CN115903250B - 石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器 - Google Patents

Abstract

一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，本发明属于偏振光学与信息光学交叉技术领域。其特征是它使用光学石英晶体制作而成，左、右边是两个通光面形状相同而厚度不同的平行平镜，左端平行平镜的晶体光轴垂直于通光端面，右端平行平镜的晶体光轴在通光端面内；左、右两部分的通光面均为经光学抛光的光学面；所述左右两部分通过光胶的方式，或者通过与石英晶体的折射率相近的光学胶胶合的方式合成一个整体，光由左端入射右端出射。

Description

石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器

技术领域

本发明属于偏振光学与信息光学交叉技术领域，涉及一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器及设计方法。

背景技术

在现代光学精密测量中，往往由于光的偏振特性与光探测器具有的偏振灵敏性而产生显著的测量误差，消除这种影响非常有效的方法是在探测器前面使用退偏器。退偏器还广泛地应用于天文学仪器、激光全息、计量仪器以及农业育种等某些科学研究中。

按实现方式，退偏器可以分为漫反射型、散射型、旋光型、双折射型；按光源频率，可分为复色光退偏器、单色光退偏器和准单色光退偏器；按退偏器工作原理，可以分为时域、频域及空域退偏三大类。时域退偏是让光的偏振态随时间产生足够快的周期变化以致检测的平均效果为退偏；频域退偏是不同频率的偏振光经退偏器后转化为大量不同偏振态的集合，其总体的平均效果达到退偏；空域退偏是指从退偏器透射光的偏振态随空间位置连续周期变化，其对空间的平均效果为退偏。

双折射型与旋光型退偏器属于频域与空域退偏的范畴，其中针对复色光的设计属于频域退偏器。单元结构的双折射型复色光退偏器是一个晶体光轴在通光面上的平行平镜，其退偏效果是与入射线偏振光的振动方向密切相关，若要获得好的退偏效果，则必须校正入射线偏振光的振动方向与退偏器的晶体光轴成45度，因此称其为是与偏振相关退偏器，这对于退偏器的使用极为不便。两元结构双折射复色光退偏器的设计使得两个平行平镜的晶体光轴互成45度，其中一个的厚度是另一个的倍数，在使用中不需校正入射线偏振光的振动方向，因此称其为偏振无关型退偏器。但是，两个平行平镜的晶体光轴互成45度的精度对器件的退偏性能是有影响的。虽然旋光型复色光退偏器是与入射线偏振光的振动方向无关的，但是受到晶体旋光色散非线性的影响，器件的退偏性能不如双折射型更为优越。

光学石英晶体人工生长技术已经非常成熟，价格较低，且大尺寸的晶体不断创新，这为制作大口径、低成本的偏振无关复色光退偏器提供了可能。

发明内容

本发明提供了一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，它是利用光学级石英晶体设计、制作而成。光由产生旋光的一端入射，起到与入射偏振光的振动方向无关的作用，光由产生双折射的一端出射，起到退偏的作用。

一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器如图1所示，其特征是它使用光学石英晶体制作而成，左、右边是两个通光面形状相同而厚度不同的平行平镜，通光面可以设计成圆形、正方形或者长方形；左端平行平镜的晶体光轴垂直于通光端面，右端平行平镜的晶体光轴在通光端面内；左、右两部分的通光面均为经光学抛光的光学面；所述左右两部分两部分通过光胶的方式，或者通过与石英晶体的折射率相近的光学胶胶合的方式合成一个整体，光由左端入射右端出射。

石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，左、右两部分厚度的确定方法如下：

(1)确定设计针对的复色光光谱范围Δλ＝λ₂～λ₁，λ₁表示这一光谱范围的最短波长，λ₂表示最长波长；

(2)入射端的厚度h_x由下式给出：

h_x＝nπ/2(α₁-α₂) n取自然数1，2，3------ (1)

式中α₁、α₂是设计针对的复色光最短波长、最长波长对应的石英晶体的旋光系数。石英晶体的旋光系数是波长的函数，由下式给出：

α(λ)＝9.5639/(λ²-0.0127493) -2.3113/(λ²-0.000974) -0.1905 (2)

式中波长λ的单位为μm；

(3)出射端的厚度h_y由下式给出：

h_y＝nλ₁λ₂/2[(n_e1-n_o1)λ₂-(n_e2-n_o2)λ₁] n取自然数1，2，3------ (3)

式中n_e1、n_o1是最短波长λ₁处石英晶体中e、o光波的主折射率，n_e2、n_o2是最长波长λ₂处石英晶体中e、o光波的主折射率；它们是波长λ的函数，λ的单位为μm。石英晶体的分波段色散方程为：

0.185～0.390μm

n_e(λ)＝2.38621+0.010865/(λ²-0.0111134)-0.0181138λ²

n_o(λ)＝2.25494+0.0207378/(λ²+0.0088046)+0.305607λ² (4)

0.390～2.300μm

n_e(λ)＝2.382961057+0.011626948/(λ²-0.004043484)-0.011344777λ²

n_o(λ)＝2.356851064+0.010727542/(λ²-0.009835836)-0.011416499λ² (5)

本发明的有益效果是：入射端晶体光轴垂直于入射端面，入射的复色偏振光主振动方向依其频率的变化而产生连续旋转，在该退偏器中起到与入射偏振光的振动方向无关的作用；出射端平行平镜的晶体光轴在入射端面内，入射的复色偏振光依其频率的变化而产生相位延迟量的连续变化，起到测量上的退偏作用。

本发明采用光胶可适用于深紫外光谱区。

附图说明

图1为石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器结构的立体图，图2为石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器结构的截面图，图中双箭头表示晶体的光轴方向。

为了更加清楚的说明石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器的设计方法与过程，下面给出几个设计实例。

实施例1

如图1所示，一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，其特征是它使用光学石英晶体制作而成，左、右边是两个通光面形状相同而厚度不同的平行平镜，通光面可以设计成圆形、正方形或者长方形；左端平行平镜的晶体光轴垂直于通光端面，右端平行平镜的晶体光轴在通光端面内；左、右两部分的通光面均为经光学抛光的光学面；所述左右两部分两部分通过光胶的方式，或者通过与石英晶体的折射率相近的光学胶胶合的方式合成一个整体，光由左端入射右端出射。

石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，左、右两部分厚度的确定方法如下：

(1)确定设计针对的复色光光谱范围Δλ＝λ₂～λ₁，λ₁表示这一光谱范围的最短波长，λ₂表示最长波长；

(2)入射端的厚度h_x由下式给出：

h_x＝nπ/2(α₁-α₂) n取自然数1，2，3------ (1)

式中α₁、α₂是设计针对的复色光最短波长、最长波长对应的石英晶体的旋光系数。石英晶体的旋光系数是波长的函数，由下式给出：

α(λ)＝9.5639/(λ²-0.0127493)-2.3113/(λ²-0.000974)-0.1905 (2)

式中波长λ的单位为μm；

(3)出射端的厚度h_y由下式给出：

h_y＝nλ₁λ₂/2[(n_e1-n_o1)λ₂-(n_e2-n_o2)λ₁] n取自然数1，2，3------ (3)

式中n_e1、n_o1是最短波长λ₁处石英晶体中e、o光波的主折射率，n_e2、n_o2是最长波长λ₂处石英晶体中e、o光波的主折射率；它们是波长λ的函数，λ的单位为μm。石英晶体的分波段色散方程为：

0.185～0.390μm

n_e(λ)＝2.38621+0.010865/(λ²-0.0111134)-0.0181138λ²

n_o(λ)＝2.25494+0.0207378/(λ²+0.0088046)+0.305607λ² (4)

0.390～2.300μm

n_e(λ)＝2.382961057+0.011626948/(λ²-0.004043484)-0.011344777λ²

n_o(λ)＝2.356851064+0.010727542/(λ²-0.009835836)-0.011416499λ² (5)

设计针对的复色光光谱带宽Δλ＝0.1μm，最短波长λ₁＝0.2μm，最长波长λ₂＝0.3μm，两平行平镜采用光胶胶合成一个整体，左、右两部分具体厚度的确定如下：

1)由(2)式计算得到最短波长λ₁＝0.2μm与最长波长λ₂＝0.3μm石英晶体的

旋光系数为：α₁＝291.545°/mm，α₂＝97.651°/mm，将此代入(1)式得到的n＝1，2，3，4，5，6时对应的入射端的厚度h_x如下表所示：

n	1	2	3	4	5	6
							hx(mm)	0.464	0.928	1.392	1.856	2.320	2.785

实际制作中可以根据通光面的大小从上表中选取合适的加工厚度。

2)由(4)式计算得到最短波长λ₁＝0.2μm与最长波长λ₂＝0.3μm石英晶体e、

o光波的主折射率n_e1＝1.66181，n_o1＝1.64076，n_e2＝1.58818，n_o2＝1.57871，将此代入(3)式得到的n＝1，2，3，4时对应的出射端的厚度h_y如下表所示：

n	1	2	3	4
					hy(mm)	6.786	13.572	20.358	27.144

建议取h_y＝6.786mm。

实施例2

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于设计针对的复色光光谱带宽Δλ＝0.2μm，最短波长λ₁＝0.2μm，最长波长λ₂＝0.4μm，左、右两部分具体厚度的确定如下：

1)由(2)式计算得到最短波长λ₁＝0.2μm与最长波长λ₂＝0.4μm石英晶体的旋光系数为：α₁＝291.545°/mm，α₂＝50.225°/mm，将此代入(1)式得到的n＝1，2，3，4，5，6时对应的入射端的厚度h_x如下表所示：

n	1	2	3	4	5	6
							hx(mm)	0.373	0.746	1.119	1.492	1.865	2.238

实际制作中可以根据通光面的大小从上表中选取合适的加工厚度。

2)由(4)和(5)式分别计算得到最短波长λ₁＝0.2μm与最长波长λ₂＝0.4μm石英晶体e、o光波的主折射率n_e1＝1.66181，n_o1＝1.64076，n_e2＝1.56707，n_o2＝1.55771，将此代入(3)式得到的n＝1，2，3，4时对应的出射端的厚度h_y如下表所示：

n	1	2	3	4
					hy(mm)	6.109	12.217	18.326	24.435

建议取h_y＝6.109mm或h_y＝12.217mm。

实施例3

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于设计针对的复色光光谱带宽Δλ＝0.36μm，最短波长λ₁＝0.40μm，最长波长λ₂＝0.76μm，两平行平镜采用光胶方式或者使用光学胶胶合成一个整体。左、右两部分具体厚度的确定如下：

1)由(2)式计算得最短波长λ₁＝0.4μm与最长波长λ₂＝0.76μm石英晶体的旋光系数为：α₁＝50.225°/mm，α₂＝12.733°/mm，将此代入(1)式得到的n＝1，2，3，4时对应的入射端的厚度h_x如下表所示：

n	1	2	3	4
					hx(mm)	2.401	4.802	7.203	9.604

实际制作中可以根据通光面的大小从上表中选取合适的加工厚度。

2)由(5)式计算得最短波长λ₁＝0.40μm与最长波长λ₂＝0.76μm石英晶体e、o光波的主折射率n_e1＝1.56707，n_o1＝1.55771，n_e2＝1.54812，n_o2＝1.53920，将此代入(3)式得到的n＝1时对应的出射端的厚度h_y＝42.870mm。

实施例4

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于设计针对的复色光光谱带宽Δλ＝0.5μm，最短波长λ₁＝0.70μm，最长波长λ₂＝1.20μm，两平行平镜采用光胶方式或者使用光学胶胶合成一个整体。左、右两部分具体厚度的确定如下：

1)由(2)式计算得最短波长λ₁＝0.70μm与最长波长λ₂＝1.20μm石英晶体的旋光系数为：α₁＝18.719°/mm，α₂＝3.184°/mm，将此代入(1)式得到的n＝1，2，3，4时对应的入射端的厚度h_x如下表所示：

n	1	2	3	4
					hx(mm)	5.793	11.587	17.380	23.173

建议取h_x＝5.793mm或者取h_x＝11.587。

2)由(5)式计算得最短波长λ₁＝0.70μm与最长波长λ₂＝1.20μm石英晶体e、o光波的主折射率n_e1＝1.56707，n_o1＝1.55771，n_e2＝1.54812，n_o2＝1.53920，将此代入(3)式得到的n＝1时对应的出射端的厚度h_y＝90.129mm。

Claims (2)

1.一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，其特征是它使用光学石英晶体制作而成，左、右两部分是两个通光面形状相同而厚度不同的平行平镜，通光面可以设计成圆形、正方形或者长方形；左端平行平镜的晶体光轴垂直于通光端面，右端平行平镜的晶体光轴在通光端面内；左、右两部分的通光面均为经光学抛光的光学面；所述左右两部分通过光胶的方式，或者通过与石英晶体的折射率相近的光学胶胶合的方式合成一个整体，光由左端入射右端出射。

2.根据权利要求1所述的一种石英晶体旋光与双折射偏振无关复色光退偏器，左、右两部分厚度的确定方法如下：

确定设计针对的复色光光谱范围Δλ＝λ₂～λ₁，λ₁表示这一光谱范围的最短波长，λ₂表示最长波长；

左部分石英晶体的厚度h_x由下式给出：

h_x＝nπ/2(α₁-α₂)n取自然数1，2，3，……

式中α₁、α₂是设计针对的复色光最短波长、最长波长对应的石英晶体的旋光系数。石英晶体的旋光系数是波长的函数；

右部分石英晶体的厚度h_y由下式给出：

h_y＝nλ₁λ₂/2[(n_e1-n_o1)λ₂-(n_e2-n_o2)λ₁]n取自然数1，2，3，……

式中n_e1、n_o1是最短波长λ₁处石英晶体中e、o光波的主折射率，n_e2、n_o2是最长波长λ₂处石英晶体中e、o光波的主折射率。