基于非球面透镜的光分束器设计

 针对目前532 nm波长光的分束技术在光电测控系统（如激光干涉测速）等领域的广泛应用,提出一种光分束器的设计方法,此分束器可将光纤入射的532 nm绿光分成接近等比的多束光（包括一分二、一分三、一分四）。此系统首先用非球面透镜将光纤入射的光束准直,再通过分光片分光后用同样的透镜将光束耦合进光纤,达到了77%的通光效率,附加损耗约1 dB。详细介绍了非球面透镜的设计、分束器的结构、装配及其实验结果,并对实验结果以及研制过程中影响分束器效率的各种因素进行分析。     

基于多光束干涉的长程轮廓仪

为提高长程轮廓仪(LTP)面型检测的精度,提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换(FT)透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布,探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器,并与传统分束器进行了仿真实验比较,设计了测量系统中的准直镜和FT透镜,在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型,并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量,其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄,光强也更加集中,可以提高LTP的测量精度。     

新型干涉高光谱成像系统的光束剪切特性分析

提出了一种基于新型双折射横向剪切分束器的高光谱成像方法,采用的横向剪切分束器主要由Wollaston棱镜和角锥反射体组成.在分析双折射分束器的偏光结构和分光机理的基础上,利用光线追迹方法分析了光束在Wollaston棱镜中的传播特性,通过计算光束在双折射分束器中的传播方向及出射位置,推导出调制光程差的理论表达公式.根据理论推导结果,分别仿真分析了系统在不同扫描模式下光程差与入射光视场角以及角锥顶点偏移量的调制关系.基于理论分析结果搭建了实验装置,对光程差分析结果进行验证,实验结果与理论分析结果匹配较好.所提方法可以提高剪切光束的平行性,保证干涉条纹的高调制度,降低了复原光谱准确度对光学装调精度和元件加工精度的依赖性,具有结构稳定、复杂度低的显著特点.     

单块晶体2×2光开关

利用晶体的双折射和全内双反射现象以及晶体的电光效应 ,设计了一种单块晶体集成的 2× 2光开关 ,将一个电光调制器和两个光束分束器集成到一块铌酸锂晶体上 ,实现了光束合束、偏振态调制和光束分束三种功能。根据这种光开关的工作原理 ,给出两种开关结构 ,一种是易于级联的垂直入射结构 ,另一种是有较低操作电压的倾斜入射结构 ,并对倾斜入射结构的光开关进行了制作和测试。实验结果表明 :这种集成结构的 2× 2光开关操作电压低 ,串扰小 ,能量损耗小 ,抗干扰 ,稳定可靠 ,适用于各种光学互连网络。     

Wollaston式多光束分束棱镜的设计研究

基于方解石晶体的光学特性和传统Wollaston棱镜的结构特点,设计了一种新型Wollaston式多光束分束棱镜。棱镜的两块晶体的光轴不再是垂直的,而是呈现一定的角度。通过结合玻璃棱镜,可以实现三束或四束光束平行光束的出射。以晶体光轴夹角为45°角为例,对该棱镜进行了讨论研究。研究得出:当一束自然单色光入射时,当入射光束的光斑大小大于两平行光束之间的距离时,可以实现两束相互垂直的偏振光和一束自然光出射,当光斑大小小于棱镜中两平行光束之间的距离时,能够产生四束分开程度可调并且平行出射的偏振光。该棱镜能为不同的应用环境提供可调节的偏振出射光束,从而节约成本。     

具有调制功能的多模干涉型1×3分束器

提出了利用量子约束斯塔克(Stark)效应制作具有调制功能的多模干涉型1×3分束器的设计思想,并详细分析了这种光分束器的工作原理。根据理论计算结果,制作了具有调制功能的多模干涉型1×3分束器。分束器的脊型多模波导长度为275μm,宽度为10μm,波导层采用GaAs/AlGaAs多量子阱结构,厚度约为0.2μm;电极采用共面波导结构。首先用有限差分光束传播法模拟了器件的光波传播特性,然后进行了初步的实验验证。理论模拟和实验结果表明,波长为0.86μm的高斯光束对称入射到多模波导的中心,器件实现了3分束功能;施加3 V的直流偏压,器件的调制深度达90%以上、调制带宽为2 GHz,实现了电吸收调制功能。     

自然双折射晶体中热致双折射效应的研究

激光振荡器和激光放大器中激光晶体的热效应对光束特性有着重要的影响,不仅改变了光束的波前,还影响了光束的偏振态。基于激光晶体内的弹光效应,通过对光率体的主轴化,研究了自然双折射晶体中的热致双折射效应。结果表明,弹光效应对自然双折射晶体光率体的影响主要表现为横截面内椭圆主轴的偏转,主轴偏转角度小于0.01°。在激光振荡器和放大器中,一束线偏振激光经过具有热效应的自然双折射晶体之后退偏率小于1.8×10-8,这种条件下热致双折射效应的影响可以忽略,这与光学各项同性晶体完全不同。     

用于透明平板平行度和均匀性测量的单元件干涉仪

提出了一种基于单元件干涉的用于检测透明介质平整度和均匀性的干涉仪.该干涉仪的核心元件是一个菱形分光棱镜.激光光源的平面波光束的一半光束透过待测样品,另一半光束直接透过空气,然后分别入射到菱形分光棱镜的两垂直面并在分光面相遇、相干.通过旋转待测样品改变相干的两束光光程差,从而使干涉条纹发生移动.形成的相干光被分光板分成两束,一束进入光电探测器用于探测干涉条纹移动数的整数部分,另一束则进入电荷耦合探测器用于采集干涉条纹图来计算干涉条纹移动数的小数部分.通过计算条纹移动数反推出光程差的变化量,再结合折射率或样品厚度信息则可以计算出样品厚度或折射率的分布,从而检测出透明介质的平行度和均匀性.模拟仿真和光学实验均证明了本方法的可行性、准确性和稳定性.     

八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器

分别以碲玻璃和SF6玻璃作为基质材料,设计制作了一种基于双折射效应的新型八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器。应用全矢量有限元法（FEM）分析了碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中结构参数对双折射和相对耦合长度特性的影响,数值模拟了碲玻璃和SF6两种偏振分束器的性能。结果表明：在碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中,增大椭圆率可同时增加结构的双折射和相对耦合长度,与SF6玻璃偏振分束器相比较,碲玻璃偏振分束器具有更高的消光比和更大的带宽,即在工作波长为1.55 μm处,消光比达到最小值-53.46 dB,且消光比小于-20 dB的带宽为120 nm。     

硅光子晶体TE模式光下路分束器设计

设计了基于自准直效应的硅光子晶体TE模式13和12光下路分束器。13光下路分束器由4个分束镜组成,而12下路分束器由3个分束镜和1个反射镜组成。利用多光束干涉原理推导出光下路分束器各个出口的透射谱理论公式。通过选择合适的分束镜,可以得到不同分束比例的光下路分束器。对于13光下路分束器,设计了1∶1∶1和1∶2∶3两种分束比例;对于12光下路分束器,设计了1∶1和1∶2两种分束比例。再利用时域有限差分软件数值模拟了透射谱,其结果与理论设计一致。当下路波长为1550 nm时,13和12两种光下路分束器的大小均约为10 m 10 m,自由光谱区为36 nm,覆盖了整个光通信C波段。     

Simple system for evaluating retardation of liquid crystal cells using grating type liquid crystal polarization splitters

We propose a unique optical system for measuring the retardation of birefringent films using a pair of liquid crystal (LC) gratings; that is, the examined birefringent films are inserted between two LC gratings. Because the LC grating functions as a polarization beam splitter for circularly polarized light, the proposed system is optically equivalent to the measurement system using a pair of two circular polarizers. First, the polarization splitting performance of the LC grating is discussed. It is found that a sufficiently high voltage (such that the retardation is less than a half wavelength) has to be applied for the almost pure circularly polarized diffracted light. Next, the measurement of the retardation of a homogeneous LC cell as an examined birefringent film was demonstrated using the proposed method. The proposed method is revealed to have the same measurement performance as that of the conventional method using a pair of linear polarizers and has an advantage that there is no need for the optic axis of the test birefringent specimen to be set at a specific angle.     

分束量可调的等光程平行分束技术

基于厚波片平行分束特性,提出了一种分束量可调的等光程平行分束技术,给出透射式和反射式两种平行分束光路.透射式平行分束光路由厚波片和1/2波片组成,反射式平行分束光路由分束镜、厚波片、1/4波片和反射镜组成.通过旋转厚波片可实现分束量的调节.实验结果和理论值相吻合,验证了该技术的有效性.     

分束量可调的等光程平行分束技术

基于厚波片平行分束特性,提出了一种分束量可调的等光程平行分束技术,给出透射式和反射式两种平行分束光路.透射式平行分束光路由厚波片和1/2波片组成,反射式平行分束光路由分束镜、厚波片、1/4波片和反射镜组成.通过旋转厚波片可实现分束量的调节.实验结果和理论值相吻合,验证了该技术的有效性.     

A novel polarization splitter based on dual-core hybrid photonic crystal fibers

Highly birefringent dual-core photonic crystal fibers (PCFs) can be used as a polarization splitter because the orthogonal polarization modes with dissimilar coupling lengths are easily separated from each other. Different from the traditional methods achieving high birefringence, a new highly birefringent hybrid PCF that guides light by both index guiding and bandgap guiding is proposed. Firstly, a novel polarization splitter based on this kind of dual-core hybrid PCF is designed. The transmission modes, coupling lengths for the two orthogonal polarizations and performance of the proposed polarization splitter are investigated and numerically analyzed. The results demonstrate that it is possible to obtain a 4.72-mm-long polarization splitter. The splitting ratio is better than −20 dB in a large wavelength range of 1.53-1.72 μm. Its bandwidth is about 190 nm.     

Generation of arbitrary vector beams based on a single spatial light modulator and a thin-film polarization splitting cubic

A setup for the generation of arbitrary vector beams is proposed. The setup mainly consists of a spatial light modulator(SLM), an angle-adjustable polarization beam splitter modulator, and a spatial filtering imaging system. Compared with the system using a birefringent beam splitter with a non-adjustable splitting angle,the polarization splitting angle of the improved setup can be adjusted by slightly rotating the related mirrors,which will bring more convenience when different wavelengths and different pixel sizes of SLMs are involved.The experimental results also demonstrate that the setup possesses a good polarization-selective imaging ability, which reveals that the setup may also be useful in polarization-selective spatial filtering imaging and polarization-encoded encryption.     

On the dependence of the fluorescence intensity of a single impurity molecule on the polarization of the incident light in birefringent crystals (pentacene in p-terphenyl)

A theoretical consideration of the propagation of a polarised light in a birefringent crystal is given. The dependence of the fluorescence intensity on the polarisation of the incident laser beam, on the distance of the molecule from the entrance crystal surface and on the orientation of the transition dipole moment is found. The values of parameters are given for p-terphenyl as the host.     

一种高精度光学位移传感器的设计分析

利用晶体双折射和由散射偏振引起的光学干涉技术,设计出一种高精度光学位移传感器.该传感器采用同轴光学系统,测量精度约为4 μm,测量范围不小于28 mm,且测量时不需要使用相干光源,故结构紧凑、性能稳定.     

一种新颖的表面光波导型原子(或分子)分束器

提出了一种采用二元π位相板与柱面透镜组合而构成表面光波导型原子（或分子）分束器及其Mach-Zehnder干涉仪与X-分束器列阵的新方案，介绍了本方案的物理思想与基本原理，导出了光强分布、强度梯度、分束距离和分束路径的宽度与光学系统参数间的解析关系，并分析和讨论了本方案的潜在应用及其可行性. 研究表明，本方案设计新颖、光路简单，便于与其他元件组合构成具有表面微结构的集成原子（或分子）光学元器件及其全光型原子（或分子）芯片. 关键词： 原子（或分子）光波导 原子（或分子）分束器 原子（或分子）芯片 二元π位相板     

Photonic Crystal Polarizing and Non-Polarizing Beam Splitters

A polarizing beam splitter （PBS） and a non-polarizing beam splitter （NPBS） based on a photonic crystal （PC） directional coupler are demonstrated. The photonic crystal directional coupler consists of a hexagonal lattice of dielectric pillars in air and has a complete photonic band gap. The photonic band structure and the band gap map are calculated using the plane wave expansion （PWE） method. The splitting properties of the splitter are investigated numerically using the finite difference time domain （FDTD） method.