[发明专利]一种用于偏振光产生和检测的复合波片组的优化设计方法

权利要求书

1.一种用于偏振光产生和检测的复合波片组的优化设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、计算求得入射光波经过第一复合波片后的p分量和s分量之间的相位延迟δ1：

δ1=2πd1λ(neq2-neq2cos2θ+noq2sin2θnoq2sin2α-noq2-sin2α)]]>

+2πd2λ(noq2-sin2α-neq2-neq2sin2θ+noq2cos2θnoq2sin2α)]]>

所述第一复合波片包括两片光轴互相垂直，厚度为d₁的第一正晶片和厚度为d₁的第二正晶片，且第一正晶片与第二正晶片平行放置；其中，α为入射光波法线与晶片表面法线的夹角，即为入射角；θ为入射光波法线所在的入射面的方位角；λ为入射光线的波长;n_eq和n_oq是正晶片的主折射率；

步骤2、计算求得入射光线经过第二复合波片后的p分量和s分量之间的相位延迟δ₂：

δ2=2πd3λ(nos2-sin2α-nes2-nes2sin2θ+nos2cos2θnos2sin2α)]]>

+2πd4λ(nes2-nes2cos2θ+nos2sin2θnos2sin2α-nos2-sin2α)]]>

所述第二复合波片包括两片光轴互相垂直，厚度为d₃的第一负晶片和厚度为d₄的第二负晶片，且第一负晶片与第二负晶片平行放置；n_es和n_es是负晶片的主折射率；

步骤3、计算入射光线经过由第一复合波片和第二复合波片组成的复合波片组后的p分量和s分量之间的相位延迟δ：

δ=δ1+δ2=2πd1λ(neq2-neq2cos2θ+noq2sin2θnoq2sin2α-noq2-sin2α)]]>

+2πd2λ(noq2-sin2α-neq2-neq2sin2θ+noq2cos2θnoq2sin2α)]]>

+2πd3λ(nos2-sin2α-nes2-nes2sin2θ+nos2cos2θnos2sin2α)]]>

+2πd4λ(nes2-nes2cos2θ+nos2sin2θnos2sin2α-nos2-sin2α)---(1)]]>

步骤4、根据特定系统偏振检测需求，对复合波片组中各个波片的厚度进行优化设计；

S401、对第一复合波片中的第一正晶片的厚度d₁、第二正晶片的厚度d₂和第二复合波片中的第一负晶片厚度d₃和第二负晶片的厚度d₄进行初始优化，分别得到各自的初始值，具体方法为：

第一复合波片是能够产生任意相位差的复合波片，第二复合波片为复合零级全波片，那么，α＝0和θ=0时：

第一复合波片中的第一正晶片引起的两个正交分量之间的相位差满足：

|2πλ(neq-noq)d1|=2m1π+kπ2---(2)]]>

其中，m₁和k均为非负整数；

考虑可实现加工的第一正晶片的厚度d₁₀代入式（2）中，计算m₁的值后并对其向下取整，再将得到的m₁的值重新代入式（2）后，求得第一正晶片的厚度d₁的初始值d_1r；第一正晶片和第二正晶片构成的复合零级波片厚度差与波长及折射率的关系为：

Δ=d1-d2=kλ4(neq-noq)---(3)]]>

据此得到第二正晶片厚度d₂的初始值d_2r＝d_1r-Δ；

第二复合波片中的第一负晶片满足：

|2πλ(nes-nos)d3|=2m2π---(4)]]>

其中m₂为正整数；

将所选择用于加工的第一片负晶片的实际厚度d₃₀代入式（4）中，计算m₂的值并对m₂向下取整，再将得到的m₂的值重新代入式（4）中后求得第一负晶片的厚度d₃的初始值d_3r；再根据Δ＝d₃-d₄＝0，计算得到第二负晶片的厚度d₄的初始值d_4r＝d_3r-Δ，由此完成了对第一复合零级波片和第二复合零级波片的初始优化；

S402、首先，根据应用该方法的实际系统，分别确定入射到复合波片组的光波法线与波片法线之间的入射角α的取值范围以及入射光波法线所在的入射面的方位角θ的取值范围；

其次，根据步骤S401中确定的d₁、d₂、d₃和d₄在各自的初始值附近的0.1μm范围内以0.01μm为步长取值，得到d₁、d₂、d₃和d₄所有可能的取值；

最后，针对每一组d₁、d₂、d₃和d₄的取值，在α和θ的取值范围内分别得到公式（1）的最大值δ_max和最小值δ_min；计算从θ＝0入射面的光波以方位角α＝0正入射到复合波片组时公式（1）的相位延迟δ₀，再分别求得每一组δ_max和δ_min与相位延迟δ₀之间的差值Δδ₁和Δδ₂，确定每一组差值Δδ₁和Δδ₂中较大值Δδ_max，则所有Δδ_max中最小的对应的一组d₁、d₂、d₃和d₄值即是最优的第一正晶片、第二正晶片、第一负晶片和第二负晶片的厚度，由此完成了复合波片组的优化设计。