格兰·泰勒棱镜透射光强曲线优化处理的研究

格兰·泰勒棱镜透射光强曲线优化处理的研究 格兰?泰勒棱镜透射光强曲线优化处理的研 究 第27卷第6期 2003年12月 激光技术 LASERTECHNOLOGY V01.27.No.6 December,2003 文章编号:1001-3806(2003)06-0597~3 格兰?泰勒棱镜透射光强曲线优化处理的研究 李红霞吴福全 (曲阜师范大学激光研究所,曲阜,273165) 范吉阳 (曲阜师范大学物理系,曲阜,273165) 摘要:分析了线偏振光通过绕光线轴旋转的格兰?泰勒棱镜后,光强出现周期性扰动.分析了扰动产生的原 因,对影响格兰?泰勒棱镜透射光强曲线光滑程度的各个参数进行了详细讨论,进而找到消除其不利影响的有效 方法.理论研究结果与实验相符合. 关键词:格兰?泰勒棱镜;透射光强;扰动;干涉 中图分类号:0435文献标识码:A Studiesonoptimizationproblemsabouttransmittedfightintensity'S perturbanceoftheGlan-Taylorprism L/Hongxia,WuFuquan (InstituteofLaserResearch,QufuNormalUniversity,Qufu,273165) FanJiyang (DepartmentofPhysics,QufuNormalUniversity,Qufu,273165) Abstract:Phenomenonoftransmittedlightintensity'Spemu~nceoftheGlan—Taylorprismwitllv~yinsrotation 咄 isfoundintheexperiment.Ithasnotableinfluenceonqualityoftheoutgoingpolarizedlight.C ausesforthe disturbanceareanalysed.Severalparan~tersthataffectthesmoothnesslevelofcurv~oftrans mittedlightintensityare discussed.Andtheeffectivemethodstoreducethedisturbanceareobtained. Keywords:Glan—Taylorprism;transmittedlightintensity;perturhance;interferance 引言 偏光棱镜是光信息处理,激光调制和测量中非 常重要的无源器件】.格兰?泰勒棱镜是当前偏 光技术采用最普遍的高精度激光偏光镜之一.它采 用冰洲石晶体设计而成,由于冰洲石晶体的光学性 能好,光谱透射范围广,双折射率大,且棱镜采用空 气隙胶合,所以它的消光比优于1O一,使用光谱范 围是(300—2500)hillL2J.它由光轴垂直一直角面的 两块冰洲石直角棱镜组成,透射偏振光保持与原人 射光方向一致,且不受棱镜旋转的影响,这在光路调 整技术中是极重要的一个特点,尤其适合激光应用 技术的要求.近年来随着激光应用技术的发展,该 棱镜更显示了其高抗光损伤的优越性.然而,在实 验中发现该棱镜的透射光强随旋转角出现了周期性 的扰动.这种扰动的存在直接影响了在许多涉及光 作者简介:李红霞,女,1978年5月出生.硕士研究生. 从事偏光器件设计及性能测试工作. 收稿日期:2002-09-25;收到修改稿日期:2003-01-09 场分析,干涉计量及光信息处理等科学领域中的应 用.作者从理论上对造成格兰?泰勒棱镜透射光强 扰动的原因进行分析,详细讨论了影响扰动大小的 各种光学参量,进而找到减小扰动,提高出射偏振光 质量的有效方法.这对改善格兰?泰勒棱镜的光学 性能,指导光学系统设计及实验具有重要意义. 1实验现象 作者采用如图1所示的实验装置.实验中所用 345 Fig.1Theexperimentalsetup l—LDlaser2—po1a五?r3--Glan-Taylorprism4--photoelee~c detector5—0pticalinformationprocessor6pautomaticcontrolsystem 光源为65Ohm的激光,经起偏镜产生的线偏振光正 人射进人待测的格兰?泰勒棱镜.格兰?泰勒棱镜 激光技术2003年l2月 放置在由步进电机带动的可以使棱镜绕光线轴连续 旋转的支架上,从而使得两棱镜的晶体光轴夹角可 以周期性变化.出射光强由光电探测器测得后输入 光信息处理系统,可在微机上直接显示出透射光强 曲线图. 激光通过起偏镜后,成为强度为,0的线偏振 光;然后通过待测格兰?泰勒棱镜时,透射光强按照 马吕斯定律变化:I=loCOS(1) 式中,是待测格兰?泰勒棱镜透射光电矢量的振 动方向与入射的线偏振光的振动方向之间的夹角. 出射光强应为一光滑的余弦曲线.实验中发现曲线 大体上是按上述规律变化的,但存在一定的不规则 扰动.这种扰动在两棱镜晶体光轴相平行的位置附 近最为明显.图2中给出了电机旋转一周过程中的 透射光强实验曲线(图中横轴所标角度与两棱镜晶 体光轴夹角相差,rr/2,纵坐标值为相对光强). >, 0 暑 童t-O 曼0 ?0 量 separationanglebetweenopticalaxes/(.) Fig.2CmweoftransmittedUghtintensityforonerandomrotationperiod 2理论分析 格兰?泰勒棱镜…为空气隙型胶合棱镜.单 色非偏振光进入棱镜的前半部分被分成e光和. 光,但没有分开,当到达晶体一空气界面时,o光被全 反射,e光透过.因为研究的是透射的e光的行为, 所以在图3中只标出了两条e光,e,和e:.e光在 通过空气隙时将发生多次反射,其中经两次反射后 的出射光束e.:与直接透射光束e:,相遇形成干涉. Fig.3Extrordinarylight'8transmissionandinterferanceintheair—gap layer 由折射定理可得:.sin0=sino~(2) 式中,0是e光在晶体一空气界面上的入射角(当光 正入射进入棱镜时,0与棱镜的结构角s相等),为 折射角.e光在晶体一空气界面的透射比,反射比分 别由下式给出【3J: 一一 ,一 sin(0+)c0s(0一) R=tan(0一a)/tan~(0+)(4) 利用(2)式,(4)式算出e.:与e:.的相干偏振光强 ,,=locos~o【卜 【?+2蓦褂.s](5) 式中,为两棱镜的晶体光轴夹角;A是入射光波 长;|II为泰勒棱镜空气隙厚度,且是均匀的.由于实 验中反射比R约为4%,因而上式已经忽略掉反射 比的平方项.将方程右边与0有关的部分用厂() 示,它的变化曲线如图4a所示.由图可见,) Fig.4Pertmbancefactora8&oscillatingfunctionofincident,~olewith wavelanthA=650m,rdmctlvity=1.4848,thickness0fair- gaPh=0.02mm 8-—?_盯8lvibrationperiodsb一—ab'thalfthevibrationod 为振荡函数,其振幅和频率随入射角的增大而增大, 显然这与反射比有关.暂且将)称为扰动因 子.最后出射的相干偏振光强可表示为: /fIocos×.)(6) 若入射角0不变,则出射光强为两棱镜晶体光轴夹 角的余弦函数.由于步进电机的转动是步进式 的,在转动过程中棱镜会有小的振动,从而致使人射 角度0在(正入射时等于结构角,实验中为 38.77.)附近作(0o?Ao)的变化.扰动因子为高频 振荡函数,所以入射角小的扰动将引起扰动因子较 大的涨落.考虑扰动后的出射相干偏振光强可以表 不成:,,=/~cos×厂(0o+A0)(7) 又由于0的变化与无关,所以IoCOS越大的地 方,扰动值越大.因而实验曲线中透射光强越大的 位置,扰动越明显,从而导致了出射光强在随角 成余弦函数变化的基础上,产生一不规则小的扰动, 且呈现出周期性.利用(5)式,并将实验中所取各 参量值:激光波长A=650nm,相应的折射率= 1.4848,空气隙厚度h=0.02mm,结构角0o= 38.77.等代人;为模拟试验中0随电机转动所作的 Jo鼍la暑;莹 第27卷第6期李红霞格兰?泰勒棱镜透射光强曲线优化处理的研究 随机扰动,用振幅为0.05.的随机数发生器产生小 的角度扰动加载到恒定值上,作为自变量,用 Matlab作出的透射光强曲线,如图5a所示.结果与 实验曲线符合得很好. 下面就扰动因子中的各个参数对扰动大小的影 响作具体讨论,求出其最佳取值,从而有效地改善出 射偏振光质量. 3.1入射角度 保持扰动因子中其它参数不变,只改变入射角 度的大小.从图4a可以看出,要使透射光强扰动最 小且透射率较高,入射角应选取在波峰位置.且最 好靠近37.2..因为这时随入射角在附近小的变 化而引起扰动因子的变化最小,且透射率最高.然 而若是棱镜的结构角取38.2.,由于与.光的全反 射的临界角十分接近,会使得棱镜的视场角很小,而 且.光的倏逝波会影响出射偏振光质量J.入射角 度也不能太大,由于扰动因子涨落较大,透射率较 低,影响出射光质量.综合两方面的因素,较合适的 结构角应选择图4a中靠近中间位置的几个波峰(如 38.67.)处.而从图4b可以看出,在实验中所取的 38.77.附近,扰动因子变化较快,因而扰动较为明 显.用Matlab作出入射角为38.67.的透射光强曲 线如图5b所示.与38.77.入射角相比,出射光得 到了较好的改善. 3.2波长及折射率 冰洲石晶体具有色散性,折射率随波长的改变 而改变.在实际应用中,常使用不同波长的光源,因 而讨论波长对出射光强曲线的影响是必要的.保持 扰动因子中其它参数不变,将入射光束的波长A取 为589nm,对应的e光折射率为1.4864….作出的 38.67.时的透射光强曲线如图6a所示.与图5b相 比较可见,曲线呈现的扰动明显变大.入射角为 38.73.时的透射光强曲线如图6b所示.由此可见, 透射偏振光质量得到很好的改善.也就是说,为了 改善透过格兰?泰勒棱镜偏振光的质量,对不同的 入射光波长应选取不同的入射角. separmlonanglebetweenoptlc~"es') Fig.6optim~incidentangleshiftsa8thewavelenthvarlatea 8—--589nm,h:O.02ann.Oo=38.67.b_一A--589nm, h=O.02mm,Oo=38.73. 3.3空气隙厚度h Decker等人在美国光学学会上发表文章指 出:空气隙型偏光棱镜,由于其空气间隔不为0对半 视场角的影响不可忽略,因此为了获得较大的视场 角,应尽量减小空气隙厚度.但是研究发现,如果其 厚度太小,消光比将受到影响【5】.因此它的取值应 限制在一定范围内.保持扰动因子中的其它参数不 变,将空气隙厚度h变为0.025ram,得到如图7a所 示透射光强曲线.可见空气隙厚度的改变对曲线扰 动的影响很明显.同样可以求出在新的厚度下最合 适的入射角,如38.59.,对应此波长,作出的透射光 强曲线如图7b所示. 言 量 j 盖= 墨 'l 量 ?pll?;o-I-I10kbelweenopticalaxes/(') Fig.7optim~incidentangle日I谶a8thicknemoftheair-sapVari岫 a?.^--650nm,h--0.025mm,%=38.67.b_一A=65Ohm,h= 0.025mm,Oo=38.59. 由以上讨论可知,光学系统中所用光源的波长, 空气隙厚度及入射角具有确定的对应关系.在设计 高性能格兰?泰勒棱镜时,要根据要所使用的波长, 在允许范围内相应地调整空气隙厚度及结构角,以 获得最好的匹配关系. 参考文献 [1]DriscallwG.Handbookofoptics.NewYork:Mcgraw-Hill, 1978,10:43-45. 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