， 互= 8 9 ，乙= 6 5 ，秒= 5 2 。，转 角a = 4 5 。，剪切差可达2 4 m m 。此 时两束光光强相差不大，均具有较 高透射比。( 2 ) 当设计为单光束输 出时，取么d , = 3 ，口= 3 3 2 0 ， 仉 z ：8 9 3 ，z ：5 4 3 ，秒= 5 2 。， a ( o ) 转角a = 5 6 。，剪切差可达到 3 6 m m 。此时，光路剪切差非常理 4 1 - 5 n = 1 6 时剪切差d 3 d l 随q 和n 的变化曲 想。( 3 ) 当口= 3 8 4 0 时，转角 a = 9 0 。，此时光的透射比比较低，只有3 0 左右，但么蟊4 5 ，能应用在一些微光探 测实验中。 4 2复合式9 0 。分束棱镜的新设计 4 2 1 设计目的 随着现代激光偏光技术的发展，在光路的设计过程中需要器件越来越多，这就使 得光路的搭建面临着一定的困难。为了避免光路太长带来的各种问题，如：光强太弱、 c l i g h t 图4 2 - 1 9 0 0 分束棱镜的光路图 光路拥挤难于调节等，出现了各种形 式的分束偏光器件。其中，以冰洲石 为原料，采用格兰型设计的9 0 0 分束 偏光棱镜，实现了将两种振动方向相 互垂直的线偏振光o 光和e 光9 0 0 分 束的作用，大大方便了光路的设计和 搭建。而且，其以较高的透射比和消 光比，倍受使用单位的青睐。但是， 棱镜的制造全部要使用昂贵的冰洲 石材料，这使得其价格一直居高不 下。为了降低生产成本，本文中采用 冰洲石晶体和光学玻璃组合的方法， 给出了一种全新的设计，不仅完成了 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第2 4 页 将线偏振光o 光和e 光9 0 0 分束的作用，而且具有很高的透射比和消光比。 4 2 2 设计理论 光路分析：棱镜的主截面结构及其光路如图 ( 4 2 1 ) 所示。棱镜由三部分组成，两端分别 是特殊角度的四边形和直角三角形的玻璃棱 镜，中间为冰洲石晶体薄片，三者所夹的两个 胶合层均为胶合剂形式。其中，玻璃和胶合剂 的折射率与冰洲石晶体中o 光折射率基本相 同。冰洲石晶体的光轴平行于o 光的出射端面 与切割面的交线。在理论上，o 光几乎无反射 地通过胶合层，且与入射光同向输出，而冰洲 e h g h l 图4 2 。2 9 0 0 分束棱镜的修改形式 石晶体中e 光折射率小于玻璃的折射率，所以选择合适的结构角，能够使光在由胶合层 进入冰洲石晶体的介面上发生全反射，而特殊结构的四边形玻璃棱镜保证了e 光在两次 全反射后光路的9 0 0 转向。因此，这种三元结构的偏光棱镜在大大节省冰洲石晶体的前 提下，实现了两束偏振光的9 0 0 分束输出。为进一步减小棱镜的体积和重量，在保证光 路不受影响的基础上，也可以对其玻璃部分进行改进，例如图( 4 2 2 ) 所示。 棱镜设计：首先要选择折射率和色散与冰洲石晶体中o 光相近的光学玻璃。通过对z b a f 3 玻璃、l a k l 玻璃、l a k 2 玻璃等的折射率和色散的考察，最终选择最相匹配的z b a f 3 玻 o 图4 2 3 冰洲石中0 光折射率和z b a f 3 玻璃折射 率随波长的变化曲线 璃。z b a f 3 玻璃与冰洲石晶体中0 光在 4 0 0 n m - l o l o n m 波段内的色散曲线如 图( 4 2 3 ) 所示。由图中曲线可见，两者在 上述光谱范围内的色散曲线基本一致， 且折射率的最大差值不超过 2 7 4 x1 0 - 3 。因此，选择z b a f 3 玻璃与 冰洲石晶体组合制作三元结构9 0 0 分束 偏光棱镜是最理想的。 对于胶合剂的选择，实验样品选用 n a = 1 6 5 8 的液态胶合剂溴代萘。一是为 了实现折射率的互相匹配；二是这种胶 合剂不凝固，可以减小由于材料线胀系 数不同造成的热应变影响。为了加固棱 镜，并防止溴代萘挥发，在胶合层外缘 采取密封措施。若想获得更加牢固的棱镜结构，可使用折射率较低的固态胶，如折射率 为1 5 4 的树脂胶，但需要在胶合面上镀增透膜3 7 3 8 1 以减小光的反射损失。光学玻璃与 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 5 页 胶合剂确定后，下面的关键是确定棱镜的各个结构角。在光垂直入射的前提下，将 4 0 0 n m l o l o n m 波段内各波长对应的z b a f 3 玻璃的折射率n b 和冰洲石晶体中e 光波的主 折射率n c 代入全反射公式： 皖：s i n l 堕( 4 2 1 ) 可以得到该波段对应的e 光在胶合面上的全反射角晓，它的变化范围是6 3 0 6 4 0 。为保 证在上述波段e 光在胶合面上被全反射，且棱镜有一定的视场角，取光在胶合面上的入 射角= 6 5 0 。由图( 4 2 1 ) 中的几何关系易得，在光正入射的情况下，要保证e 光完成9 0 0 转向，应确保第二个全反射角f = 7 0 0 ，此时偏光镜其它的各个结构角应分别为： 口= 6 5 口，= 1 3 5 0 , 厂= 7 0 0r j = 2 5 。 4 3 平行扩束棱镜样品的测试和分析 4 3 1 实验光路设计 为测试样品的消光比和透射比，搭建了如图( 4 - 3 - 1 ) 所示的测量光路。消光比和透射 比的测量都需要具有稳定的光源，精确旋转的起偏器、光电探测器和光功率计，因此， 入4 图4 3 1 平行分束棱镜测试光路 在波长为6 3 3 n m 的氦氖激光器后加上起偏器p l 和l 4 波片的组合，将光源由部分偏振 光调制成为圆偏振光，以消除该光源主偏振面旋转产生的影响。起偏器p 2 为一个固定 在步迸电机上的g l a n t a y l o r 棱镜，旋转角度可以精确到秒级。 4 3 2 测试结果 选取吗4 = 2 的情况磨制样品，则样品的结构角a = 2 9 5 。，入射角0 = 5 2 。，冰洲 石部分选剪切差为1 2 m m 的平行分束棱镜。以波长为6 3 3 n r n 的氦氖激光器作为入射光 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 6 页 源，经多次测量，得到各光学参量的平均值，见表4 3 1 。 表4 3 1 各光学参量及实验测试结果 4 3 3 误差分析 实验测试的误差主要来自两个方面，一个是材料的研磨误差，另一个是组合角度的 定标误差。 首先，对于材料的研磨而言，现在已经有了很精密的测量技术，但仍存在一定的误 差，实际测试器件的研磨工艺精度也只能达到2 。 其次，各组合部分在胶合过程中组合角度的定标存在一定的误差，现在的工艺水平 能达到2 的误差范围内已经很不错了。而目前折射率的测量水平也只能精确到o 0 1 。 另外，在实验过程中存在仪器调节精度和操作的误差因素。所以，得到的测量值与 理论值有一定的误差。 4 3 4 总结与说明 通过对设计理论的分析和设计实例的讨论知道，此新的设计具有高透射比、剪切差 大、制作价格低廉和设计可选择性强的优点。器件在使用时光路会有相应的转向，此会 在一定程度上减小光路搭建的直线长度，节约实验平台的使用空间。但是，在各器件的 组合固定时应注意明确各角度的值，其大小均可由上述设计理论得出。就目前的研磨和 定标水平而言，完全可以制造出上述设计理论下的高质量的成品，所以，此设计是可行 的，在激光偏光领域将会有广泛的使用空间。 因该设计没有面与面的胶合，所以对于胶合剂的选择没有特殊的要求，但为了获得 更高的透射比，可以在符合折射率要求的基础上，尽量选择透射比较好的玻璃，或者在 各个透射面上镀制增透膜。对于同向型扩束设计而言，设计思路和各个面的光线入射角 度与转向型设计相同，只是玻璃晶体的摆放角度不同，对于该设计，这里就不再进行细 速。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 7 页 4 4 复合式9 0 。分束棱镜的测试和分析 4 4 1 实验光路设计 图4 4 1 9 0 0 分束棱镜测试光路 仍采用图( 4 3 1 ) 所示的测量光路。由于测试样品要实现转向功能，所以，功率计的 摆放与图( 4 3 1 ) 中不同，但所用其它器件不变，测试原理相同，如图( 4 4 - 1 ) 所示。另外， 对于波长为4 7 3 n m 和5 3 2 n m 的连续波全固态激光器和6 7 0 n t o 的半导体激光器光源，其 偏振度较高，且偏振面稳定，因此不必加起偏器p l 和x 4 波片。一 4 4 2 消光比的测量 消光比测量需要得到两个透射光强：一个是最大透射光强；一个是与之垂直方向上 的透射光强，也是最小光强。这两个光强都靠旋转图( 4 4 - 1 ) 中的起偏器p 2 得到。为了提 高测量效率，使用了步进电机带动起偏器p 2 对0 光、e 光的透射光强进行同时测量，并 测出多组实验数据。然后，分别对0 光和e 光进行数据处理，即分别用其最小光强除以 表4 4 1 消光比测试结果 4 7 3 n m5 3 2 n m6 3 3 n m6 7 0 h m e x t i n c t i o n s a m p l e 5 9 2 l o 一5 o l l o 一46 3 4 1 0 46 6 3 1 0 4 r a t i oo fc i c e l a n d 5 3 6 1 0 - 55 2 3 1 0 - 56 3 6 1 0 - 56 7 5 1 0 - 5 l i g h t e x t i n c t i o n s a m p l e 3 1 6 l o 一43 7 4 1 0 一4 9 1 l o 一4 5 6 l o 一4 r a t i oo fo i c e l a n d 3 2 4 1 0 5 3 3 7 1 0 。54 2 6 1 0 - 55 3 2 x1 0 - 5 l i g h t 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 8 页 其最大光强，即可同时得到棱镜样品两束出射光的消光比。 分别使用4 7 3 n m ，5 3 2 n m ，6 3 3 n m ，6 7 0 n m 4 个波长的激光光源对样品和传统的冰洲 石棱镜进行比较测试，分别得到消光比的测试值，见表( 4 4 1 ) 。 由表中结果看到，由于光学玻