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

摘要

本发明公开了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，首先计算由两个正晶片组成的第一复合波片对任意入射面、任意入射角度入射的光波产生的两个正交分量的相位延迟，两个负晶片组成的第二复合波片对任意入射面、任意入射角度入射光波产生的两个正交分量的相位延迟，第一复合波片和第二复合波片组成的复合波片组对任意入射面、任意入射角度的光波产生的两个正交分量的总的相位延迟。然后对四个晶片的厚度进行优化设计，使不同入射面、不同角度入射光的两个正交分量之间的相位延迟量的差别小于±0.5度，由此提高了偏振检测的精度。该方法适用在任意入射面内、以任意角度入射到四片及4片以上波片构成的复合波片组的情况。

主权项

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： δ 1 = 2 πd 1 λ ( n eq 2 - n eq 2 cos 2 θ + n oq 2 sin 2 θ n oq 2 sin 2 α - n oq 2 - sin 2 α ) + 2 π d 2 λ ( n oq 2 - sin 2 α - n eq 2 - n eq 2 sin 2 θ + n oq 2 cos 2 θ n oq 2 sin 2 α ) 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;neq和noq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： δ 2 = 2 π d 3 λ ( n os 2 - sin 2 α - n es 2 - n es 2 sin 2 θ + n os 2 cos 2 θ n os 2 sin 2 α ) + 2 π d 4 λ ( n es 2 - n es 2 co s 2 θ + n os 2 sin 2 θ n os 2 sin 2 α - n os 2 - sin 2 α ) 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；nes和nes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 = δ 1 + δ 2 = 2 πd 1 λ ( n eq 2 - n eq 2 cos 2 θ + n oq 2 sin 2 θ n oq 2 sin 2 α - n oq 2 - sin 2 α ) + 2 π d 2 λ ( n oq 2 - sin 2 α - n eq 2 - n eq 2 sin 2 θ + n oq 2 cos 2 θ n oq 2 sin 2 α ) + 2 π d 3 λ ( n os 2 - sin 2 α - n es 2 - n es 2 sin 2 θ + n os 2 cos 2 θ n os 2 sin 2 α ) + 2 π d 4 λ ( n es 2 - n es 2 co s 2 θ + n os 2 sin 2 θ n os 2 sin 2 α - n os 2 - sin 2 α ) - - - ( 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： | 2 π λ ( n eq - n oq ) d 1 | = 2 m 1 π + k π 2 - - - ( 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d1r；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 = d 1 - d 2 = kλ 4 ( n eq - n oq ) - - - ( 3 ) 据此得到第二正晶片厚度d2的初始值d2r＝d1r‑Δ；第二复合波片中的第一负晶片满足： | 2 π λ ( n es - n os ) d 3 | = 2 m 2 π - - - ( 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d3r；再根据Δ＝d3‑d4＝0，计算得到第二负晶片的厚度d4的初始值d4r＝d3r‑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δmax和最小值δmin；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δmax和δmin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Δδmax，则所有Δδmax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。