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Rochon棱镜发明于1783年，通常由两块光轴相互垂直的冰洲石晶体直角棱镜胶合而成[1-2]，由于冰洲石晶体具有光学性能稳定、双折射率大[3-5]、透射光谱范围宽等特点[6-7]，所以以其为原料制成的Rochon棱镜具有消光比高(优于10-5)、透射比大(大于87%)[8-9]、抗损伤域值高等一系列优点，是当前激光应用技术中广泛使用的偏光分束棱镜[10-12]。Rochon棱镜可以正向使用，也可以反向使用，但反向使用时，消光比会下降，对于会聚光束或发散光束，锥光干涉会引起反向消光比的下降，但对于平行光束，反向通过Rochon棱镜后，实验中发现传播方向不变的一束光的消光比仍然比正向应用时低。作者对此进行了系统的理论分析，给出了这一现象的一种合理解释，并通过实验对理论分析结果进行了验证，本文中的研究成果可为Rochon棱镜的设计制作和正确使用提供必要的参考。
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Rochon棱镜正向和反向应用时，光在棱镜中传播的光路分别如图 1a和图 1b所示。图中S为棱镜的结构角，i为垂直于棱镜端面的入射光线，h为胶合层的厚度。对于正向使用的Rochon棱镜，由图 1a可知，入射自然光在棱镜的第一部分及胶合层中传播时，并不起偏，当到达胶合层与棱镜第二部分的分界面时才分成o光和e光；对于反向使用的Rochon棱镜，入射自然光进入棱镜的第二部分后，便被分成o光和e光，但二者传播方向一致，在棱镜第二部分和胶合层界面处，o光和e光传播方向分离，经棱镜第一部分出射。实验表明，棱镜反向使用时，o光的消光性能显著下降。
Figure 1. Light path in Rochon prism
为了解释棱镜反向使用时o光消光比下降的原因，先对胶合层进行分析。由于胶合层采用的胶合剂为各向同性介质，在存在应力的情况下由于光弹效应会变为各向异性介质[13-14]，胶合层固化后，胶合层内任意一点A的受力模型可用图 2表示。
Figure 2. Schematic diagram of the strength on prism bonding layer
图 2中建立直角坐标系O-xyz，Ox和Oy轴位于胶合层所在的平面内，坐标原点O在A点上。A点在x, y, z方向受到的应力分别用s11, s2, s10表示，s1和s2分别为垂直于o光传播方向的最大主应力和最小主应力，其中s2为s11和s10的矢量和。由图 1可知，胶合层法线与光传播方向的夹角与棱镜结构角S相等，即s10与光的传播方向的夹角为S(如图 2所示)，所以s1=s10sinS+s11cosS。另外假设胶合层内所有点的受力情况都与A点相同，由两向应力-光学定律得[15]：
式中，Rt为光矢量方向平行于s1和s2的两束线偏振光分量通过胶合层时产生的光程差，Rt为t的函数，t为沿光线传播方向材料的有效厚度，满足$ t = \frac{h}{{\cos S}} $，k为与胶合剂材料有关的应力-光学常数。所以，胶合层对于入射光来讲，相当于通过延迟量为$ \Delta = {R_t}\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{\lambda } $的相位延迟器，假设s2与o光光矢量之间的夹角为θ，Rochon棱镜反向使用时，满足[16]：
式中, Ex表示光矢量在x方向上的分量，Ey表示光矢量在y方向上的分量。由此可见，线偏振光经胶合层等效的相位延迟器后，变为椭圆偏振光。上面的理论分析同样适用于e光，即o光和e光经胶合层后都变成了椭圆偏振光。由光在晶体中传播的知识可知[17]，在单轴晶体中，传播的e光只能是平面偏振光，所以Rochon棱镜无论正向使用还是反向使用，e光都具有较高的消光比。对于o光，棱镜正向使用时，从胶合层出射的光要经过棱镜的第二部分，而在棱镜的第二部分中，晶体光轴与光的传播方向不一致，因此o光只能是平面偏振光，所以消光比较高，而反向使用时，从胶合层出射的光要经过棱镜的第一部分，但在棱镜的第一部分中，晶体光轴与光的传播方向一致，因此o光可以是平面偏振光、椭圆偏振光或圆偏振光，所以从胶合层出射的椭圆偏振光会直接经棱镜第一部分出射，即出射o光为椭圆偏振光，导致消光比会降低。
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Rochon棱镜o光消光比测试及偏振态的检测光路如图 3所示。光源采用He-Ne激光器，由激光器发出的光经扩束透镜和准直透镜后，变为准直光束，垂直与入射Rochon棱镜，测试消光比时，不加入λ/4波片，o光直接进入检偏器，然后通过衰减器进入CCD探测器，检偏器采用优质格兰-泰勒棱镜，其消光比优于10-7，利用计算机对CCD采集到的数据进行分析。检测o光偏振态时，光路中加入λ/4波片，旋转λ/4波片，使其快轴与消光比测试时检测到的光强最大(最小)方位一致，再旋转检偏器，测量消光比，实验结果如表 1所示。
Figure 3. Schematic of extinction ratio and polarization detection
forward reverse extinction ratio (collimating beam) 1.14×10-5 without λ/4 wave-plate with λ/4 wave-plate 2.93×10-3 5.72×10-5 Table 1. Parameters of extinction and polarization detection
由表 1可知，在准直光束照射下，Rochon棱镜反向消光比远小于正向，但加入λ/4波片后，反向消光比增大，由此可见，棱镜反向使用时，出射光中含有椭圆偏振光的成分，这与理论分析的一致，但是与正向使用的棱镜相比较，消光比仍然较低，其原因是上面分析时，将胶合层受力后看成单轴晶体，各点受力情况均相同所致。
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通过对Rochon棱镜胶合层受到的应力进行分析，得出由于胶合层光弹效应的影响，平面偏振光经过后会变成椭圆偏振光，结合晶体光学的相关知识，从理论上解释了Rochon棱镜反向使用时，o光消光比下降的原因，并设计实验，对理论分析的结果进行了验证。本文中相关的理论和实验研究成果可为Rochon棱镜的设计和应用提供有益的参考。
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