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CN109891301B - 偏振转换元件和光学隔离装置 - Google Patents

偏振转换元件和光学隔离装置 Download PDF

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CN109891301B CN201780062972.5A CN201780062972A CN109891301B CN 109891301 B CN109891301 B CN 109891301B CN 201780062972 A CN201780062972 A CN 201780062972A CN 109891301 B CN109891301 B CN 109891301B
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Abstract

本申请涉及偏振转换元件和光学隔离装置。本申请提供了能够将非偏振入射光转换成一种偏振光的偏振转换元件和包括所述偏振转换元件的具有优异光学隔离比的光学隔离装置。这样的光学隔离装置可以应用于各种应用，例如光通信或激光光学领域、安全或隐私保护领域、显示器的亮度增强、或者用于隐藏和遮蔽的用途。

Description

偏振转换元件和光学隔离装置
技术领域
本申请要求基于2016年10月13日提交的韩国专利申请第10-2016-0132841号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及偏振转换元件和光学隔离装置。
背景技术
光学隔离装置是其中正向透光率高于反向透光率的装置，其也称作光学二极管。光学隔离装置可以用于防止在光通信或激光光学领域中不必要的反射光，或者其也可以应用于建筑物或汽车玻璃以用于安全或隐私保护等。光学隔离装置也可以应用于诸如各种显示器中的亮度增强或者隐藏和遮蔽用军用产品的应用。
作为光学隔离装置，存在使用法拉第效应(Faraday effect)的法拉第光学隔离器。法拉第光学隔离器的原理在图1中示出。法拉第光学隔离器包括第一起偏振器(101)、法拉第旋转器(102)和第二起偏振器(103)，其中第一起偏振器(101)和第二起偏振器(103)的吸收轴被设置成彼此形成45度。法拉第旋转器使通过穿过第一起偏振器而线偏振的入射光旋转45度，由此使入射光透射过第二起偏振器(正向)。相反，如果透射过第二起偏振器的线偏振光同样被法拉第旋转器旋转45度，则其变成平行于第一起偏振器的吸收轴的线偏振光，使得其不能透射过第一起偏振器(反向)。
由于法拉第光学隔离器需要非常大的外部磁场来驱动，并且必须向其应用昂贵的材料，因此难以使其尺寸变大。
发明内容
技术问题
本申请涉及偏振转换元件和光学隔离装置。
技术方案
在本申请中，术语偏振转换元件意指被配置成使得其可以将非偏振入射光转换成一种偏振光并出射该偏振光的元件。
在一个实例中，偏振转换元件的透射率可以为50％或更大、大于50％、55％或更大、60％或更大、65％或更大、70％或更大、75％或更大、80％或更大、85％或更大、90％或更大、或者95％或更大。透射率的上限没有特别限制，并且可以为约100％。透射率可以为透射过偏振转换元件的一种偏振光相对于入射在偏振转换元件上的非偏振光的比率。即，理想地，优选偏振转换元件被配置成以便能够将入射的非偏振光转换成一种偏振光而没有损失。
在本说明书中，光学特性如术语透射率、延迟值、反射率和折射率的参考波长可以根据待通过使用光学隔离装置隔离的光和/或待用偏振转换元件转换的光来确定。例如，参考波长可以为待隔离的光和/或待用偏振转换元件转换的光的波长。例如，当光学隔离装置旨在隔离可见光区域中的光时，透射率等的参考波长可以为例如基于具有在400nm至700nm范围内或约550nm的任意波长的光的值；在旨在隔离红外区域中的光的情况下，透射率等可以基于波长为1,000nm的光来确定；以及在旨在隔离紫外区域中的光的情况下，透射率等可以基于波长为250nm的光来确定。
透射过偏振转换元件的光可以基本上仅包括一种偏振光。例如，90％或更多或者95％或更多的透射过偏振转换元件的光可以为一种偏振光。理想地，100％的透射过偏振转换元件的光可以仅为一种偏振光。
这样的偏振转换元件可以主要包括至少后向反射器和反射式偏振镜。
在此，反射式偏振镜可以是透射包括正交模对的入射光中的一种偏振光并反射另一种偏振光的元件。在此，正交模对可以包括偏振方向彼此垂直的两种线偏振光或旋转方向彼此相反的两种圆偏振光。如本文中所使用的术语垂直、水平、平行或正交可以意指考虑到误差的基本上垂直、水平、平行或正交，其中可以存在例如在±10度内、在±8度内、在±6度内、在±4度内、在±2度内、在±1度内或者在±0.5度内的误差。此外，本文中的术语圆偏振光为还包括所谓的椭圆偏振光的概念。在下文中，在本说明书中，为了方便起见，可以将正交模对中的任一种偏振光称为第一偏振光，并且可以将另一种偏振光称为第二偏振光。
这样的反射式偏振镜包括偏振分束器、线栅起偏振器(WGP)(例如金属线栅起偏振器)、双亮度增强膜(DBEF)或胆甾醇型液晶(CLC)膜，其通过应用所谓的各向异性材料偏振分离器或薄膜涂层型起偏振器而表现出上述效果。在此，金属线栅起偏振器(WGP)和双亮度增强膜(DBEF)是透射偏振方向彼此垂直的第一偏振光和第二偏振光中的任一种偏振光并且反射另一种偏振光的元件，以及胆甾醇型液晶膜是透射旋转方向彼此相反的圆偏振光中的任一种偏振光并且反射另一种偏振光的元件。例如，通过控制金属线栅起偏振器中的栅格的尺寸或间距、双亮度增强膜的层合结构、胆甾醇型液晶膜中的液晶的间距或旋转方向等，可以将具有期望波长范围的光分成正交模对。可应用于本申请中的反射式偏振镜的类型不限于上述，其中可以应用已知能够将入射光分成正交模对的偏振光的所有反射式偏振镜。
在此，后向反射器和反射式偏振镜可以定位成使得当反射式偏振镜透射第一偏振光和第二偏振光中的第一偏振光并反射第二偏振光时，第二偏振光可以入射在后向反射器上。
后向反射器为已知的元件，并因此是以平行于入射方向的方向反射入射在后向反射器上的光的元件。因此，被反射式偏振镜反射并入射在反射器上的第二偏振光被反射并再次入射在反射式偏振镜上。这样的后向反射器是公知的，并且在本申请中，可以在这些已知的后向反射器中选择并使用合适的一种。作为后向反射器，例如，可以使用全息膜或反射式斜式百叶窗膜(reflective oblique louver film)等。
本申请的偏振转换元件可以被配置成使得当被后向反射器反射的第二偏振光再次入射在反射式偏振镜上时，偏振状态可以被转换成第一偏振光。用这样的配置，理论上可以将所有入射的非偏振光转换成第一偏振状态并透射过反射式偏振镜。
可以假设光学非偏振光包括正交模对，即，偏振方向彼此垂直的两种线偏振光，或旋转方向彼此相反的两种圆偏振光。因此，第一偏振光(入射在第一反射式偏振镜上的非偏振光的约50％)透射过反射式偏振镜，并且第二偏振光(另外的50％)被反射并入射在后向反射器上，并且入射的第二偏振光被后向反射器反射，然后以第一偏振光的状态入射在反射式偏振镜上，使得100％的非偏振光可以理论上以第一偏振光状态透射过反射式偏振镜。
在此，在穿过后向反射器的同时将被反射式偏振镜反射的第二偏振光转换成第一偏振光的方法没有特别限制。
在一个方面中，后向反射器本身可以用于将如上所述的第二偏振光转换成第一偏振光。即，当光学正交模对的偏振光中的任一种偏振光在反射表面处被反射时，反射的偏振光可以改变为待被反射的在相应反射之前的该偏振光的另一正交模对。例如，当以逆时针方向旋转的右旋圆偏振光在反射表面处被反射时，反射的偏振光可以被转换成顺时针旋转的左旋圆偏振光，相反地，当左旋圆偏振光在反射表面处被反射时，其可以被转换成右旋圆偏振光。因此，在这种情况下，被后向反射器反射的第二偏振光可以被转换成透射过反射式偏振镜的第一偏振光。
如参考附图解释这种情况的，如果非偏振光(NP)如图2中入射在反射式偏振镜(100)上，则仅非偏振光(NP)的第一偏振光(P1)透射过反射式偏振镜(100)并且第二偏振光(P2)被偏振镜(100)反射。在此，如果反射式偏振镜(100)为例如上述的胆甾醇型液晶膜，则反射的第二偏振光(P2)可以为右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。当反射的第二偏振光(P2)入射在后向反射器(200)上时，反射后的第二偏振光(P2)再次转换成第一偏振光(P1)，并且转换的第一偏振光(P1)可以透射过反射式偏振镜(100)，使得非偏振光(NP)可以被全部转换成第一偏振光(P1)。图2示出了其中非偏振光(NP)透射过后向反射器(200)然后入射在反射式偏振镜(100)上的情况，但是非偏振光(NP)可以入射在反射式偏振镜(100)上而没有穿过后向反射器(200)。如图2中的情况是其中后向反射器(200)为透射以预定角度入射的光并反射以不同角度入射的光的反射器的情况，并且例如使用反射式斜式百叶窗膜等。
在一个方面中，可以应用延迟器使得从后向反射器反射的光可以被转换成可以透射过反射式偏振镜的第一偏振光。通过应用适当的延迟器可以将第二偏振光转换成第一偏振光。
作为延迟器，可以应用λ/2板或λ/4板。术语λ/2板为称为所谓的HWP(半波片)的延迟器，其为当线偏振光入射时可以使线偏振光的偏振方向旋转约90度的元件，以及术语λ/4板为称为所谓的QWP(四分之一波片)的延迟器，其为能够将线偏振光和圆偏振光彼此转换的元件。可以充当λ/2板或λ/4板的延迟器在本领域中是公知的。例如，延迟器可以为聚合物拉伸膜或液晶聚合物膜。作为聚合物拉伸膜，例如，可以例示丙烯酸类膜、聚烯烃膜如聚乙烯膜或聚丙烯膜、环烯烃聚合物(COP)膜如聚降冰片烯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯腈膜、聚砜膜、聚乙烯醇膜或纤维素酯聚合物膜如TAC(三乙酰纤维素)膜，或者形成聚合物的单体中的两种或更多种单体的共聚物膜等。延迟器可以通过本领域中已知的方法适当地拉伸这样的膜来形成。另外，作为液晶聚合物膜，可以例示通过使已知的液晶膜(例如向列液晶或盘状液晶)取向并聚合而获得的膜。
在本领域中可以充当λ/2板或λ/4板的延迟器是已知的，并且可以在本申请中没有限制地使用这样的膜。
当应用延迟器时，延迟器可以定位在被反射式偏振镜反射到后向反射器的第二偏振光的光路之间。这样的情况的实例在图3中示出。
图3可以为其中反射式偏振镜(100)为如上所述的偏振分束器(PBS)、金属线栅起偏振器或双亮度增强膜的情况的实例。在这种情况下，第一偏振光和第二偏振光可以为偏振方向彼此垂直的线偏振光。图3的实例还包括延迟器(300)，其中延迟器(300)定位在被反射式偏振镜(100)反射到后向反射器(200)侧的第二偏振光(P2)的光路之间。此时，延迟器(300)可以为λ/4板。如从图中确定的，被反射式偏振镜(100)反射的第二偏振光(P2)首先入射在延迟器(300)上，从而被转换成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中的任一种偏振光。当如此转换的偏振光入射在后向反射器(200)上时，反射的偏振光变为旋转方向相反的偏振光，并且当偏振光再次入射在延迟器(300)上时，其被转换成偏振方向垂直于第二偏振光(P2)的第一偏振光(P1)，由此其可以透射过反射式偏振镜(100)。图3的情况也示出了非偏振光(NP)在透射过后向反射器(200)和延迟器(300)之后入射在反射式偏振镜(100)上的情况，但是非偏振光(NP)也可以入射在反射式偏振镜(100)上而没有穿过后向反射器(200)和延迟器(300)。此外，由于入射光(NP)为非偏振光，所以即使在光穿过延迟器(300)时，偏振状态也不受影响。
偏振转换元件还可以包括设置在透射过反射式偏振镜的第一偏振光可以入射的位置处的延迟器作为另外的配置。可能需要这样的延迟器，以便当最终透射过反射式偏振镜(100)的第一偏振光(P1)为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光中的任一种偏振光时(如在图2的实例中)，将这样的偏振光转换成线偏振光。延迟器可以为λ/4板，由此最终可以产生线偏振光。
当偏振转换元件还包括如上所述的延迟器时，相关延迟器的光轴可以根据入射在延迟器上的光来控制，使得所包括的延迟器可以执行适当的作用。
偏振转换元件还可以包括一个或更多个用于控制光路的光路控制器(400)，其中这样的光路控制器(400)可以例示为棱镜、反射板等。可以使用这样的光路控制器，例如用作用于使透射过反射式偏振镜的偏振光的行进方向一致的用途。例如，如图4所示，透射过反射式偏振镜(100)的第一偏振光可以包括具有彼此不同的行进方向的两种偏振光，其中光路控制器(400)可以定位在适当的位置处使得两种第一偏振光的行进方向可以一致。在这样的情况下，控制器(400)可以形成为以便使作为透射过反射式偏振镜(100)的两种或更多种光的具有彼此不同光路的两种或更多种光的路径一致。
除了上述配置外，偏振转换元件还可以包括附加的必要配置。这样的配置可以例示能够控制非偏振光的光路以便适当地入射在反射式偏振镜上的光路控制器等。例如，在上述情况下，光路控制器可以形成为使得非偏振入射光可以以大于0度且小于90度的角度进入反射式偏振镜。
本申请还涉及光学隔离装置。术语光学隔离装置可以意指被配置成使得以任一方向入射的光的透射率相对地大于以相反方向入射的光的透射率的装置。在光学隔离装置中，具有大的入射光透射率的方向可以称为正向，相反的方向可以称为反向。在此，正向和反向可以彼此形成约160度至200度的角度，但不限于此。
在光学隔离装置中，由根据以下方程式1的隔离比(isolation ratio，IR)，以正向入射的光的透射率与以反向入射的光的透射率之比可以为约3dB或更大。隔离比的上限没有特别限制，因为其表明数值越高，光学隔离效果越好。在一个实例中，隔离比可以为约10dB或更小、约9.5dB或更小、约9dB或更小、约8.5dB或更小、约8dB或更小、约7.5dB或更小、约7dB或更小、约6.5dB或更小、约6dB或更小、约5.5dB或更小、约5dB或更小、约4.5dB或更小、或者约4dB或更小。
[方程式1]
IR＝10×n×log(F/B)
在方程式1中，IR为隔离比，n为包括在光学隔离装置中的以下描述的光学隔离元件的数量，F(正向)为以正向入射在光学隔离装置上的光的透射率，B(反向)为以反向入射在光学隔离装置上的光的透射率。
光学隔离装置的以正向入射的光的透射率可以为约50％或更大、约55％或更大、约60％或更大、约65％或更大、约70％或更大、约75％或更大、约80％或更大、约85％或更大、约90％或更大、或者约95％或更大。正向透射率的上限可以为约100％。此外，光学隔离装置的以反向入射的光的透射率可以为小于约50％，可以为约45％或更小、约40％或更小、约35％或更小、约30％或更小、约25％或更小、约20％或更小、约15％或更小、约10％或更小、或者约5％或更小。反向透射率的下限可以为约0％。
光学隔离装置可以包括至少一个或更多个光学隔离元件。术语光学隔离元件为仅具有光学隔离功能的形成光学隔离装置的单元元件。因此，光学隔离元件也被配置成使得以正向入射的光的透射率相对地大于以反向入射的光的透射率，其中隔离比、正向透射率和反向透射率的范围可以通过在光学隔离装置中提及的内容等同地应用。
光学隔离元件可以包括偏振转换元件和起偏振器。如图5中示意性所示的，偏振转换元件(201)和起偏振器(202)可以定位成使得入射在偏振转换元件(201)侧的光可以透射过元件(201)，然后面向起偏振器(202)。在本说明书中，从偏振转换元件(201)面向起偏振器(202)的方向可以称为正向，朝向起偏振器(202)和偏振转换元件(201)的方向可以称为反向。
如上所述，偏振转换元件被配置成使得其可以将以第一方向入射的非偏振光转换成线偏振光并且将线偏振光向第二方向出射。即，参照偏振转换元件的说明，第一方向和第二方向可以平行于其中非偏振光入射在反射式偏振镜上的方向和/或最终透射过反射式偏振镜的第一偏振光的行进方向。在此，以第二方向出射的线偏振光可以为一种线偏振光。即，向第二方向出射的线偏振光可以不包括具有彼此不同的偏振方向的两种或更多种线偏振光。第一方向和第二方向可以为大致平行于正向的方向。
光学隔离元件包括起偏振器连同上述偏振转换元件，其中起偏振器被设置在以正向行进并透射过光学隔离元件的线偏振光可以进入的位置处。作为起偏振器，例如，可以使用吸收型线性起偏振器。吸收型线性起偏振器在本领域中是公知的，并且例如，可以使用所谓的PVA(聚乙烯醇)起偏振器。该吸收型起偏振器具有在一个方向上形成的透射轴和在垂直于透射轴的方向上形成的吸收轴，其中起偏振器可以被设置成使得透射轴平行于通过透射过偏振转换元件而产生的线偏振光的偏振方向。在这样的情况下，以正向入射并透射过偏振转换元件的光理论上可以100％透射，并且以反向透射的光的至少50％被吸收型线性起偏振器吸收和阻挡。
光学隔离元件还可以包括相位延迟板。在此，相位延迟板是具有与上述延迟器相同概念的光学元件，但是在本申请中，为了将其与包括在偏振转换元件中的延迟器区分开，将其称为相位延迟板。相位延迟板可以定位在以正向行进的光在透射过起偏振器之后进入的位置处。这样的相位延迟板可以解决在曾经以正向透射过光学隔离元件的光通过反射等再次朝向光学隔离元件行进时可能出现的问题。即，由于相位延迟板的存在而被反射的光将被转换成平行于吸收型起偏振器的吸收轴的线偏振光，从而被吸收回起偏振器。
在这种情况下，可以使用上述λ/4板作为相位延迟板。λ/4板的具体类型如上所述。
在这种情况下，相位延迟板可以被设置成使得其光轴(例如，慢轴)与吸收型起偏振器的透射轴形成在约40度至50度范围内例如约45度的角度，或者在130度至140度范围内例如约135度的角度。
除了包括在上述偏振转换元件中的那些之外，如有必要，光学隔离元件还可以包括可以另外地控制光路的光路控制器，例如棱镜或反射板。
光学隔离装置可以包括一个或两个或更多个如上所述的光学隔离元件。当包括两个或更多个光学隔离元件时，光学隔离元件各自可以被设置成使得沿正向透射过任一光学隔离元件的光可以进入另一光学隔离元件的偏振转换元件侧。通过如上所述应用复数个光学隔离元件，可以进一步提高光学隔离比。例如，参照图6，理论上，以正向透射过多个光学隔离元件的光没有损失地连续透射，但是在以反向透射的光的情况下，其以1/2的指数连续减小。因此，通过控制光学隔离元件的数量，可以使光学隔离比最大化。
有益效果
本申请提供了能够将非偏振入射光转换成一种偏振光的偏振转换元件和包括所述偏振转换元件的具有优异光学隔离比的光学隔离装置。这样的光学隔离装置可以应用于各种应用，例如光通信或激光光学领域、安全或隐私保护领域、显示器的亮度增强、或者用于隐藏和遮蔽的用途。
附图说明
图1为示意性地示出法拉第光学隔离器的图。
图2至图4为本申请的偏振转换元件的示意图。
图5为示出本申请的光学隔离元件的基本配置的图。
图6为示意性地示出其中包括多个光学隔离元件的情况的图。
具体实施方式
在下文中，将参照以下实施例和比较例对本申请进行详细描述，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
制造如图3中的类型的元件并且对其性能进行测试。在该过程中，使用线栅起偏振器作为反射式偏振镜(100)，应用反射式斜式百叶窗膜作为后向反射器(200)，以及使用来自Thorlabs的产品(WPQ05M-532)作为延迟器(300)。使来自Thorlabs的Genesis MX SLM激光器入射在如上所述的元件上(功率10mW)以测试该元件。以这种方式获得的正向透射率为约76％，反向透射率为约36％，隔离比(IR)为约3.2dB。

Claims (12)

1.一种光学隔离元件，
其中所述光学隔离元件包括顺序设置的偏振转换元件和起偏振器，
所述起偏振器是吸收型线性起偏振器，
其中所述偏振转换元件配置成将非偏振入射光转换成一种偏振光并使其出射，
其中所述偏振转换元件具有50％或更大的透射率，
其中所述偏振转换元件包括后向反射器和反射式偏振镜，
其中，在为彼此垂直模对的第一偏振光和第二偏振光中，所述第一偏振光通过所述反射式偏振镜，且所述第二偏振光被所述反射式偏振镜反射，
其中所述后向反射器定位在被所述反射式偏振镜反射的所述第二偏振光能够入射的位置处，
其中所述光学隔离元件还包括相位延迟板，所述相位延迟板位于从所述偏振转换元件产生并透射过所述起偏振器的光能够进入的位置处，
其中所述反射式偏振镜为偏振分束器、线栅起偏振器或双亮度增强膜，
其中被所述反射式偏振镜反射的所述第二偏振光为线偏振光，
其中所述相位延迟板为λ/4板，以及
所述相位延迟板被设置成使得其慢轴与所述起偏振器的透射轴形成在40度至50度范围内的任一角度或者在130度至140度范围内的任一角度。
2.根据权利要求1所述的光学隔离元件，其中所述一种偏振光为线偏振光或圆偏振光。
3.根据权利要求1所述的光学隔离元件，其中所述后向反射器为全息膜或反射式斜式百叶窗膜。
4.根据权利要求1所述的光学隔离元件，其中所述偏振转换元件还包括延迟器，所述延迟器定位在被所述反射式偏振镜反射至所述后向反射器的所述第二偏振光的光路中。
5.根据权利要求4所述的光学隔离元件，其中所述延迟器为λ/4板。
6.一种光学隔离元件，
其中所述光学隔离元件包括顺序设置的偏振转换元件和起偏振器，
所述起偏振器是吸收型线性起偏振器，
其中所述偏振转换元件配置成将非偏振入射光转换成一种偏振光并使其出射，
其中所述偏振转换元件具有50％或更大的透射率，
其中所述偏振转换元件包括后向反射器和反射式偏振镜，
其中，在为彼此垂直模对的第一偏振光和第二偏振光中，所述第一偏振光通过所述反射式偏振镜，且所述第二偏振光被所述反射式偏振镜反射，
其中所述后向反射器定位在被所述反射式偏振镜反射的所述第二偏振光能够入射的位置处，
其中所述光学隔离元件还包括相位延迟板，所述相位延迟板位于从所述偏振转换元件产生并透射过所述起偏振器的光能够进入的位置处，
其中所述反射式偏振镜为胆甾醇型液晶膜，
其中在通过所述反射式偏振镜反射至所述后向反射器的所述第二偏振光的光路中未设置有延迟器，
其中所述相位延迟板为λ/4板，以及
所述相位延迟板被设置成使得其慢轴与所述起偏振器的透射轴形成在40度至50度范围内的任一角度或者在130度至140度范围内的任一角度。
7.根据权利要求6所述的光学隔离元件，其中所述偏振转换元件还包括延迟器，所述延迟器位于透射过所述反射式偏振镜的所述第一偏振光能够入射的位置处。
8.根据权利要求7所述的光学隔离元件，其中所述反射式偏振镜为胆甾醇型液晶膜以及所述延迟器为λ/4板。
9.根据权利要求1或6所述的光学隔离元件，其中所述偏振转换元件还包括光路控制器，执行所述光路控制器使得入射光能够以大于0度且小于90度的角度进入所述反射式偏振镜。
10.根据权利要求1或6所述的光学隔离元件，其中所述偏振转换元件还包括光路控制器，所述光路控制器形成为以便使作为透射过所述反射式偏振镜的两种或更多种光的具有彼此不同光路的两种或更多种光的光路一致。
11.一种光学隔离装置，包括两个或更多个根据权利要求1或6所述的光学隔离元件，
其中所述两个或更多个光学隔离元件设置成使得沿着从所述偏振转换元件至所述起偏振器的方向传输通过任意一个光学隔离元件的光入射到另一个光学隔离元件的偏振转换元件的一侧上。
12.根据权利要求11所述的光学隔离装置，其中所述偏振转换元件产生一种线偏振光。
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