CN109343167B - 可见、红外可延展的高消光比偏振棱镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜。包括直角棱镜、三角棱镜及高消光比偏振光学薄膜,所述直角棱镜的斜面和三角棱镜的第一斜面平行相对设置,高消光比偏振光学薄膜连接于直角棱镜的斜面和三角棱镜的第一斜面之间;所述的三角棱镜的第二斜面为偏振棱镜的入射面,且该入射面与所述的直角棱镜的第一直角面平行,且该直角棱镜的第一直角面为偏振棱镜的P‑偏振光出射面,所述的三角棱镜的第三斜面为偏振棱镜的S‑偏振光出射面,且该三角棱镜的第三斜面与直角棱镜的第二直角面倾斜设置。本发明提供一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,该偏振棱镜消光的带宽可以延展至可见、红外波段,而且在该可见、红外波段内的消光比高。
Description
技术领域
本发明涉及偏振仪器领域,具体涉及一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜。
背景技术
当光线倾斜入射到光学薄膜时,由于电场和磁场在各个膜层的切向分量要保持连续,使得光线P-偏振光和S-偏振光的有效折射率出现差别,从而导致偏振效应的产生。在入射角达到布儒斯特角时,P-偏振光和S-偏振光能够实现有效的分离。利用这一原理制作的偏振分光棱镜被广泛应用于液晶投影仪、隔离器、光纤激光器。
对于传统的偏振分光棱镜采用的是一对45°的直角棱镜通过镀制偏振分光膜胶合而成。其使用的角度不是布儒斯特角,因此不能有效的将P-偏振光和S-偏振光完全分离。目前行业中使用的光学膜料有限,其相对折射率也都较为固定,因此在45°入射的情况下,需要有合适的膜料、基底来匹配达到高消光比的偏振膜是不大可能。基于以上的困难点,行业人员主要通过调整膜层厚度从而改变膜堆的有效折射率,来使与基底的材料角度相匹配。该方法设计的偏振膜消光比较低,很难达到1000:1,设计的带宽最多在300nm左右。加之非规整膜系在生产中膜层厚度控制的敏感性直接影响到光谱特性,恶化消光比。常见的偏振棱镜波段为400-700nm,600-900nm,800-1100nm,很少有棱镜的设计波段可涵盖可见和红外。因此提供一种高消光比且带宽可以延展的偏振分光棱镜己成为当务之亟。
发明内容
本发明提供一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,该偏振棱镜消光的带宽可以延展至可见、红外波段,而且在该可见、红外波段内的消光比高。
本发明通过以下技术方案实现:一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,包括直角棱镜、三角棱镜及高消光比偏振光学薄膜,所述直角棱镜的斜面和三角棱镜的第一斜面平行相对设置,高消光比偏振光学薄膜连接于直角棱镜的斜面和三角棱镜的第一斜面之间;所述的三角棱镜的第二斜面为偏振棱镜的入射面,且该入射面与所述的直角棱镜的第一直角面平行,且该直角棱镜的第一直角面为偏振棱镜的P-偏振光出射面,所述的三角棱镜的第三斜面为偏振棱镜的S-偏振光出射面,且该三角棱镜的第三斜面与直角棱镜的第二直角面倾斜设置;
所述的高消光比偏振光学薄膜由5-7组膜堆堆叠而成,沿光的入射方向位于后一组的膜堆的厚度比位于前一组的膜堆的厚度厚a,且0<a<X,所述的X为沿光的入射方向位于第一组的膜堆的厚度;
每组膜堆均由7-9层高折射率膜料及与高折射率膜料层数相同的低折射率膜料交替堆叠而成,且所述的高折射率膜料的厚度为所在膜堆中心波长的四分之一光学厚度,所述的低折射率膜料的厚度为所在膜堆中心波长的四分之一光学厚度。
进一步地,所述高折射率膜料的折射率在1.8-2.5之间,低折射率膜料的折射率在1.38-1.5之间。
进一步地,所述的三角棱镜和直角棱镜的基底材料的折射率为1.6-1.9。
进一步地,所述的高折射率材料为Nb2O5、TiO2、Ta2O5或H4。
进一步地,所述的低折射率材料为SiO2或MgF2。
进一步地,在偏振棱镜的入射面、P-偏振光出射面和S-偏振光出射面均镀制有增透膜。
进一步地,偏振棱镜中入射光与直角棱镜斜面的夹角θ在40-50°之间,当θ大于45°时,三角棱镜的第一斜面与三角棱镜的第三斜面的夹角为90°-α-θ;当θ小于45°时,三角棱镜的第一斜面与三角棱镜的第三斜面的夹角为90°+α-θ,
其中,α为S-偏振光入射三角棱镜的第三斜面的方向与三角棱镜第三斜面的法线方向的夹角。
三角棱镜和直角棱镜的基底材料的折射率为nG,高折射率材料的折射率为nH,高折射率材料的折射率为nL,直角棱镜的入射角θG,它们满足布儒斯特角条件S-偏振光的出射方向与三角棱镜第三斜面的夹角为α+2θ-90°,对应的三角棱镜的角度满足公式/>计算得到:当θ大于45°时,三角棱镜的第一斜面与三角棱镜的第三斜面的夹角为90°-α-θ;当θ小于45°时,三角棱镜的第一斜面与三角棱镜的第三斜面的夹角为90°+α-θ。
将一束自然光垂直入射三角棱镜的第二斜面,而后经胶层、高消光比偏振光学薄膜后分P-偏振光和S-偏振光,其中P-偏振光平行于入射光从直角棱镜的第一直角面垂直出射,S-偏振光经高消光比光学薄膜全反射进入三角棱镜的第三斜面,利用光学折射定律计算偏振棱镜中入射光与直角棱镜斜面的夹角从而使出射的S-偏振光垂直于入射光。
该偏振棱镜的带宽可根据需求展宽至420-2500nm,且具有高消光比偏振效应。膜系采用规整结构,其各膜堆的光学厚度呈线性递增,膜堆的循环次数可根据消光比的比值进行调整,且其膜厚偏差对光谱特性影响较小。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、可实现高消光比,带宽可展宽的偏振分光棱镜。
2、偏振分光带宽可达到1000nm的带宽,消光比高于1000:1。
3、光学膜系简单,无需优化膜堆的各层厚度,膜厚的偏差对光谱特性、消光比影响较小。
4、所选择的膜料、基底在应力和折射率方面合理匹配,S-偏振光出射面的角度很小,基本不影响出射面反射率。
5、直角棱镜和三角棱镜都采用同材料的基底,不会出现光背离导致P-偏振光偏离入射光。
附图说明
图1是本发明实施例1、3的结构示意图。
图2是本发明实施例1的P-偏振光和S-偏振光透过图谱。
图3是本发明实施例1的膜堆结构示意图。
图4是本发明实施例2的结构示意图。
图5是本发明实施例2的P-偏振光和S-偏振光透过图谱。
图6是本发明实施例2、3的膜堆结构示意图。
图7是本发明实施例3的结构示意图。
其中,附图标记说明如下:1、直角棱镜,2、三角棱镜,3、偏振光学薄膜,3-1、膜堆。
具体实施方式:
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,包括直角棱镜1、三角棱镜2及高消光比偏振光学薄膜3,所述直角棱镜1的斜面和三角棱镜2的第一斜面平行相对设置,高消光比偏振光学薄膜3连接于直角棱镜1的斜面和三角棱镜2的第一斜面之间;所述的三角棱镜2的第二斜面为偏振棱镜的入射面,且该入射面与所述的直角棱镜1的第一直角面平行,且该直角棱镜1的第一直角面为偏振棱镜的P-偏振光出射面,所述的三角棱镜2的第三斜面为偏振棱镜的S-偏振光出射面,且该三角棱镜2的第三斜面与直角棱镜1的第二直角面倾斜设置;
所述的高消光比偏振光学薄膜3由5-7组膜堆3-1堆叠而成,沿光的入射方向位于后一组的膜堆3-1的厚度比位于前一组的膜堆3-1的厚度厚a,且0<a<X,所述的X为沿光的入射方向位于第一组的膜堆3-1的厚度;
每组膜堆3-1均由7-9层高折射率膜料及与高折射率膜料层数相同的低折射率膜料交替堆叠而成,且所述的高折射率膜料的厚度为所在膜堆3-1中心波长的四分之一光学厚度,所述的低折射率膜料的厚度为所在膜堆3-1中心波长的四分之一光学厚度。
所述高折射率膜料的折射率在1.8-2.5之间,低折射率膜料的折射率在1.38-1.5之间。
在偏振棱镜的入射面、P-偏振光出射面和S-偏振光出射面均镀制有增透膜,该增透膜分别对应入射面、P-偏振光出射面和S-偏振光出射面的入射光和出射光的波段。
θ在40-50°之间,当θ大于45°时,三角棱镜2的第一斜面与三角棱镜2的第三斜面的夹角为90°-α-θ;当θ小于45°时,三角棱镜2的第一斜面与三角棱镜2的第三斜面的夹角为90°+α-θ,
其中,α为S-偏振光入射三角棱镜2的第三斜面的方向与三角棱镜2第三斜面的法线方向的夹角,θ为偏振棱镜中入射光与直角棱镜斜面的夹角。
三角棱镜2和直角棱镜1的基底材料的折射率为nG,高折射率材料的折射率为nH,高折射率材料的折射率为nL,直角棱镜的入射角θG,它们满足布儒斯特角条件S-偏振光的出射方向与三角棱镜第三斜面的夹角为α+2θ-90°,对应的三角棱镜的角度满足公式/>计算得到:当θ大于45°时,三角棱镜2的第一斜面与三角棱镜2的第三斜面的夹角为90°-α-θ;当θ小于45°时,三角棱镜2的第一斜面与三角棱镜2的第三斜面的夹角为90°+α-θ。
将一束自然光垂直入射三角棱镜的第二斜面,而后经胶层、高消光比偏振光学薄膜后分P-偏振光和S-偏振光,其中P-偏振光平行于入射光从直角棱镜的第一直角面垂直出射,S-偏振光经高消光比光学薄膜全反射进入三角棱镜的第三斜面,利用光学折射定律计算偏振棱镜中入射光与直角棱镜斜面的夹角从而使出射的S-偏振光垂直于入射光。
本实施例所述的高消光比偏振光学薄膜3由7组膜堆3-1堆叠而成,其膜堆3-1设计为(HL)7、1.5(HL)7、2(HL)7、2.5(HL)7、3(HL)7、3.5(HL)7、4(HL)7,其中,对应的第一、二、三、四、五、六、七组的膜堆3-1的厚度分别为1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm,第一组膜堆的中心波长为820nm,H和L分别为高低折射率膜料的1/4光学厚度,膜堆高低折射率膜层的叠加次数为7,设计了可见和近红外偏振分光膜,所设计的带宽达2100nm。
本实施例高折射率膜料Ta2O5和低折射率膜料SiO2,其在550nm处对应的折射率分别为2.153和1.461,优选基底材料为ZF2,其对应的折射率为1.676。通过布儒斯特角条件和光学折射原理确认计算得到直角棱镜入射角θG为46.4°,如图1所示。
如图2所示,P-偏振光的平均透过率大于99%,S-偏振光平均透过率小于0.1%,偏振分光膜的消光比可达1000:1。利用光学反射原理确认进入斜面的入射角α,由折射率定理计算具体的入射角а的大小为4.1°。另外,三角棱镜B在胶合面与S-偏振光的出射面的夹角为90°-α-θ=39.5°。
实施例2
与上述实施例不同的是,本实施例高折射率膜料TiO2和低折射率膜料SiO2,其在550nm处对应的折射率分别为2.381和1.461,优选基底材料为ZF13,其对应的折射率为1.791。通过布儒斯特角条件和光学折射原理确认计算得到直角棱镜入射角θG为44.2°,如图3所示。
本实施例所述的高消光比偏振光学薄膜3由5组膜堆3-1堆叠而成,其设计为(HL)9、1.6(HL)9、2.2(HL)9、2.8(HL)9、3.4(HL)9,第一、二、三、四、五组膜堆3-1的厚度分别为1nm、1.6nm、2.2nm、2.8nm、3.4nm,第一组膜堆的中心波长为800nm,H和L分别为高低折射率膜料的1/4光学厚度,膜堆高低折射率膜层的叠加次数为9设计了可见和近红外偏振分光膜,所设计的带宽达2100nm。
如图4所示,P-偏振光的平均透过率大于98.5%,S-偏振光平均透过率小于0.01%,偏振分光膜的消光比可达5000:1。利用光学反射原理确认进入斜面的入射角α,由折射率定理计算具体的入射角α的大小为2.1°。另外,三角棱镜在胶合面与S-偏振光的出射面的夹角为90°+α-θ=47.9°。
实施例3
与上述实施例不同的是,本实施例高折射率膜料Nb2O5和低折射率膜料MgF2,其在550nm处对应的折射率分别为2.342和1.387,优选基底材料为ZF1,其对应的折射率为1.652。通过布儒斯特角条件和光学折射原理确认计算得到直角棱镜入射角θG为46.2°,如图1所示。
本实施例所述的高消光比偏振光学薄膜3由5组膜堆3-1堆叠而成,其设计为(HL)7、1.65(HL)7、2.3(HL)7、2.95(HL)7、3.6(HL)7,第一、二、三、四、五组膜堆(3-1)的厚度分别为1、1.65、2.3、2.95、3.6,第一组膜堆的中心波长为810nm,H和L分别为高低折射率膜料的1/4光学厚度,膜堆高低折射率膜层的叠加次数为S为7设计了可见和近红外偏振分光膜,所设计的带宽达2100nm。如图5所示,P-偏振光的平均透过率大于98%,S-偏振光平均透过率小于0.02%,偏振分光膜的消光比可达5000:1。利用光学反射原理确认进入斜面的入射角α,由折射率定理计算具体的入射角α的大小为3.7°。另外,三角棱镜在胶合面与S-偏振光的出射面的夹角为90°-α-θ=40.1°。
Claims (4)
1.一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,其特征在于:包括直角棱镜(1)、三角棱镜(2)及高消光比偏振光学薄膜(3),所述直角棱镜(1)的斜面和三角棱镜(2)的第一斜面平行相对设置,高消光比偏振光学薄膜(3)连接于直角棱镜(1)的斜面和三角棱镜(2)的第一斜面之间;所述的三角棱镜(2)的第二斜面为偏振棱镜的入射面,且该入射面与所述的直角棱镜(1)的第一直角面平行,且该直角棱镜(1)的第一直角面为偏振棱镜的P-偏振光出射面,所述的三角棱镜(2)的第三斜面为偏振棱镜的S-偏振光出射面,且该三角棱镜(2)的第三斜面与直角棱镜(1)的第二直角面倾斜设置;
所述的高消光比偏振光学薄膜(3)由5-7组膜堆(3-1)堆叠而成,沿光的入射方向位于后一组的膜堆(3-1)的厚度比位于前一组的膜堆(3-1)的厚度厚a,且0<a<X,所述的X为沿光的入射方向位于第一组的膜堆(3-1)的厚度;
每组膜堆(3-1)均由7-9层高折射率膜料及与高折射率膜料层数相同的低折射率膜料交替堆叠而成,且所述的高折射率膜料的厚度为所在膜堆(3-1)中心波长的四分之一光学厚度,所述的低折射率膜料的厚度为所在膜堆(3-1)中心波长的四分之一光学厚度;
所述高折射率膜料的折射率在1.8-2.5之间,低折射率膜料的折射率在1.38-1.5之间;
偏振棱镜中入射光与直角棱镜(1)的斜面的夹角θ在40-50°之间,且当θ大于45°时,三角棱镜(2)的第一斜面与三角棱镜(2)的第三斜面的夹角为90°- α-θ;当θ小于45°时,三角棱镜(2)的第一斜面与三角棱镜(2)的第三斜面的夹角为90°+α -θ,
其中,α为S-偏振光入射三角棱镜(2)的第三斜面的方向与三角棱镜(2)第三斜面的法向之间的夹角;
所述的三角棱镜(2)和直角棱镜(1)的基底材料的折射率在1.6-1.9之间且两个基底材料的折射率相同。
2.根据权利要求1所述的一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,其特征在于:所述的高折射率材料为Nb2O5、TiO2、Ta2O5或H4。
3.根据权利要求1所述的一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,其特征在于:所述的低折射率材料为SiO2或MgF2。
4.根据权利要求1所述的一种可见红外可延展的高消光比偏振棱镜,其特征在于:在偏振棱镜的入射面、P-偏振光出射面和S-偏振光出射面均镀制有增透膜。
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