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。理論和實驗證明這一設(shè)計有較好的可調(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)計成具有大視場角、窄通帶、良好的抗光損傷能力等獨特的光學(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,當楔形板相對于另一塊滑動時,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),達到對光的調(diào)諧,但是需要控制溫度,或?qū)w進行重新加工,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,從而實現(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。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)計迄今尚未見報道。

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,入射光在進入石英片后,產(chǎn)生平行于光軸振動的非常光(e光)與垂直于光軸振動的尋常光(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,雖然o光和e光是來自同一條光線,且沿同一方向傳播,但振動方向卻相互垂直,故不能發(fā)生干涉。當它們通過P2后, o光和e光二振動方向平行,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δ,因此達到調(diào)諧性能。當d=5mm時,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)動波片

下面從理論上討論繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動波片, 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,繞平行于光軸的軸向轉(zhuǎn)動波片的情況。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)動使相位延遲的變化,設(shè)計調(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θ,因此達到調(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,其中實線為θ=0°時濾光片透射曲線,虛線為θ=12°時濾光片透射曲線。從圖可以看出,當θ發(fā)生變化時透射光的波長也隨之而改變,從而達到調(diào)諧的目的。

為了檢驗理論的正確性,采用島津UV23101PC型分光光度計對該結(jié)構(gòu)的雙折射調(diào)諧濾光片進行了測試。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,其中實線為θ=0°時濾光片透射曲線,虛線為θ=14°時濾光片透射曲線。由結(jié)果可以看出實驗與理論符合得很好。

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現(xiàn)。感謝宋連科老師和郝殿中老師在實驗和數(shù)據(jù)處理中給予的幫助。