CN1148178A - 双折射衍射复合光束起偏法及器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种使光束(包括可见、红外与紫外)起偏振或起偏分束的方法及器件，通过在光学双折射片基的表面制作细小的周期性衍射结构，使入射光在双折射、衍射、干涉复合作用下起偏振或起偏分束。该种器件消光比高，透射比高，通光孔径大，且光束分离角和抗光损伤性能好，器件呈薄片状，重量轻，易于加工成任意所要求的外形，可采用模压复制工艺生产，使造价低廉，因此具有良好的实用性能。

Description

双折射衍射复合光束起偏法及器件

本发明属于一种使光束(包括可见、红外和紫外波段)起偏振或起偏分束的方法及实施该方法的偏光器件。

偏光技术是光学技术的重要分支，其应用渗透到了与光学技术有关的各个领域，而产生偏振光的方法以及相关的偏光器件是偏光技术的基础。

现有的产生偏振光的方法及相关的偏光器件主要有以下四类[1]：1、利用双折射效应起偏或起偏分束的棱镜起偏器和分束器。2、利用二向色特性起偏的二向色起偏器。3、利用衍射效应起偏的线栅起偏器和光栅起偏器。4、利用布儒斯特角反射特性起偏的非正入射起偏器。

利用双折射效应起偏或起偏分束一般是用棱镜起偏器或分束器来实现，其具有极好的消光比和透射比性能，也即利用该方法所产生的偏振光束偏振度高，光能损耗小，但由于制作棱镜需用大三维尺寸，光学性质均匀的双折射晶体，否则通光孔径和o、e光束分离角更加受到限制，故造价昂贵，体积，重量也较大；利用二向色特性起偏的二向色起偏器，具有薄片状外形，其通光面积(即孔径)大，能用于大发散角光束，且重量轻，造价低，易加工成任意所要求的外形，在实际中使用最为广泛，但由于该方法是基于将偏振分量之一吸收的原理，这一是使其光能利用率不高，即不能起偏分束，二是使其器件的抗光损伤阈值低，另该方法消光比、透射比性能不好，无法适用于高要求场合；线栅起偏器的原理是当入射波长远大于线栅的间隔时，垂直于线栅的偏振分量透过，平行于线栅的分量反射而进行起偏的，由于入射波长要远大于线栅间隔才有较理想的消光比，而制作如此小间隔的线栅目前极其困难，这使该方法除红外波段外不能实际应用；光栅型衍射起偏器的原理则是利用在其衍射光中，偏振平行和垂直于刻槽方向的分量有不同的反射率，但该效应对于一般(包括闪耀型)光栅是微弱的，对于小阶梯光栅其消光比也难于满足实用要求，故基本上没有实际应用。

本发明的目的是提出一种利用双折射(或加全反射)、衍射、干涉复合作用而使光束起偏振或起偏分束的方法及实施该方法的一类偏光器件。该方法及器件与现有方法及器件相比，具有消光比高，透射比高，通光孔径大，光束分离角大，抗光损伤性能好，器件呈薄片状，重量轻，易于加工成任意所要求的外形，可采用模压复制工艺生产，使造价低廉，因此有良好的实用前景。

本发明是这样实现的：

采用具有双折射性质的光学材料，例如双折射晶体，双折射光学塑料等做片基，在片基的表面，经合适的加工工艺，例如机械刻划[2]，光电刻蚀[3]，模压复制[4]等制成与衍射光栅类似的周期性结构，例如图1所示的闪耀光栅型结构，当入射光通过此有周期性结构的界面时，由于两相互垂直的偏振分量在双折射片基中折射率不同，其相邻光线的光程差也就不同，再经衍射，干涉作用，其不同偏振分量的合成光束的主极大方向就不同，从而达到将两偏振分量在空间分开，也即起偏振或偏振分束的目的。

例如对于图1所示的结构(图中1是双折射介质，2是片基外介质)，设其周期为d(图中3)，两相邻平行光线7-8和9-10在通过界面后光程差Δ为

Δ＝ndsinθn′dsinθ          (1)式中n是片基介质的折射率，对于偏振分量之一的o光(即寻常光)，其折射率是n_o，对于另一偏振分量e光(即非常光)，其折射率是n_e，n′是片基外非双折射介质，例如空气的折射率，θ是光线入射角(图中4)，θ′是出射角(图中5)，式中“-”  号表示入射光线和出射光线在光栅宏观平面法线的异侧，“+”号则表示在同侧。光束干涉的极大值条件为

Δ＝mλ(m＝0，±1，±2，±3，……)    (2)(1)与(2)式结合，即得光栅方程 $n\sin \mathrm{\θ}\stackrel{-}{+}{n}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}m=\frac{\mathrm{m\λ}}{d}$ (m＝0，±1，±2，±3，……)    (3)由(3)式可知，当入射光以入射角θ通过界面后，入射光中的o光偏振分量和e光分量由于其对应的折射率不同，其相同的干涉级次有着不同的出射角θ′m，从而可将两偏振分量在出射空间分开，同时由于闪耀光栅可将出射光能集中到某单一级次上，从而可通过光栅的结构参数的恰当设计，消除其它级次，使出射o光和e光只保留1级，从而达到具有高消光比和透射比的偏振起偏或分束目的。

本发明对于图1所示的闪耀光栅型结构，还可以这样来实现：

由于周期性倾斜斜面具有一定的闪耀角α(图1中6)，而入射光中的o光和e光分量因在片基中折射率不同，通过倾斜面时会有不同的全反射角，于是利用使其中一偏振分量折射透过，而另一分量全反射的方法也可起偏分束，这很易由闪耀角α和λ射角θ的恰当组合来实现。例如对于n_o大于n_e的介质片基，其o光全反射角i_co小于e光全反射角i_ce，由于入射光以i(i＝θ+α)角入射到倾斜面，于是选择角i，使i_co＜i＜i_ce时，o光全反射，而e光折射透过界面，从而可以起偏振。

上述的周期性结构，可以制作在器件片基的一个表面上(另一面制作成光学平面或曲面)，也可以制作在相对的两个表面上，且两表面的结构特征可以相同，也可以不同。另外，还可将两个或多个已制好的上述单片基器件适当组合，而制成多片组合型器件，从而获得更好的起偏分束性能，例如扩大o光和e光的出射分离角等。另选用具有合适透过率的双折射介质做片基，可做成适用于可见、红外、紫外波段的上述类型器件。

本发明与现有几种起偏振方法和偏光器件相比，具有下述综合性优点：

1、具有很好的消光比性能，因为上述方法和器件可将入射光中的o和e光在空间完全分开，而o光和e光，也即寻常光和非常光都是偏振性质极其纯净的光束，从而其输出的光束偏振度很高。

2、具有很好的透射比性能，上述方法和器件是基于一种透射式或透射，全反射结合式的工作原理，其器件只要所选用的片基材料本身吸收小，加上该类器件可以做成薄片状(见下述)，故器件总吸收损耗很小，尤其是上述方法和器件可以起偏分束，从而使入射光能近似全部变成偏振光束出射。

3、可有很大的光束分离角，因依据上述方法，其器件的不同偏振分量的出射分离角可通过周期性结构参数的设计而改变，故手段灵活，分离潜力大，例如对于一分量透射，一分量全反射式结构，其分离角可接近或大于90°。

4、有好的抗光损伤能力，因上述方法基于一种非吸收工作方式，如上所述，入射光能近乎全部出射，其器件只要选用本身吸收小的介质，就可具有很高的抗光损伤阈值。

5、其器件可加工成薄片状外形，体积小，重量轻，因上述器件是一种与平面型光栅类似的器件，其有周期性结构的表面的起伏高度仅与光波长同量级(或至多大一、两个量级)，其片基的厚度也只需有足够的力学机械强度即可，故器件可以做的很薄。

6、器件造价低，因为其器件可做成薄片状，故可大幅度节省材料，另对片基材料的光学均匀性要求降低，因只需其在很薄的片基厚度范围内光学性质均匀即可，另若用双折射光学塑料(例如赛璐玢，有预应力的莎纶透明纸[5]等)通过模压复制等工艺批量制作，则更可大大降低制造成本。

7、器件的通光面积(或孔径)大，尤其是采用光学塑料做片基时，易制出通光面积很大的器件。

8、器件易加工成任意所要求的外形，尤其是对经模压复制工艺制作出的器件。当片基为光学塑料时，牢固度也比晶体棱镜类或金属线栅类(金属丝很细)器件好。

综上所述，本发明提出的光束起偏振或起偏分束方法及器件与前述现有的几种方法和器件相比，具有着根本的实质性不同，其中与双折射起偏方法和器件，二向色起偏方法和器件以及布儒斯特角入射起偏方法和器件的区别是明显的，此处不赘述，而且与前述的衍射光栅(包括闪耀光栅和阶梯光栅)起偏方法和器件也是本质不同的。

因为本发明所提的起偏方法及器件并不仅仅是将闪耀光栅和阶梯光栅的制作材料变成双折射材料(尽管这种改变本身也是新颖的)，而且是基于完全不同的工作原理。

前已述，现有的光栅起偏器的原理是光栅对偏振平行于刻槽方向和偏振垂直于刻槽方向的光束具有不同的反射率，而使光束起偏的，从而其起偏光束的偏振方向带有由刻槽方向所决定的特征，且通常只能是部分起偏。

而本发明所提的方法和器件，其工作原理是基于一种新型的双折射-衍射-干涉或双折射-全反射-衍射-干涉的复合作用，其起偏光束的偏振方向由双折射介质的光轴方向而决定，且能做到完全起偏。

这种起偏分束原理的实质性个同，使本发明所提的方法及器件具有上述若干实用性优点，与现有技术相比，具有显著的进步。

下面结合附图和三个实施例对本发明作进一步祥细的描述。

附图说明：

图1闪耀光栅型周期性结构界面示意图。

图2本发明的单面闪耀光栅型起偏器或起偏分束器的一个实施例

图3本发明的单面闪耀光栅型起偏分束器的另一个实施例

图4本发明的两片组合型起偏器或起偏分束器的一个实施例

图2是本发明的单面闪耀光栅型起偏器或起偏分束器的一个实施例。图中11是由双折射介质做成的器件，介质为负单轴类材料，其o光折射率n_o大于e光折射率n_e，闪耀光栅形周期结构只制作在其一个表面，周期为d(图中14)，闪耀角为α(图中15)，另一表面为光学平面，介质光轴与该平面平行，与另一面的斜槽方向垂直(即平行于图中16所示方向)，器件外介质为空气(图中12，13)。

入射光束18以角θ(图中17)从平面一侧入射，由于双折射在器件内分为两束，o光(图中19)在下，e光(图中20)在上。调整入射角θ，使o光和e光分别入射到周期性结构的斜面时，o光光线在斜面法线的上侧(即入射角为正)，而e光光线在斜面法线的下侧(入射角为负)，从而o，e光线经(每一个)单斜面衍射(相当于单缝衍射)而出射时，其0级主极大方向(图中21和22，遵从折射定律)分别在斜面法线的两侧，从而使o，e光光线的出射角距离进一步扩大。

出射的o，e光的单斜面衍射的0级主极大半角宽近似等于 其中λ是光束波长，L是单斜面宽度L＝d/cosα，d，α值的选择要使o、e光的0级半角宽明显小于其之间的分离角距离(通常，这要求d值大些，而λ值可用所考虑波段内的最大波长值代入)，这样不同的偏振分量出射后将不会重叠(单缝衍射的高级次主极大因强度弱，且迅速衰减，实际上无影响)。

由光栅方程式(3)可知，从有周期性结构的界面出射的光束因多光束干涉会产生各级干涉主极大，当上述o光的单斜面衍射的0级主极大方向又恰好是多光束干涉的某一级主极大的方向时，则在该方向上，o光就会真正出现(即出射)，从而起偏获得o光，由于单斜面衍射的0级主极大总有一定宽度，而当光栅周期d较大时，多光束干涉的各级主极大的角间距又较密，故通过对器件的结构参数的设计而很易实现上述两方向的重合，加上光线入射角θ可以微调，从而还有辅助校准作用，故实际中实现不困难。对于e光也与上述同理，从而也可起偏获得e光。

上述的出射o，e光可分别单独获得(此时另一分量以不能理想起偏的形式出射)，此时器件可做为光束起偏器使用，也可同时获得，此时器件便成为光束起偏分束器。

图3是本发明的单面闪耀光栅型起偏分束器的另一个实施例，图中23是器件，24，25是器件外介质。其片基材料，光轴取向，外形特征与图2所示实施例相同(周期d，闪耀角α具体值不同)，但其工作原理基于双折射-全反射-衍射-干涉复合方式。

入射光束29从平面一侧垂直入射，由于入射角为零，在片基内o，e光重合而不分开，以相同的入射角i(图中28)入射到周期性结构的斜面，此时入射角i等于闪耀角α(图中27)。若器件设计时，选择α角大于o光全反射角而小于e光全反射角(对于负单轴材料，o光全反角小于e光全反角)，则e光分量折射透过，而o光分量全反射折回，折回的o光在平面一侧会再次发生全反射，最后由另一组斜面折射透出，从而最终获得在空间分开的o，e光束(图中30，31)。

本实施例的o，e光束由于分离角距离大，故充许周期d(图中26)的值小些，这样可使单斜面衍射的0级主极大宽度变大，从而更易使其和多光束干涉的某一级主极大方向重合。

本实施例的优点是o，e光束分离角大，另入射光可垂直器件入射，从而使用上方便，但器件设计，制作要求较高，否则出射o光的透射比和平行性会降低。

对于图2，3中的实施例，其片基介质的光轴方向可改为与平面平行，与另一面的斜槽方向也平行(即垂直各图的图面)的方向，或甚至其它合适的方向；其片基介质可改用正单轴类双折射材料；另待起偏光束可从有周期性结构的一面入射；且为了提高其透射比性能，可在它们的表面(例如平面，曲面或有周期结构的表面)镀增透膜(对于图3的实施例，在其斜槽面镀膜要谨慎！)；另外，在上述器件的一侧表面也可镀反射膜，而构成另一类双折射-反射-衍射-干涉复合作用式器件。

将两个(或两个以上)上述器件适当组合，可制成本发明的多片组合型起偏器或起偏分束器，图4即是一实施例。图中32和33是两个单面闪耀光栅型起偏分束器，两者平行并相互倒置，它们的光栅周期(图中34，35)和闪耀角α(图中36，37)相同，但其片基介质的光轴方向相互垂直，其中分束器1的介质光轴平行于器件平面，并平行于图面，而分束器2的介质光轴平行于器件平面，但垂直于图面，两片状器件中间所夹空隙可填入有适当折射率的介质(例如液体，胶体等)，以增加器件的总透过率或扩大o，e光束的分离角等。

对于每一组相对的两个斜面段而言，其构造特征相当于一个微小的渥拉斯顿起偏分束棱镜[6](但两相邻斜面未贴合或胶合)故其起偏分束和能使o，e光分离角增大的原理这里不细述，需要提及的是现在不仅有双折射，而且有衍射，干涉的复合作用，故为同时满足衍射极大和干涉极大的条件，需按以上对有关图2的实施例所做的说明和设计方法，确定器件的最佳制作参数。

显然，本组合型实施例的设计方法：即使组合型器件中，其周期性组合结构中的每一组合单元，例如图4中的每一组相对的两个斜面段，其构造特征相当于一个微小的某种起偏棱镜或起偏分束棱镜的方法是可以类推的(相邻斜面可以不贴合或不胶合)，由于现有技术中已有多种经过精心设计的此类起偏振或起偏分束棱镜[7]，例如尼科耳棱镜、洛匈棱镜，格兰棱镜等，于是可用上述方法制成多个各具不同特性的组合型起偏器和偏振分束器，从而得到一系列的新型的偏光器件。

Claims (8)

1、一种使光束起偏振或起偏分束的方法，其特征是用有双折射性质的光学材料做片基，在其表面制作能产生合适的衍射和干涉作用，或对偏振分量之一能产生合适的衍射和干涉作用，对另一偏振分量能产生全反射和合适的衍射、干涉作用的细小的形状周期重复的结构，入射光束在双折射、衍射和干涉，或在双折射、全反射、衍射和干涉的复合作用下，其不同偏振分量的最终合成光束传播方向不同，从而使光束起偏振或起偏分束。

2、实施权利要求1所述方法的偏光器件，其特征在于用具有双折射性质的光学材料(例如双折射晶体，双折射光学塑料等)做片基，在其表面采用适当的加工工艺(例如机械刻划、光电刻蚀、模压复制等)制作能产生上述合适的衍射、干涉或全反射、衍射、干涉作用的细小的形状周期重复的结构，该类结构可以制作在片基的一个表面(另一面制作成光学平面或曲面)，也可以制作在片基的两个表面。

3、如权利要求2所述的偏光器件，其特征是所述的制作于其表面的周期性结构的形状与闪耀型光栅类似，并依据所需的衍射，干涉或全反射、衍射、干涉效果确定该结构的周期值和闪耀角值。

4、如权利要求2或3所述的偏光器件，其特征是可由单片上述器件构成，也可由两片或多片上述器件组成而成。

5、如权利要求4所述的偏光器件，其特征是对于其中由两片或多片组合成的组合型器件，其周期性组合结构中的每一组合单元，其构造特征与现有某种起偏棱镜或起偏分束棱镜相同，仅尺寸减小，另相邻斜面可以不贴合或不胶合。

6、如权利要求2或3或4或5所述的偏光器件，其特征是可在其通光的平面，曲面和或有周期结构的表面镀增透膜，而对于由两片或多片合成的组合型器件，还可在其片间空隙填充有适当折射率的介质，例如液体或胶体等。

7、如权利要求2或3或4或5或6所述的偏光器件，其特征是可在其通光的某一外侧表面，例如平面，曲面或有周期结构的表面镀反射膜，制成反射式工作器件。

8、如权利要求2或3或4或5或6或7所述的偏光器件，其特征是所述的器件片基，对于其将应用的波段，例如可见或红外或紫外具有良好透过率。

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