本文介绍一种高角度分辨率分束器，基于全内反射，可用于分离仅在角度上不同的叠加光束。

一般情况下，可以通过调整束腰或其波长和延长的传播距离来改善角分辨率。但是如果束腰和波长是固定的，且系统的紧凑性和简单性要求较高，则需要考虑替代方法。声光调制器（AOM）就是一个不错的选择。因此，本文展示了直接在声光调制器后面的不同衍射级的叠加光束的分离，其工作波长为800nm，其功能原理完全依赖于全内反射的角度。由于器件的波长依赖性仅源于抗反射（AR）涂层的波长依赖性，光学元件仅依赖于标准光学元件，因此可以轻松调整波长和元件尺寸，以满足各种应用的要求。

图 1具有折射率n1的两个直角棱镜形成具有气隙的立方体（折射率n2 <n1），在该气隙处可发生全内反射。当微调到临界角时，一个衍射级的光束被反射，而另一个被透射通过光束分离器。（a）光束分离器的俯视图，（b）微晶玻璃基座上的光束分离器。

光束分离器的示意图如图1所示：两个具有相对斜边的直角棱镜组合形成具有大约125μm间隙的立方体。第一棱镜折射率为n1，第二棱镜折射率为n2，所以全内反射可以发生在间隙的界面处。临界角可以从Snell定律得出：

θc=arcsin(n₂/n₁)

在AOM中，对于布拉格角入射的光，一阶强度变为最大，由下式给出

θ_B=λf/2ν

λ=λ₀/n是光在晶体中的波长，ν是声速，f是射频，无衍射光束与一级衍射光束之间的夹角是布拉格角的两倍。

为了分离不同衍射级的光束，必须将光束分离器调谐到全内反射的临界角，以便反射一个衍射级的光束，而根据斯涅尔定律折射另一个衍射级光束。当进入第二个棱镜时，该光束在原始传播方向上再次折射，透过光学元件。

为了构建光束分离器，将由N-BK7和5 mm长棱边（Thorlabs PS909）制成的两个棱镜胶合在微晶玻璃基座上，以确保气隙的固定宽度。使用光固化粘合剂（NOA63）可在固化前精确对准棱镜。将没有涂层的光纤放置在两个棱镜之间作为间隔物以确保表面平行。所有棱镜界面都具有内部制造的AR涂层，其工作波长为800nm。该波长已经通过示例选择并且可以容易地进行调整。在该波长下，N-BK7具有1.5108的折射率，则有θ_C= 41.45°的临界角。

图 2透射光束的光束位移和不需要的反射R₁和R₂，它们受AR涂层的抑制。

图 3根据菲涅耳方程（“没有AR涂层”橙色）和AR涂层（蓝色），玻璃（n = 1.5108）到空气界面的s偏振光的反射率与入射角的函数关系。

当一个衍射阶的光束完全反射(与偏振无关)时，透射光束不仅被折射，而且在离开第一棱镜进入第二棱镜时也根据菲涅耳方程进行反射（见图 1）。我们使用了一种增透膜，它有五层交替的氟化镁（MgF2，n = 1.4）和硫化锌（ZnS，n = 2.4），以将临界角附近的这些不需要的反射从60％以上降低到1％一下。计算出的s偏振光的反射率与有和没有AR涂层的玻璃-空气界面（图2中的R1）的入射角的函数关系如图3所示。由于棱镜的折射角等于棱镜的入射角，当折射率倒置时，在空气-玻璃界面(R2)的反射率也同样高。因此，相同的涂层适用于两个棱镜。

由于大的折射角，光束轮廓在一个轴上被挤压，这导致椭圆形轮廓。仅对于棱镜之间的小距离，不需要补偿这种像差。另一方面，距离必须足够大以防止反射本身，从而防止标准具效应的发生。在所选择的125μm的气隙宽度下，光束位移约为1mm（见图2），折射角为41.1°。在这种配置中，与通过足够长的光束路径分辨的光束相比，我们看不到光纤耦合效率的下降和功率稳定性。

图 4光束分离器特性测量的示意图。FC，光纤准直器； HWP，半波片；PBS，偏振分束器；AOM，声光调制器。

特性测量装置示意图如图4所示。可调谐二极管激光器（TOPTICA Photonics DL pro）的光线通过光纤引导到装置中。准直光束（束腰≈400μm；发散角在光束分离器的容许范围）通过半波片和偏振分束器进行强度调节和偏振清洁。波长计（HighFinesse WS6-200）用于监测在偏振分束器处传输的光束部分中的波长。s偏振反射部分通过AOM（A-A MT80-A1.5-IR），其中二氧化碲晶体的材料-声学模式速度为v = 4200m / s，折射率为n = 2.26。AOM工作在f = 80 MHz，则在800nm波长处的布拉格角是θB=0.19°，根据斯涅尔定律，在AOM零阶衍射光束和一阶衍射光束之间的角度是0.86°。

光束分离器放置在尖端，倾斜和旋转载物台上（Thorlabs TTR001 / M），并调整到全内反射的临界角。将在AOM和光束分离器之间测量的参考功率记录透射光谱中，如图5所示。虽然双折射在理论上与高损耗相关，但实际上由于增透膜，实现了超过90％的透射率（图5插图）。

图 5计算透射光谱（蓝色），由AR涂层对41.1°角入射角的s偏振光的平方透射率和测量光谱（橙色）给出。使用OpenFilters计算的涂层光谱。

这种光束分离器可以开发紧凑型激光系统模块，非常适合用于空间或其他现场应用的高度稳定的激光系统。