用于450～750nm波长区的金属-介质消偏振分光镜

　　1　概　述

　　当薄膜倾斜使用时,由于要求电场和磁场在薄膜每一界面上的切向分量连续,因此S分量和P分量的有效折射率将不同。这就不可避免的要产生偏振分离,但在许多实际应用中,必须消除这种偏振分离。

　　消偏振薄膜分光镜的设计和制备是一个非常棘手的问题。在设计方面,虽然已有一些关于全介质消偏振分光镜设计的报导[1～3],但这些设计的局限性很大,甚至可以说迄今仍然缺乏真正实用的方法。全介质消偏振分光镜一般只有一个非常窄的波长区,实现符合一定透、反射比的消偏振,而且膜层数多,设计材料有时多达三种以上,更有甚者,这些设计的折射率容差非常小,以致实际制造常会远远偏离设计值,依然产生很大的偏振分离。本文将着重讨论低吸收的金属—介质消偏振膜系的设计与制备,它相比于全介质消偏振分光镜具有优良的特性,且又易于制备,其吸收一般为2—3%,所以是一种优良的宽带消偏振分光镜。

　　2　膜系设计

　　在光线垂直入射时,P分量和S分量的有效折射率就是薄膜的实际折射率,不产生任何偏振分离。但当光线倾斜入射时,由于ηp(=n/cosθ)和ηs(=ncosθ)不同,将导致二分量的反射率或透射率不同,引起偏振分离。通常偏振分离定义为Δn

　　式中θ0和θ分别为光在空气中和膜层中的入射角和折射角,n0为入射媒质的折射率,n为膜层折射率。很显然,由上式可知:

　　(1)对确定的入射角θ0和入射媒质n0,Δn随着薄膜折射率增大而减小,这就是说,选用高折射率材料对消偏振是有利的。空气是最低折射率的材料,当θ0=45°时,Δn=2;而θ0=0°时,Δn=1,所以偏振分离的范围为1<Δn<2。

　　(2)对确定的θ0和薄膜材料n,Δn随着入射媒质n0的增大而增加,因此封闭在胶合棱镜中的膜层,偏振分离总比平板大。

　　(3)对确定的n0及n,Δn随入射角θ0的减小而降低,即入射角越大,偏振分离越大。

　　(4)在倾斜入射时,由于ηp>ηs,故单层膜不可能实现消偏振。以上讨论虽针对单层膜,但只要将多层膜的有效折射率取代膜层折射率n,便可推广到多层膜。

　　在全介质单波长消偏振分光镜的设计方面,Costich[1]早在1970年就提出了运用等效折射率概念的对称周期膜系的设计方法,但由于要求的等效折射率为实数,所以它只适用于膜系反射率不随周期数目增加而增加的透射带内,这就是说,膜系即使达到消偏振,其反射率是不能任意调节的,且反射率很低。Mahlein[2]1974年提出用两层膜组成的基本周期设计消偏振分光镜,由于设计要求的两种膜料的折射率均远远超出实际膜料的值,所以实用价值不大。最有使用价值的是1976年Thelen[3]提出的将膜层基片和入射媒质一体考虑的方法,这种方法需要三种以上的膜料,层数较多,更为难办的是膜层折射率对消偏振特性的影响极其敏感,所以要真正制备出较小偏振分离的分光镜并非易事。上述方法均采用全介质膜系,虽然吸收损耗可忽略不计,但存在的问题都是致命性的,况且不可能达到宽带消偏振的目的。