一种新结构的菱体型消色差λ/4延迟器

　　1　引　言

　　在激光和光电子技术中,四分之一波片具有重要的用途。λ/4片广泛地应用于使用偏振光的实验中,例如用椭偏测量术对薄膜的厚度和折射率的测量,或对旋光色散、圆振二向色性或应变双折射的测量。

　　常用的波片一般都是利用双折射产生相延,云母、晶体石英波片均用这种方法制成。其相位延迟可以用下式表示[1]:

　　式中no为寻常光折射率,ne为非常光折射率,d为片的厚度,λ为波长。对于正单轴晶体,(1)式取正号;对于负单轴晶体,取负号。N可以看作以波长分数表示的延迟,对于四分之一波片N=1/4。近年来,双折射类型的波片有很大发展:有人利用电光效应制成相延随外加电压变化的波片,如可编程液晶波片[2];还有人利用双折射薄膜制成用于光通信的反射型波片[3],等等。

　　常见的双折射材料的双折射随波长变化一般不成线性关系,则由(1)式可知的这种波片的相位延迟随波长变化较大;另外,对于很薄的波片,相位延迟会随波长而振荡[4]。

　　对用于较大光谱范围内的准确测量,必须使用消色差λ/4延迟器。消色差延迟片能用各种方法制成,例如可以利用双折射随波长线性变化的材料或用双折射材料进行组合[1]。根据菲涅耳定理,可以利用在比临界角更大的角度全内反射而得到较大的相位延迟,依照这种原理制成的菱体型λ/4延迟器是目前性能最好的消色差延迟器。

　　2　菱体型消色差延迟器的简单介绍

　　菱体型延迟器是利用平面偏振光遇到全内反射时,偏振光的两个分量的相变不同而制成的。设δp和δs是p分量和s分量的相应变化,则它们的相位之差Δ由下式给出:

　　式中n是材料的折射率,θ是内部的入射角。为了使相位延迟不受应力双折射的影响,制造菱体的材料必须是均匀的和各向同性的。菱体的总相位延迟是每次全内反射所产生的相位延迟的总和。利用低色散且质量优良的材料,可以制成高度消色差的λ/4菱体延迟器,而且整个结构简单稳定并具有适当接收角、大小合适。菱体延迟器的种类较多,实际中最为常用的是消色差器AD-2,图1是它的结构示意图。

　　图1中的消色差器AD-2是由一对串接的菱体组成,最先由Oxley[5]提出,后来Kizel[6]等人又重新发展。它的主要优点是光束不发生偏向或移动。由于AD-2是用熔凝石英制成的,所以有很平坦的消色差曲线。另外,AD-2有较满意的长度孔径比,可以把它设计得较短,因而受剩余双折射的影响较小。

　　AD-2结构的缺点在于:有一次全内发射发生在两个菱体的胶合面,同时也是两个菱体的棱角处。对于任何光学加工而言,棱角往往是缺陷最多的地方(如倒角),而胶合同样会带来另外一些缺陷。所以,全内反射发生在此处将不可避免地对反射光束的相延和其他特性造成影响,综合起来,有以下几点:①全反射发生在菱体的棱角处,而棱角处应力双折射通常较大,造成相延误差;②同时反射发生在胶合面附近,由胶合引起的应力双折射也可以导致较大的相位延迟误差;③斜入射光通过胶合界面会使偏振态有所变化,如部分消偏振等;④棱镜角部不可避免地有缺陷,会影响全内反射所产生的相延和传输的波面特性。因此反射必须稍微避开菱体中心,这势必引起菱体的实际有用孔径减小,且出、入射光束仍有偏向。