[发明专利]一种三元式宽带消色差复合波片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学元件设计领域，更具体地，涉及一种三元式宽带消色差复合波片。

背景技术

波片是光学仪器设计与光学测量领域中常用的光学元件，它能够使得偏振光的两 个垂直分量产生附加光程差(或相位差)，该光程差称为波片的相位延迟量。波片的相位延 迟特性可用于改变光波的偏振态(例如从线偏振光变成圆偏振光，从椭圆偏振光变成线偏 振光等)，或者检查光波的偏振态。波片通常由双折射晶体制作而成，常用的双折射晶体包 括云母、石膏、氟化镁、蓝宝石、结晶石英等。

单波片是一片双折射晶片，由于双折射晶体通常具有较大的色散，因此，单波片的 相位延迟量具有较大的色散，不具备消色差功能。近年来，随着宽光谱椭偏测量等宽光谱光 学系统的发展，对波片的宽光谱适应特性要求越来越高。消色差波片是由多个不同单波片 按照一定的光轴夹角组合而成，其相位延迟量等光学特性能够在一定的波段范围实现消色 差，能够满足宽光谱光学系统对波片的使用要求。

常见的消色差波片包括不同材料消色差波片和同种材料消色差波片两大类。 Beckers(J.M.Beckers,AplliedOptics,Vol.10,No.4,pp.973-975)提出由不同材料单波 片组成的消色差复合波片设计方法，这种类型的消色差波片的各个单波片由不同的材料制 作而成，不同单波片的光轴互相垂直或平行布置，由不同材料双折射率互相补偿实现相位 延迟量消色差特性。这种复合消色差波片的消色差特性依赖于材料的特性。 S.Pancharatnam(S.Pancharatnam,Proc.Indian.Acad.Sci.A,Vol.41,pp.137-144,1955) 提出了同种材料消色差复合波片设计方法，该方法将三个同种材料的波片进行复合，其中， 中间的波片为半波长波片，其光轴与两边两个波片成一定的夹角c，而两边的两个波片拥有 相同的相位延迟量δ，并且这两个波片按光轴方向平行放置，这样调整c和δ的大小便可以得 到不同波段的消色差复合波片，从而实现了同种材料复合波片消色差功能。后来， P.Hariharan(P.Hariharan,Meas.Sci.Technol,Vol.9,pp.1678-1681,1998)等人在 Pancharatnam、Beckers的基础上加以改进，设计出了适用于宽波段的超级消色差复合波片 相位延迟器。但是这种复合波片至少需要6个单波片或者更多波片，至少需要两种不同的材 料，这增加了加工制作的难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三元式宽带消色差复合波片，该复合波片由三个同种 材料的四分之一零级波片组成，通过优化三个单波片的中心波长和光轴夹角，从而实现在 相位延迟量消色差特性。该三元式复合波片可以在包括紫外、可见及近红外的宽波段内实 现相位延迟量消色差功效。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种三元式宽带消色差复合波片，该复合波 片包括三个同种材料的四分之一零级波片，各四分之一零级波片均平行放置，其中，所述三 个四分之一零级波片的中心波长和光轴夹角满足使得该三元式复合波片在所设计波段范 围Γ内各波长点对应的相位延迟量δ_e(λ)与理想相位延迟量值δ₀之间差值的最大值取得最 小值。

此外，本发明目的还在于提供一种上述三元式宽带消色差复合波片的制备方法， 该方法包括：

S100、选择所设计三元式宽带消色差复合波片的适用波段范围Γ和目标相位延迟 量δ₀，根据所设计的三元式宽带消色差复合波片使用的实际场合，选择波段范围和目标相 位延迟量；

S200、选择三元式宽带消色差复合波片的制作材料，确定材料的双折射率dn(λ)；

S300、设计用于组成三元式宽带消色差复合波片的三个四分之一零级波片的中心 波长、厚度和光轴夹角；

波片的快轴与x轴之间的夹角为θ，波片的相位延迟量为δ，则波片的传输特性用式 (1)表示：