CN110927984A - 一种可调的横向错位激光分束/合束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调的横向错位激光分/合束器，属于光学元器件与光学仪器领域。该分束/合束器可以实现单色或宽带光横向错位的两路相同或垂直偏振取向的线偏振光平行出射分束，或实现两路相同或垂直偏振取向且横向错位的线偏振平行光束的相干合束。该分束/合束器的两路光路的能量比可以实现任意调节，且两光路之间的相位延迟可以任意调节。此外，两光路之间的横向错位距离也可以在一定范围内任意调节。这种灵活可调的光学分束/合束器在光学相干检测、光学全息、复杂偏振光场控制等方面具有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型光学分束/合束器件，特别是一种可调的横向错位激光分束/合束器，属于光学元件与光学仪器技术领域。
背景技术
光学分束器是一种重要的基础光学元器件。光学分束器一般是通过在玻璃基底界面镀有特殊设计的膜层，从而实现部分光能反射，部分光能透射。一般光学分束器如典型的立体分光棱镜其分束之后的两束光传播方向相互垂直，且其分束比固定不可调。此外，通过亚波长人工微结构也能够实现偏振无关或偏振分束，其分束之后两束光成一定的夹角。其中，典型的结构是采用亚波长光栅在利特罗条件下能够实现极高效率的1×2分束，然而，这种结构一般是利用其0级和-1级，因而对于宽带光来讲其0级没有色散而-1级有强烈色散，因而难以实现宽带1×2分束。此外，这种分束器其结构固定，其分束比也是固定。
光学分束/合束是很多光学技术的基础与核心技术，包括光学全息、光学相干测量/检测、复杂偏振光场产生与调控等。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：一般偏振无关光学分束器只能实现特定能量比的光学分束，而偏振分束器结合1/2波片虽然能分束比调节，但其分束光路相互垂直，且偏振态相互正交。本发明提供一种可调的横向错位光学分束/合束器，能够实现同时出射的分束光束具有一定横向错位的两路具有相同或垂直偏振的平行光束，一方面两路分束比可任意调节，另一方面横向错位的位移量也可以在一定范围内任意调节。
本发明的技术解决方案如下：
一种可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，包括1/2波片、光学棱镜粘合体、1/4波片和回光元件；
所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜和梯形棱镜，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述梯形棱镜的两个斜面与底面夹角均为45度，与顶面夹角均为135度；所述第一直角棱镜的斜面与梯形棱镜一个斜面之间镀有偏振分束膜层，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
或者，所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述第二直角棱镜的两个直角面与斜面夹角均为45度；所述的第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜一个直角面之间镀有偏振分束膜层，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
所述的光学棱镜粘合体的特点在于偏振分束膜层所在的面与第二直角棱镜的另一个直角面或梯形棱镜的另外一个斜面垂直，从而实现偏振分束后的垂直偏振分量与水平偏振分量两路光平行传播且方向相反，且两路光横向有一定的错位距离；
任意偏振方向的线偏振的激光经1/2波片入射到光学棱镜粘合体，其中水平偏振分量透过偏振分束膜层进入第二直角棱镜或者梯形棱镜，并反射形成第一束分束光，垂直偏振分量经振分束膜层反射后，经所述的1/4波片射入回光元件，经该回光元件反射后，沿入射光路平行方向返回，再次经过1/4波片然后依次第一直角棱镜、偏振分束膜层、第二直角棱镜直角面和斜面或者梯形棱镜斜面和底面出射，形成第二束分束光；
或者，两束平行的水平偏振激光从底面入射到光学棱镜粘合体，其中第一束激光经过底面入射到第二直角棱镜的直角面或者梯形棱镜的斜面，反射后透过偏振分束膜层并依次经过第一直角棱镜的直角面和1/2波片出射，第二束激光经过第二直角棱镜的斜面或梯形棱镜的底面并经过1/4波片入射到回光元件，经过回光元件的光沿入射光路平行方向返回，再次经过1/4波片并通过偏振分束膜层反射，然后依次经过第一直角棱镜的直角面和1/2波片出射，两束出射光相干合束形成合束激光。
所述的1/2波片可以实现360度旋转调节，从而实现两路横向错位分束光束之间的能量比任意调节。
所述的偏振分束膜层所在的面与第二直角棱镜的另一个直角面或梯形棱镜的另外一个斜面垂直，从而实现偏振分束后的垂直偏振分量与水平偏振分量两路光平行传播且方向相反，且两路光横向有一定的错位距离。
所述的1/4波片的快轴方向与垂直方向呈45度夹角。
所述的回光元件是金属反射镜，如镀铝或镀金，也可以是针对激光波长的介质反射镜，还可以是直角棱镜。
所述的回光元件与光学棱镜粘合体顶面之间的距离可以在一定范围内调节，从而实现两路分束光路相位延迟的任意调节。
所述的回光元件安装在一维线性压电陶瓷驱动器上。
所述的光学棱镜粘合体安装在一个二维移动平台上，可以实现光学棱镜粘合体沿两个垂直方向水平调节，从而实现两路分束光之间横向错位距离一定范围内的任意调节。
所述第二直角棱镜的直角边长是第一直角棱镜的直角边长的
倍，且第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的直角面尺寸相等。
所述梯形棱镜的斜面尺寸与第一直角棱镜的斜面尺寸相等。
当所述回光元件选为反射镜时，两路分光光束的波面相对横向翻转；当所述的回光元件选为直角棱镜时，两路分光光束的波面相对取向一致。
另一方面，本发明还提供了一种可调的横向错位激光分/合束器，其特点在于，包括1/2波片、光学棱镜粘合体和回光元件；
所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜和梯形棱镜，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述梯形棱镜的两个斜面与底面夹角均为45度，与顶面夹角均为135度；所述第一直角棱镜的斜面与梯形棱镜一个斜面之间镀有偏振分束膜层，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
任意偏振方向的线偏振的激光经1/2波片入射光学棱镜粘合体，其中水平偏振分量透过偏振分束膜层进入梯形棱镜，并反射形成第一束分束光，垂直偏振分量经振分束膜层反射后，入射回光元件，经该回光元件反射后，沿入射光路平行方向返回，经梯形棱镜的顶面和底面出射，形成第二束分束光。
或者，两束平行的水平偏振激光从底面入射到光学棱镜粘合体，其中第一束激光经过底面入射到梯形棱镜的斜面，反射后透过偏振分束膜层并依次经过第一直角棱镜的直角面和1/2波片出射，第二束激光依次经过梯形棱镜的底面和顶面入射到回光元件，经过回光元件的光沿入射光路平行方向返回，经过第一直角棱镜的直角面到达偏振分束膜层，经过该偏振分束膜层反射，然后依次经过第一直角棱镜另一个直角面和1/2波片出射，两束出射光相干合束形成合束激光。
当这种分束器用于合束时，需要保证平行入射的两路光之间的横向错位距离在该分束器的横向距离调节范围内，且需要保证两路光的偏振方向为水平方向。通过调节Y轴方向的横向位移，即可实现两路横向错位的光束共光路合束，合束光的偏振取向可以通过调节两路入射光的能量比和和相对相位延迟来实现调节。
本发明的技术效果
能够实现同时出射的分束光束横向错位的两路平行光束，且两路分束比可任意调节，横向错位的位移量也可以在一定范围内任意调节，因而这种可调的横向错位光学分束/合束器对于很多光学系统构造和调节具有极大便利。
附图说明：
图1一种可调的横向错位激光分束/合束器原理示意图；
图2直角棱镜102示意图及三视图。
图3梯形棱镜104示意图及三视图。
图4棱镜粘合体的两种优选的实施方式示意图，其中(a)第一直角棱镜102、偏振分束膜层103、梯形棱镜104粘合示意图；(b)第一直角棱镜102、偏振分束膜层103、第二直角棱镜107粘合示意图。
图5可调横向错位激光分束/合束器六种典型实施方式，其中(甲)光学棱镜粘合体选用直角棱镜与梯形棱镜粘合、回光元件选用反射镜，实现两路横向错位、相同偏振光路输出；(乙)光学棱镜粘合体选用直角棱镜与梯形棱镜粘合、回光元件选用直角棱镜，两路横向错位、相同偏振光路输出；(丙)光学棱镜粘合体选用直角棱镜与直角棱镜粘合、回光元件选用反射镜，实现两路横向错位、相同偏振光路输出；(丁)光学棱镜粘合体选用直角棱镜与梯形棱镜粘合、回光元件选用直角棱镜，两路横向错位、垂直偏振光路输出；
图中：101—1/2波片；102—第一直角棱镜；103—偏振分束膜层；104—梯形棱镜；105—1/4波片；106—回光元件；107-第二直角棱镜。
具体实施方式
请参阅附图1，可调的横向错位激光分束/合束器主要包括一个1/2波片101、1/4波片105、回光元件106、直角棱镜102、梯形棱镜104及两个棱镜之间的镀有偏振分束膜层103。所述的直角棱镜102的直角边边长为a，斜边与直角边的夹角均为45度，其中，斜面A为镀膜粘合面(图2)。所述的梯形棱镜上边长度为b，底边长度为2a+b，两个斜边与底边的夹角均为45度，斜面B为镀膜粘合面(图3)，且当上边长b＝0时，该梯形棱镜退化为直角棱镜。所述的偏振分束膜层103可以是针对单色激光的高消光比偏振分束膜层，也可以是针对一定谱宽范围内的宽带偏振分束膜层。所述的回光元件106可以是普通镀铝反射镜，也可以是直角棱镜。如图1所示，一束任意偏振方向的线偏振的激光沿着图中Y轴方向从1/2波片处入射进入该光学棱镜粘合体，透过1/2波片的激光偏振分布为
其中，α为入射线偏振光的偏振方向与水平方向的夹角，θ为1/2波片主轴方向与水平方向的夹角，其中，1/2波片的琼斯矩阵为
将(2)式代入(1)，得到
经过1/2波片的激光进入直角棱镜入射到偏振分束膜层，其中水平偏振分量透过偏振分束膜层进入梯形棱镜，其偏振分布为
垂直偏振分量经过偏振分束膜层反射沿负Z轴方向传播，其偏振分布为
水平偏振分量到达梯形棱镜45度斜面，发生全内反射传播方向偏转90度，沿Z轴方向传播并从梯形棱镜底面出射，形成分束器第一束分束光，即
另一束光为垂直偏振分量沿负Z轴传播达到1/4波片，该1/4波片主轴方向与偏振方向呈45度角，则出射光场为
该出射光场经过回光元件106，其传播方向反向，并再次经过1/4波片，此时出射光场为
E3＝J1/4(3π/4)JRE1， (8)
其中，1/4波片琼斯矩阵为
镜面反射的琼斯矩阵为
代入(7)式，得到
即出射光场也是水平偏振，此为分束器的另外一路出射光。这说明经过这种分束器实现的横向错位的两路激光的偏振方向一致，两路光的能量比为
通过调节1/2波片的取向，即(12)式中θ角，我们可以实现两路分束光之间的能量比。
一个简单的例子，当入射的线偏振光为水平偏振光，即α＝0，则两路光的分束比可以简化为，
这说明可以通过调节1/2波片的取向，实现两路分束比从0到无穷大的任意调节。
此外，通过调节入射光束的入射位置，可以实现两束平行出射的分束光之间的横向位移一定范围内的任意调节。基于附图1的结构，以梯形棱镜上边为参考零点，当入射光距离上边距离为ax时，两束出射分束光中心之间的距离为，
d＝2ax,0＜x＜1. (14)
假设入射光束的半径为r，则两束出射光之间的横向错位距离调节范围为d∈[2r+b,2(a-r)+b]. (15)
在实际中，各种光学元件都有一定的通光孔径，假设直角棱镜102及梯形棱镜104及膜层103的有效通光孔径比例为β，则实际两束分光光束之间的横向错位距离调节范围为d∈[2(r+a(1-β))+b,2(βa-r)+b]. (16)
此外，这种可调的横向错位分束器还可以通过将普通反射镜106替换为直角棱镜，或将梯形棱镜104替换为直角棱镜107(图4)，从而实现如图5所示多种实施方式。
图5中四种实施方式，上述分析即针对实施方式甲，对于其他三种实施方式，实施方式乙、丁对应的两束分光光束之间的横向错位距离调节范围为d∈[2(r+a(1-β))+b-e,2(βa-r)+b-e]. (17)
实施方式丙对应的两束分光光束之间的横向错位距离调节范围为d∈[2(r+a(1-β)),2(βa-r)]. (18)
此外，实施方式甲和丙会导致两路分束光波前相对水平翻转，实施方式乙、丁两路分束光波前取向一致。这种波前的水平翻转在某些应用场合有重要的应用需求，如复杂偏振光合成和横向剪切干涉仪等。
当这种分束器用于合束时，需要保证入射两路光之间的横向错位距离在该分束器的横向距离调节范围内，且需要保证两路光的偏振方向为水平方向。通过调节Y轴方向的横向位移，即可实现两路横向错位的光束共光路合束。合束光的偏振取向与两路入射光的能量比和相位延迟均有关。
实施例：
以下针对实施方案甲为例，提出一种可调横向错位激光分束/合束器的具体实施方案。
假设所针对的激光器工作波长为532纳米，直角棱镜102及梯形棱镜104的基底材料选用融石英，其折射率为1.4607(针对工作波长532纳米)。直角棱镜102与梯形棱镜粘合104的斜面上镀有高低折射率交替的偏振分束膜层103。在直角棱镜入射面前通过旋转偏振片镜架装有1/2波片101，其快轴方向可以实现360度调节。入射光经过1/2波片再经过偏振分束膜层，垂直偏振分量经过膜层反射实现90度偏转，入射到1/4波片105，1/4波片的快轴方向与偏振方向呈45度。透过1/4波片的光经过反射镜106反射原路返回再次经过1/4波片，其偏振方向变成水平偏振，从而透过偏振分束膜层并经过梯形棱镜底面出射。经过偏振分束膜层的另一路光为水平偏振光，其透过偏振膜层并在梯形棱镜内传播到达梯形棱镜另外一个斜面，此时入射角为45度，大于全内反射角(43.2度)因而反射全反射，从梯形棱镜底面出射，因而形成两路平行且偏振方向相同的水平错位光束。
此外，反射镜106安装在一个沿Y轴方向的一位移动平台上，可以实现反射镜106与直角棱镜102之间相对距离的调节。当这个距离满足条件2c+λ/2＝1.4607b时，两路分束光之间严格等光程。因而，通过调节反射镜106与直角棱镜102之间相对距离可实现两路光程差动态调节，这对光学全息、相干检测等应用场合都具有重要的实用价值。
以上所述可调横向错位激光分束/合束器仅表达了本发明的一种具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节和代表性装置做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
综上所述，本发明提出了一种可调横向错位激光分束/合束器，可广泛应用于各种光学相干检测、光学全息、复杂光场调控等领域。
Claims (11)
1.一种可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，包括1/2波片(101)、光学棱镜粘合体、1/4波片(105)和回光元件(106)；
所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜(102)和梯形棱镜(104)，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述梯形棱镜的两个斜面与底面夹角均为45度，与顶面夹角均为135度；所述第一直角棱镜的斜面与梯形棱镜一个斜面之间镀有偏振分束膜层(103)，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
或者，所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜(102)和第二直角棱镜(107)，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述第二直角棱镜的两个直角面与斜面夹角均为45度；所述的第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜一个直角面之间镀有偏振分束膜层(103)，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
任意偏振方向的线偏振的激光经1/2波片(101)入射到光学棱镜粘合体，其中水平偏振分量透过偏振分束膜层(103)进入第二直角棱镜(107)或者梯形棱镜(104)，并反射形成第一束分束光，垂直偏振分量经振分束膜层(103)反射后，经所述的1/4波片(105)射入回光元件(106)，经该回光元件(106)反射后，沿入射光路平行方向返回，再次经过1/4波片然后依次经过第一直角棱镜、偏振分束膜层、第二直角棱镜(107)直角面和斜面或者依次经过梯形棱镜(104)斜面和底面出射，形成第二束分束光；
或者，两束平行的水平偏振激光从底面入射到光学棱镜粘合体，其中第一束激光经过底面入射到第二直角棱镜(107)的直角面或者梯形棱镜(104)的斜面，反射后透过偏振分束膜层(103)并依次经过第一直角棱镜(102)的直角面和1/2波片(101)出射，第二束激光经过第二直角棱镜(107)的斜面或梯形棱镜(104)的底面并经过1/4波片(105)入射到回光元件(106)，经过回光元件的光沿入射光路平行方向返回，再次经过1/4波片并通过偏振分束膜层(103)反射，然后依次经过第一直角棱镜(102)的直角面和1/2波片(101)出射，两路出射光相干合束形成合束激光。
2.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的1/2波片(101)可以实现360度旋转调节，从而实现两路横向错位分束光束之间的能量比任意调节。
3.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的偏振分束膜层(103)所在的面与第二直角棱镜(107)的另一个直角面或梯形棱镜(104)的另外一个斜面垂直，从而实现偏振分束后的垂直偏振分量与水平偏振分量两路光平行传播且方向相反，且两路光横向有一定的错位距离。
4.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的1/4波片(105)的快轴方向与垂直方向呈45度夹角。
5.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的回光元件(106)是金属反射镜，如镀铝或镀金，也可以是针对激光波长的介质反射镜，还可以是直角棱镜。
6.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的回光元件(106)与光学棱镜粘合体顶面之间的距离可以在一定范围内调节，从而实现两路分束光路相位延迟的任意调节。
7.根据权利要求6所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的回光元件(106)安装在一维线性压电陶瓷驱动器上。
8.根据权利要求1或7所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述的光学棱镜粘合体安装在一个二维移动平台上，可以实现光学棱镜粘合体沿两个垂直方向水平调节，从而实现两路分束光之间横向错位距离一定范围内的任意调节。
9.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述第二直角棱镜(107)的直角边长是第一直角棱镜(102)的直角边长的
倍，且第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的直角面尺寸相等。
10.根据权利要求1所述的可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，所述梯形棱镜(104)的斜面尺寸与第一直角棱镜(102)的斜面尺寸相等。
11.一种可调的横向错位激光分/合束器，其特征在于，包括1/2波片(101)、光学棱镜粘合体和回光元件(106)；
所述的光学棱镜粘合体包括第一直角棱镜(102)和梯形棱镜(104)，所述第一直角棱镜的斜面与两个直角面夹角均为45度；所述梯形棱镜的两个斜面与底面夹角均为45度，与顶面夹角均为135度；所述第一直角棱镜的斜面与梯形棱镜一个斜面之间镀有偏振分束膜层(103)，并通过这两个面粘合而成所述的光学棱镜粘合体；
任意偏振方向的线偏振的激光经1/2波片(101)入射光学棱镜粘合体，其中水平偏振分量透过偏振分束膜层(103)进入梯形棱镜(104)，并反射形成第一束分束光，垂直偏振分量经振分束膜层(103)反射后，入射回光元件(106)，经该回光元件(106)反射后，沿入射光路平行方向返回，经梯形棱镜(104)的顶面和底面出射，形成第二束分束光。
或者，两束平行的相互垂直的偏振激光从底面入射到光学棱镜粘合体，其中水平偏振激光经过底面入射到梯形棱镜(104)的斜面，反射后透过偏振分束膜层(103)并依次经过第一直角棱镜(102)的直角面和1/2波片(101)出射；垂直偏振激光依次经过梯形棱镜(104)的底面和顶面入射到回光元件(106)，经过回光元件的光沿入射光路平行方向返回，经过第一直角棱镜(102)的直角面到达偏振分束膜层(103)，经过该偏振分束膜层反射，然后依次经过第一直角棱镜(102)另一个直角面和1/2波片(101)出射，两束出射光相干合束形成合束激光。
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