一种相位延迟元件及相位延迟装置的制作方法

本发明涉及光学元件技术领域，特别是涉及一种相位延迟元件。本发明还涉及一种相位延迟装置。

背景技术：

偏振特性是描述激光的一项重要特征参量，光束的偏振特性直接影响着高功率激光器的输出功率、光学元件的损伤以及远场的光束质量等问题。在一些应用领域比如激光粒子加速实验、二氧化碳激光切割工艺、化学激光器光路设计等应用领域，都需要精确控制激光光束的偏振特性，以保证获得良好的应用效果。

目前，激光光束偏振特性的精确调控主要通过波片类器件实现，其原理是利用单轴或者双轴晶体的双折射特性。当一束线偏振光垂直入射到具有各向异性的晶体表面时，会分解成沿原方向传播但振动方向相互垂直的两束子光束，由于两束子光束在晶体中的传播速度不同，当通过一定厚度的晶体时，两束子光束之间就会产生相应的相位差，这样通过晶体后，两束振动方向互相垂直且有一定相位差的子光束重新叠加。根据相位差的不同，出射光束的偏振态相较入射时从线偏振态转化为圆偏振态、椭圆偏振态或者线偏振态等不同形式。

将具有双折射特性的晶体依照特定厚度制成相位延迟片，简称波片，主要有云母波片和石英波片。在小功率气体或者固体激光器中为了实现对输出光束偏振特性的控制，会在腔内采用波片类偏振控制元件。但是由于制成波片的晶体的激光损伤阈值较低，难以应用在高功率激光器中。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的是提供一种相位延迟元件，能够提高对激光的抗损伤能力。本发明还提供一种相位延迟装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种相位延迟元件，包括基底和光学介质层，所述光学介质层形成在所述基底表面，所述光学介质层用于将入射光反射出以及将入射光相互正交的两偏振态分量经过所述光学介质层后的相位偏移量造成差量。

优选的，所述光学介质层包括层叠的至少两种折射率不同的材料层。

优选的，所述材料层包括二氧化铪层、二氧化锆层、五氧化二钽层、二氧化钆层、二氧化钪层或者二氧化硅层。

优选的，入射光照射到所述光学介质层的入射角度可改变。

一种相位延迟装置，包括腔体和相位延迟元件，所述相位延迟元件处于所述腔体内，所述腔体用于隔离外界光，入射光通过所述腔体的进光口进入所述腔体而入射到所述相位延迟元件，形成的出射光通过所述腔体的出光口发射出，所述相位延迟元件为以上所述的相位延迟元件。

优选的，还包括第一控制装置和第二控制装置，所述第一控制装置用于控制所述相位延迟元件以入射光光轴为转轴旋转，所述第二控制装置用于控制所述相位延迟元件以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转。

优选的，包括相对布置的第一相位延迟元件和第二相位延迟元件，所述第一相位延迟元件用于将入射光反射到所述第二相位延迟元件。

优选的，包括第一相位延迟元件、第二相位延迟元件、第三相位延迟元件和第四相位延迟元件，入射光依次经过所述第一相位延迟元件、所述第二相位延迟元件、所述第三相位延迟元件和所述第四相位延迟元件反射而发射出，使得入射光的入射方向与出射光的出射方向一致。

优选的，还包括粗调控制装置、第一细调控制装置和第二细调控制装置，所述粗调控制装置用于同步控制所述第一相位延迟元件、所述第二相位延迟元件、所述第三相位延迟元件和所述第四相位延迟元件以入射光光轴为转轴旋转，所述第一细调控制装置用于同步控制所述第一相位延迟元件、所述第二相位延迟元件以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转，所述第二细调控制装置用于同步控制所述第三相位延迟元件、所述第四相位延迟元件以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转。

优选的，在所述腔体的内表面设置有吸光层。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种相位延迟元件包括基底和光学介质层，光学介质层形成在基底表面，光学介质层能够将入射光反射出以及将入射光相互正交的两偏振态分量经过光学介质层后的相位偏移量造成差量，入射光照射到光学介质层被反射出，入射光经过光学介质层后相互正交的一偏振态分量产生的相位偏移量和另一偏振态分量产生的相位偏移量不一致，造成了差量，从而使出射光相比于入射光偏振态改变。与现有的采用晶体制作的波片相比，本发明的相位延迟元件采用光学介质层制作，能够承受较高的激光功率，能够提高对激光的抗损伤能力。

本发明提供的一种相位延迟装置，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种相位延迟元件的示意图；

图2为本发明一实施例提供的相位延迟元件的光学介质层示意图；

图3为本发明实施例的相位延迟元件产生相位延迟随相位延迟元件转动的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种相位延迟装置的示意图；

图5(a)为本发明又一实施例提供的一种相位延迟装置的正向透视图；

图5(b)为图5(a)所示相位延迟装置的后向透视图；

图6为一具体实例的相位延迟装置产生的相位延迟量随光入射角度变化的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种相位延迟元件，包括基底和光学介质层，所述光学介质层形成在所述基底表面，所述光学介质层用于将入射光反射出以及将入射光相互正交的两偏振态分量经过所述光学介质层后的相位偏移量造成差量。

光学介质层能够将入射光反射出，入射光经过光学介质层后入射光相互正交的两偏振态分量分别产生相位偏移量，其中相互正交的一偏振态分量产生的相位偏移量和另一偏振态分量产生的相位偏移量不一致，造成了差量，从而使出射光相比于入射光偏振态改变。而与现有的采用晶体制作的波片相比，本相位延迟元件采用光学介质层制作，能够承受较高的激光功率，能够提高对激光的抗损伤能力。

下面结合附图和具体实施方式对本相位延迟元件进行详细说明。请参考图1，图1为本实施例提供的一种相位延迟元件的示意图，由图可看出，所述相位延迟元件包括基底10和光学介质层11，光学介质层11形成在基底10表面。可选的，基底10可采用但不限于熔融石英材料。

光学介质层11能够将入射光反射出以及将入射光相互正交的两偏振态分量经过所述光学介质层11后的相位偏移量造成差量。具体的，光学介质层11可包括层叠的至少两种折射率不用的材料层，由至少两种折射率不同的材料层层叠形成。

请结合参考图3，入射光以一定的入射角度照射到光学介质层中两种折射率不同的介质层界面上，会在界面发生折射和反射，根据振动方向入射光可以分解为相互正交的垂直于入射面的s偏振态分量和位于入射面内的p偏振态分量。由于入射光s偏振态分量与p偏振态分量的等效导纳不同，不仅s偏振态分量与p偏振态分量的反射率、透射率会产生差异，s偏振态分量与p偏振态分量的相位偏移量也会产生差异，从而造成s偏振态分量与p偏振态分量产生相位延迟，使得出射光相对于入射光偏振态改变。

在实际应用中，光学介质层11可包括两种折射率不同的材料层，或者光学介质层11也可采用三种或者其它数量种折射率不同的材料层层叠形成。示例性的请参考图2，图2为一实施例提供的相位延迟元件的光学介质层的示意图，其中光学介质层11包括具有不同折射率的第一材料层110和第二材料层111，第一材料层110和第二材料层111交替层叠。

光学介质层11包括的材料层种类、层叠的材料层层数或者各材料层厚度均可根据应用需求相应设计。通过对光学介质层11进行光学设计，能够在要求的单段光谱区域或者多段光谱区间内实现所要求的相位延迟。可选的，光学介质层11的材料层可采用但不限于具有较高折射率的二氧化铪(hfo2)层、二氧化锆(zro2)层、五氧化二钽(ta2o5)层、二氧化钆(gdo2)层或者二氧化钪(sco2)层，或者具有较低折射率的二氧化硅(sio2)层。

优选的，在实际应用中，入射光照射到光学介质层11的入射角度可改变，通过改变入射光照射到光学介质层11的入射角度，能够控制出射光相互正交的两偏振态分量产生的相位延迟大小，以达到所需要的相位延迟量。具体的，假设入射光方向固定不变，通过控制相位延迟元件绕入射光光轴旋转，可以使入射光分成相等的相互正交的两偏振态分量，通过控制相位延迟元件绕与入射光光轴垂直的轴线旋转，可以控制两偏振态分量之间的相位延迟量。

本实施例的相位延迟元件，利用光学薄膜的偏振效应实现对光的相位延迟，能够承受较高功率激光辐照，能够应用于高功率激光装置中。另外，高功率激光装置不少采用大尺寸光学元件，而受限于加工工艺，晶体类波片器件难以做到大尺寸，而本相位延迟元件可以采用现有成熟的薄膜沉积设备与薄膜沉积工艺，可以实现大尺寸器件的低成本、高效率生产，能够有效降低大型高功率激光装置中波片类光学元器件的制作难度与制作成本，具有较大的应用价值。

相应的，本发明实施例还提供一种相位延迟装置，包括腔体和相位延迟元件，所述相位延迟元件处于所述腔体内，所述腔体用于隔离外界光，入射光通过所述腔体的进光口进入所述腔体而入射到所述相位延迟元件，形成的出射光通过所述腔体的出光口发射出，所述相位延迟元件为以上所述的相位延迟元件。

相位延迟元件处于腔体内，通过腔体隔离外界光，避免外界光造成干扰。入射光通过腔体的进光口进入腔体而入射到相位延迟元件，相位延迟元件将光反射出，形成的出射光通过腔体的出光口发射出，出射光相对于入射光偏振态改变。与现有的采用晶体制作的波片相比，本实施例的相位延迟装置包括的相位延迟元件采用光学介质层制作，能够承受较高的激光功率，能够提高对激光的抗损伤能力。

本实施例的相位延迟装置可通过转动相位延迟元件，使得入射光照射到光学介质层11的入射角度改变，通过改变入射光照射到光学介质层11的入射角度，控制出射光相互正交的两偏振态分量产生的相位延迟大小，以达到所需要的相位延迟量。

优选的，相位延迟装置具体还包括第一控制装置和第二控制装置，所述第一控制装置用于控制所述相位延迟元件以入射光光轴为转轴旋转，所述第二控制装置用于控制所述相位延迟元件以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转。在实际应用中，可将入射光方向固定不变，通过第一控制装置和第二控制装置转动相位延迟元件，以控制入射光照射到光学介质层的入射角度改变。

可选的，在具体实施时，本实施例相位延迟装置可包括相对布置的第一相位延迟元件和第二相位延迟元件，第一相位延迟元件用于将入射光反射到第二相位延迟元件。请参考图4，图4为本实施例提供的一种相位延迟装置的示意图，由图可看出，所述相位延迟装置包括腔体20、第一相位延迟元件21和第二相位延迟元件22，第一相位延迟元件21和第二相位延迟元件22相对布置，图4所示的相位延迟装置中入射光通过腔体的进光口23进入腔体20而入射到第一相位延迟元件21，第一相位延迟元件21将光反射到第二相位延迟元件22，第二相位延迟元件22将光反射出，光通过出光口24发射出。

其中，通过改变光照射到第一相位延迟元件21的入射角度，或者改变光入射到第二相位延迟元件22的入射角度，能够改变出射光相互正交的两偏振态分量相位偏移量的差量大小，实现控制光的偏振态。

另外，通过布置第一相位延迟元件21和第二相位延迟元件22的角度，能够使得出射光的出射方向与入射光的入射方向一致。这样将本相位延迟装置应用于光学系统比如激光系统中，可以应用在要求不改变光传输方向的光路中。

可选的，本相位延迟装置可具体包括第一相位延迟元件、第二相位延迟元件、第三相位延迟元件和第四相位延迟元件，入射光依次经过所述第一相位延迟元件、所述第二相位延迟元件、所述第三相位延迟元件和所述第四相位延迟元件反射而发射出，使得入射光的入射方向与出射光的出射方向一致。请参考图5(a)和图5(b)，图5(a)为又一实施例提供的一种相位延迟装置的正向透视图，图5(b)为图5(a)所示相位延迟装置的后向透视图，可看出，相位延迟装置包括腔体30、第一相位延迟元件31、第二相位延迟元件32、第三相位延迟元件33和第四相位延迟元件34，第一相位延迟元件31和第二相位延迟元件32相对布置，第二相位延迟元件32和第三相位延迟元件33相对布置，第三相位延迟元件33和第四相位延迟元件34相对布置，入射光通过腔体30的进光口35进入腔体30而入射到第一相位延迟元件31，入射光依次经过第一相位延迟元件31、第二相位延迟元件32、第三相位延迟元件33和第四相位延迟元件34反射而发射出，使得入射光的入射方向与出射光的出射方向一致。出射光通过出光口36发射出。

优选的，本实施例相位延迟装置还包括粗调控制装置37、第一细调控制装置38和第二细调控制装置39，所述粗调控制装置37用于同步控制所述第一相位延迟元件31、所述第二相位延迟元件32、所述第三相位延迟元件33和所述第四相位延迟元件34以入射光光轴为转轴旋转，所述第一细调控制装置38用于同步控制所述第一相位延迟元件31、所述第二相位延迟元件32以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转，所述第二细调控制装置39用于同步控制所述第三相位延迟元件33、所述第四相位延迟元件34以与入射光光轴垂直的轴线为转轴旋转。

示例性的请参考图6，图6为一具体实例的相位延迟装置产生的相位延迟量随光入射角度变化示意图。

优选的，在所述腔体的内表面设置有吸光层，通过吸光层吸收杂散光以避免杂散光干扰。优选的，在腔体的进光口或者出光口可设置透光片，以保护腔体内不被污染。透光片可采用但不限于熔融石英片。腔体用于承载和支撑相位延迟元件，可采用但不限于铝制腔体。

以上对本发明所提供的一种相位延迟元件及相位延迟装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。