CN110618480B - 一种90°偏转的光学元件、其使用方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种90°偏转的光学元件、其使用方法及应用，所述的光学元件包括入射面、反射面和出射面，通过调整入射面、反射面和出射面之间的夹角以及入射光线的入射角度使得入射光线经光学元件的折射反射作用后光路偏转90°。本发明针对光纤光栅刻写系统中所用光源的特点和技术要求，依据布儒斯特定律和内全反射定律，设计了一款高传输效率、高损伤阈值的90°偏转的光学元件。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种90°偏转的光学元件及其使用方法，尤其涉及一种实现线偏振光低损耗偏转90°的光学元件及其使用方法。
背景技术
光纤光栅是一种纤芯折射率呈周期性分布的光纤。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，实质是一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出一系列性能独特的光纤器件。这些器件具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、化学稳定及电绝缘等优点。光纤光栅主要集中应用在光纤通信、光纤传感器和光纤激光器等领域。
采用适当的光纤增敏技术和光源，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度地写入光栅。传统的光栅刻写技术利用深紫外光对折射率敏感光纤进行刻写。近年来，飞秒激光光栅直接刻写技术获得快速发展，该技术利用超短激光脉冲和极高峰值功率的飞秒脉冲在透明介质中的非线性效应，诱导材料折射率发生变化。
深紫外激光和飞秒激光价格非常昂贵，光栅刻系统中所用的光学元件数量较多，要求每个光学元件的能量损耗要少，这对各光学元件表面膜层的光谱性能和抗激光损伤性能提出了很高的要求。例如：光栅刻写系统中用于将光路转折90度的平面反射镜的膜层很容易被高能量的激光打坏，由此带来的物料更换和光路调整大大增加和系统的维护成本。因此，迫切需要设计一款适用于光纤光栅刻写系统的高传输效率、高损伤阈值的90度偏转光学元件。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种90°偏转的光学元件、其使用方法及应用，本发明针对光纤光栅刻写系统中所用光源的特点和技术要求，依据布儒斯特定律和内全反射定律，设计了一款高传输效率、高损伤阈值的90°偏转的光学元件。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种90°偏转的光学元件，所述的光学元件包括入射面、反射面和出射面，入射光线经入射面折射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面折射出光学元件。
本发明针对光纤光栅刻写系统中所用光源的特点和技术要求，依据布儒斯特定律和内全反射定律，设计了一款高传输效率、高损伤阈值的90°偏转的光学元件。
需要说明的是，本发明提供的光学元件需要根据入射光束的波长、光学材料折射率等进行特殊定制，因此理论上，本发明提供的光学元件不仅可以实现光路偏转90°，本领域的技术人员可以根据不同的应用场景设计出不同偏转度数的光学元件。但需要明确的是，目前本发明提供的光学元件尚无法实现偏转度数的任意调整，也无法普遍适用任意入射光束，一旦光束波长改变或偏转度数的需求发生改变，需要重新设计，但设计原理与本发明相通。
作为本发明一种优选的技术方案，入射光线以布儒斯特角由入射面透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面透射出光学元件，入射光线与出射光线的夹角为90°。
在本发明中，入射光线以布儒斯特角入射时，由于没有垂直于反射平面的能量分量，所以全部能量均形成透射，能量几乎没有损失，最大程度地减少光纤在入射面产生的反射损耗，在反射面利用全内反射无损反射能量，此外，由于光线几乎全部透射，也无需在各光学面额外镀增透膜，从而大幅提高表面的损伤阈值。
在此需要说明的是，本发明所述的布儒斯特角即为本领域公知的起偏振角，具体是指，当入射自然光以此角度射入界面时，反射光是线偏振光，并且与折射光线互相垂直。当自然光在两种各向同性介电质的分界面上反射和折射时，光的偏振状态会改变。通常情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光，而且在反射光中垂直于入射面的光振动要多于平行振动，而折射光则相反。反射光的偏振化程度与入射角有关，当入射角度等于布儒斯特角时，反射光就成为只有垂直于入射面的线偏振光。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的光学元件由整块光学材料一体成型。
优选地，所述的光学透明材料包括熔融石英玻璃或BK7玻璃。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的光学元件为棱镜。
本发明提供的光学元件使用棱镜结构代替平面镜同时实现光路偏转功能，结构坚固耐用。
优选地，所述的棱镜的横截面为等腰梯形，等腰梯形的两腰所在侧面分别为入射面和出射面，等腰梯形的上底所在侧面为反射面。
优选地，所述的入射面、反射面和出射面经光学研磨和抛光处理。
在本发明中，所有的光学面只需要经过研磨、抛光等冷加工手段加工，无需镀膜，从而大幅提高表面的损伤阈值。
作为本发明一种优选的技术方案，等腰梯形棱镜的顶角按照以下方法计算得到：
(1)根据光学元件所用光学材料在特定光源波长下的折射率计算布儒斯特角，通过布儒斯特角和折射率计算光线在入射面上的折射角；
(2)根据入射光线与出射光线的夹角为90°计算光线在反射面上的入射角；
(3)通过步骤(1)得到的折射角与步骤(2)得到的入射角计算等腰梯形棱镜的顶角。
第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的光学元件的使用方法，所述的使用方法包括：
入射光线以布儒斯特角由入射面透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面透射出光学元件，入射光线与出射光线的夹角为90°。
入射光线以布儒斯特角入射时，由于没有垂直于反射平面的能量分量，所以全部能量均形成透射，能量几乎没有损失，最大程度地减少光纤在入射面产生的反射损耗，在反射面利用全内反射无损反射能量，此外，由于光线几乎全部透射，也无需在各光学面额外镀增透膜，从而大幅提高表面的损伤阈值。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的入射光线为线偏振光。
优选地，所述的入射光线的偏振方向平行于入射面。
本发明基于布儒斯特定律设计了一种高传输效率、低反射损耗的光学元件，由于自然光以布儒斯特角入射后，得到的反射光和折射光均为偏振光，其中，反射光的偏振方向垂直于入射面，折射光的偏振方向平行于入射面，为了减少反射损耗，避免光线在入射面发生反射，本发明采用线偏振光以平行于入射面方向入射，以达到全部折射的目的。
优选地，所述的入射光线为P偏振光。
在本发明中，P偏振光以满足布儒斯特角的方式进入棱镜，然后在棱镜内部发生全反射，最后满足布儒斯特角的方式射出棱镜，最大程度地减少了能量损失。
当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的入射光线为深紫外激光或飞秒激光。
作为本发明一种优选的技术方案，光线在反射面上的入射角大于全反射临界角。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的90°偏转的光学元件的应用，所述的光学元件用于光纤光栅刻写系统。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在本发明中，入射光线以布儒斯特角入射时，由于没有垂直于反射平面的能量分量，所以全部能量均形成透射，能量几乎没有损失，最大程度地减少光纤在入射面产生的反射损耗，在反射面利用全内反射无损反射能量，此外，由于光线几乎全部透射，也无需在各光学面额外镀增透膜，从而大幅提高表面的损伤阈值。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的光学元件的尺寸结构图；
其中，S1-入射面；S2-反射面；S3-出射面。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种90°偏转的光学元件，所述的光学元件如图1所示，包括入射面S1、反射面S2和出射面S3，入射光线以布儒斯特角由入射面S1透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面S2发生全反射，反射光线由出射面S3透射出光学元件，入射光线与出射光线的夹角为90°。
本发明提供的光学元件由整块光学材料一体成型，可采用的光学透明材料包括熔融石英玻璃或BK7玻璃。光学元件的具体形状如图1所示，是一个横截面为等腰梯形的棱镜，等腰梯形的两腰所在侧面分别为入射面S1和出射面S3，等腰梯形的上底所在侧面为反射面S2，入射面S1、反射面S2和出射面S3经光学研磨和抛光处理。
其中，等腰梯形棱镜的顶角按照以下方法计算得到：
(1)根据光学元件所用光学材料在特定光源波长下的折射率计算布儒斯特角，通过布儒斯特角和折射率计算光线在入射面S1上的折射角；
(2)根据入射光线与出射光线的夹角为90°计算光线在反射面S2上的入射角；
(3)通过步骤(1)得到的折射角与步骤(2)推算的入射角计算等腰梯形棱镜的顶角。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种光学元件的使用方法，所述的使用方法包括：
入射光线以布儒斯特角由入射面S1透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面S2发生全反射，反射光线由出射面S3折射形成出射光线，入射光线与出射光线的夹角为90°。
本发明中，入射光线为线偏振光，偏振方向平行于入射面S1，光线进入光学元件内部后在反射面S2上的入射角度大于全反射临界角。
特别地，在光纤光栅刻写系统中应用本发明提供的光学元件时，使用的入射光线为深紫外激光或飞秒激光。
需要说明的是，本发明提供的光学元件需要根据不同的入射光束种类、波长及采用的光学材料的折射率进行特殊定制，因此，一旦光束改变、波长改变或光学材料改变，则需要对光学元件的各尺寸进行重新计算重新设计。也正是如此，本发明无法限定光学元件的具体尺寸，需要本领域技术人员结合不同种类的激光光束及光学材料的折射率计算其具体尺寸。
实施例
本实施例针对特定波长的激光光源设计了一个横截面为等腰梯形的棱镜，结合附图对等腰梯形各角度的计算过程加以详细说明：
(1)计算布儒斯特角：用于刻写光栅的激光光源的波长为213.8nm，P偏振。使用康宁紫外级熔融石英玻璃作为棱镜的光学材料，查阅相关资料可知石英玻璃在该波长处的折射率n为1.535，计算得到的布儒斯特角度为56.92°(arctan1.535＝56.82°)。
(2)计算光线在入射面处的折射角：入射光线以56.92°的入射角通过入射面S1透射进入光学元件，入射面S1处形成的折射角为37.08°(56.92°÷1.535＝37.08°)，入射面S1处的折射角与折射面间的夹角(即折射角的余角)为52.92°(90°-37.08°＝52.92°)。
(3)计算光线在反射面出的入射角：由于本实施例提供的光学元件的横截面为等腰梯形，因此光学元件的内部光路沿轴线对称，为了保证入射光线与出射光线之间的夹角为90°，因此入射光线的延长线与轴线之间的夹角为45°，根据45°角、37.08°角、56.92°角和光线在反射面S2上的入射角四个角之间的关系，通过角度转化推导出光线在反射面S2上的入射角为64.84°(56.92°-37.08°+45°＝64.84°)。
(4)验证光线在光学元件内部是否发生全反射：验证该入射角是否满足全反射条件，即该入射角是否大于全反射临界角，全反射临界角＝arcsin(1/n)＝arcsin(1/1.535)＝40.65＜64.84°，即入射角超过了全反射临界角，换言之，以64.84°入射到反射面上时，光线会发生全反射。
(5)计算等腰梯形的顶角：相应地，光线在反射面S2上的入射光线与反射面S2之间的夹角(即入射角的余角)为25.16°(90°-64.84°＝25.16°)。根据25.16°角、52.92°角以及三角形内角和为180°计算得到等腰梯形的顶角为101.92°(180°-25.16°-52.92°＝101.92°)。
由此，针对波长为213.8nm的激光光源，折射率n为1.535的康宁紫外级熔融石英玻璃而特殊定制的光学元件的基本角度尺寸得以确定，即等腰梯形的两个顶角为101.92°，两个底角为78.08°。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (12)
1.一种90°偏转的光学元件，其特征在于，所述的光学元件包括入射面、反射面和出射面，入射光线经入射面折射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面折射出光学元件；
所述的光学元件为棱镜；所述的棱镜的横截面为等腰梯形，等腰梯形的两腰所在侧面分别为入射面和出射面，等腰梯形的上底所在侧面为反射面；入射光线以布儒斯特角由入射面透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面透射出光学元件，入射光线与出射光线的夹角为90°。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述的光学元件由整块光学材料一体成型。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其特征在于，所述的光学材料包括熔融石英玻璃或BK7玻璃。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述的入射面、反射面和出射面经光学研磨和抛光处理。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，等腰梯形棱镜的顶角按照以下方法计算得到：
（1）根据光学元件所用光学材料在特定光源波长下的折射率计算布儒斯特角，通过布儒斯特角和折射率计算光线在入射面上的折射角；
（2）根据入射光线与出射光线的夹角为90°计算光线在反射面上的入射角；
（3）通过步骤（1）得到的折射角与步骤（2）得到的入射角计算等腰梯形棱镜的顶角。
6.权利要求1-5任一项所述的光学元件的使用方法，其特征在于，所述的使用方法包括：
入射光线以布儒斯特角由入射面透射进入光学元件，在光学元件内部经反射面发生全反射，反射光线由出射面透射出光学元件，入射光线与出射光线的夹角为90°。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述的入射光线为线偏振光。
8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述的入射光线的偏振方向平行于反射面。
9.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述的入射光线为P偏振光。
10.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述的入射光线为深紫外激光或飞秒激光。
11.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，光线在反射面上的入射角大于全反射临界角。
12.一种权利要求1-5任一项所述的90°偏转的光学元件的应用，其特征在于，所述的光学元件用于光纤光栅刻写系统。
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