[发明专利]双波长光学相位延迟器

说明书

技术领域

本发明属于偏振光学中的光学相位延迟器技术领域，涉及一种双波长光学相位延迟波器及设计方法。

背景技术

偏光技术在光纤通信、空间光通信、光学测量（包括椭圆偏振测量），以及激光加工等技术领域有着广泛的应用。偏光技术的基础是包括线偏振、圆偏振以及椭圆偏振的各类偏振光。

圆偏振光和椭圆偏振光是线偏振光通过光相位延迟器产生的。当1/4相位延迟器的快轴与入射线偏振光的振动方向呈45°角时，出射光是圆偏振光；当1/4相位延迟器的快轴与入射线偏振光的振动方向呈非45°角时，出射光为椭圆偏振光，且可以通过改变所呈角度调节椭圆偏振光的椭偏率。如果需要改变线偏振光的振动方向，那么就需要让线偏振光通过1/2相位延迟器，当1/2波片的快轴与入射线偏振光振动方向的夹角为θ时，出射线偏振光的振动方向旋转的角度为2θ。由此可见，1/2和1/4相位延迟器是光学仪器设计和光学测量技术领域中不可或缺的光学元件。

就目前光学相位延迟器的种类而言，主要有菲涅尔棱体型相位延迟器、液晶相位延迟器和双折射晶体波片。菲涅尔棱体型相位延迟器虽然具有较好的消色差性，但是由于体积较大，且1/4菲涅尔棱体型相位延迟器会产生大的光束平移，因此不利于调整和使用设备的小型化。液晶相位延迟器可以通过控制液晶两边电极的电压，改变其产生的相位延迟量，但适用的光谱范围较窄。

最常用的相位延迟器是用双折射晶体制作的1/2和1/4波片。由于晶体的双折率越大，对波片厚度制作精度的要求越高，所以目前制作波片常使用的晶体材料是云母、石英与氟化镁晶体，其中云母波片一般为零级片，而石英晶体与氟化镁晶体单晶片波片大都为多级片。单晶片1/2和1/4波片不具有消色差性，其相位延迟量均是针对一个特定设计波长，而不能用于其它波长。由两片或多片同种材料或不同材料组成的复合波片可以在一定光谱范围具有消色差性，但具有较小延迟偏差的消色差光谱范围有限，很难达到在任意两个波长点同时具有高精度的所需延迟量。

发明内容

针对现有双折射单晶片1/2和1/4波片只是针对一个特定设计波长，而不能用于其它波长的不足，本发明提供了一种单晶片对两个波长的相位延迟量均为1/2、均为1/4 和一个波长为1/2另一波长为1/4的光学相位延迟器。

一种双波长光学相位延迟器，它仅指单晶片；单晶片是使用单轴双折射晶体制作的平行平镜，且晶体的光轴与两个光学平面平行；为使单晶片满足任意两个波长需要的延迟量，单晶片的厚度d由以下两式确定：

（1）

（2）

式中λ₁和λ₂是任意两个波长，Δn₁和Δn₂是所用单轴双折射晶体在两波长对应的双折射率，k₁和k₂表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的整数部分（即的整数倍数），c₁和c₂表示单晶片光学相位延迟器对两波长延迟量的分数部分，即（8-m）/8，m取大于1～7的整数。

本发明的具体特点还有，确定单晶片光学相位延迟器的厚度包括如下步骤：

（1）确定设计的波长λ₁、λ₂和相位延迟量的分数值c₁、c₂；

（2)确定使用的双折射晶体，根据晶体的折射率色散公式得出双折射率Δn₁和Δn₂；

（3）将λ₁和λ₂、Δn₁和Δn₂、c₁和c₂代入

当k₂取自然数1，2，3……时，通过数值计算，得到系列k₁的相应值。

（4）将与k₁接近的整数用k₁₀表示，当某一k₁值满足|k₁-k₁₀|≤0.005时，将其代入