一种剪切差可调的平行偏振分束器的制作方法

本发明涉及偏光技术应用领域，特别涉及一种剪切差可调节的平行偏振分束器。

背景技术：

平行分束偏振分束器可以将自然光分解为偏振方向相互垂直、传播方向平行的两束线偏振光，在光学检测、光学计量、光信息处理等方面具有重要的应用。常规的平行偏振分束器采用大的单块冰洲石晶体或组合冰洲石偏振棱镜制成，而冰洲石为天然材料，大块的光学级冰洲石晶体材料越来越稀少，需要一种新的平行偏振分束器设计。

为降低冰洲石晶体的耗费，同时具备较大的可调的剪切差，本发明设计了一种剪切差可调节的平行偏振分束器，具有冰洲石晶体低消耗，剪切差大且可调节的特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服常规平行偏振分束器对冰洲石晶体材料消耗高，剪切差小的不足，设计一种剪切差可调节的平行偏振分束器，具备低的冰洲石晶体消耗，大的剪切差，剪切差可调的特点。

本发明采用的技术方案为二块冰洲石直角棱镜斜面间相互平行的组合于移动平台上的方法。如图1所示，所述的冰洲石直角棱镜一个直角面和斜面为通光表面，两直角棱镜结构完全一致，光轴方向平行于两通光面相交的棱，根据冰洲石晶体中光线的传输特性，垂直直角面入射的自然光在经过结构角为α的上述第一个直角棱镜后，在斜面出射时发生双折射，两折射光之间存在夹角θ，两折射光在第二块直角棱镜的斜面上入射，因第二块棱镜与第一块棱镜结构角一致，且斜面平行，所以两光线折射后平行出射，从而实现平行偏振分束，两平行分束光之间的距离称为剪切差Δ，其大小可由改变两直角棱镜间的距离进行调节。

直角棱镜的结构角α的大小会影响到折射角，从而影响到两平行分束光之间剪切差，本发明所述结构对应的剪切差公式为：

Δ=D﹒{n_osin(α)/[1-( n_osin(α))²]^1/2- n_esin(α)/[1-( n_esin(α))²]^1/2}

式中Δ为剪切差，D为两棱镜间距，n_o为冰洲石中o光折射率，n_e为冰洲石中e光主折射率，α如前所述为结构角。

因为冰洲石晶体的主折射率值存在色散，同时还受到温度的影响，所以上式中n_o、n_e为波长和温度的函数，本发明针对室温下、可见光400~760nm波段设计，以中间波长580nm处的主折射率值作计算；不同波长下，相同棱镜间距D会有不同的剪切差Δ，但是仅影响剪切差Δ随棱镜间距D的变化速率，不影响分束器的使用，分束器平行分束光的最大剪切差取决于棱镜通光面的尺寸。

如图2所示，可以看出，剪切差随结构角α的增加而变大；图3为折射界面上透过率随结构角的变化曲线，可以看到结构角α变大的同时会导致在两斜面上折射时S偏振的光线透过率的下降，而且大的结构角意味着更大的冰洲石材料消耗，因此在权衡剪切差大小与系统透过率以及对冰洲石材料的消耗三方面的利弊之后，本发明取16°的结构角α。

从公式中可以看出，在结构角选定后，剪切差随两棱镜斜面间的平行间距D的改变而变化，且两者之间具有线性正相关的特点，因此可以在平移台上设置标尺，根据标尺定位棱镜2，可以获得较精确的剪切差。

棱镜1固定在常用的光学底座上，装配在一维平移台上，且位置固定，棱镜2固定在常用的高低可调的光学底座上，底座可以在一维平移台上滑动，即实现D的调节。

在D变大的过程中，平行分束的光束位置会上移，为防止光束打到直角棱镜2的边缘和外部，需要适当升高直角棱镜2，使平行光束维持在直角棱镜2通光直角面的中心附近。

因为系统中两直角棱镜尺寸和光轴方向是相同的，所以整个系统可以反方向使用，即光线垂直直角棱镜2的直角通光面从右侧进入，分束后的平行偏振光束从左侧棱镜1出射，与正向使用时效果一样，在相同的棱镜间距D下，具有相同的剪切差。

因为两直角棱镜的结构角仅为16°，整体结构比较薄，所以本发明所述的平行分束器与常规单块的冰洲石晶体平行偏振分束器相比，具有节省冰洲石原料的特点，在棱镜总体积小于0.5cm³的情况下，按照本设计制作的分束器可以实现最大14mm的可调节剪切差，而采用单块冰洲石晶体分束时，仅能得到约1mm的固定剪切差。

附图说明

图1 是本发明的剪切差可调的平行偏振分束器光路示意图，其中：1–直角棱镜1（内部黑点表示光轴方向垂直纸面），2–直角棱镜2（内部黑点表示光轴方向垂直纸面），D–两棱镜间距，Δ–平行光束剪切差，α–棱镜结构角。

图2 是剪切差与结构角α的关系曲线。

图3是折射界面上透过率随结构角的变化曲线。

图4是本发明实施例1、2中，剪切差与棱镜间距D的关系曲线。

具体实施方式

实施例1

棱镜通光面尺寸为10mm×5mm，棱镜两通光面的夹角即所述的结构角为16°，实际加工中两通光面所交棱做0.5mm的倒角，以增加棱镜边缘的厚度，从而增加结构强度，沿通光方向上的直角边长为2.8mm，所以两块直角棱镜叠合厚度仅为3.2mm，冰洲石总体积为0.16cm³，非常节省冰洲石原材料。589.3nm的平行光线从左侧入射系统，在D由0到120mm之间变化时，可实现剪切差Δ从0到7.8mm之间的调节，且剪切差Δ随D成如图4所示的正比例线性关系。将系统反方向使用，将589.3nm的平行光线从右侧入射棱镜2，在棱镜1左侧分束出射，在D由0到120mm之间变化时，亦可实现剪切差Δ从0到7.8mm之间的调节，且剪切差Δ随D变化关系与正方向使用时的情况一致。

实施例2

棱镜通光面尺寸为15mm×5mm，棱镜两通光面的夹角即所述的结构角为16°，实际加工中两通光面所交棱做0.5mm的倒角，以增加棱镜边缘的厚度，从而增加结构强度，沿通光方向上的直角边长为4.3mm，所以两块直角棱镜叠合厚度仅为4.8mm，冰洲石总体积为0.36cm³，非常节省冰洲石原材料。589.3nm的平行光线从左侧入射系统，在D由0到220mm之间变化时，可实现剪切差Δ从0到14mm之间的调节，且剪切差Δ随D成如图4所示的正比例线性关系。将系统反方向使用，将589.3nm的平行光线从右侧入射棱镜2，在棱镜1左侧分束出射，在D由0到220mm之间变化时，亦可实现剪切差Δ从0到14mm之间的调节，且剪切差Δ随D变化关系与正方向使用时的情况一致。