（光学专业论文）胶合层对棱镜透射性能的影响.pdf

摘要 摘要 对于利用天然双折射晶体冰洲石制作的偏光棱镜，其胶合的形式分空气隙胶合和光学 胶胶合；前者最具代表的是g l a n t a y l o r 棱镜，它最突出的优点是有高的抗光损伤阈值， 但视场角却不大，一般不超过6 口：后者的代表是常用的g l a n - t h o m p s o n 棱镜，其最显著的 优点是透射比较高，且视场角大。二者都统称为格兰棱镜，然而胶合棱镜和空气间隔棱镜 都有同样的基本设计。胶合棱镜对大多数的应用来说是光学上较好的设计，并且是现今应 用中最普遍的棱镜型式。虽然格兰型棱镜比同样大小的尼科尔型棱镜需要大得多的方解 石，但格兰型在光学上有几方面的优点：因光轴垂直于棱镜轴，非常光线的折射率与寻 常光线的折射率之差最大。所以和尼科尔型相比，格兰型由较宽的视场角和较小的长度孔 镜比( l a ) 。视场角内的光几乎是均匀偏振的；而尼科尔型不是这样。通过( 优良的) 格兰型棱镜观察轴上的物的视位置实际上没有旁向位移。而通过尼科尔棱镜观察由旁向位 移。因为当棱镜置于会聚光束中时，离轴漂移造成有像散的像，格兰型棱镜的成像质量 比尼科尔型略好。 光学胶是组合光学器件不可缺少的组成部分。标志光学胶性能的指标很多，其中最重 要的是透射光谱范围、耐高低温性、剪切强度、线膨胀系数以及折射率和色散。目前 g l a n - t h o m p s o n 棱镜常用加拿大树胶( 也称中性树脂胶) 。或是冷杉胶胶合，棱镜的长宽孔 径比为3 ，视场角一般为1 l 口1 箩，透射比达到9 0 ，起影响作用的主要是光学胶的折射率。 光学胶的折射率既然对棱镜的参数产生影响，那么我们就应该找出其规律，但遗憾的是目 前还没有针对偏光棱镜用光学胶系统研究的文献报道。为此我们以g l a n t h o m p s o n 棱镜为 例，详细分析光学胶的折射率对棱镜结构角、视场角以及透射比的影响，为制作能满足不 同需要的g l a n - t h o m p s o n 棱镜提供必要的依据。 在波长短到方解石开始强烈吸收的2 1 4 n m 时，因为没有令人满意的胶合剂可供使用， 所以用于这个波长范围的格兰型棱镜必须是空气间隔的。从紫外到近红外的宽广的波长范 围，采用空气间隔棱镜也是很方便的。同g l a n - t h o m p s o n 棱镜胶合层的影响来看，这种空 气隙组成的特殊胶合层也对棱镜的基本参数产生较大影响，主要体现在空气隙的厚度引起 的多光束干涉，进而对棱镜的透射性能产生较大的影响。 通常我们在分析胶合型棱镜中的胶合层对棱镜透射比的影响时一般忽略其厚度，因而 电就忽略了反射光的多光束干涉问题，但在实际中，多光束干涉问题是一个不容忽略的因 素，它对棱镜的透射比有着重要的影响。将胶合层视为一层薄膜，根据薄膜光学理论，详 绷分析光学胶的厚度以及光学胶折射率对棱镜透射比的影响，并找到了其中的规律。胶合 罢的厚度以及光学胶折射率对棱镜的透射比均有影响，且厚度对棱镜透射比的影响呈现周 胡性变化；而光学胶折射率则对透射比的振荡幅度产生影响。为优化格兰型棱镜的透射比 是供必要的理论依据。 本论文以胶合层对格兰型棱镜透射参数的影响为重点，从胶合剂的折射率以及胶合层 削孽度等方面根据棱镜的设计原理、偏振光学的理论基础对棱镜透射性能的影响方面展开 摘要 2 一 论述，全文内容概括如下： 在第一章中，主要介绍了本论文选题的出发点和意义。 在第二章中，以格兰一汤普森棱镜为例，主要分析了光学胶的折射率对棱镜视场角、 结构角以及透射比影响，并分析了光学胶合层的厚度对棱镜透射性能的影响。 在第三章中，以渥拉斯顿棱镜为例，详细分析了光学胶折射率以及光学胶合层的厚度 队棱镜光强分束比和总透射比的影响。 在第四章中，对格兰型棱镜的另一种形式：空气隙型棱镜进行单独分析，从理论上分 析多光束干涉对棱镜透射性能的影响，并从实验上来进行验证。 本文的创新点在于： l ：通过理论分析得出了光学胶折射率对棱镜透射性能的影响，给我们在制作棱镜时 选择合适折射率的光学胶提供理论依据，达到了优化棱镜设计的目的。 2 ：利用薄膜光学理论，考虑反射光的多光束干涉对棱镜透射比的影响并对其进行了 分析。结果表明：胶合层的厚度以及光学胶折射率对棱镜的透射比均有影响，且厚度对棱 镜透射比的影响呈现周期性变化；而光学胶折射率则对透射比的振荡幅度产生影响。 总的说来，我们优化设计格兰型棱镜的方案基本上达到了要求，实现了预定的高透射 比的功能，并对由胶合层厚度而引起的多光束干涉问题产生的对棱镜透射比的影响进行了 理论分析，得到了理想的结果。但仍需要在控制胶合层厚度方面进行更深一步的研究。 abstract w h e ni tc o m e st op o l a r i z a t i o np r i s m sm a d ei nn a t u r a lb i r e f i - i n g e n c ec a l c i t ec r y s t a l ，t h e i r v e n e e rf o r m sc o n t a i na i r - g a ps t y l ea n do p t i c a lc e m e n ts t y l e ；ac a , s oi np o 血o ft h ef o r m e ri s g l a n - t a y l o rp r i s m ，a n di t sa d v a n t a g e o u sv i r t u ei st h a ti th a sh i g ha n t i - o p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d , b u tt h ef i e l da n g l ei ss m a l l ，g e n e r a l l yn om o r et h a n 6 口；p r i s mt h a tc a nr e p r e s e n tt h el a t t e ri s f r e q u e n t l yu s e dg l a n t h o m p s o np r i s m ，i t sm o s td r a m a t i cv i r t u e sa l eh i g h e rt r a n s m i s s i o na n d l a r g e rf i e l da n g l e t h et w os t y l e sc a nb ec a l l e d 硒g l a np r i s m , a n do p t i c a lc e m e m s t y l ep r i s m s a n da i r - g a ps t y l ea r eb ed e s i g n e ds i m i l a r l y o p t i c a le e r n e n ts t y l ep r i s mi sab e t t e rd e s i g nf o r o p t i c a la p p l i c a t i o na n di st h em o s tu n i v e r s a ls t y l ei na p p l i c a t i o nn o w a l t h o u g hg l a nt y p e s r e q u i r ec o n s i d e r a b l ym o r ec a l c i t et h a nn i c o lt y p e so fc o m p a r a b l es i z e ，t h e ya r eo p t i c a l l ys u p e r i o r i ns e v e r a lw a y s s i n c et h eo p t i ca x i si sp e r p e n d i c u l a rt ot h ep r i s ma x i s ，t h ei n d e xo ft h e e x t r a o r d i n a r yr a yd i f f e r sb yam a x i m u ma m o u n tf r o mt h a to ft h eo r d i n a r yr a y t h u s ，aw i d e r f i e l da n g l eo ras m a l l e rl ar a t i oi sp o s s i b l et h a nw i t hn i c o lt y p e s t h el i g h ti sn e a r l y u n i f o r m l yp o l a r i z e do v e rt h ef i e l d ；i ti sn o tf o rn i c o lt y p e s t h e r ei se f f e c t i v e l yn ol a t e r a l d i s p l a c e m e n ti nt h ea p p a r e n tp o s i t i o no fa na x i a lo b j e e t v i e w e dt h r o u g ha ( p e r f e c t l yc o n s t r u c t e d ) g l a n - t y p ep r i s m n i c o lt y p e sg i v ea l a t e r a ld i s p l a c e m e n t s i n c eo f f - a x i sw a n d e rr e s u l t si n i m a g e sw h i c hh a v ea s t i g m a t i s mw h e nt h ep r i s mi sp l a c e di nac o n v e r g i n gb e a m , g l a nt y p e sh a v e s l i g h t l yb e t t e ri m a g i n gq u a l i t i e st h a nn i c l at y p e s f o rt h ef a b r i c a t i o no fp o l a r i z a t i o nd e v i c e s ，o p t i c a lc e m e n ti sn e c e s s a r y t h e r ea r em a n y p a r a m e t e r st od e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc e m e n t a m o n gt h e m ，w a v e l e n g t hr a n g e ， t r a n s m i s s i o n , o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，s h e a r i n gs t r e n g t h ，l i n e a re x p a n s i b i l i t y , r e f r a c t i v ei n d e xa n d d i s p e r s i o na r eo f t e nu s e d a tp r e s e n t ，c a n a d ab a l s a m ( a l s oc a l l e dn e u t r a lr e s i na d h e n s i v e ) a n df i r g u m sa r eo f t e nu s e di nm a k i n gu pg l a n - t h o m p s o np r i s m s g e n e r a l l y , t h el e n g t h - w i d t hr a t i o ( l a ) o ft h ep r i s mi s3 ，f i e l da n g l er a n g e sf r o m1 1 口t 013 口，a n dt r a n s m i s s i o nc a ng e t9 0 ，i n t h e s ea s p e c t s ，t h er e f r a c t i v ei n d e xo fo p t i c a lc e m e n t ( 刀，) p l a y st h em o s ts i g n i f i c a n tr o l e n o w t h a t 拧，a f f e c tp r i s m sp r o p e r t i e s ，w es h o u l df i n do u tt h er u l e t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ， t h e r e a r en or e p o r t so n o p t i c a l c e m e n tu s e di n p o l a r i z a t i o np r i s m s h e r e ，w e t a k e g l a n - t h o m p s o np r i s ma sa ne x a m p l et oa n a l y z eh o wt h ei n d e xa f f e c t si t ss t r u c t u r ea n g l e ，f i e l d a n g l ea n dt r a n s m i t t a n c e t h ep r i n c i p l ec a na l s ob eu s e df o rd i f f e r e n to t h e rt y p e so fp r i s m s i n c et h e r ei sn os a t i s f a c t o r yc e m e n tw h i c hc a nb eu s e da t21 4 n m ，w h e r ec a l c i t eb e g i n s t o a b s o r bs t r o n g l y tf o ra p p l i c a t i o n si n v o l v i n ga ne x t e n d e dw a v e l e n g t hr a n g ef r o mt h eu l t r a v i o l e tt o t h e ，g l a n t h o m p s o n - t y p ep r i s m su s e di nt h i sr a n g em u s tb ea i r - s p a c e d a i r - s p a c e dp r i s m sa r e a l s oc o n v e n i e nn e a ri n f r a r e d a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ec e m e n tu s e di no l a n - t h o m p s o n p r i s m s ，w ec a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n , t h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ep r i s m sc a l la l s ob e g r e a t l yi n f l u e n c e db yt h ea i r - s p a c e t h ep r i m er e a s o ni st h em u l t i p l e b e a mi n t e r f e r o m e t e rc a u s e d 2 一 b yt h et h i c k n e s so ft h ea i rs p a c e t h u si tc a nb d n gi n f l u e n c et ot h et r a n s m i s s i o no ft h ep r i s m s t h ec e m e n tu s e di ng l a n - t y p ep r i s m sc a nb es e e na sal a y e ro ft h i nf i l m a n dw ec a na n a l y s et h e i n f l u e n c eo ft h ec e m e n to nt h et r a n s m i s s i o no fg l a n - t h o m p s o np r i s m su s i n gt h ek n o w l e d g eo f o p t i c a lt h i nf i l m t h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ec e m e n to nt h e r e f l e c t a n c ea tt h ec e m e n t i n gs u r f a c eh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l a n dt h er u l ei sf o u n do u t t h e r e s u l ts h o w st h a tt h et h i c k n e s sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ec e m e n t i n gl a y e rd o e sh a v eg r e a t i n f l u e n c eo nt h et r a n s m i s s i o no ft h ep r i $ m 8 ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ef o r m e rt a k e se f f e c t p e r i o d i c a l l y a n dt h ev a l u eo fr e f r a c t i v ei n d e xo fc e m e n tt a k e se f f e c tt oo s c i l l a t i o na m p l i t u d eo f t h et r a n s m i s s i o n t h er e s u l ti sv e r yh e l p f u lf o ro p t i m i z i n gt h et r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c eo f g l a n - t y p ep r i s m s i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c e so ft h ec e m e n t i n gl a y e rt ot h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r so f g l a n - t y p ep r i s m sa r ee m p h a s i z e d f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fp r i s md e s i g n a t i o na n d t h eb a s i sk n o w l e d g eo fp o l a r i z e do p t i c s ，t h ei n f l u e n c e sc a u s e db ys e v e r a lf a c t o r ss u c ha st h e r e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so ft h ec e m e n t i n gl a y e rt ot h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea r e d i s c u s s e di nd e t a i l a l ld e t a i l sa r ea sf o l l o w i n g i nc h a r t e ro n e ，t h eb a s i cs t a r tp o i n ta n de s s e n c eo ft h i st h e s i sa r eg i v e n i nc h a p t e rt w o ，g l a n - t h o m p s o np r i s m sa r et a k e na se x a m p l e s t h ei n f l u e n c e so ft h e r e f r a c t i v ei n d e xt ot h ef i e l da n g l e ，s t r u c t u r ea n g l e , a n dt h et r a n s m i s s i o no ft h ep r i s m sa r em a i n l y a n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so ft h et h i c k n e s so ft h ec e m e n t i n gl a y e rt ot h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ea r ea l s oa n a l y z e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h ew o l l a s t o np r i s m sa r et a k e na se x a m p l e s ，t h ei n f l u e n c e so ft h e r e f r a c t i v ei n d e xa n dt h et h i c k n e s so ft h ec e m e n t i n gl a y e rt ob o t ht h es p l i t t i n gr a t i oa n dt h e t r a n s m i s s i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l i nc h a p t e rf o u r ，a i r - s p a c e d - t y p ep r i s m sa r ea n a l y z e di n d e p e n d e n t l y t h ei n f l u e n c e so f m u l t i p l e - b e a mi n t e r f e r o m e t e rt ot h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ea i 卜s p a c e dp r i s m sa r e a n a l y z e di nt h e o r y ，a n dv e d f i e di ne x p e r i m e n t s t h eo r i g i n a l i t yi n n o v a t i o np o i n t si nt h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： f i r s t , a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ek n o wh o w t h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h eo p t i c a l c e m e n ta f f e c t st h et r a n s m i s s i o no ft h ep o l a r i z a t i o np r i s m s t h ec o n c l u s i o no f f e rt h et h e o r e t i c a l l a w sf o rc h o o s i n gt h es u i t a b l eo p t i c a lc e m e n ta n di sg r e a t l yh e l p f u lt ot h eo p t i m i z a t i o no ft h e p o l a r i z a t i o np r i s m s s e c o n d ，w ec a na n a l y s et h ei n f l u e n c eo ft h ec e m e n to nt h et r a n s m i s s i o no fg l a n - t h o m p s o n p r i s m su s i n gt h ek n o w l e d g eo fo p t i c a lt h i nf i l m t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h i c k n e s sa n dt h e r e f r a c t i v ei n d e xo ft h ec e m e n t i n gl a y e rd o e sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h et r a n s m i s s i o no ft h e 3 一 p r i s m s t h ei n f l u e n c eo ft h ef o r m e rt a k e se f f e c tp e r i o d i c a l l y ，a n dt h el a t t e rt a k e se f f e c t st ot h e o s c i l l a t i o na m p l i t u d eo ft h et r a n s m i s s i o n i ng e n e r a l ，t h er e q u i r e m e n t so fo p t i m i z i n gg l a n - t y p ep r i s m sa r er e a l i z e d h i g h e re x p e c t e d t r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e d t h ei n f l u e n c e so fm u l t i p l e b e a mi n t e r f e r o m e t e rc a u s e db yt h et h i c k n e s s o ft h ec e m e n t i n gl a y e rt ot h et r a n s m i s s i o no ft h ep r i s m sa r ea l s oa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ! i d e a l r e s u l t sa r ea l s oo b t a i n e d h o w e v e r , h o wt oc o n t r o lt h et h i c k n e s so fc e m e n t i n gl a y e ri ss t i l la p r o b l e m 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士囱论文胶合层对 棱镜透射性能的影响，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读 7 博士口硕士q 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。 作者躲泐 日期：沙勺孑。石么 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“”) 胶合层对棱镜透射性能的影响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 容。 作者签名： 泐缉 日期：2 p 。g 6t 导师签名：孑蚓 日期：吞一仁易 绪论 第一章绪论 对于利用天然双折射晶体冰洲石制作的偏光棱镜n _ 3 1 ，大致可分为两种，第一种是起偏 棱镜，而第二种是偏光分束棱镜。在常规起偏棱镜中，只有一个方向的偏振光透过。这种 棱镜是将一块切割成两半块，并经过抛光胶合在一起而成的，它使另一光束在切割面发生 全内反射。这个光束通常偏斜到一边，被含有灯烟的敷层所吸收。因为通常偏斜的是具有 较高折射率的寻常光线，所以灯烟常混合在高折射率的胶合剂中，如混合在芦荟树脂 ( 刀，= 1 634 ) 或妥鲁香胶( 力，= 1 628 ) 中，则反射能减至最小。当使用大功率 激光器时，不要敷层以避免棱镜过热，让光在外部被吸收。常规起偏棱镜分为两类：格兰 型和尼科尔型删，如图1 - 1 所示。 图图圃 ( a ) ( d ) ( b ) ( e ) ( c ) 图1 - 1 常规起偏棱镜的类型。格兰型：c a ) 格兰一汤普森，( b ) 利皮什，( c ) 夫兰克一里特； 尼科尔型：( d ) 常规尼科尔，( e ) 尼科尔，哈尔型，( f ) 哈特纳克一普拉斯毛斯库。光轴用 箭头表示。 格兰型棱镜的光轴在入射端面的平面内。如果主截面平行于切割面，那么这棱镜就是 格兰一汤普森棱镜1 ( 有时叫做格拉斯布鲁克型) ；如果主截面垂直于切割面，就是利皮什 棱镜们；如果主截面与切割面成4 5 口，就是夫兰克一里特型。在包括各种尼科尔设计和哈特 纳克一普拉斯毛斯库设计的尼科尔型棱镜中，主截面垂直于入射端面，但光轴既不平行于 也不垂直于端面。 空气间隔棱镜比胶合棱镜能用在更短的波长。一些空气间隔棱镜有特殊的名称。空气 间隔格兰一汤普森棱镜叫做格兰一傅科棱镜n 1 3 ，空气间隔利皮什棱镜叫做格兰一泰勒棱镜 1 2 - x 3 ，通常把它们都叫做格兰棱镜。空气间隔尼科尔棱镜叫做傅科棱镜。也可以制作成双 棱镜，以增大棱镜的孔径，而不必相应地增加长度。大多数棱镜叫做如双夫克兰一里特棱 镜等，但双格兰一汤普森棱镜叫做阿伦斯棱镜。 在偏振分束棱镜n 4 - 1 羽中，两个光束是在互成直角的两个方向偏振，并在空间中分开射 出。这种棱镜通常用于当两个光束都需要的时候，例如用于干涉实验，但是也可以用于只 需要一个光束的时候。这种棱镜也有两种如图所示的类型：一种是棱镜的两个部分的晶体 绪论 光轴互相垂直，一种是光轴互相平行。第一类型的棱镜包括罗雄棱镜、塞拿蒙棱镜、渥拉 斯顿棱镜、双罗雄棱镜和双塞拿蒙棱镜n 钔。第二类型的棱镜与常规起偏棱镜相似，但其形 状通常做了修改，以使在胶合界面上全反射的0 光出射。例如福斯特棱镜、分束格兰一汤 ( c ) ( e ) 图1 - 2 起偏分束棱镜的类型：( a ) 罗雄棱镜，( b ) 塞拿蒙棱镜，( c ) 渥拉斯顿棱镜，( d ) 福斯特棱镜( 面a b c d 镀银) ，( e ) 分束格兰一汤普森 棱镜。在各种情况下光斗从左端面射入。 普森棱镜和分束阿伦斯棱镜啪1 ，如图1 - 2 所示。 通过以上介绍我们可以看出，无论是起偏棱镜还是分束棱镜，其胶合形式无外乎两种， 即：光学胶胶合以及空气隙胶合。空气隙胶合相对简单些，在两半块棱镜之间加一层薄薄 的、中间挖空的塑料薄膜，然后将其粘合。至于光学胶胶合就要涉及到胶种类的选择与胶 合技术。在选择胶种类时，首先要考虑光学胶的透射光谱范围、耐高低温性、剪切强度、 线膨胀系数以及折射率和色散。其中最重要的是光学胶的折射率。通常我们在制作各种胶 合棱镜时使用加拿大树胶或者冷杉胶。 在讨论光学胶折射率以及胶合层厚度对棱镜透射性能影响时我们主要用到的理论知 识是：菲涅尔定律以及薄膜光学的一些基本理论。 为了获得更高的棱镜透射比，以更好改善棱镜的透射性能，需要使光学胶的折射率在 符合条件的前提下更接近透射光束的折射率，而胶合层的厚度需要尽可能的使透过胶层中 光线相长干涉。 查阅国内外的文献表明，在提高棱镜透射性能方面，考虑光学胶合层影响的比较少， 本文致力于这一方面，从理论上进行了分析并从实验上进行了验证，结果表明：选择合适 的胶合剂、适量控制胶合层厚度的确可以达到优化偏光棱镜透射性能的目的。 第二章光学胶对g l a n - t h o m p s o n 棱镜透射性能的影响 第二章光学胶对g l a n - t h o m p s o n 棱镜透射性能的影响 格兰一汤普森棱镜有两种：分界面为空气隙式和胶合式。前者称为格兰一傅科型或简称 格兰型；后者则称为格兰汤普森型。所以格兰一汤普森棱镜就意味着是胶合的。然而胶合 棱镜和空气间隔棱镜都有同样的基本设计。胶合棱镜对大多数的应用来说是光学上较好的 设计，并且也是现今应用中最普遍的棱镜型式。格兰一汤普森棱镜是以格兰和汤普森命名， 格兰在1 8 8 0 年描述了一种空气间隔的格兰一汤普森棱镜，汤普森在1 8 8 1 年绘制了一种胶 合的型式，并在1 8 8 2 年把它修改成现在的方形端面设计j 格兰一汤普森棱镜是平行于光轴切割的，光轴或者平行于两 边，如图2 - 1 所示，或者沿着对角线，如图2 - 2 所示。端 面总是垂直于棱镜轴并包含光轴。格兰一汤普森棱镜具有最 高的消光比，一般为1 0 - 5 1 0 - 6 。使消光比变坏的原因主要 是：材料的不均匀和棱镜表面的散射引起的退偏。所以方 解石材料的光学均匀性和棱镜通光面的加工质量对消光比 影响极大。而影响棱镜透射性能的因素有很多，其中棱镜 所用光学胶的折射率以及由光学胶合层的厚度引起的多光 束干涉是两个比较重要的因素，也是我们需要的考虑的一 个重点。而衡量棱镜的最重要的参数就是其透射比，因此， 我们研究光学胶折射率以及胶合层厚度对格兰一汤普森棱 镜透射性能的影响是十分有意义的。 图2 1 光轴平行于两边的 格兰汤普森棱镜 图2 - 2 光轴沿着对角线的 格兰汤普森棱镜 2 1g l a n - t h o m p s o n 棱镜用光学胶折射率的研究 从节约材料、增加棱镜视场角以及增大光强透射比的目的出发，详细分析了 g l a n - t h o m p s o n 棱镜用光学胶折射率( 嚣。) 对棱镜的结构角、视场角以及光强透射比的影 响，结果表明：在棱镜有最大视场角的条件下，以，越小，棱镜的结构角越大，那么棱镜 的长宽孔径比( l a ) 越小，即越节约材料；对于l a 为3 和2 5 的常规设计，视场角均 随万，的从小到大呈现先增大再减小的变化，当，2 。为1 4 7 0 和1 4 5 0 时，两种常规设计分 别有最佳视场角；，l ，对棱镜的光强透射比也有明显影响。综合考虑各种因素：采用l a = 2 5 的设计，使用折射率为1 4 5 , - - , 1 4 6 的光学胶应是一种较佳方案。 2 1 1 光学胶的折射率对o l a n - t h o m p s o n 棱镜结构角的影响 g l a n t h o m p s o n 棱镜的结构及 光路如图2 1 - 1 所示，图中0 为棱镜 的结构角，, 疗，分别是入射介面和r 光学胶的折射率，晶体光轴垂直于纸 面。对于由双折射晶体制作的偏光棱 镜，其结构角将直接决定棱镜视场角 a 的大小，因此，我们研究光学胶的折图2 1 - i 格兰一汤普森棱镜视场角的确定 第二章光学胶对g l a n - t h o m p s o n 棱镜透射性能的影响 4 一 射率对棱镜结构角的影响，还需从视场角出发。在此我们遵照使棱镜有最大视场角的原则， 分析光学胶的折射率对棱镜结构角的影响。 对于常规由冰洲石晶体制作的偏光棱镜， 光( o 光) 在切割面上全反射。一般情况下。 而棱镜的视场角是二者中较小的二倍。显然， 必须使需要的光( e 光) 透过，而不需要的 图1 中光在棱镜上的入射角i 与并不相等， 若棱镜的结构角满足彳= 毛的条件，则这时棱 镜有最大视场角。为了使寻常光在切割面上全内反射，而非常光尽量透射，图2 1 - 1 中光 线a 在切割面上的入射角l 必须满足： 堕s i n 厶兰( 2 1 1 ) 之的最小值对应于光线a 在空气一冰洲石晶体界面上的入射角毛的最大值，此最大值由下式 给出： ，l is 峨) 一= ( 心2 - n 2 2 ) 2c o s 0 一吃s i n o ( 2 1 2 ) 对于光线b 则有两种情况： ( 1 ) 当n 2 以时，e 光不发生全内反射，极限角是折射的e 光平行于切割面行进时的 入射角，于是有： ! 丛i ! 婴：丝 ( 2 t 3 ) s i n 0 强 令( ) 一= ( ) 一，由( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 式消去入射角可得： t a n p ：亟：二型：( 2 1 4 ) + 吃 ( 2 ) 当吃 s i n 0 - s i n 2 ( 0 一o s i n 2 c s 砰2 d s i n 2 a r c s i n 0 , s i n ( o - c 3 】 ( 3 1 9 ) 其中c ：a r c s i i l 丝! 坐，d ：a r c s i l l 丝兰丝设入射光为单色自然光，其光强为歹，那么入 刀e 以 射光中i o = l = 1 2 ，则渥拉斯顿棱镜的光强分束比为： m ) = 翳= s i n 2 够+ 功s i n 2 ( c + d ) ( 1 + 亿) 2 ( s i n 2 0 + s i n 2 b ) 2 ( s i n 2 a + s i n 2 b ) 2s i n 2 ( 0 - c ) s i n 2 c s i n 22 d s i n 2 a r c s i n n o s i n ( 0 - a ) s i n 2 0 - c + a r c s i n n , s i n ( 0 一c ) 】 【s i n ( 2 0 - 2 a ) + s i n 2 a r c s i n n os i n ( 0 - a ) 2s i n 2 a r c s i n n , s i n ( 0 一c ) 】 ( 3 1 1 0 ) 我们以常用渥拉斯顿棱镜( 即：结构角0 = 3 7 4 3 口，2 7 0 7 09 1 4 3 5 口对应的分束角分别为1 5 口， 1 0 d ，5 。) 为例，取6 3 3 n m 对应的冰洲石晶体主折射率玩= 1 4 8 5 1 5 ，n o = 1 6 5 5 6 7 ，此时三 种常规棱镜的厂( 疗) n 关系曲线分别如图3 卜2 中a 、b 、c 所示。 1 1 葛1 1 1 1 31 41 51 61 71 8 一； 1 31 41 51 6 1 71 8 罗4as3 r tn n 图3 1 2 渥拉斯顿棱镜透射光分束比与光学胶折射率的关系曲线 由图中曲线我们可以看出：三种常规设计的渥拉斯顿棱镜，其出射光光强分束比随 着光学胶折射率的增大均呈现出先减小后增大的趋势；f ( n ) 的变化幅度很小，这说明光 学胶的折射率对光强分束比的影响不大；光强分束比的最小点也是其最接近1 的点，对 这三种常用棱镜而言，这一点均对应n = 1 5 7 0 。 3 1 2 光学胶合剂折射率对渥拉斯顿棱镜总光强透射比的影响 在单色自然光入射的情况下，我们将0 、e 光光强透射比之和定义为渥拉斯顿棱镜的总 光强透射比，即： 第三章光学胶对渥拉斯顿棱镜透射性能的影响 t = 乙l4 - z l ：掣 设入射光光强为1 ，则上式为： r ：堡旦 2 仍以常用渥拉斯顿棱镜以及针对波长为6 3 3 n m 的光为例， ( 3 1 1 1 ) 式用计算机拟合出的t n 关系曲线如图3 1 - 3 所示。 b - 71 81 31 41 51 61 - 71 8 1 7 由( 3 1 8 ) 、( 3 1 9 ) 、 n n i i 图3 1 - 3 渥拉斯顿棱镜总透射比与光学胶折射率的关系曲线 从图中我们可得出如下结论：在常用光学胶折射率的范围内，光学胶折射率对不同 结构角的渥拉斯顿棱镜的总光强透射比均有影响；尽管三种渥拉斯顿棱镜具有的结构角 不同，但它们总光强透射比即t 的最大值却相差不大，约为0 9 0 2 ，且最大值对应同一光 学胶折射率( 1 5 7 0 ) 。 3 1 3 结论 综上所述：光学胶的折射率( n ) 对渥拉斯顿棱镜透射光的光强分束比以及总光强透射 比均有一定影响，这充分说明：在选择渥拉斯顿棱镜所用光学胶时，除需考虑光学胶的透 明光谱范围、抗剪切强度等性能之外，光学胶凝固态的折射率值得格外关注。通过本文的 分析，我们认为：采用折射率为1 5 7 0 的光学胶，不仅可以使常规渥拉斯顿棱镜在光线正 入射时其透射光有l ：1 的光强分束比，也可以使两束出射光总光强透射比达到最大。 3 2 渥拉斯顿棱镜胶合剂的膜效应分析 将渥拉斯顿棱镜两半块之间的光学胶合层作为一层薄膜，利用薄膜光学理论，考虑反 射光的多光束干涉对棱镜透射比的影响并对其进