[发明专利]双折射衍射复合光束起偏法及器件

说明书

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