偏振态对角锥棱镜远场衍射分布的影响

　　0　引　言

　　角锥棱镜是一种常见的光学元件,广泛应用于激光测距、激光通信等领域。在上述应用中,接收系统探测的是激光光束经角锥棱镜反射后的远场衍射。因此从纯粹的几何光学理论出发进行角锥棱镜的设计往往会给棱镜的有效使用带来一系列的问题。此外,由于在多数应用中,角锥棱镜的反射面上并不镀金属反射膜,因此入射光束在各反射面上发生全反射时面临着位相突变和出射光束偏振态改变的问题。目前国内对角锥棱镜的偏振特性[1,2]、远场衍射特性都进行了一定的探讨[3],但从衍射理论出发推导角锥棱镜偏振特性对远场分布的影响却还未见报道;但工程应用中却大量使用了不镀反射膜的角锥棱镜,因此研究角锥棱镜偏振特性对远场分布的影响对设计角锥棱镜有一定的指导意义。为此本文计算了线偏振光经过未镀膜的实心角锥棱镜直角面全反射(TIR)后偏振态的变化,同时,利用衍射理论,推导了出射光两正交偏振分量的衍射场分布,用计算机模拟出其相关的衍射图样,在不考虑偏振态变化和考虑偏振态变化这两种不同情况下,经角锥棱镜反射后的远场衍射光场分布有明显差异,证明角锥棱镜的偏振效应是正确接收远场衍射光场必须考虑的问题。

　　1　角锥棱镜偏振特性的描述

　　不考虑角锥棱镜的加工误差,当一束在一定角度内分布的平行光进入角锥棱镜,经过三个直角面的反射后,根据反射次序不同分成六束光线,这六束出射光均与原入射光严格平行且反向。入射、出射光束的关系及不同区域光束反射顺序如图1、图2所示。

　　光束在棱镜内部要依次经过三个直角反射面的全内反射。在某一反射面发生全内反射时,相对于入射平面平行和垂直的两个振动分量要发生位相突变。若用δ∥和δ⊥分别表示经某一反射面反射后平行和垂直的两个振动分量的相位突变,则δ∥和δ⊥为[4]:

　　式中　n=n2/n1(n是光疏媒质对光密媒质的相对折射率);θi是光线的入射角.

　　光束在角锥棱镜中经历三次全内反射,由于三次全内反射入射面的方位都不同,故不能通过对每次位相的简单迭加来求总的δ∥和δ⊥。利用参考文献[5]中的方法,计算出了一振幅为1的线偏振光经过六种不同反射次序后出射光两正交偏振分量的大小:

　　(1)经过Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ反射次序

　　(2)经过Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ反射次序

　　(3)经过Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ反射次序

　　(4)经过Ⅱ→Ⅲ→Ⅰ反射次序

　　(5)经过Ⅲ→Ⅰ→Ⅱ反射次序

　　(6)经过Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ反射次序