一種三輸出90°轉向對稱分束偏光棱鏡的制作方法

本發明屬于光學元件的結構設計和材料選用領域，特別涉及到冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡。

背景技術：

隨著偏振光學的發展，尤其是偏振檢測技術的迅速發展，偏振棱鏡一直是人們關注的對象，它是光路起偏、檢偏的核心器件。目前一般采用冰洲石晶體制作棱鏡，但是天然的光學級冰洲石晶體資源日漸枯竭，尋找代替晶體或者改進設計降低單只棱鏡中冰洲石晶體材料的消耗，以及提高單只棱鏡的功能集成，就成為研究熱點。

技術實現要素：

基于以上問題，本發明的目的在于通過新的棱鏡結構設計和材料選擇，采用冰洲石晶體和玻璃組合的方法，設計玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡，使棱鏡同時具備將光束90°轉向和對稱分束功能，而且提供可用于光源狀態監控的第三束出射參考光，實現單只組合棱鏡的多功能集成，同時降低冰洲石晶體材料的消耗。

h-bak7玻璃為光學玻璃，是一種光學窗口材料，作為一種光學玻璃，具備尺寸大、價格低的特點，其光學透過范圍為330nm~2400nm，覆蓋冰洲石晶體的透過范圍（350nm~2300nm），本發明選用h-bak7玻璃的關鍵技術是h-bak7玻璃的折射率色散曲線近乎完美的位于冰洲石兩主折射率色散曲線的中間，如圖1所示；在與冰洲石晶體棱鏡組合時，通過結構設計，可以使非常光和尋常光通過棱鏡時發生偏折，兩光線偏折的角度近似相等。

本發明采用的技術方案為兩棱鏡通過樹脂膠、光膠或者空氣隙膠合在一起，形成不規則棱體結構，如圖2所示；所述的兩棱鏡的材質分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體；所述的h-bak7玻璃為光學玻璃，h-bak7為光學領域對該玻璃的公認編號，其中bak代表鋇冕玻璃，h代表環保型無鉛、砷、鎘以及其他放射性元素；所述的冰洲石晶體為天然光學級冰洲石晶體；如圖3所示，所述的截面為不規則四邊形棱鏡的通光面為左側入射端面和下方出射斜面以及右側參考光出射斜面，上方全反射斜面也是拋光面；所述直角棱鏡的通光面為一直角面和斜面；所述的冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面；所述的兩棱鏡通光面的結構角分別為s2、s3和s4，結構角之間的關系為：

（1）

（2）

所述的組合棱鏡另一結構角s1恒為45°，其目的是使光束全反射，實現90°轉向。

根據折射定律可以得到圖3中所示的偏振分束后的兩光束與豎直方向夾角θ1、θ2，以及組合棱鏡的分束角δ和對稱分束偏差δ：

（3）

（4）

（5）

（6）。

一種常規的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡結構及光路圖如圖4所示，由兩塊冰洲石晶體棱鏡組成；本發明設計的玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡比同規格的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡減少約70%的冰洲石晶體材料使用量，這在冰洲石晶體尤其是大塊晶體日漸稀少的現在，具有重要的意義，同時h-bak7玻璃價格遠比冰洲石晶體低廉，可以降低單只棱鏡的制造成本；本發明設計所采用的h-bak7玻璃透光范圍覆蓋冰洲石晶體棱鏡的透光范圍，因此本發明設計的組合棱鏡覆蓋常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡的適用波長范圍；圖5為根據折射定律計算出的在結構角相同且s2為45°的情況下，圖4中所示的常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡與本發明所述的冰洲石與h-bak7玻璃組合棱鏡分束對稱性情況的比較，可以看到，本發明設計的組合棱鏡對稱分束性能要極大的優于結構角相同的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡，在300~2000nm的寬波段內，本發明設計的組合棱鏡對稱分束偏差平均僅為冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差的五分之一。

光束從組合棱鏡左側端面垂直入射，在h-bak7玻璃棱鏡的上方反射面全反射后轉向90°，然后在h-bak7玻璃棱鏡下方界面上發生折射和反射，因h-bak7玻璃棱鏡右側通光面與下方通光面夾角s4設定為與冰洲石直角棱鏡結構角s2相等，由反射定律可知，反射光束垂直h-bak7玻璃棱鏡右側端面出射，該反射光束可以作為參考光束，對光源的狀態進行實時監測，或者根據監測數據進一步的對光源進行反饋控制；因為該參考光束為光源光束經過一次垂直端面入射、兩次反射、一次垂直端面出射后形成，中間無斜角折射的情況，所以該參考光束具有面型與光源一致，無畸變的優點。

本發明的有益效果是：節省冰洲石晶體資源，降低棱鏡制作成本，分束對稱性能好，將光束的轉向、對稱分束和提供無面型畸變參考光三個功能集于一身，保持好的光束偏振質量，節約光路空間，減少光強損失，提高光路調節的便易度。

附圖說明：

圖1為本發明采用的h-bak7玻璃的折射率色散曲線與冰洲石非常光、尋常光主折射率色散曲線圖，其中ng為h-bak7玻璃的折射率，no為冰洲石尋常光的主折射率，ne為冰洲石非常光的主折射率；

圖2為本發明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡的結構圖，其中雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向；

圖3為本發明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡的結構及光路圖，其中圓點表示方向垂直于紙面；

圖4為常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡的結構及光路圖，其中雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向平行于紙面，圓點表示方向垂直于紙面；

圖5為本發明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡與相同s1、s2、s3結構角的常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差的對比曲線圖，其中結構角s2=45°，δ表示本發明組合棱鏡的對稱分束偏差，δb表示常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差。

具體實施方式：

實施例一：如圖3所示，兩棱鏡的結構分別為截面為不規則四邊形棱鏡和直角棱鏡，材質分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過空氣隙形式膠合，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45.00°，s2=36.00°，s3=126.00°，s4=36.00°；取入射光波長為632.8nm，此時，h-bak7玻璃的折射率為1.56670，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃和空氣隙界面上發生折射和反射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，折射光穿過空氣隙到達空氣隙和冰洲石界面，發生雙折射分束，兩光束在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進一步擴大；根據折射定律，依據公式（3）~（6），可以計算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡的分束角為7.10°，對稱分束偏差為0.20°，該數值是相同s1、s2、s3結構角（即s1=45.00°，s2=36.00°，s3=126.00°）的常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差的1/2。

實施例二：如圖3所示，組合棱鏡的結構分別為一截面為不規則四邊形棱鏡和一直角棱鏡，材質分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過光膠形式膠合，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45.00°，s2=46.63°，s3=136.63°，s4=46.63°，取入射光波長為365.0nm，此時，h-bak7玻璃的折射率為1.59418，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.50190，尋常光主折射率為1.69100，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃與冰洲石界面上發生反射和雙折射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，兩束折射光在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進一步擴大；根據折射定律，依據公式（3）~（6），可以計算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡的分束角為11.51°，對稱分束偏差為0.11°，該數值約為相同s1、s2、s3結構角（即s1=45.00°，s2=46.63°，s3=136.63°）的常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差的1/15。

實施例三：如圖3所示，組合棱鏡的結構分別為一截面為不規則四邊形棱鏡和一直角棱鏡，材質分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過樹脂膠進行膠合，組合棱鏡中結構角分別為：s1=45.00°，s2=45.00°，s3=135.00°，s4=45.00°，取入射光波長為706.5nm，此時，h-bak7玻璃的折射率為1.56400，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48353，尋常光主折射率為1.65207，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃與樹脂膠界面上發生折射和反射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側通光面垂直表面出射，形成參考光，折射光穿過樹脂膠到達樹脂膠和冰洲石界面，發生雙折射分束，兩光束在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進一步擴大；根據折射定律，依據公式（3）~（6），可以計算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉向對稱分束偏光棱鏡的分束角為9.67°，對稱分束偏差為0.17°，該數值約為相同s1、s2、s3結構角（即s1=45.00°，s2=45.00°，s3=135.00°）的常規冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對稱分束偏差的1/6。