全介质三波长消偏振平板型分光膜的设计

　　分光膜是光学仪器中的基本元件,有着广泛的应用。分光膜一般有两种结构:平板型和胶合棱镜型,入射角是45°。当分光膜用于光线倾斜入射时,不可避免地会产生偏振效应。可以利用偏振反应来设计偏振分光膜[1],但在许多实际应用的场合里又希望能够消除偏振效应。设计与制造消偏振分光膜需要解决材料固有的偏振分离的基本属性。理想的消偏振分光膜,应该在一个较大的波长范围内,使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率特性,使入射角具有一个合理的范围,而且没有吸收。金属材料相对于全介质材料,具有比较小的偏振效应。因此,采用包括金属层的多层膜设计能在较大的波长范围内使S偏振光和P偏振光具有近似相同的特性[2-5],但存在金属材料的强烈吸收。为解决薄膜的消偏振问题,曾经有过大量的研究工作。Baumeister[6]和Costich[7]是比较早考虑消偏振理论的,但在工作波长和实际能找到的折射率材料范围内,未能得到期望的解。1976年,Thelen[8]的理论显示了采用3种或4种材料的组合,有可能得到满足要求的解。然而,他提出的消偏振分光膜的工作波长范围是非常有限的。此后,有很多致力于采用全介质材料来设计消偏振分光膜的报道[9-21]。近些年,很多采用优化设计的数值方法都取得了比较好的结果[18-21]。以上的设计,大部都是理论性的结果,并且工作波长和入射角的范围都非常有限。本论文利用Needle合成法与Conjugategraduate精炼法,并基于Thelen和Costich的理论选择初始膜系的材料和结构,设计并分析了532,633和1 315 nm三波长消偏振平板型分光膜。

    1　消偏振分光膜设计

　　本文设计的消偏振分光膜,要求S偏振光和P偏振光在532,633和1 315 nm 3个波长位置附近具有相同的反射率特性,且分光比为R∶T=50∶50。由于工作波长范围的跨度非常大,材料的色散会对光谱特性有非常明显的影响,往往采用优化设计的数值方法解决。本文对于分布在从可见光范围到红外范围的3个波长及附近位置的消偏振设计,是利用Needle合成法与Conjugate graduate精炼法得到的。由于采用全介质设计,且入射介质是空气,基板是玻璃,整个膜系的吸收是可以忽略的。所以,可采用评价函数

式中:L是波点数目;RDi,S,RDi,P分别是S偏振光和P偏振光反射率的计算值;RMi,S,RMi,P分别是S偏振光和P偏振光反射率的设计目标值;σi,S,σi,P是容许的反射率偏差。

　　对于优化设计,膜系初始结构的选择往往是取得成功的关键。我们考虑λ/4的膜堆HMLM。根据Thelen[8]的理论,当3种材料组合的偏振分离满足ΔHΔL=Δ2M时,这个多层膜堆将在参考波长位置没有偏振分离。选择参考波长为1 000 nm,发现MgF2, Al2O3和TiO2是比较好的组合。因为它们在1 000 nm处的折射率分别是1.370 4,1.673 7和2.231 7,偏振分离是ΔL=1.362 8,ΔM=1.217 3和ΔH=1.111 6,则ΔHΔL=1.022 3Δ2M。另外,根据Costich[7]的理论,在基片上加镀一层λ/4厚度、折射率n1满足Δn1=(Δng)1/2的膜层,可对基板消偏振。我们的设计中,基板玻璃在1 000 nm波长位置的折射率是1.506 5。则Δng=1.282 6,(Δng)1/2=1·132 5。我们可以选择TiO2作为基板的消偏振匹配层。根据相同的原理,选择MgF2作为空气的消偏振匹配层。