（光学专业论文）棱镜型偏光器件的光谱特性.pdf

越阜师范大学硕 一研究生毕业论文 第1 页 于葡矍 偏光器件是光学调制器中的重要光学器件，在激光应用技术、光 信息处理以及成像系统中有着广泛的应用。偏光器件的作用是将非线 偏振光变为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光，或完成光偏振态间的 相互转换。随着现代光学的不断发展，特别是上世纪6 0 年代以来，随 着激光器的诞生，棱镜型偏光器件在激光偏光技术的应用中更是发挥 了难以替代的重要作用。 目前，使用最多、性能优良的偏光器件是由天然晶体冰洲石制作 的棱镜型起( 检) 偏镜以及偏光分束镜。冰洲石晶体具有优良的光学性 能，制做的偏光器件可用于2 3 0 2 8 0 0 n n l 的光谱范围。但由于晶体材 料本身的色散，导致由它制做的棱镜型偏光器件的技术参量受入射光 波长的影响。偏光器件的技术参量较多，主要有透射比、消光比、视 场角、分束角以及长度孔径比等。近年来，国内外的一些光学工作者 对偏光器件的技术参量的光谱特性做过一些研究，但不够系统，不够 深入。本文对棱镜型偏光器件的光谱特性的研究主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 研究了波长变化对偏光分束镜的分束角以及对称性的影响规 律；总结了偏光分柬镜在现代光学中的应用，并给出了典型的应用实 例；研究了分束角的光谱特性对成像系统的影响。 ( 2 ) 对偏光棱镜两种方向的视场角进行了对比；对这两种方向上的 视场角的光谱特性分别进行了分析，并得出在应用中，应根据实际需 要调整偏光棱镜的放置方位的结论。 ( 3 ) 利用薄膜光学理论分析偏光棱镜中的多光束干涉。对多光束干 涉现象较为明显的空气隙型g l a n 棱镜的透射比的光谱特性进行了理论 分析和实验测试。 ( 4 ) 首次考虑薄膜光学中的受抑全内反射现象对偏光棱镜消光比的 影响。在理论分析的基础上，主要研究了偏光棱镜的。光透射比，并 分析了胶合剂折射率、间隙厚度、入射波长等对。光透射比的影响， 进行了实验验证。 曲阜师范大学硕十带f 究生毕业论文第2 舞 理论分析和实验测试均表明：入射光波长改变，棱镜型偏光器件 的技术参量也将相应的发生改变：波长是影响器件性能的重要因子。 本文的主要创新之处在于：研究了分束角的光谱特性对成像系统 的影响；利用薄膜理论分析偏光棱镜中的多光束干涉对透射比的影响； 首次将薄膜光学中的受抑全内反射理论引入对偏光棱镜消光比的分析 中；系统的研究了棱镜型偏光器件的主要技术参量随入射光波长的变 化规律。 关键词：偏振光学；棱镜型偏光器件；偏光棱镜；偏光分束 镜；受抑全内反射；多光束干涉 曲阜师范大学硕j ：研究生毕业论文 第3 页 a b s t r a c t p 0 1 a r i z e ri sa ni m p o r t a n td e v j c eo fo p t i c a lm o d u l a t 0 li “sw i d e l yu s e di n l a s e ra c t i o nt e c l l l l i q u e ，o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，a i l di m a g e - f o r i l l i n g s y s t e m ，e t c i tc a nt r a n s f o 咖n o n p o l a r i z e d l i g l l ti n t ol i n e a r l y c i r c u l a r l ya n d e l l i p t i c a lp o l a r i z e dl i g h t ， o rt f a n s f o r mt h e me a c ho m e lw i t l l ( h e d e v e l o p m c n to fm o d c mo p t i c s ，e s p e c i a l l y f r o m19 6 0 s t h ef i r s tl 孙e r 印p e a r e d ，p r i s m - t y p ep o l a r i z e rb e c o m e sa ni m p o r t a i l tp o l a r i z e ri nl a s e r p o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y t o d a y p o l a r i 乙e ru s e df r e q u e n t l ya 1 1 do fe x c e l l e n tp e r f o f m a f l c e a r c p o i a r i z i n gp r i s ma n d b e a ms p l i n e rp r i s m ，w h i c ha r em a d eb yi c c i a n d i c e l a n d h a se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，a n dt h ep 0 i a r i z e rm a d eb yicc a nb cu s e di ns p e c t r u mr a n g e f r o m2 3 0 n l nt o2 8 0 0 n nb e c a 璐e 。fi t sd i s p e 豳n ，t e c h l l i c a lp a r 8 m e 把f so fp o l 耵l 掰 a r ci n n u e n c e db yw a v e i e n g l l lm 加yp a r a m e i e r sa r e s e dt od e s c r i b ei h e j rp e r f 0 加a n c e ， f o re x a m p l et r a n s m i s s i o nr a t i o n ，e 州n c t i o nr a t j o 。a n g l co fv i e wf i e i d8 n ds p i i t t i n g a n g l e ，e t c t h o s ep 8 r a l n e t e r s s p e c t r 8 lc h a r 8 c t e rh b e e np a r t i a i l y 代3 e a r c h e dr c c e n t l y b u t t h er e s e a r c hi s1 1 0 ts y s t 剖n i ca n di m e n s j v e r e s e a r c h e s0 fs p e c l r a ic h a r a c t e ro f p s m - t y p ep o l a r i z e ro f t h i sa n i c i en xa n e m i o no n ： ( 1 ) t h el a wt h a tw a v e l e n g t hi n f l u e n c e do ns p l i t t i n ea n g l eo fb e a ms p l i n i n gp r i s m a 喇砖s y m m 霉t f y 。a p p l i c a t i o n so fb e a ms p l i 髋fp r i s m 址s e d n 雨o d e mo p t l c s 粥 s l i m m e du pa n ds o m ec l a s s i ca le x a m p l e sa r eg i v e 几a n dt 1 1 ei n f l u e n c eo fs p e c t i 甚l c h a r a c t e ro f s p l i n i n ga n g l eo ni m a g e - f o m l i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e d ( 2 ) a n g l e so fv i e w 疗e l do ft w od i r e c t j o n s8 r ec o m p a r e d a n ds p e c t r a ic h a r a c 佃ro f t h e mi sa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o ni sg i v e nt h a tl h ea z i m u t ho fp o l a r i z i n gp r i s ms h o u i d b ea d j u s t e df o rp r 8 c t i c a ld e m m l d s ( 3 ) m u l t i p l e _ b 朗mi n l e r f e f e n c eo fp o i a r j z i n gp r i s mj sa n a l y z e du s i n gj a y e ro p t i c s t h e 口r i e s p h e n o m e n ao fi n t e 临悻n c eo fo l a n - p r 5 m sa r ev e r yv j s j b i ea n dt h e 讦 c e m e n t i n gl a y e r i sa ；r _ l a y e la n ds p e c t r a lc h a r a c t e ro fl h e i ft r a n s m i s s i o nr a t i oi s r e s e a r c h e da c a d e m i c a j l ya n de x p e f i r n b n t a i l y ( 4 ) t h ei n 们u e n c eo ff f u s t r a i e dt o i a ii n t e r n a lr e 门e c i i o n ( f t i r ) o ne x t j n c l i o nr a t i ob 船阜师范大学明士研究生毕业论文 第4 页 r e s e a r c h e df o rt h ef i r s tt i m e 1 r a m i s s i o no f0 r d i n a 叫l i g h ta n di n n u e n c e0 fg l u e r e f r a c t i n gi n d e x ，g a st h i c k n e s sa n dw a v e i e n 鲥lq ni ta r er e s e a r c h db 鹊e do nf t i r t h e or y w h i c ha r e 印p r d v c db ye x p e r | l n e n t s 1 cc a nb ea p p r o v e dt h a tt e c h n j c a lp a m m e t e r so fp r i s m - t y p ep o l a r i z c rc h a l l g e da i o n g w i l h1 1 1 c i d e n tw a v e l e n g t hb yt h e q r ya n de x p e r i m e n l s w a v e l e n g t h s 锄i m p o r t 扑i f 盯t o rj n n u e n c e do np e r f o r m a n c e sd f p o l a r i z e l t h em a i ni n n o v a t i o n so fi h i sa f t i c l ea r ea n a l y z i n gi h ei n n u e n c eo ni m a g e f o m l i n g s y s t e mo fs p e c t r a ic h a r a c t e ro fs p i i t t i n ga n g l e ，u s i n et h i nn i mo p t j c st oa n a l y s i st h e i n n u e n c eo fm u i t i p l e b c a mj n t e r f e r e n c eo n 仃a n s m b s i o nr a t i o n ，i n t r o d u c i n gf t l ro f l h i nn l mo p t i c st ob n a l y s i so fe x t j n c t i v er a c i o f o rt h ef i 疆tt i m e ，s y s t e m j cs t u d y i n g l n u t a t i v el a wo fp r i m a r yp a m m e t e r sc h a n g j n gw i t hw a v e j e n g t h k e yw o r d s ：p o l a i i z a t i o no p t i c s ；p r i s m t y p ep o l a r i z e r ；p o l a r i z i n g p r j s m ；b e a ms p l i t t f 并p r i s m ；f t i r ；m u l t i p l e b e a mi n t e r f 色r e n c e 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 第一章绪论 偏光器件可以将入射的自然光转化为线偏振光、部分偏振光、椭 圆偏振光和圆偏振光。自激光问世以来，偏光器件在激光应用技术、 光信息处理、成像系统以及科研领域中【1 9 】，起到越来越重要的作用。 随着各种不同类型偏光器件【1 0 _ 1 5 】的相继问世，偏光器件的种类已有本 世纪6 0 年代以前的几种发展到目前的几十种，并达到了产品的标准化、 系列化和商品化。 偏光器件的种类很多，通常用到的有偏振片、各种相位延迟器件 以及棱镜型式的偏光棱镜和偏光分束镜等。目前制做棱镜型偏光器件 应用最多的材料是天然晶体冰洲石【1 6 】，即光学方解石。该晶体在较宽 的光谱区内有理想的最大双折射率和较高的透射比，透明度高，物化 性能稳定，抗光损伤阈值高，做成的偏光器件可在2 3 0 2 8 0 n m 波段内 使用，分波段使用可达1 5 x 1 0 4 姗。由于它优良的光学性能，制做的偏 光器件大部分可以使用于激光应用技术。 偏光棱镜的设计有多种类型，常见的有：尼科尔( n i c 0 1 ) 型1 1 7 j 和 格兰( g l a l l ) 型。棱镜型偏光器件，最早问世的是n i c o l 棱镜，它在偏 振光学发展历史上，无疑占有很重要的地位，但在使用上存在一些缺 点，一是光束对棱镜通光面非正入射，有一个较大的入射角，这不仅 增加了光的反射损失，且调整很不方便；二是透过光束有一较大的偏 移，转动棱镜透射光束也随之转动，使用极不方便；三是n i c o l 棱镜用 加拿大树胶胶合，抗光损失闽值较低，不能用于强激光光路。 现在所用的大多数偏光棱镜都属于g l a n 型【1 7 例。虽然g l a n 型棱镜 比同样大小的n i c o l 棱镜需要更多的冰洲石，但g l a n 型棱镜在光学性 能上有几方面的优点：有较大的视场角( 如g l a n 1 1 l o m p s o n 棱镜) 和较小的长度孔径比( 如g l a n - t a y l o r 棱镜) ；出射光几乎是均匀偏振 的；出射光束的横向偏移几乎完全可以忽略；离轴飘移引起的像 散最小。g i a n 型棱镜大致分为两大类：( 1 ) 光轴与切割斜面平行的结构。 棱镜的两切割斜面用光学胶合剂胶合的棱镜称为g l a n t h o m p s o n 棱镜， 两切割斜面之间为空气层的称为g l a n f o u c a u i t 棱镜；( 2 ) 光轴与切割斜 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 面和入射端面的交线垂直的结构。棱镜的两切割斜面用光学胶合剂胶 合的棱镜称为l i p p i c h 棱镜，两切割斜面之间为空气层的称为 g l a n t a y l o r 棱镜。 偏光分束镜兼有起偏和分束两种功能，它把一束非偏振光分解成 振动方向相互垂直的两束平面偏振光，并按一定的分柬角输出。比较 典型的设计有w d l l a s t o n 棱镜【2 0 。1 1 和r d c h o n 棱镜。w b n 嬲t o n 棱镜是最 典型的一种偏光分束镜，在微分干涉相衬显微术中用来观察与定量测 量表面形貌，在傅里叶光谱仪中用来测量波长，在精密光学成像系统 中也得到了重要的应用。而r o c h o n 棱镜由于被分束的一束光不变向， 有时也作偏光棱镜用，它的长度孔径比与g l a n t a y l o r 棱镜相当。 对棱镜型偏光器件，表征其性能的技术参量【2 2 2 3 】主要有透射比、 消光比、视场角、分束角及长度孔径比等。近年来国内外的一些光学 工作者对偏光器件的性能参量做过不少研究【孙矧，但有关偏光器件性 能参量光谱特性的研究相对较少。 偏光棱镜的透射比，是起偏系统的偏振输出与相应偏振输入的百 分比。影响透射比的因素很多，除去棱镜本身对光的吸收和散射，透 射比的大小还与棱镜结构以及入射光波长有关。从理论上来说，棱镜 的透射比曲线应为一光滑的曲线，但是由于光在两切割斜面之间的多 次干涉，导致透射比曲线产生波动，并且波动周期随两切割斜面之间 间隙大小的不同而改变。 消光比是表征偏光棱镜起偏性能的重要参量，是棱镜最小偏振透 射比和最大透射比的比值。如果偏光棱镜中的。光在晶体一胶合层界 面上全反射，则偏光棱镜的消光比应该能够达到理想的效果。然而如 果两半块棱镜的切割斜面相距太近，o 光在晶体一胶合层界面上产生的 倏逝波会进入后半块棱镜，对偏光棱镜的消光比造成不利的影响。 偏光棱镜的视场角与制做棱镜所用材料的性能关系密切，虽然制 做偏光棱镜的冰洲石晶体具有优良的光学性能，但这并不能消除材料 的色散对视场角的影响。偏光分束镜的分束角亦是如此。因此，研究 波长对材料双折射率的影响，从而进一步探索波长对视场角和分束角 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第3 页 的影响规律显得尤为重要。 我们将棱镜型偏光器件的技术参量随入射波长而变化的现象统称 为棱镜型偏光器件的光谱特性。本文所作的工作主要有以下几点： 波长对偏光分束镜的分束角及其对称性的影响。在常用的可见 光区，分束角随波长的减小落差较大，而在红外光区波长对分束角的 影响则较小。波长越大，结构角越小，分束角的对称性也越好； 偏光分束镜的应用及分束角的光谱特性对成像系统的影响。偏 光分束镜越来越广泛的用于激光干涉测量和天文探测等领域，其相干 平面的出离量随波长的增加而增大； 波长对偏光棱镜主截面方向和与其垂直方向上的视场角的影响 规律。对于不同的偏光棱镜，主截面方向的视场角和垂直于主截面方 向的视场角大小不同，随波长变化的规律不同； 偏光棱镜中的多光束干涉对透射比的影响及随入射光波长变化 的舰律。利用薄膜理论对偏光棱镜中的多光束干涉进行分析，多光束 干涉对光强透射比的影响随波长的连续变化而产生波动，并伴随一定 的波长间隔发生； 偏光棱镜中的受抑全内反射。受抑全内反射导致偏光棱镜中部 分。光透射，降低了偏光棱镜的消光比。棱镜间隙较小时，o 光的透射 比随波长增加而明显增大。 随着激光技术的迅速发展，棱镜型偏光器件越来越广泛地应用于 通信、生物、地质、医学、航空、航天、海洋等领域，对偏光器件的 需求日益加大，应用到各种波长范围的机会也越来越多。因此，研究 棱镜型偏光器件各种技术参量的光谱特性是一项具有实用价值的工 作。 曲阜师范大学硕十研究生毕业论文 锖4 _ 页 第二章棱镜型偏光器件综述 棱镜型偏光器件是现代光学技术中获取偏振光的重要器件，广泛 应川于光纤通信、激光调制、偏光信息处理等领域。棱镜型偏光器件 的总类很多，但大体上可以分为两大类，即偏光棱镜和偏光分束镜， 而每一类又有十几个系列品种。该类器件采用双折射晶体制做而完成， 其性能很大程度上依赖设计，同时又跟晶体材料的特性息息相关。 2 1 相关概念 2 1 1 菲涅耳f f r e 蛐e 1 ) 公式 f r e s n e i 公式是光波通过透明介质界面时，反射波与入射波振幅比 值的关系式，是设计和分祈各种非正入射偏光镜和双折射偏光器件的 重要依据。光波在透明介质界面的传播 情况如图2 1 - 1 所示。h 。和”，分别为入 射介质和透明介质的折射率；4 、4 。和 依次表示入射、反射和折射光矢量 的振幅；d 和s 分别表示以上各量平行 和垂直于入射面的分量。l 和，分别表 示光波的入射角和折射角。 图2 1 1 平面波的折射和反射 由电磁场的边界条件、反射和折射定律以及麦克斯韦关系式，可 以推导出f r e s n e l 振幅反射系数： 牟；掣 ( 2 1 - 1 ) 。9 爿。t a n o + r ) 相应的光强反射比利透射比分别为： 即一糍手l 小r ， r 。= 喀一；亲； 号，l = - 一矗， r 。t 一；誊； 号，l = ，一r 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 4 ) 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第5 页 光波垂直入射时： r 。r 。( ! 生旦) 2 ( 2 1 5 ) 丌0 十n 1 2 1 2 全反射 两种介质相比较，折射率大的称为光密介质，折射率小的称为光 疏介质。光由“疏”入“密”时的反射称外反射。外反射时，永远有透射光 存在。光由“密”入“疏”时的反射称内反射。在内反射的情况下，若入射 角f 增至某数值时，则折射角r 州2 ，当f t 时，折射光消失，光 波全部反射，这种现象称之为全内反射或简称全反射，而r - ，2 时的入射角称为临界角。由折射定律可求出临界角的表达式为： t 曩a r c s i n 二= 土 ( 2 1 6 ) 珂l 2 1 3 棱镜型偏光器件的性能参量 ( 1 ) 主透射比t ：也称偏光器件的透射比，即起偏系统的偏振输出与 相应偏振输入的百分比，用t 表示。 ( 2 ) 消光比p ：起偏系统的最小偏振透射比和最大透射比的比值，是 表征偏光系统起偏性能的重要参量，也是表征光学材料各向异性的重 要物理量。对一个偏光器件，若其主透射比为t ，与其垂直方向的透射 比为t 上，消光比用字母p 表示，则 p r 。归( 表示为负指数) ( 2 1 7 ) ( 3 ) 使用波段：偏光器件的使用波段范围受到自身材料( 如晶体、胶 合剂等) 光学性质的限制，如一般材料在紫外区和红外区的透射比下 降较快，甚至截止。冰洲石晶体制作的偏光器件的使用波段一般为 2 3 0 2 8 0 0 n m ，在接近2 2 0 n m 的紫外和接近3 0 0 0 砌的红外，其透射比 儿乎趋于零，而在3 8 0 2 5 0 0 m 的光谱区却有非常理想的透射比。 ( 4 ) 分束角舻；这个参量专用于偏光分束镜。由偏光分束镜输出的两 束平面偏振光的夹角即为分束角。对一定双折射晶体材料的棱镜而言， 分柬角由棱镜结构角、入射角和波长决定。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第6 页 ( 5 ) 半视场角和视场角：半视场角是指当棱镜以入射端面法线为轴旋 转时，能够穿透棱镜并保持完全偏振的光线与棱镜轴所夹的最小角度。 视场角也称全偏张角，是标志偏光器件性能的基本参量之一，它是半 视场角的2 倍。棱镜的视场角是一立体角，但我们通常使用其主截面 ( 由光轴和晶体表面法线组成的面) 方向或垂直于主截面方向的视场 角。 2 2 偏光棱镜 偏光棱镜是将晶体材料按一定光轴方向研痦成长方体，然后按一 定结构角切割成两半块大小相同的三角棱镜，并胶合在一起而成的。 偏光镜只允许一个方向的偏振光透过，而与之垂直方向振动的光在胶 合层界面发生全反射。对于由冰洲石晶体制作的偏光棱镜，在棱镜的 前半块。光和e 光同向传播，在胶合层界面上折射率较大的。光被全反 射，e 光则以较高的透射比通过，从而实现光的偏振输出。历史上的偏 光镜主要有两类：尼科尔( n i c 0 1 ) 型和格兰( g l a n ) 型。 2 2 1n i c o l 偏光棱镜 1 b c 一、b ， j j 。i ；一b n z ；蘑b d 函一td 一一葫毛 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第7 页 第一个n i c o l 棱镜诞生于1 8 2 8 年，由苏格兰物理学家n i c o l 研制而 成，是最早的棱镜型偏光器件，在历史上占有重要地位。它充分利用 了冰洲石晶体的自然解理面，光轴既不平行也不垂直于端面，可以达 到省料的目的。常规尼科尔棱镜的主截面结构如图2 2 - 1 ( a ) 所示。为 使制成的棱镜具有较为对称的大视场角，其截面a b c d 的锐角常被修 磨成6 8 0 ，然后将晶体沿垂直于截面和两端面的方向切成两半，通光面 抛光后，可用折射率为1 5 4 的加拿大树胶粘合起来，即制成n j l 棱镜。 修改形式的n i c o l 棱镜主要有斯蒂格和罗特n j l 棱镜、阿伦斯n i c o l 棱镜、汤普森倒n i c o l 棱镜、缩短的n i c o l 棱镜、方形端面n i c o l 棱镜、 哈特纳克一普拉斯莫斯基棱镜等。如图2 2 1 ( b ) 一( f ) 所示，我们 将它们的主截面重叠在基本的冰洲石菱面体的主截面之上，由此，可 以清楚地看到不同形式的n i c o l 棱镜用料多少。 n i c o l 棱镜由于自身结构原因，使得透射光束相对于入射光束发生 平移，并且光束在前后两个通光端面上的入射和出射角度较大，造成 光束波前畸变较严重，不适合做检偏器；用做起偏器时，透射比较低。 目前科研工作中已不再使用该类棱镜，但作为晶体偏光器件的设计原 理的范例，它的历史地位是其它偏光器件所不能代替的，所以它仍在 高校光学教学中发挥着重要作用。 2 2 2g l a n 型偏光棱镜 g l a n 型棱镜的光轴在入射端面内，这种结构要比相同孔径的n i c o l 棱镜耗费更多的冰洲石晶体。但由于光束垂直端面入射和出射，大大 减小了波前畸变；另一方面，由于。光和e 光有最大双折射率，使它们 的全反射临界角相差较大，从而可以使棱镜获得较大视场角。下面介 绍几种典型的g l a n 型偏光棱镜。 g l a n 1 m p s o n 棱镜【2 6 】：该系列棱镜的主截面结构如图2 2 2 ( a ) 所示， 晶体光轴平行于切割面与端面的交线。对于常用波长，如6 3 3 珊、 6 7 0 n m ，其结构角取为7 1 5 0 9 ；胶合剂为折射率约1 5 4 的中性树脂胶。 该系列棱镜的消光比可达到相当高的要求，常规值为1 0 _ 5 数量级，专 用特制的棱镜，其消光比可达5 1 0 一1 。该系列棱镜的视场角取决于两 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第8 页 半块晶体之间的胶合剂和长度孔径比( u a ) 。此类棱镜具有较大的视场 角，特别适合在商精度光学仪器和科研工作中作起偏器和检偏器。它 的使用波段与晶体材料和胶合剂的光学性质有关，对于冰洲石晶体材 料和加拿大树胶而言，常规的使用波段为3 5 0 一2 5 0 0 n m 。入射光束可 从棱镜的任意一端入射，起偏效果是相同的。一般情况下， g l a i i 1 、h o m p s o n 棱镜在作起偏器旋转时，轴向光束会发生偏移，即扭 曲现象( s q u i 衄) ，这是由棱镜的前后两半块晶体光轴不严格平行造成 的。 e e ( c ) 图2 2 - 2 典型的几种g l a n 型起偏棱镜的主截面结构及其光路图： ( a ) g l - 1 1 i o m p s o n 棱镜( b ) o l 蛐- 1 h y l o r 棱镜 ( c ) u p p i c h 棱镜( d ) g l a n f o u c a u l c 棱镜 g l a n - t a y l o r 棱镜【2 7 二8 1 ：该系列棱镜是当前国内外激光技术和偏光技术 中普遍采用的偏光器件之一，其主截面结构如图2 2 2 ( b ) 所示，晶体 光轴在入射端面内且垂直于入射端面与切割面的交线。棱镜的前后半 块为形状一致、大小相同的三棱镜，胶合层为空气隙结构。光束通过 棱镜时，从中间的空气层通过。空气隙厚度不可太薄，以免引起受抑 全反射现象；但也不可太厚，太厚容易导致光束平移现象。棱镜的长 度孔径比( l ，a ) 约为0 8 。g l a n t a y l o r 棱镜具有极好的抗光损伤能力； 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第9 页 消光比优于1 1 0 一；透射比高达8 5 左右；常规使用波段为3 0 0 一 2 8 0 0 n m ，若经特殊选料加工，紫外可至2 3 0 n m 。这些优越性能为该系 列棱镜在激光偏光技术中的广泛应用提供了保障，使它常用于大功率 激光的起偏和检偏。使用时既要调节光束垂直入射，又要避免棱镜端 面的反射光反馈回光源。一般棱镜侧面开。光外泻窗口或涂一层吸收 材料。 l i p p i c h 棱镜：该系列棱镜的结构如图2 2 2 ( c ) 所示，晶体光轴方向与 g l a n t a y l o r 棱镜相同。对于常用波长，其结构角一般为7 1 5 0 。，u a _ 3 。 胶合层间一般为中性树脂胶，其折射率在可见光区约为l 。5 4 。该棱镜 视场角较大，偏光性能好，透射性能稍优于g l a n t h o m p s o n 棱镜，特 制棱镜的消光比可达5 1 0 1 。该棱镜特别适合于高精度光学仪器和科 研工作中的起偏和检偏。常规使用波段：3 5 0 2 5 0 0 n m 。 g 1 a n f o u c a u l t 棱镜：该系列棱镜的结构如图2 2 2 ( d ) 所示，晶体光轴方 向与g l a n t h o m p s o n 棱镜相同。胶合层为空气隙结构，棱镜的长度孔 径比l a = 0 8 ，与g l a l l t a v l o r 棱镜相似，该系列棱镜具有极好的抗光 损伤力；偏光性能好，其消光比可优于l 1 0 一；但透射比不太理想。 常规使用波段为3 0 0 2 5 0 0 n m 。虽然该棱镜在结构形式上与g l a n t a y l o r 棱镜相比，只是晶体光轴方向相对端面旋转了9 0 。，但是出射的e 光的 电矢量偏振方向也改变了，造成两者在切割面上的反射损失相差较大， 约为g l a l l t a y l o r 棱镜的6 7 倍，这也是造成它透射比不理想的主要原 因。 2 3 偏光分束镜 偏光分束镜兼有起偏和分柬两种功能，它把一束入射光分解为振 动方向相互垂直的两束平面偏振光。一般情况下，出射的两束平面偏 振光具有一定的夹角，称之为分束角。常用的偏光分束镜有以下几种。 r o c h o n 棱镜【2 9 】：该系列棱镜的主截面结构及其光路如图2 3 1 ( a ) 所 示。棱镜的前后两半块用光学胶合剂胶合，前半块的晶体光轴垂直于 入射端面，后半块的晶体光轴平行于切割面与出射端面的交线。在前 半块中，光沿晶体光轴传播，无。光和e 光之分，折射率与。光折射率 曲阜师范大学硬士研究生毕业论文第1 0 页 相同；当进入后半块时，o 光方向不变，e 光偏折。由于e 光折射率与 波长有关，因而分束角大小随波长有微小变化。该系列棱镜不能反向 应用，反向时。光因发生锥光干涉而退偏。对负单轴晶体，如冰洲石， 该系列棱镜的分束角够与结构角s 的关系式为： 一卜h 半眨s m 象。一。 ( a ) r o c h o n 棱镜 ( b ) s e n a m o n t 棱镜 “ 藤 ( c ) 、o l l 觞t o n 棱镜( d ) 双w b l l t o n 棱镜 图2 3 1 几种偏光分束镜的主截面 s 锄a 珊o n t 棱镜：该系列棱镜主截面结构及其光路如图2 3 2 ( b ) 所 示，它与r o c h o n 棱镜结构相似，只不过它的后半块的晶体光轴方向与 r o c h o n 棱镜的垂直。这两种棱镜的共同特点是。光不发生偏折，挡掉 e 光可以作起偏器用。s e n a 咖o n t 和r o c h o n 两种棱镜的一个通光面为光 轴面，对冰洲石而言，光轴面加工和抛光非常困难，容易引起“掉肉”， 即光轴面晶体脱落，使抛光面出现小三角坑，难以达到理想光洁度。 w b l l a s t o n 棱镜：该系列棱镜是目前应用最广泛的偏光分束棱镜，它的 主截面结构及其光路如图2 3 1 ( c ) 所示：棱镜的前半块晶体光轴与 棱镜的底面垂直，后半块的晶体光轴平行于切割面与出射端面的交线； 在国内，前后两半块一般以胶合剂胶合。它的分束角约为r o c h o n 棱镜 的两倍，其近似表达式为： 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 l 页 伊_ 2 s i n 一1 【( n o n 。) l 黟，】( 2 3 2 ) 上式是在将。光和e 光的分束角看作是完全对称的近似情况下获得 的，实际上o 、e 光的分束角并不相等，它们的精确表达式分别为： ”卜卜。1 ( 半) ) 亿。哪 ”咖“h s 一( 半 为获得更大的分束角，可采用三元结构的w o l l a s t o n 棱镜，也称双 w b l l 嬲t o n 棱镜，其主截面结构如图2 3 2 ( d ) 所示。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 2 页 第三章偏光分束镜的光谱特性 3 1 色散 介质折射率随入射光波长而变化的现象，称为光的色散1 3 0 0 1 1 。对于 给定的介质，折射率，l 是波长的函数，即n 一，( a ) 。为了描述介质折射 率随波长变化的快慢程度，引入介质的色散率，它被定义为介质的折 射率对波长的导数，即 咖d 万2 瓦，( ) ( 3 1 1 ) 色散率咖d a 的数值越大，表明介质折射率随波长的变化越快，反之 亦然。 实际上由于h 随a 变化的关系较复杂，无法用一个简单的函数表示 出来，而且这种变化关系随材料而异。因此一般都是通过实验测定珂随 a 变化的关系，并作成曲线，这种曲线就是色散曲线。波长变小，折 射率变大的色散称之为正常色散；折射率随波长的增大而增大的现象 称之为反常色散。当发生正常色散时，介质的色散率咖m at0 ；发生 反常色散时，介质的色散率砌d a ，0 。 科希( c a u c h y ) 于1 8 3 6 年首先给出了正常色散的经验公式： 甩1 4 + 二；+ 二； ( 3 1 2 ) a a 式中a 、b 、c 是常数，与材料的性质有关，其数值由实验确定。但大 家最经常使用的是修正的s e l l l n e j e r 方程： 一2 - 4 + 吾一d f 2 ( 3 小3 ) 一o f 对于双折射材料，式中f d ，e ；光波长a 以 肼为单位。 由于光的色散现象，介质的折射率随着入射波长的变化而变化， 而对棱镜型偏光器件，某些重要的技术参量如视场角、透射比、分束 角等则是棱镜材料的折射率，h 。的函数，消光比则与之有关。因此， 偏光器件的技术参量将随着入射波长的改变而发生相应的变化。我们 将棱镜型偏光器件的技术参量随入射波长而变化的现象统称为棱镜型 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 3 页 偏光器件的光谱特性。 3 2 冰洲石晶体主折射率的色散 冰洲石晶体在很宽的光谱区均显示出较强的双折射性质，并且具 有双折射率大，光学性能稳定易加工等特点，尤其在相当宽的波长范 围区域( 3 0 0 2 8 0 0 砌) 具有很高的透光性能，楚制做棱镜型偏光器件的 理想材料。但冰洲石晶体的主折射率h 。和n 。随着波长的变化而改变。 其色散曲线可以利用修正的s e l l m e i e r 方程严格求解，以求出不同波长 时冰洲石晶体的折射率，并利用计算机作图程序绘制。 修正的s e l l m e i e r 方程的表达式如( 3 1 3 ) 式，其中b 是与吸收能 带有关的常数，c 为媒质的吸收波长，d 是远红外修正项。下面通过对 修正的s e l l m e i c r 方程严格求解，以得出冰洲石晶体透射区s e l l m e i e r 方 程各常数的表达式 砰- 爿+ 志一孵 ( 3 2 - 1 ) 茸一爿+ 忐一。九2 ( 3 刎 订。爿+ 志一孵 ( 3 2 - 3 ) 砰t 爿+ 忐一埘 ( s z - 4 ) 以上四式联立，经过整理，最后得到各常数的表达式如下： 佃。2 一忐慨2 b - 王 ，z w ， ( 3 2 5 ) c 。型二竺 丘x 一叫 胁籀一雨彘啊 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 4 页 舯，弘祷一耢 2 - 6 2222 y 一籍一籀 ) 扣等器薯嚣嚣留 ， ( 。一c ) ( 九2 一c ) ( 九。一c ) ( 九。一c ) 、 “一 2 2 一 2 a 2 2( 3 2 9 ) w - a 2 2 a 4 2 一 2 2 ( 3 2 - 1 0 ) 口a 2 + 如2 一九2 一a 4 2( 3 2 1 1 ) 6 一 2 + 2 一九2 一九2( 3 2 - 1 2 ) 将以上各常数表达式写入m 棚a b 程序分别代入四组不同的波 图3 2o 光和c 光主折射率的色散曲线 长和对应折射率值，即可计算出a ，b ，c ，d 的值。通过重复迭代得到最佳 的a ，b ，c ，d 常数【”，并将之代入s e l l m e i e r 方程( 3 1 3 ) 式，利用计算 机编程得到冰洲石晶体主折射率n 。、n 。的色散曲线如图3 2 所示。其中 左图为。光主折射率的色散曲线，右图为e 光主折射率的色散曲线。由 上图我们可以看出，冰洲石晶体主折射率n 。、，l 。均随波长的增加大致呈 二次曲线型减小，只是。光和e 光色散曲线的曲率并不相同。经验证， 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 5 页 理论分析与实验测试相符合【纠。 3 3 分束角的光谱特性 3 3 1 理论分析 分束角是偏光分束镜最重要的技术参量。由( 2 3 1 ) 至( 2 3 3 ) 式可以看出，当棱镜的结构角确定后，偏光分束镜的分束角是棱镜材 料的折射率，i 。和心的函数，即分束角也是波长a 的函数。 图3 3 1 为i b c h o n 棱镜和w b l l a s t o n 棱镜的结构角分别为3 0 0 和3 8 0 时 分束角随波长变化的函数曲线。该图中的曲线自上而下分别为 w b l l 踮t o n 棱镜的e 光的分束角、o 光的分束角及r o c h o n 棱镜的分束角 l 乒 娅 谣 求 “”波宾a ，1 一。 图3 3 1 偏光分束镜的分束角随入射 光波长的变化曲线 t 伊 眠 4 b 求 。4 。”波蕞a 抬蓝 图3 3 2 结构角不同时w b u t o n 棱 镜的分束角随入射光波长的变化曲线 随入射光波长的变化曲线。由该图我们可以看出，偏光分束镜的分束 角随着波长的增大均呈减小的趋势，并且在紫外光区，随着波长的减 小，分束角急剧增加，在近红外光区曲线则较为平缓。对照图3 2 和图 3 3 1 3 3 - 2 可以看出，偏光分束镜的分束角和冰洲石晶体材料的主折 射率随波长变化的规律具有共同点。 另外，经分析发现，偏光分束镜分束角的大小在很大程度上还受限 于棱镜本身结构角的取值，在文献【3 3 】中对此进行了专门的研究，如图 3 3 2 为结构角s 取不同值时w 0 1 l a s t o n 棱镜的分束角随波长的变化曲 线，其规律为：随着棱镜结构角的增大，分束角舻也增大。当s = 4 5 0 时，在3 0 0 腿处舻的值可达2 5 0 左右。但如此大的分束角，会产生严重 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 6 页 的像畸变和横向色差。因此，在实际制作时w 硼a s t 叩棱镜的结构角一 般取3 8 0 以下为好。 对w b l l 硒t o n 棱镜，由图 3 3 1 知其分束角并不完全对称， e 光的分束角稍微大于。光的分 束角，我们将r k 一吼l 称作 w j l l a s t o n 棱镜分束角的不对称 度，其光谱曲线如图3 3 3 所示。 由图中曲线我们可以看出： 在3 0 0 1 5 0 0 n m 的整个 光谱范围内，w o l l a s t o n 棱镜的 不对称度r 在近紫外波段要大 鼍 恺 篱 麓 恃 。“”。菇套碥氘：” 图3 3 3 不对称度r 随入射光波长的 变化曲线 于可见和红外波段，并且随着a 的减小而迅速增加，即在紫外波段 w o l l a s t o n 棱镜分束角的对称性较差，而在可见和红外波段、l l a s t o n 棱 镜分束角的对称性要改善了很多，并且随着a 的增加r 的变化比较缓 慢； 结构角s 对不对称度r 的影响较大。结构角s 越大，w b l l a s t 0 棱镜的分束角舻也越大，但其对称性也越差。在3 0 0 n m 处，、s = 1 5 0 时r 的最大值为o 0 3 0 ，而s = 4 5 0 时r 的最大值达到1 6 0 。 3 3 2 实验测试 图3 3 4 偏光分束镜分束角的测试光路 我们对四只不同结构角的r o c h o n 和w b l l a s t o n 棱镜分束角的光谱 特性的实验测试是在o 5 。测角仪上进行的，实验光路如图3 3 4 所示。测 试过程如下： 将待测棱镜置于测角仪样品台的中央： 调整激光光束，使光束正入射于棱镜； 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 7 页 旋转测角仪的望远镜筒使。光和e 光分别处于目镜的中心视点， 测出分束角伊，更换激光光源，重复过程； 换待测棱镜，重复以上过程。 这样我们就测出了结构角为2 5 5 6 0 、3 8 0 6 0 的两只w b l l 勰t o