（光学专业论文）钒酸钇（yvo4）偏光棱镜特性研究.pdf

摘要第l 页 _ - - 一 摘要 目前国内外制造偏光棱镜的材料几乎都是天然方解石，对方解石的消耗量非常大，而 且由于方解石材料本身特性决定了其无法满足超大功率的激光应用和工程环境中的应用， 而钒酸钇晶体可以弥补这方面的缺憾。 目前还没有钒酸钇偏光棱镜商品器件，文献报道仅限于材料特性研究，相关器件设计 探索研究，也只是处于实验室自制使用阶段，没有完整的工艺结构和规范的技术性能评价 标准，尽快开发合理的工艺技术和建立科学的平均标准，实现钒酸钇偏光器件商品化，将 对我国科学技术的发展意义非常重要。 在研究方解石棱镜特性的基础上，本文设计了一个钒酸钇棱镜，并从理论上具体给 出了波长，入射角对棱镜透射比的影响，并测试了棱镜的消光比。具体分为一下几方面内 容： 绪论综述了目前激光偏光棱镜的主要材料，晶体偏光器件的应用范围， 钒酸钇晶体的材料特性，国内外相关研究的介绍，课题研究的意义。 第二章首先介绍了晶体材料的部分理论基础知识和晶体偏光棱镜的设计原理，然后简 要介绍了尼科耳棱镜，相对详细地介绍了胶合型格兰棱镜和空气隙格兰棱镜，最后又概述 了几种偏光分束镜。并设计出了个钒酸钇晶体棱镜。 第三章首先根据菲涅耳公式，并注意到偏光棱镜各参量的几何关系得到了考虑棱镜两 切割斜面间的多光束干涉和不考虑多光束干涉两种情况下偏光棱镜的光强透射比公式，然 后在此基础上文章又分别给出了特定条件下钒酸钇偏光棱镜光强透射比与波长、入射角间 的理论关系式。 第四章在第三章给出的钒酸钇棱镜的透射比与波长、入射角间的理论关系式的基础 上，设计了验证棱镜透射比的实验系统，并根据测量结果绘出了实验曲线。将相关参数值 代入前面的得到的理论关系式得到相应于实验系统的光强透射比公式，然后根据理论公式 绘出理论曲线。将实验曲线与理论曲线进行对比，并考虑到多种误差因素，实验结果较好 地验证了我们的理论公式。 为了方便更为全面地分析偏光棱镜的透射比，第四章还给出了除波长、入射角外影响 偏光棱镜透射比的其他因素。除这三个因素外偏光棱镜的透射比还受棱镜加工工艺、棱镜 制作材料的吸收和散射、胶合层介质的吸收、晶体内部应力双折射等其他因素的影响。 本论文的主要工作为： ( 1 ) 对钒酸钇材料棱镜寻常光折射率在可见光及近红外波段内随波长变化的情况进 行了分析讨论，进而给出了线偏振光正入射时偏光棱镜的透射比随波长变化的公式。用分 光光度计对空气隙格兰付科棱镜进行了测量，实验测得的可见光及近红区的透射谱与根 据我们的公式得出的理论曲线的变化趋势是一致的。 ( 2 ) 给出了当非正入射光束位于棱镜的切割斜面和入射端面二者法线所成的平面内 时，格兰付科棱镜偏振光透射比与入射角的关系，并设计了相关实验给予了验证。 ( 3 ) 分析了镀膜前后，钒酸钇棱镜透射比、消光比的变化情况。 关键词：偏振光学；偏光棱镜；钒酸钇；透射比；波长；入射角 a b s t r a c t l 一 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h em a t e r i a lt om a n u f a c tp o l a r i z e dp r i s mi sa l m o s tn a t u r a lc a l c i t e ，i ti n t e n s i f i e dt h e c o n s u m p t i o no fc a l c i t e ，m o r e o v e r , b e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i co fc a l c i t ei s u n a b l et os a t i s f yt h e d e m a n d e n t so fh i l 曲e f f i c i e n c yi nt h el a s e ra p p l i c a t i o na n dt h ep r o je c te n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n b u tt h ey v 0 4c r y s t a lm a ym a s ku pt h i sd i s a p p o i n t m e n t t h e r ed o s en o th a v et h ey v 0 4c r y s t a lp o l a r i z e dp r i s m s ，o n l ym a t e r i a l sp r o p e r t i e sr e s e a r c h h a sb e e nr e p o r t e di nt h ea v a i l a b l el i t e r a t u r e t h ed e s i g no fr e l a t e dd e v i c ei so n l ya tt h el a b o r a t o r y s t a g e ，a n di t h a sn o te v a l u a t i o ns t a n d a r d so ft e c h n i c a lp r o p e r t i e s t h e r ew i l lb ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n tt o r e a l i z ec o m m e r c i a l i z a t i o no fy v 0 4 p o l a r i z e dp r i s m s b a s i n go nt h et h e o r yo fc a l c i t ep r i s mr e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n say v 0 4p o l a r i z e dp r i s m g i v e ss o m ef o r m u l a sw h i c ha p a r td e s c r i b et h er e l m i o nb e t w e e nl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fp r i s m sa n d t h et w op a r a m e t e r si sw a v e l e n g t h ，i n c i d e n ta n g l e a n ds o m ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ov a l i d a t e t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s g e n e r a l l y , t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： i nt h ei n t r o d u c t i o n ，w es u m m a r i z e dt h ef i e l d so fa p p l i c a t i o n ，m a t e r i a l su s e da n dt h ep r i m a r y f o r m so fd e s i g no fc r y s t a lp o l a r i z i n gp r i s m s ，n l ep r e s e n tr e s e a r c ha c t u a l i t yt ot h i sf i e l d ，t h e s o u r c eo ft h i sr e s e a r c hs u b j e c t ，a n dt h es e n s eo ft h i sr e s e a r c ha r ea l s oi n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , f i r s t l y , w ei n t r o d u c ep a r to ft h eb a s i ct h e o r ya n dt h ed e s i g np r i n c i p a lo f c a l c i t ep r i s m s ；t h e nw eh a v eas u m m a r yt ot h ed e s i g no fn i e h o lp r i s m ，a n di n t r o d u c et h ed e s i g n o fg l u e dg l a n - t y p ep o l a r i z i n gp r i s m sa n da i r - s p a c e dg l a n - t y p ep o l a r i z i n gp r i s m si nd e t a i l ；f i n a l l y w es u m m a r i z e ds e v e r a lp o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r s w eh a v ed e s i g n e dag l a n f o u c a u l tp r i s mw i t h w 0 4m a t e r i a l i nt h et h i r dc h a p t e r , a c c o r d i n gt of r e s n e lf o r m u l aa n dg e o m e t r i c a lu b i e t y , w eg e tt w o f o r m u l a so nl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fp o l a r i z i n gp d s m s m u l t i p l e b e a mi n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w o i n c i s i o ni n c l i n e so fp o l a r i z i n gp r i s mi sc o n s i d e r e di no n ef o r m u l aa n di sn o tc o n s i d e r e di nt h e o t h e rf o r m u l a t h e nt h et h e o r e t i c a lr e l a t i o nb e t w e e nl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fs o m ep o l a r i z i n g p r i s m sa n de a c ho f t h ep a r a m e t e r sa sw a v e l e n g t h ，a n di n c i d e n ta n g l ei sg i v e ni nt h i sp a p e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r , o nt h eb a s i so ft h ef o r m u l a sw h i c ha r eg i v e ni nt h et h i r dc h a p t e r , c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m sa r ed e v i s e dt ov e r i f yo u rt h e o r ya n dl a b o r a t o r i a lc u r v e sa r e p a i n t e d i na d d i t i o n ，t h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lc u w e sc a na l s ob eg o t t e nd e p e n d i n go nt h e f o r e g o i n gf o r m u l a s c o n s i d e r i n ga l le r r o n e o u sf a c t o r s ，w ef i n dt h er e s u l t sv e r i f yo u rt h e o r yb y c o n t r a s t i n gt h el a b o r a t o r i a lc u r v e sw i t ht h et h e o r e t i c a lo n e s a b s l z a c t 2 t h eo r i g i n a lp o i n t so ft h i st h e s i s 】i ei n ： ( 1 ) a n a l y z e dt h ec o n d i t i o n so ft h er e f r a c t i v ei n d e xo f0r a yo fy v 0 4w i t ht h ew a v e l e n g t h o f v i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e dl i g h ti sg i v e ni nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，ar e l a t i o n a le x p r e s s i o na b o u t l i g h tt r a n s m i t t a n c ea n dw a v e l e n g t ho fv i s i b l el i g h ti sg i v e n t h ev a r i a n tt e n d e n c yo ft h e t r a n s m i s s i o n s p e c t r u mo fg l a n - f o u c a u l tp r i s mw eg e tb ys p e c t r o m e t e ra c c o r d sw i t ht h e t h e o r e t i c a lc u r v e ( 2 ) t h i sp a p e rg e t st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fg l a n f o u e a u l t 研s m a n di n c i d e n ta n g l ew h e na b n o r m a li n c i d e n tb e a mi si nt h ep l a n ef o r m e db y i n c i s i o ni n c l i n e n o r m a la n di n c i d e n tf a c en o r m a l ( 3 ) a n a l y z e dt h et r a n s m i s s i o na n de x t i n c t i o nr a t i oc h a n g e sp r e - a n dp o s tc o a t i n g k e yw o r d s ：p o l a r i z i n go p t i c s ；p o l a r i z i n gp r i s m ；y v 0 4 ；t r a n s m i t t a n c e ；w a v e l e n g t h ； i n c i d e n ta n g l e 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母论文钒酸钇 ( w 0 4 ) 偏光棱镜特性研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学 攻读博士口硕士骅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。 储虢嵫射 魄船、乡5 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 钒酸钇( y v o 。) 偏光棱镜特性研究系本人在曲阜师范大学攻读博士 口 硕士目学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士睡季位论 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： 导师签名： 鸸铅 眵1 日期： 日期： w 呕、6 。 旅一。名 第一章绪论 第1 页 一一_ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 一 第一章绪论 随着现代光学技术的不断发展，偏光技术作为光学技术的重要一支，其应用逐渐渗透 到与光学技术相关的各学科领域【1 1 1 1 。而偏光技术的不断发展，使得偏光器件【1 2 。1 6 】日益广 泛地应用于光调制、偏光导航、光纤通讯、光电检测以及光传感等技术领域。 制作高消光比偏振棱镜的传统材料是方解石( 冰洲石) ，近年由方解石设计制作的偏 光棱镜特别适合激光技术的需求，由于其抗光损伤阈值高于其它方法设计的偏光器件，因 此也称为激光偏光镜，被广泛地应用于激光信息调制技术中。制作棱镜的方解石材料必须 用光学级单晶体，内无包裹体、解理等瑕疵，无色或淡黄色透明，并且尺寸合适。由于目 前无法用人工合成大尺寸的单晶方解石，适合加工棱镜的晶体材料的唯一来源途径是自然 界，我国3 0 多年的开发利用，非常有价值的4 0 m m * 4 0 m m 以上的大块方解石已经很难得到。 方解石晶体属于完全解理性晶体，工艺过中程极易破损，并且由于解理性，对使用环境温 度的变化要求高，没有特殊保护措施，不适合于工程使用，对于高强度激光也难以承受， 抗光损伤阈值在脉冲4 0 0 m w c m 2 左右。 方解石的棱镜形式的偏光镜 d - 2 0 l 目前国内有2 0 余个系列，几百种规格，基本能够满 足国内中小激光功率的使用要求。由于方解石材料本身特性决定了其无法满足超大功率的 激光应用和工程环境中的应用，这对类似输电线路电力计量、航空航天、军工等环境条件 变化大的领域应用是一个缺憾。能够适合严酷的工程环境，适合高光强度应用环境，又能 在数量上满足日益增加的需求。这是我们为之努力的目标。要达到这些要求，但靠对方解 石材料及提高相关加工技术显然是无法完成的，只有开发新的材料方能达到目的。新材料 的开发不可能再是来自自然界中的发现，这已经经过了几代人的艰辛努力，利用现代人工 晶体合成技术是必然的选择。寻找能够代替方解石晶体的材料必须考虑两个因素，第一， 光学特性要好，为了保证设计的棱镜有足够的视场角，晶体材料的双折射率要尽量大：第 二，机械特性要好，设计偏光棱镜的材料是各向异性材料，不同的方位机械性能不一样， 这除了要求在工艺上加以调整外，在设计上尽量避开这些晶面。铌酸锂( l i n b o 。) 的双折射 值尽管比方解石小( x n = o 0 7 5 ，在1 3um 处) ，可以做成偏光棱镜，但其抗光损伤阈值 不够高；金红石( t i o 。) 具备相当大的双折射值( n - - o 2 2 ) ，但它难生长，尤其大块晶体不 易获得，价格十分昂贵；钒酸钇( y v 0 4 ) 晶体最早是作为光纤通讯中光隔离器、环形器、光 分束器使用的功能材料，是一种用c z o c h r a l s k i 法生长的正单轴晶晶体，具有优良的机械 和物理性能，有宽的光透射范围( 4 0 0 5 0 0 0 n m ) 、高的光学损伤阈值( l o g w c m 2 ) 、大的 双折射率、小的温度系数以及好的光学加工性能( 莫氏硬度5 ) 。价格非常昂贵，近年来由 于光纤市场的萎缩和晶体生长技术的提高，产量和价格已经比较平稳，价格已经低于3 万 元k g ，并且由于钒酸钇晶体材料有效利用率高达6 0 ( 方解石晶体利用率2 0 ) ，晶体 尺寸大，使用钒酸钇制作偏振器件将是比较理想的选择。 目前对于钒酸钇的研究大多集中在材料特性和生长技术方面的研究，相关偏光器件设 第一章绪论 第2 页 计探索研究，也只是处于实验室自制使用阶段，没有完整的工艺结构和规范的技术性能评 价标准，尽快开发合理的工艺技术和建立科学的平均标准，实现钒酸钇偏光器件商品化， 将对我国科学技术的发展意义非常重要。 由于钒酸钇晶体是正光性单轴晶体，偏光器件的设计形式相对负单轴晶体要做出调 整，新的设计形式以及对器件性能产生的影响，是论文研究的主要问题，设计理论基础仍 然采用界面全反射原理，考虑结构角选取问题、器件的全偏张角( 视场角) 问题【2 1 2 4 1 、器 件透过率与结构关系、器件偏离角问题。棱镜设计基础形式以付科式为主，结构角的选取 要考虑到材料色散的影响，为获得尽量高的透过率，允许全偏张角较小点；器件的全偏张 角保证在垂直入射的情况下，从棱镜出射的光为完全线偏振光，它与材料的两个最大主折 射率有关，与波长有关，同时它也与结构角的选取有直接关系；器件的透过率与结构形式 有关，它依赖于晶体材料本身质量，也依赖于工艺水平；器件的偏离角是指当偏振棱镜插 入光路后，光束传播方向改变的角度，这是一个重要的指标，偏离角为零，才能保证在垂 直入射的情况下，旋转偏振棱镜时，透射光束保持不动。偏离角与棱镜设计形式和制造误 差有直接关系，需要通过工艺革新来改善。 第二章偏光器件设计综述 第3 页 第二章偏光器件设计综述 激光偏光棱镜的设计原理基础是几何光学，光的全反射原理的应用成就了偏光棱镜， 棱镜的透射性能由光能反射比和光的干涉理论解释。本章首先引入一些基本概念，然后对 比参照方解石棱镜【2 5 】提出钒酸钇棱镜的设计方案。 2 1基本概念 为了更好地理解棱镜起偏原理，下面首先介绍斯涅耳定理： 入射波、反射波和透射波的传播方向都必须在入射平面内：入射角等于反射角；入射 角和反射角之间的关系必须遵从斯涅耳定律 2 6 3 甩ls i n f = n 2s i np ( 2 1 1 ) 其中，力。、玎：分别为两介质的折射率，f 、护分别为入射角和折射角。由( 2 1 1 ) 式 可得到 s i n o = 土s i n f( 2 1 2 ) 门2 当光波由光疏介质向光密介质传播，即仇 n ：时，此时矽的取值应分为两种情况： ( 1 ) 当s i n i 1 1 2 n 1 时，s i n o l ，此时口仍为实角； ( 2 ) 当s i n i r 1 2 n l 时，s i n o 1 ，此时p 己经不是实角。 上述第二种情况即为全反射。根据前面的讨论可知发生全反射的条件为： a 光从光密介质向光疏介质传播； b 入射角f 大于临界角i 。，i 。由下式给出： n 1s i n i c = 疗2 当一束光由光疏介质入射到光密介质，或者由光密介质入射到光疏介质且入射角大于 临界角时，即不满足全反射的条件时，就会有一部分光透过界面进入第二种介质，另一部 分光经界面反射回到第一种介质。当入射角不为零时，对于s 振动的光的反射系数r 和j p 振动的光的反射系数r ，是不同的，它们分别由下式给出： 。，= = 、 n 2 c o s o - n 1c o s i l c o s oc o s i ，2 c 2 ，3 ) j 、 ， 。 r p = n l c o s 0 - n 2 c o s i c o s 0 c o s i ) 2 ( 2 1 4 ) 尸 第二章偏光器件设计综述 第4 页 一 2 2 偏光棱镜的设计原理 在现代偏光技术及激光应用技术中，涉及到的偏光器件种类很多，就应用形式上说， 激光偏光棱镜分为起偏器件和偏光分束器件两大类。 常规的起偏棱镜，只让沿一个方向偏振的光透过。这种棱镜是由两半块晶体胶合在一 起的，它利用了晶体的双折射性质，使0 光和e 光中折射率较大、电矢量沿某一方向振动 的光束在切割斜面上发生全内反射，而让折射率较小、电矢量与此方向垂直振动的光束通 过。对正晶体制作的激光偏光棱镜而言，就是让p 光在切割斜面上全反射，让。光透射。 正单轴晶体的两个主折射率分别为和疗。，且有胛。 以。，它的双折射率o 。- n 。) 较大，当 光束沿着晶体的光轴的方向传播时，e 光和。光的折射率相同，取值为刀。，传播方向是一 致的：当光束的波法线方向与光轴有一定夹角占( f 9 0 。) 时，0 光和8 光的传播方向要发 生分离，e 光的光波法线和光线的方向不一致，其折射率力：是夹角占的函数，满足 * 2 2 刀：2 = 了羔兰f 下 ( 2 2 1 ) 。 ，2 ；s i n s + ，l ；c o s g 当光束的传播方向与晶体的光轴垂直时，0 光和g 光的传播方向虽然一致，但p 光的折 射率取主折射率刀。，o 光和e 光的折射率差最大，其值为最大双折射率k 一刀。l 。无论光束 沿哪个方向传播，0 光的折射率永远取主折射率珂。由光的全反射理论，当光由晶体射入 折射率疗g i o g w c i i l 2 ) 、大的双 折射率、小的温度系数以及好的光学加工性能( 莫氏硬度5 ) 。目前是光通讯无源器件( 隔 离器、连接器、光波分复用器) 的关键基础材料，基本性质如下表所示。 基本性质 瓣禚 锆四方 彩 籀 磬空问点群7 震 d 4 h 錾；品格常数+ 麓 a = b = 7 1 2 a ，c = 6 2 9 a 器二。，v 晶系f f t 1 i 凑 正单轴晶体，n f n b - - - n 。，l , l c = n 。 蕤獯烈滴 1 3 7 x 1 0 2 0 a t o m s c m 3 第二章偏光器件设计综述 第8 页 黪攀麟黼提拉法 辩黔 。，7 ，二箍 1 8 2 5 静铲，“，i 1 融一0 霉摩：、! i 囊 4 2 2 9 c m 3 器莫氏硬度蓬 5 ( 与玻璃相似) 蕤一热胀系数。缓 巩= 4 4 3 x 1 0 嵋ka c = 1 1 3 7 x 1 0 。6 k 鳖警导系数：瑟 平行c ：0 0 5 2 3 w c m k垂直c ：o 0 5 1 0 w c m k 懿趱越 o 4 5 5 胁 2 5 2 钒酸钇棱镜设计原理 参照对比方解石晶体的几种设计形式，钒酸钇晶体是否也可以设计出以上几种形式 呢? 设计棱镜时要考虑的参数一视场角，结构角，利用全反射原理，以y v 0 4 格兰一付科棱 镜形式为例( 图2 6 ) ，分析棱镜的设计方案。 2 5 2 1 棱镜的视场角 半视场角定义为n ”当棱镜绕其轴旋转时，能够穿过棱镜并保持完全偏振的光线与棱 镜轴所成的最大角度。视场角正好是半视场角的二倍。棱镜的视场角是以其光轴为母线的 立体角，在这一立体角的光束通过棱镜后为平面偏振光，棱镜视场角也称全偏张角。 为了便于表述，称入射端面法线与斜面法线所在的平面为主截面。从半视场角方面考 虑，棱镜的结构设计对不同入射面的光线有不同的视场角；光线入射面垂直于棱镜主截面 时，有最大视场角；光线入射面平行于棱镜主截面时，具有最小视场角。一束圆锥入射光， 只有当其每条光线的入射角都在最小视场角范围时，才能保证出射光为偏振光。在这里仅 讨论入射面平行于主截面的情况，得出的关于最小视场角的结论能够保证在其它入射面内 的光线不会超出其视场角，故结论适合于各种入射面的情况哪。 视场角不仅与结构角有关，而且与光波长有关。通过对材料色散特性的分析，有利于 棱镜结构的合理设计，最大限度的发挥器件的作用。钒酸钇偏光棱镜设计原理图如图2 7 所示。 图2 6f o u c a s u l 棱镜结构角示意图图2 7 f o u e a s u l 棱镜视场角的确定 2 5 2 2 半视场角的计算 图2 6 为钒酸钇偏光棱镜结构图，s 为结构角，光轴方向垂直纸面向里。一束光线从 左侧入射，半视场角的选取要保证其内的光束在切割面空气隙处e 光被全反射，o 光全透 过，如图2 7 所示。对光线a ，最大不能使e 光通过，所以 刀。s i n i 2 一= s i n 9 0 0 ( 2 5 1 ) 且 s = ，+ f 2 s i n f 懈= n 。s i n r 由( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 式得： i m 双= a r c s i n ( 聆2 e - l s i n s e o s s ) 光线b ，最大不能使0 光全反射，同理得 f m 麒= ( t o s s 一4 - 2o - 1s i n s ) a r c s m ( c o s 1s i nzm 麒=一 令i m 。= ，m 缸 得出在最大半视场角下得结构角 s 一 2 2 嗍丽= 01 丽n”一+ e 一1 ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) ( 2 5 5 ) ( 2 5 6 ) 将( 6 ) 代入( 4 ) 或( 5 ) 即得出最大半视场角的值。 结合s e l l m e i e r 方程描述0 、e 光折射率随波长的变化公式d 日 ”2 。= 3 7 7 8 4 3 + 0 0 6 9 7 3 6 ( 入2 0 0 4 7 2 4 ) 一0 0 1 0 8 1 3 3 入2( 2 5 7 ) 刀2 。= 4 5 9 9 0 5 + 0 11 0 5 3 4 ( 入2 - 0 0 4 8 1 3 ) - 0 0 1 2 2 6 7 6 入2 ( 2 5 8 ) 可得出对应波长下的半视场角情况。 2 5 2 3 半视场角为最大时的结构角 波长入范围取0 4 u m - 2 u m ，得到对应波长下最大半视场角和结构角的值，如下表所示： 入( u m )n on 。最大半 结构角s 。 视场角i 。，( 度) ( 度) 0 4 0 0 2 0 9 6 4 6 02 3 5 4 8 1 33 。7 2 8 5 7 62 6 7 1 1 7 5 0 5 0 02 0 2 9 6 9 52 2 5 9 1 0 03 4 6 9 7 6 62 7 8 0 8 5 0 0 6 0 01 9 9 9 3 7 72 2 1 5 6 3 9 3 3 4 4 4 4 1 2 8 3 3 8 2 9 0 7 0 01 9 8 2 5 8 32 1 9 1 6 1 83 2 7 3 5 0 52 8 6 4 0 5 8 0 8 0 01 。9 7 2 0 9 42 1 7 6 6 8 43 2 2 9 3 5 62 8 8 3 2 3 2 0 9 0 01 9 6 4 9 6 72 1 6 6 6 0 93 2 0 0 0 6 92 8 9 6 3 6 1 第二掌偏光器件设计综述 第l o 页 一一一，_ 一 1 0 0 0 1 9 5 9 7 9 8 2 1 5 9 3 7 63 1 7 9 7 4 6 2 9 0 5 9 0 5 1 1 0 0 1 9 5 5 8 4 22 1 5 3 9 1 33 1 6 5 1 8 02 9 1 3 1 9 9 1 2 0 01 9 5 2 6 7 22 1 4 9 6 0 43 1 5 4 4 9 7 2 9 1 9 0 1 9 1 3 0 01 9 5 0 0 2 72 1 4 6 0 7 5 3 1 4 6 5 4 4 2 9 2 3 8 4 2 1 4 0 0 1 9 4 7 7 4 12 1 4 3 0 8 73 1 4 0 5 7 4 2 9 2 7 9 7 7 1 5 0 01 9 4 5 7 0 22 1 4 0 4 7 83 1 3 6 0 8 82 9 3 1 6 3 0 1 6 0 01 9 4 3 8 3 62 1 3 8 1 4 2 3 1 3 2 7 4 42 9 3 4 9 4 3 1 7 0 01 。9 4 2 0 8 92 。1 3 5 9 9 9 3 i 3 0 2 9 62 9 3 8 0 1 8 1 8 0 01 9 4 0 4 2 12 1 3 3 9 9 5 3 1 2 8 5 6 82 9 4 0 9 2 6 i 9 0 01 9 3 8 8 0 52 1 3 2 0 8 73 1 2 7 4 3 0 2 9 4 3 7 2 3 2 0 0 01 9 3 7 2 1 92 1 3 0 2 4 63 1 2 6 7 8 3 2 9 4 0 6 4 1 棱镜最大半视场角、结构角和波长之间的关系曲线如图2 ，8 所示，钒酸钇g l a n f o u c l t 棱镜最大半视场角随波长的增加而减小，从o 4 ui t i 时的3 7 。减小为2 0 um 时的3 1 。 左右，结构角随波长的增大而增大，变化范围从2 6 7 。到2 9 4 。并且在可见光区，半 视场角、结构角的变化均随波长的增加有较大幅度的变化，而在近红外区半视场角及结构 角随波长的变化趋于平稳，这说明y v 矾偏光棱镜在近红外区域有着更为良好的实用特性。 2 雹 星 吾 - 3- 2o t23 i n c l d e ma n 9 i e n 图2 8 最大半视场角、结构角与波长的关 图2 90 光透射比与入射角关系 当使用波长为1 5 0 u m 时，y v 砚格兰付科棱镜设计结构角为2 9 3 。，棱镜在视场角一3 。到3 。的范围内0 光的透射率曲线如图2 9 所示。可见以此波长入射棱镜时，不考虑各 介面吸收情况下在视场角范围内透射比在7 0 到8 2 之间，正入射情况下的透射比为7 9 ， 这说明y v o 。棱镜有良好的透射特性。 第二章偏光器件设计综述 第1 l 页 2 5 2 4 宽频情况下棱镜结构角的 确定 以上分析讨论的棱镜视场角、结构角 设计方法，非常便于单一激光波长应用设 计，对于在某些需要考虑使用带宽要求的情 况，需要考虑到整个带宽范围内材料色散对 设计的影响，根据不同的使用带宽要求来确 定棱镜的结构角。基本设计方法是考虑棱镜 斜分晃面上应满足e 光全反射。光透射 刀。s i n s 曲= 1 ( 2 5 9 ) 玎。s i ns 嘲= 1 w a v e | e n g t h ( u m 、 图2 1 0 结构角与波长的关系 ( 2 5 1 0 ) 为e 光发生全反射的最小结构角，趾为。光能透射时的最大结构角，我们取最常用 的应用范围为0 4 u m _ 1 6 u r n 波段，最大结构角、最小结构角随波长的变化关系曲线如图 2 1 0 所示，从整个波长范围考虑，y v o 。棱镜的切角s ( 结构角)的取值范围应该为长波 1 6 u m 时的瓯i n 到短波0 4 u m 时的之间之值，即图2 1 0 中两曲线之间的间隔部分( 2 7 8 8 。2 8 4 8 。) ，这样才能避免波长范围的两端光信息不会被截止。通常考虑视场角的对 称性，取中心角度即： s = 垒型垒型 2 计算出0 4 u m - - - 1 6 u m 波段，y v o , 棱镜的切角s 取值为2 8 。1 8 。 o 5 o 5 o 5担怂勰万万 cml6c口co!髫#星 第三章偏光棱镜透射比理论 第1 2 页 第三章y v 0 4 偏光棱镜透射比 透射比是标志偏光棱镜性能好坏