一种玻璃与冰洲石组合的双反射对称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，特别涉及到冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜。

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，偏振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。目前一般采用冰洲石晶体制作棱镜，但是天然的光学级冰洲石晶体资源日渐枯竭，寻找代替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就成为研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过新的棱镜设计，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双反射对称分束偏光棱镜，降低冰洲石晶体材料的消耗，同时具备使光束90°转并对称分束的偏振功能。

h-bak7玻璃为光学玻璃，是一种常见的光学窗口材料，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-bak7玻璃的关键技术是h-bak7玻璃的折射率色散曲线近乎完美的位于冰洲石两主折射率色散曲线的中间，如图1所示；在与冰洲石晶体棱镜组合时，通过结构设计，可以使非常光和寻常光通过棱镜时发生偏折，两光线偏折的角度近似相等。

本发明采用的技术方案为两棱镜通过树脂胶、光胶或者空气隙胶合在一起，形成直角棱台结构，如图2所示；所述的两棱镜的材质分别为h-bak7玻璃和冰洲石晶体；所述的h-bak7玻璃为光学玻璃，h-bak7为光学领域对该玻璃的公认编号；所述的冰洲石晶体为天然光学级冰洲石晶体；如图3所示，所述的截面为不规则四边形棱镜的通光面为入射端面和出射斜面，全反射斜面也是抛光面；所述直角棱镜的通光面为一直角面和斜面；所述的冰洲石直角棱镜的光轴方向平行于通光斜面和两直角面；所述的两棱镜通光面的结构角分别为s2和s3，这两个结构角的关系为：

（1）

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。

根据折射定律可以得到图3中所示的偏振分束后的两光束与竖直方向夹角θ1、θ2，以及组合棱镜的分束角δ和对称分束偏差δ：

（2）

（3）

（4）

（5）。

一种常规的冰洲石双反射偏光分束棱镜结构及光路图如图4所示，由两块冰洲石晶体棱镜组成；本发明设计的冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜比同规格的常规冰洲石双反射偏光分束棱镜减少约70%的冰洲石晶体材料使用量，这在冰洲石晶体尤其是大块晶体日渐稀少的现在，具有重要的意义，同时h-bak7玻璃价格远比冰洲石晶体低廉，可以降低单只棱镜的制造成本；本发明设计所采用的h-bak7玻璃透光范围覆盖冰洲石晶体棱镜的透光范围，因此本发明设计的组合棱镜覆盖常规冰洲石双反射偏光分束棱镜的适用波长范围；图5为根据折射定律计算出的在结构角相同且s2为45°的情况下，图4中所示的常规冰洲石双反射偏光分束棱镜与本发明所述的冰洲石与h-bak7玻璃组合棱镜分束对称性情况的比较，可以看到，本发明设计的组合棱镜对称分束性能要极大的优于结构角相同的冰洲石双反射偏光分束棱镜，在320~2000nm的宽波段内，本发明设计的组合棱镜对称分束偏差平均仅为冰洲石双反射偏光分束棱镜对称分束偏差的五分之一，其中在320~760nm波段内，本发明设计的组合棱镜对称分束偏差平均约仅为冰洲石双反射偏光分束棱镜对称分束偏差的十分之一。

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，分束对称性能好，将光束的转向和对称分束功能集于一身，保持好的光束偏振质量，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-bak7玻璃的折射率色散曲线与冰洲石非常光、寻常光主折射率色散曲线图，其中ng为h-bak7玻璃的折射率，no为冰洲石寻常光的主折射率，ne为冰洲石非常光的主折射率；

图2为本发明冰洲石与玻璃组合的双反射对称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；

图3为本发明冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜的结构及光路图，其中圆点表示方向垂直于纸面；

图4为常规冰洲石双反射偏光分束棱镜的结构及光路图，其中双向箭头表示冰洲石晶体光轴的方向平行于纸面，圆点表示方向垂直于纸面；

图5为本发明冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜与相同结构角的常规冰洲石双反射偏光分束棱镜对称分束偏差的对比曲线图，其中结构角s2=45°，δ表示本发明组合棱镜的对称分束偏差，δb表示常规冰洲石双反射偏光分束棱镜对称分束偏差。

具体实施方式：

实施例一：如图3所示，组合棱镜的结构分为一截面为不规则四边形的棱镜和一直角棱镜，材质分别为h-bak7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=45.00°，s2=36.00°，s3=126.00°，取入射光波长为632.8nm，此时，h-bak7玻璃的折射率为1.56670，冰洲石晶体的非常光主折射率为1.48515，寻常光主折射率为1.65567，根据折射定律，依据公式（2）~（5），可以计算得出冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜的分束角为7.10°，对称分束偏差为0.20°。

实施例二：如图3所示，组合棱镜的结构分别为一截面为不规则四边形棱镜和一直角棱镜，材质分别为h-bak7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=45.00°，s2=46.63°，s3=136.63°，取入射光波长为365.0nm，此时，h-bak7玻璃的折射率为1.59418，冰洲石晶体的非常光主折射率为1.50190，寻常光主折射率为1.69100，根据折射定律，依据公式（2）~（5），可以计算得出冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜的分束角为11.51°，对称分束偏差为0.11°。

实施例三：如图3所示，组合棱镜的结构分别为一截面为不规则四边形棱镜和一直角棱镜，材质分别为h-bak7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，两棱镜之间通过树脂胶进行胶合，组合棱镜中结构角分别为：s1=45.00°，s2=45.00°，s3=135.00°，取入射光波长为706.5nm，此时，h-bak7玻璃的折射率为1.56400，冰洲石晶体的非常光主折射率为1.48353，寻常光主折射率为1.65207，根据折射定律，依据公式（2）~（5），可以计算得出冰洲石与玻璃组合的双反射对称分束偏光棱镜的分束角为9.67°，对称分束偏差为0.17°。