双偏光大分束角输出棱镜的设计方法

　　一、引言

　　由于激光技术的迅猛发展,带动和加速了相关器件的研制和开发。偏光器件,尤其是在高强激光下使用的高抗损伤阈值,高消光比晶体棱镜型偏光器件发展更为迅速,国内由60年代初的几个品种发展到目前的近30个品种,几百种规格,技术性能也有了大幅度提高。双偏光大分束角输出棱镜(亦称O、E光双输出偏光分束棱镜)就是其中之一,它最初是为卫星测量而设计,经不断改进完善,目前已广泛推广应用,其最大特点是双偏振光输出,不对称分束设计,双光束电矢量相互垂直,特别适合光监控等光学系统使用,另外它仍保留了泰尔(TAyloR)型偏光棱镜的一些优良性能,抗光损伤能力强,并且也是几种为数不多的紫外、近红外偏光棱镜设计形式之一。

　　二、棱镜结构

　　根据使用要求的不同,通常有两种设计:一种称单窗设计(针对O光窗口而言),单向使用;另一种是双窗设计,光线可以从相对的两个方向射入,双向使用,如图1所示。

　　EE′F″F′A′E是单窗设计结构。GG′DF″F′A′G(实线)代表了双窗结构,双窗可以代替单窗使用,反之则不能。从理论角度考虑,无论采用哪种设计,基本要求是光的传播是在晶体主截面之内,这不仅便于技术设计,对提高偏振光束质量也是有益的。图1中所示s角为设计角度,它是保证棱镜起偏分束的重要参数,亦关系到棱镜视场角的大小[1～2],其具体数值依波长而定,对6328 波长,方解面主折射率n0=1.6557、ne=1.4852,此时s常取39°,图中双向箭头代表晶体光轴方向,平行于入射端面A′A,短线和实心圆点代表光矢量方向,短线代表E光矢量方向,点代表O光矢量方向。O、E两光束的分束角大小依赖α角度的选取。由于晶体的各向异性特点,此角涉及问题较多,最重要的两条是材料的利用率和加工工艺是否适用。后者主要涉及有关方解石某些特殊晶面加工问题,后面工艺中将预以讨论。本节讨论前一问题。偏光棱镜所用材料以天然方解石为主,由于优质光学用单晶材料产量有限,尤其是边长大于40mm的晶体更是珍贵。所以在器件设计中为充分合理利用材料,严谨地设计有关尺寸就显得非常有必要。下面按常用的两种可见光区α角等于22°和34°进行设计有关结构尺寸。

　　1.单窗设计形式

　　单窗设计技术要求是使正入射光束经晶体斜面作用后分束起偏,E光不改变方向,O光经斜面反射从另一侧面窗口输出。两光分束角由下式给出:

　　作为双光输出器使用时,AA′为光入射端面,不可反向使用,当反向使用时仅相当一只普通起偏棱镜。设计中为确保入射窗口技术要求,规定AM和D′M′都不低于3mm,考虑此条件并参照图1计算光轴方向厚度H0和E光输出方向厚度L0。