一种带参考光窗口的90°转向分束偏光棱镜制造技术

本发明专利技术属于偏振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，本发明专利技术公开了一种带参考光窗口的冰洲石与玻璃组合的90°转向分束偏光棱镜，该转向分束偏光棱镜集成了光束90°转向和偏振分束功能，同时棱镜还有一个参考光的输出窗口，该参考光具有相对于入射光无面形畸变的特点，可以通过对参考光信号的分析对入射光进行监控或相应调制，最后，该偏光棱镜还可以节省冰洲石晶体材料，降低棱镜制作成本。

90 degree steering split beam polarizing prism with reference light window

The structure design and the material of the invention belongs to the field of the polarizing optical element, in particular to a combination of Iceland and glass window with steering reference light beam splitting prism, the invention discloses a reference light window glass and Iceland combination of 90 degree turn beam splitting prism, the turning points beam polarizing prism integrated beam steering and 90 degrees of polarization beam splitting prism and function, and a reference light output window, the reference light with respect to the characteristics of the incident light without surface distortion, through analysis of the reference light signal of incident light or monitor the corresponding modulation, finally, the polarizing prism is you can save Iceland, reduce the production cost of prism.

【技术实现步骤摘要】
一种带参考光窗口的90°转向分束偏光棱镜
本专利技术属于偏振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。
技术介绍
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，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。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术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-ZBaF3玻璃为光学玻璃，H-ZBaF3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ZBaF代表重钡火石玻璃，H-ZBaF3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350nm~2400nm，基本覆盖冰洲石晶体棱镜的透过范围，本专利技术选用H-ZBaF3玻璃的关键技术是H-ZBaF3玻璃的折射率色散曲线在350nm~1500nm范围内近乎完美的与冰洲石寻常光（o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o光近乎无折变的通过，而非常光（e光）通过棱镜时发生偏折，从而实现偏振分束。本专利技术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-ZBaF3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四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；所述直角三棱镜的通光面为下方直角面和右上方斜面；所述的冰洲石直角三棱镜的光轴方向平行于三棱镜下方通光直角面，其中存在两种特殊角度的方案，一种是光轴平行于所述三棱镜的通光斜面和两直角面（如图2（a）所示），以下称其为方案一，另一种是光轴平行于所述三棱镜的下方通光直角面且垂直于左侧非通光直角面（如图2（b）所示），以下称其为方案二；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。根据折射定律可以得到图3中所示的偏振分束后的偏折光束方向与竖直方向之间的夹角θ1、θ2，以及组合棱镜的分束角Δ：（3）（4）（5）。图2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。根据折射定律和晶体中光的传播规律，光轴在三棱镜下方通光直角面内的其它取向，对于分束后两束偏振光的传播方向没有影响，仅影响偏振光的偏振方向。光束从组合棱镜左侧端面垂直入射，在H-ZBaF3玻璃棱镜的上方反射面全反射后转向90°，然后在H-ZBaF3玻璃棱镜下方界面上发生折射和反射：对于反射光束，因H-ZBaF3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-ZBaF3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，根据折射定律，其中e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-ZBaF3玻璃折射率与冰洲石中o光主折射率近乎相同，所以o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，此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-ZBaF3玻璃棱镜的结构角S2=22.5°时，H-ZBaF3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。本专利技术的有益效果是：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为本专利技术采用的H-ZBaF3玻璃的折射率色散曲线与冰洲石主折射率色散曲线图，其中ng为H-ZBaF3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为本专利技术带参考光窗口的90°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）对应权利要求2中所述的光轴取向，（b）对应权利要求3中所述的光轴取向；图3为本专利技术带参考光窗口的90°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）对应权利要求2中所述的光轴取向，（b）对应权利要求3中所述的光轴取向；图4为本专利技术带参考光窗口的90°转向分束偏光棱镜在结构角S2=22.5°时，H-ZBaF3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-ZBaF3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-ZBaF3玻璃的折射率为1.689，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-ZBaF3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-ZBaF3玻璃和冰洲石界面上发生折射和反射：其中反射光从H-ZBaF3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-ZBaF3玻璃的折射率与冰洲石晶体的o光主折射率近似相等，所以o光的方向为近似沿竖直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带参考光窗口的90°转向分束偏光棱镜，包括一块截面为不规则四边形的四棱镜和一块截面为直角三角形的直角三棱镜，四棱镜的通光面为左入射端面、下出射斜面和右出射斜面，三棱镜的通光面为下方直角面和右上方斜面，四棱镜的下方通光斜面与三棱镜的通光斜面通过树脂胶、光胶或空气隙胶合在一起，形成上下结构，其特征在于：所述的四棱镜的材料为H‑ZBaF3玻璃，所述的三棱镜材料为冰洲石晶体，且光轴平行于所述三棱镜的下方通光直角面，所述四棱镜的左通光面与下出射斜面间的结构角等于所述三棱镜的两通光面间的结构角加90°，所述四棱镜的右通光面与下出射斜面间的结构角等于所述三棱镜的两通光面间的结构角。

【技术特征摘要】
1.一种带参考光窗口的90°转向分束偏光棱镜，包括一块截面为不规则四边形的四棱镜和一块截面为直角三角形的直角三棱镜，四棱镜的通光面为左入射端面、下出射斜面和右出射斜面，三棱镜的通光面为下方直角面和右上方斜面，四棱镜的下方通光斜面与三棱镜的通光斜面通过树脂胶、光胶或空气隙胶合在一起，形成上下结构，其特征在于：所述的四棱镜的材料为H-ZBaF3玻璃，所述的三棱镜材料为冰洲石晶体，且光轴平行于所述三棱镜的下方通光直角面，所述四棱镜的左通光面与下出射斜面间的结构角等于所述三棱镜的两通光面间的结构角加90°，所述四棱镜的右通光面与下...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩培高，郝殿中，苏富芳，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37