本發(fā)明屬于光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用領(lǐng)域，特別涉及到冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡。

背景技術(shù)：

隨著偏振光學(xué)的發(fā)展，尤其是偏振檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，偏振棱鏡一直是人們關(guān)注的對(duì)象，它是光路起偏、檢偏的核心器件。目前一般采用冰洲石晶體制作棱鏡，但是天然的光學(xué)級(jí)冰洲石晶體資源日漸枯竭，尋找代替晶體或者改進(jìn)設(shè)計(jì)降低單只棱鏡中冰洲石晶體材料的消耗，以及提高單只棱鏡的功能集成，就成為研究熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于通過(guò)新的棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，采用冰洲石晶體和玻璃組合的方法，設(shè)計(jì)玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡，使棱鏡同時(shí)具備將光束90°轉(zhuǎn)向和對(duì)稱(chēng)分束功能，而且提供可用于光源狀態(tài)監(jiān)控的第三束出射參考光，實(shí)現(xiàn)單只組合棱鏡的多功能集成，同時(shí)降低冰洲石晶體材料的消耗。

h-bak7玻璃為光學(xué)玻璃，是一種光學(xué)窗口材料，作為一種光學(xué)玻璃，具備尺寸大、價(jià)格低的特點(diǎn)，其光學(xué)透過(guò)范圍為330nm~2400nm，覆蓋冰洲石晶體的透過(guò)范圍（350nm~2300nm），本發(fā)明選用h-bak7玻璃的關(guān)鍵技術(shù)是h-bak7玻璃的折射率色散曲線近乎完美的位于冰洲石兩主折射率色散曲線的中間，如圖1所示；在與冰洲石晶體棱鏡組合時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使非常光和尋常光通過(guò)棱鏡時(shí)發(fā)生偏折，兩光線偏折的角度近似相等。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為兩棱鏡通過(guò)樹(shù)脂膠、光膠或者空氣隙膠合在一起，形成不規(guī)則棱體結(jié)構(gòu)，如圖2所示；所述的兩棱鏡的材質(zhì)分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體；所述的h-bak7玻璃為光學(xué)玻璃，h-bak7為光學(xué)領(lǐng)域?qū)υ摬ＡУ墓J(rèn)編號(hào)，其中bak代表鋇冕玻璃，h代表環(huán)保型無(wú)鉛、砷、鎘以及其他放射性元素；所述的冰洲石晶體為天然光學(xué)級(jí)冰洲石晶體；如圖3所示，所述的截面為不規(guī)則四邊形棱鏡的通光面為左側(cè)入射端面和下方出射斜面以及右側(cè)參考光出射斜面，上方全反射斜面也是拋光面；所述直角棱鏡的通光面為一直角面和斜面；所述的冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面；所述的兩棱鏡通光面的結(jié)構(gòu)角分別為s2、s3和s4，結(jié)構(gòu)角之間的關(guān)系為：

（1）

（2）

所述的組合棱鏡另一結(jié)構(gòu)角s1恒為45°，其目的是使光束全反射，實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向。

根據(jù)折射定律可以得到圖3中所示的偏振分束后的兩光束與豎直方向夾角θ1、θ2，以及組合棱鏡的分束角δ和對(duì)稱(chēng)分束偏差δ：

（3）

（4）

（5）

（6）。

一種常規(guī)的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡結(jié)構(gòu)及光路圖如圖4所示，由兩塊冰洲石晶體棱鏡組成；本發(fā)明設(shè)計(jì)的玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡比同規(guī)格的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡減少約70%的冰洲石晶體材料使用量，這在冰洲石晶體尤其是大塊晶體日漸稀少的現(xiàn)在，具有重要的意義，同時(shí)h-bak7玻璃價(jià)格遠(yuǎn)比冰洲石晶體低廉，可以降低單只棱鏡的制造成本；本發(fā)明設(shè)計(jì)所采用的h-bak7玻璃透光范圍覆蓋冰洲石晶體棱鏡的透光范圍，因此本發(fā)明設(shè)計(jì)的組合棱鏡覆蓋常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡的適用波長(zhǎng)范圍；圖5為根據(jù)折射定律計(jì)算出的在結(jié)構(gòu)角相同且s2為45°的情況下，圖4中所示的常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡與本發(fā)明所述的冰洲石與h-bak7玻璃組合棱鏡分束對(duì)稱(chēng)性情況的比較，可以看到，本發(fā)明設(shè)計(jì)的組合棱鏡對(duì)稱(chēng)分束性能要極大的優(yōu)于結(jié)構(gòu)角相同的冰洲石雙反射偏光分束棱鏡，在300~2000nm的寬波段內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的組合棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差平均僅為冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差的五分之一。

光束從組合棱鏡左側(cè)端面垂直入射，在h-bak7玻璃棱鏡的上方反射面全反射后轉(zhuǎn)向90°，然后在h-bak7玻璃棱鏡下方界面上發(fā)生折射和反射，因h-bak7玻璃棱鏡右側(cè)通光面與下方通光面夾角s4設(shè)定為與冰洲石直角棱鏡結(jié)構(gòu)角s2相等，由反射定律可知，反射光束垂直h-bak7玻璃棱鏡右側(cè)端面出射，該反射光束可以作為參考光束，對(duì)光源的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，或者根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的對(duì)光源進(jìn)行反饋控制；因?yàn)樵搮⒖脊馐鵀楣庠垂馐?jīng)過(guò)一次垂直端面入射、兩次反射、一次垂直端面出射后形成，中間無(wú)斜角折射的情況，所以該參考光束具有面型與光源一致，無(wú)畸變的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的有益效果是：節(jié)省冰洲石晶體資源，降低棱鏡制作成本，分束對(duì)稱(chēng)性能好，將光束的轉(zhuǎn)向、對(duì)稱(chēng)分束和提供無(wú)面型畸變參考光三個(gè)功能集于一身，保持好的光束偏振質(zhì)量，節(jié)約光路空間，減少光強(qiáng)損失，提高光路調(diào)節(jié)的便易度。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明采用的h-bak7玻璃的折射率色散曲線與冰洲石非常光、尋常光主折射率色散曲線圖，其中ng為h-bak7玻璃的折射率，no為冰洲石尋常光的主折射率，ne為冰洲石非常光的主折射率；

圖2為本發(fā)明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡的結(jié)構(gòu)圖，其中雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向；

圖3為本發(fā)明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡的結(jié)構(gòu)及光路圖，其中圓點(diǎn)表示方向垂直于紙面；

圖4為常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡的結(jié)構(gòu)及光路圖，其中雙向箭頭表示冰洲石晶體光軸的方向平行于紙面，圓點(diǎn)表示方向垂直于紙面；

圖5為本發(fā)明玻璃與冰洲石組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡與相同s1、s2、s3結(jié)構(gòu)角的常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差的對(duì)比曲線圖，其中結(jié)構(gòu)角s2=45°，δ表示本發(fā)明組合棱鏡的對(duì)稱(chēng)分束偏差，δb表示常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例一：如圖3所示，兩棱鏡的結(jié)構(gòu)分別為截面為不規(guī)則四邊形棱鏡和直角棱鏡，材質(zhì)分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過(guò)空氣隙形式膠合，組合棱鏡中結(jié)構(gòu)角分別為：s1=45.00°，s2=36.00°，s3=126.00°，s4=36.00°；取入射光波長(zhǎng)為632.8nm，此時(shí)，h-bak7玻璃的折射率為1.56670，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48515，尋常光主折射率為1.65567，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側(cè)端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉(zhuǎn)向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃和空氣隙界面上發(fā)生折射和反射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側(cè)通光面垂直表面出射，形成參考光，折射光穿過(guò)空氣隙到達(dá)空氣隙和冰洲石界面，發(fā)生雙折射分束，兩光束在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進(jìn)一步擴(kuò)大；根據(jù)折射定律，依據(jù)公式（3）~（6），可以計(jì)算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡的分束角為7.10°，對(duì)稱(chēng)分束偏差為0.20°，該數(shù)值是相同s1、s2、s3結(jié)構(gòu)角（即s1=45.00°，s2=36.00°，s3=126.00°）的常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差的1/2。

實(shí)施例二：如圖3所示，組合棱鏡的結(jié)構(gòu)分別為一截面為不規(guī)則四邊形棱鏡和一直角棱鏡，材質(zhì)分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過(guò)光膠形式膠合，組合棱鏡中結(jié)構(gòu)角分別為：s1=45.00°，s2=46.63°，s3=136.63°，s4=46.63°，取入射光波長(zhǎng)為365.0nm，此時(shí)，h-bak7玻璃的折射率為1.59418，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.50190，尋常光主折射率為1.69100，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側(cè)端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉(zhuǎn)向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃與冰洲石界面上發(fā)生反射和雙折射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側(cè)通光面垂直表面出射，形成參考光，兩束折射光在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進(jìn)一步擴(kuò)大；根據(jù)折射定律，依據(jù)公式（3）~（6），可以計(jì)算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡的分束角為11.51°，對(duì)稱(chēng)分束偏差為0.11°，該數(shù)值約為相同s1、s2、s3結(jié)構(gòu)角（即s1=45.00°，s2=46.63°，s3=136.63°）的常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差的1/15。

實(shí)施例三：如圖3所示，組合棱鏡的結(jié)構(gòu)分別為一截面為不規(guī)則四邊形棱鏡和一直角棱鏡，材質(zhì)分別為h-bak7玻璃和冰洲石晶體，冰洲石直角棱鏡的光軸方向平行于通光斜面和兩直角面，兩棱鏡之間通過(guò)樹(shù)脂膠進(jìn)行膠合，組合棱鏡中結(jié)構(gòu)角分別為：s1=45.00°，s2=45.00°，s3=135.00°，s4=45.00°，取入射光波長(zhǎng)為706.5nm，此時(shí)，h-bak7玻璃的折射率為1.56400，冰洲石晶體的非常光主折射率為1.48353，尋常光主折射率為1.65207，光線從h-bak7玻璃棱鏡左側(cè)端面垂直入射，在上反射面上全反射后90°轉(zhuǎn)向到豎直向下方向，在h-bak7玻璃與樹(shù)脂膠界面上發(fā)生折射和反射，其中反射光從h-bak7玻璃棱鏡右側(cè)通光面垂直表面出射，形成參考光，折射光穿過(guò)樹(shù)脂膠到達(dá)樹(shù)脂膠和冰洲石界面，發(fā)生雙折射分束，兩光束在冰洲石直角棱鏡的下方通光直角面上折射入空氣，分束角進(jìn)一步擴(kuò)大；根據(jù)折射定律，依據(jù)公式（3）~（6），可以計(jì)算得出冰洲石與玻璃組合的三輸出90^o轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)分束偏光棱鏡的分束角為9.67°，對(duì)稱(chēng)分束偏差為0.17°，該數(shù)值約為相同s1、s2、s3結(jié)構(gòu)角（即s1=45.00°，s2=45.00°，s3=135.00°）的常規(guī)冰洲石雙反射偏光分束棱鏡對(duì)稱(chēng)分束偏差的1/6。