一種新的Lyot型雙折射調(diào)諧濾光片

石英晶體波片的延遲量對入射傾角有很大的敏感性,利用波片的這一特性,從普通的Lyot型雙折射濾光片的基本原理出發(fā),設(shè)計(jì)了一種新的Loyt型雙折射調(diào)諧濾光片。調(diào)諧的方法是使石英波片繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。理論和實(shí)驗(yàn)證明這一設(shè)計(jì)有較好的可調(diào)性,可調(diào)范圍比較寬。比普通的加入λ/4波片和λ/2波片的Lyot型雙折射調(diào)諧濾光片簡化了結(jié)構(gòu)、降低了成本。

Lyot型濾光片是法國物理學(xué)家LYOT為了天文研究的需要,特別是為了觀察太陽的日珥和日冕而發(fā)明的單色雙折射濾光片。由于雙折射濾光片可被設(shè)計(jì)成具有大視場角、窄通帶、良好的抗光損傷能力等獨(dú)特的光學(xué)特性的器件,因此,在許多領(lǐng)域仍有其它濾光片不可替代的作用。Lyot濾光片是根據(jù)晶體的雙折射效應(yīng)和偏振光的干涉原理而設(shè)計(jì)的[1]。對它調(diào)諧的方法有很多種[2],可以用改變溫度的方法,使濾光片中的每塊晶片的厚度和雙折射率發(fā)生變化,從而引起透射波長的變化;為了獲得一個(gè)更寬的調(diào)諧范圍,可以用兩塊楔形晶體代替濾光片中的每一塊雙折射晶體,當(dāng)楔形板相對于另一塊滑動(dòng)時(shí),晶體的厚度就發(fā)生變化,從而引起透射波長的變化; 

TITLE和ROSENGERG在Lyot濾光片中插入了λ/4波片和λ/2波片,從而使調(diào)諧變得簡單可行了。這些方法都是從Lyot濾光片的原理出發(fā),達(dá)到對光的調(diào)諧,但是需要控制溫度,或?qū)w進(jìn)行重新加工,或加入新的器件,且對于溫控的方法可調(diào)諧的范圍不大。本文中同樣從普通的Lyot型雙折射濾光片的基本原理出發(fā),利用波片延遲量對入射傾角的敏感性[3],使波片繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對光的調(diào)諧,簡化了結(jié)構(gòu),降低了成本,具有調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧方便等優(yōu)點(diǎn)。利用石英晶體晶片延遲量對入射傾角的敏感性作調(diào)諧濾光片的設(shè)計(jì)迄今尚未見報(bào)道。

1　Lyot型雙折射濾光片的原理

Lyot濾光片是根據(jù)晶體的雙折射效應(yīng)和偏光干涉原理而設(shè)計(jì)的。它的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖中, P1和P2是偏光鏡, L1是光軸平行于晶體表面切割的石英晶片,兩偏光鏡P1和P2的偏振面是互相平行的,L1的光軸方向與兩偏光鏡P1和P2的偏振面成45°。非線偏振光經(jīng)過P1后成為線偏振光,垂直入射到石英晶片L1表面上,由于L1是平行于光軸切割的雙折射片所以,入射光在進(jìn)入石英片后,產(chǎn)生平行于光軸振動(dòng)的非常光(e光)與垂直于光軸振動(dòng)的尋常光(o光),它們再沿同一方向傳播,但由于兩光在晶體內(nèi)的傳播速度不同,所以從石英片出射后, o光和e光的相位是不同的,其延遲量為:Δδ=2π(ne-no)d/λ,此時(shí),雖然o光和e光是來自同一條光線,且沿同一方向傳播,但振動(dòng)方向卻相互垂直,故不能發(fā)生干涉。當(dāng)它們通過P2后, o光和e光二振動(dòng)方向平行,因而能產(chǎn)生干涉。濾光片的透射比由下式?jīng)Q定[3]:

T =cos2(δ/2) (1)

可見,對一定波長的光λ,對應(yīng)一定的δ值,若使δ取某一相應(yīng)的值,T便可取得最大值;對于不同的波長的光,要使其透射最大,則必須改變?chǔ)?因此達(dá)到調(diào)諧性能。當(dāng)d=5mm時(shí),Lyot濾光片的理論透射曲線見圖2。

2　繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)波片

下面從理論上討論繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)波片, o光和e光位相差δ的變化情況。

圖3是厚度為d、波片晶體光軸垂直紙面時(shí),繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)波片的情況。在此情況下,光線由空氣斜入射到波片, o光和e光都滿足菲涅耳定律[4]: sinθ=sinθono=sinθene,式中,no和ne為晶體的主折射率。

通過計(jì)算,可得o光和e光的光程差為:

3　可調(diào)諧濾光片

從Lyot調(diào)諧濾光片的基本原理出發(fā),結(jié)合石英波片繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)使相位延遲的變化,設(shè)計(jì)調(diào)諧濾光片的結(jié)構(gòu)見圖4。

由(1)式、(3)式得可調(diào)諧濾光片的透射比為:

從公式可以看出,對一定波長的光λ,對應(yīng)一定的δ值,若使δ取某一相應(yīng)的值,T便可取得最大值;對于不同的波長的光,要使其透射比最大,則必須改變?chǔ)?因此達(dá)到調(diào)諧性能。

以石英晶體為例,其厚度為5mm,圖5是濾光片透射曲線,其中實(shí)線為θ=0°時(shí)濾光片透射曲線,虛線為θ=12°時(shí)濾光片透射曲線。從圖可以看出,當(dāng)θ發(fā)生變化時(shí)透射光的波長也隨之而改變,從而達(dá)到調(diào)諧的目的。

為了檢驗(yàn)理論的正確性,采用島津UV23101PC型分光光度計(jì)對該結(jié)構(gòu)的雙折射調(diào)諧濾光片進(jìn)行了測試。測試中使用的波片的厚度為322. 8μm,在1064nm處是λ/2的石英波片。測試得到的調(diào)諧濾光片的透射曲線見圖6,其中實(shí)線為θ=0°時(shí)濾光片透射曲線,虛線為θ=14°時(shí)濾光片透射曲線。由結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)與理論符合得很好。

4　結(jié)論

利用波片延遲量對入射傾角的敏感性所設(shè)計(jì)的Lyot雙折射濾光片具有較好的可調(diào)性,可調(diào)范圍比較寬。對于單級Lyot可調(diào)濾光片來說,它的通帶半寬度較大,這是其最大的缺憾,如果希望得到較窄的帶寬,必須采用多級的辦法來實(shí)現(xiàn)。感謝宋連科老師和郝殿中老師在實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理中給予的幫助。