一种带参考光窗口的转向分束偏光棱镜的制作方法

本发明属于光学元件的结构设计和材料选用领域，特别涉及到一种冰洲石与玻璃组合的带参考光窗口的转向分束偏光棱镜。

背景技术：

随着偏振光学的发展，尤其是偏振检测技术的迅速发展，偏光棱镜一直是人们关注的对象，它是光路起偏、检偏的核心器件，主要起到偏振分光、检偏的作用，是各种光学偏振检测设备的关键元器件之一。因为冰洲石晶体的双折射率较大，所以目前一般采用冰洲石晶体制作偏光棱镜，但是天然的光学级冰洲石晶体资源日渐枯竭，而冰洲石晶体的人工生长技术至今尚未取得突破，因此，寻找替代晶体或者改进设计降低单只棱镜中冰洲石晶体材料的消耗，以及提高单只棱镜的功能集成，就成为研究热点。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的目的在于通过新的棱镜结构设计和材料选择，采用冰洲石晶体和玻璃组合的方法，设计冰洲石与玻璃组合的带参考光窗口的转向分束偏光棱镜，使棱镜同时具备将光束90°转向和偏振分束功能，而且提供可用于光源状态监控的第三束出射参考光，实现单只组合棱镜的多功能集成，同时降低冰洲石晶体材料的消耗。

h-qk3l玻璃为光学玻璃，是一种光学窗口材料，h-qk3l为光学领域根据国标gb/t903对该玻璃的公认编号，为h代表环保型无铅、砷、镉以及其他放射性元素，其中qk代表轻冕玻璃，l代表玻璃折射率与国标的标准值偏差的绝对值小于等于10^-3，h-qk3l玻璃作为一种光学玻璃，具备尺寸大、价格低的特点，其光学透过范围为290nm~2400nm，覆盖冰洲石晶体棱镜的透过范围，本发明选用h-qk3l玻璃的关键技术是h-qk3l玻璃的折射率色散曲线在290nm~1200nm范围内近乎完美的与冰洲石非常光（e光）主折射率色散曲线重合，如图1所示；在与冰洲石晶体棱镜组合时，通过结构设计，可以使e光近乎无折变的通过，而寻常光（o光）通过棱镜时发生偏折，从而实现偏振分束。

现有的冰洲石与冰洲石组合的常规偏振棱镜在光轴加工精度和胶合精度方面有着极高的要求，若单块冰洲石三棱镜光轴定位有偏差，或者两块冰洲石三棱镜间胶合时存在光轴定位偏差，将导致偏振棱镜消光比的下降；本发明设计的偏振棱镜采用h-qk3l玻璃与冰洲石组合，因玻璃为光学各向同性，在与冰洲石组合时，无需考虑光轴的精确定位问题，极大的降低了棱镜加工、胶合的难度，保证了棱镜的消光比质量，使棱镜的消光比仅决定于选用的冰洲石晶体的质量。

本发明采用的技术方案为两块棱镜通过树脂胶、光胶或者空气隙胶合在一起，形成不规则棱体结构，如图2所示；所述的两棱镜的材质分别为h-qk3l玻璃和冰洲石晶体；所述的冰洲石晶体为天然光学级冰洲石晶体；所述的截面为不规则四边形棱镜的通光面为左侧入射端面和下方出射斜面以及右侧参考光出射斜面，上方全反射斜面也是抛光面；所述直角棱镜的通光面为下方直角面和上方斜面；所述的冰洲石直角棱镜中冰洲石晶体光轴方向平行于冰洲石直角棱镜下方通光直角面。

如图3所示，所述的两棱镜通光面间的结构角分别为s2、s3和s4，结构角之间的关系为：

（1）

（2）

所述的组合棱镜另一结构角s1恒为45°，其目的是使光束全反射，实现90°转向。

冰洲石直角棱镜中冰洲石晶体光轴方向有两种特殊取向，一种是光轴平行于通光斜面和两直角面（如图3（a）所示），以下称其为方案一，另一种是光轴平行于下方通光直角面且垂直于左侧非通光直角面（如图3（b）所示），以下称其为方案二，本发明所述的冰洲石直角棱镜中冰洲石晶体光轴的方向平行于冰洲石直角棱镜下方通光直角面，包含以上两种常用的特殊取向，但不限于这两种取向，只要光轴方向与下方通光直角面平行即可。

在常规纯冰洲石组合棱镜中，为了避免第一块冰洲石晶体中偏振分离的o、e光在通过第二块冰洲石晶体时出现o、e光分别再分束现象，导致出射偏振光消光比降低，冰洲石晶体光轴间夹角必须为特殊角0°或90°，即便如此，在斜入射情况下还是经常会出现一定程度的o、e光分别再分束现象；在本发明设计中，因为采用的是玻璃与冰洲石晶体的组合方式，仅用一块冰洲石晶体，偏振分离和偏振分束是在一块晶体内完成的，所以不会出现o、e光再分束现象，即使是斜入射情况下，亦不存在o、e光再分束现象，保证了偏振光束的消光比。

本发明所述的偏光棱镜中，因为h-qk3l玻璃的折射率与冰洲石晶体e光主折射率基本相同，所以在入射光束垂直玻璃棱镜左侧端面入射的情况下，冰洲石晶体内e光波矢方向近似为竖直方向，冰洲石晶体光轴在冰洲石直角棱镜下方通光直角面内不同的取向会导致不同的出射偏振光的振动方向，但对传播方向没有影响，如图3所示。

根据折射定律可以得到图3中所示的偏振分束后的o光偏折光束方向与竖直方向之间的夹角θ1、e光偏折光束方向与竖直方向之间的夹角θ2，以及组合棱镜的分束角δ：

（3）

（4）

（5）。

图3中所述的两种方案，其区别在于冰洲石直角棱镜中光轴的方向不同，光轴方向的不同会导致分束后的两束偏振光的振动方向不同，如图3中（a）、（b）所示，对于分束后两束偏振光的传播方向没有影响，因此两种设计方案中计算θ1、θ2和δ的公式（3）~（5）是相同的。

光束从组合棱镜左侧端面垂直入射，在h-qk3l玻璃棱镜的上方反射面全反射后转向90°，然后在h-qk3l玻璃棱镜下方界面上发生折射和反射：对于反射光束，因h-qk3l玻璃棱镜右侧通光面与下方通光面夹角s4设定为与冰洲石直角棱镜结构角s2相等，由反射定律可知，反射光束垂直h-qk3l玻璃棱镜右侧端面出射，该反射光束可以作为参考光束，对光源的状态进行实时监测，或者根据监测数据进一步的对光源进行反馈控制，因为该参考光束为光源光束经过一次垂直端面入射、两次反射、一次垂直端面出射后形成，中间无斜角折射的情况，所以该参考光束具有面型与光源一致，无畸变的优点；对于折射光束，光束在折射穿过树脂胶（树脂胶胶合形式）或空气隙（空气隙胶合形式）后折射进入冰洲石晶体，或折射光束直接折射进入冰洲石晶体（光胶胶合形式），折射光束在冰洲石直角棱镜中会发生双折射，分成o光光束和e光光束，同时实现偏振分离和光束分离，根据折射定律，其中o光光束会偏离竖直方向，之后在冰洲石直角棱镜下方直角通光面上再次折射后出射，因h-qk3l玻璃折射率与冰洲石中e光主折射率近乎相同，所以e光光束近乎保持竖直方向，在冰洲石直角棱镜下方直角通光面上折射后出射到空气，方向仍为近似竖直方向。

通过该偏光棱镜最终实现了使入射光束整体转向90°，之后偏振分束，其中一束偏振光传播方向垂直原入射光方向；除这两束偏振光外，还有一束面型相对入射光无畸变的参考光垂直右侧端面出射。

当h-qk3l玻璃棱镜的结构角s2=22.5°时，h-qk3l玻璃四棱镜退化为三棱镜，参考光束方向将相对入射光方向向上偏折45°，图4为根据公式（3）、（4）计算得到的两偏振分束光的θ1、θ2角度随波长的变化曲线，可以看到θ1在4°左右，θ2近似为零。

本发明的有益效果是：节省冰洲石晶体资源，降低棱镜制作成本，将光束的转向、偏振分束和提供无面型畸变参考光三个功能进行了集成，节约光路空间，减少光强损失，提高光路调节的便易度。

附图说明：

图1为本发明采用的h-qk3l玻璃的折射率色散曲线与冰洲石非常光主折射率色散曲线图，其中ng为h-qk3l玻璃的折射率，ne为冰洲石非常光的主折射率；

图2为本发明带参考光窗口的转向分束偏光棱镜的结构图，其中双向箭头表示冰洲石晶体光轴的方向，（a）为权利要求2中所述的设计方案，（b）为权利要求3中所述的设计方案；

图3为本发明带参考光窗口的转向分束偏光棱镜的光路图，其中圆点表示冰洲石晶体光轴的方向垂直于纸面；双向箭头表示冰洲石晶体光轴的方向平行于纸面，（a）为权利要求2中所述的设计方案，（b）为权利要求3中所述的设计方案；

图4为本发明带参考光窗口的转向分束偏光棱镜在结构角s2=22.5°时，h-qk3l玻璃四棱镜退化为三棱镜时，两偏振分束光的θ1、θ2角度随波长的变化曲线。

具体实施方式：

实施例一：如图2所示，两棱镜的结构分别为截面为不规则四边形棱镜和直角棱镜，材质分别为h-qk3l玻璃和冰洲石晶体，冰洲石直角棱镜的光轴方向平行于通光斜面和两直角面，两棱镜之间通过光胶形式胶合，组合棱镜中结构角分别为：s1=45°，s2=30°，s3=120°，s4=30°；取入射光波长为365nm，此时，h-qk3l玻璃的折射率为1.504，冰洲石晶体的e光主折射率为1.501，o光主折射率为1.691。

光线从h-qk3l玻璃棱镜左侧端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°转向到竖直向下方向，在h-qk3l玻璃和冰洲石界面上发生折射和反射：其中反射光从h-qk3l玻璃棱镜右侧通光面垂直表面出射，形成参考光，参考光方向相对入射光方向向上偏折30°；折射光进入冰洲石，发生双折射分束。

因为h-qk3l玻璃的折射率与冰洲石晶体的e光主折射率近似相等，所以e光的方向为近似沿竖直方向，在冰洲石直角棱镜的下方通光直角面上折射入空气，方向仍近似为竖直方向，根据折射定律可以得到e光与竖直方向的夹角θ2仅为0.08°。

折射光中的o光偏离竖直方向，根据折射定律可以得到o光与竖直方向的夹角为6.1°。

实现了对入射光束进行90°转向和偏振分束输出，同时无面型畸变的参考光转向30°输出。

实施例二：如图2所示，两棱镜的结构分别为截面为不规则四边形棱镜和直角棱镜，材质分别为h-qk3l玻璃和冰洲石晶体，冰洲石直角棱镜的光轴方向平行于下方通光直角面，垂直于左侧非通光直角面，两棱镜之间通过树脂胶形式胶合，树脂胶为常规光学粘合用树脂胶，组合棱镜中结构角分别为：s1=45°，s2=35°，s3=125°，s4=35°；取入射光波长为706.5nmnm，此时，h-qk3l玻璃的折射率为1.484，冰洲石晶体的e光主折射率为1.483，o光主折射率为1.652。

光线从h-qk3l玻璃棱镜左侧端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°转向到竖直向下方向，在h-qk3l玻璃和胶合剂的界面上发生折射和反射：其中反射光从h-qk3l玻璃棱镜右侧通光面垂直表面出射，形成参考光，参考光方向相对入射光方向向上偏折20°；折射光透过胶合剂后进入冰洲石，发生双折射分束。

因为h-qk3l玻璃的折射率与冰洲石晶体的e光主折射率近似相等，所以e光的方向为近似沿竖直方向，在冰洲石直角棱镜的下方通光直角面上折射入空气，方向仍近似为竖直方向，根据折射定律可以得到e光与竖直方向的夹角θ2仅为0.03°。

折射光中的o光偏离竖直方向，根据折射定律可以得到o光与竖直方向的夹角为6.6°。

实现了对入射光束进行90°转向和偏振分束输出，同时无面型畸变的参考光转向20°输出。

实施例三：如图2所示，两棱镜的结构分别为三棱镜和直角棱镜，材质分别为h-qk3l玻璃和冰洲石晶体，冰洲石直角棱镜的光轴方向平行于通光斜面和两直角面，两棱镜之间通过空气隙形式胶合，组合棱镜中结构角分别为：s1=45°，s2=22.5°，s3=112.5°，s4=22.5°；取入射光波长为632.8nm，此时，h-qk3l玻璃的折射率为1.486，冰洲石晶体的e光主折射率为1.485，o光主折射率为1.656。

光线从h-qk3l玻璃棱镜左侧端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°转向到竖直向下方向，在h-qk3l玻璃和空气隙界面上发生折射和反射：其中反射光从h-qk3l玻璃棱镜右侧通光面垂直表面出射，形成参考光，参考光方向相对入射光方向向上偏折45°；折射光穿过空气隙到达空气隙和冰洲石界面，发生双折射分束。

因为h-qk3l玻璃的折射率与冰洲石晶体的e光主折射率近似相等，所以e光的方向为近似沿竖直方向，在冰洲石直角棱镜的下方通光直角面上折射入空气，方向仍近似为竖直方向，根据折射定律可以得到e光与竖直方向的夹角θ2仅为0.02°。

折射光中的o光偏离竖直方向，根据折射定律可以得到o光与竖直方向的夹角为4.0°。

实现了对入射光束进行90°转向和偏振分束输出，同时无面型畸变的参考光转向45°输出。