光学平板偏振分光镜对称膜系的优化设计

    光学平板偏振分光镜依靠偏振膜将入射光束中的S光和P光分开,在强激光系统中应用的平板偏振分光镜,为保证偏振膜有高的损伤阈值,一般选用 高折射率材料(HfO2,ZrO2,Ta2O5等)和低折射率材料(SiO2)交替沉积来实现[1,2]。对这种偏振膜的设计,由于材料选择有限和实际镀 膜过程中的监控误差,以及膜层暴露于空气中折射率变化可能导致的波长漂移,应使偏振膜具有一定的工作带宽,因此必须消除透射P光在工作波段中的通带波纹。 同时,P光场强分布贯穿在整个膜层,可能导致P光的大量损耗,降低P光的透射率。为保证高的消光比,必须使所设计膜系的P光通带尽量靠近S光反射带中间部 分。以前优化设计[3]的膜系,能达到宽带高消光比,但实际工艺难以实现。加匹配层或自动平衡法[4]设计的膜系,P光透射带位于S光反射带边缘,难以达 到很高的消光比(>1000)。

    对于强激光系统应用的偏振膜,薄膜的损伤取决于P光在薄膜中电场强度分布的最大值。设计高阈值、高消光比的平板偏振膜,还必须考虑电场强度 在薄膜中的分布情况。因此,要求设计偏振膜的方法必须十分灵活,才能设计出同时兼顾电场分布情况和光学性能的高阈值、高消光比的平板偏振膜。基于滤光片和 失谐滤光片[5,6]所设计的膜系,属于解析设计,没有选择合适电场强度分布的余地。我们基于对称膜系,建立了光学评价函数,自动搜索优化其中几层膜的光 学厚度,以消除P光通带波纹,来保证一定的工作带宽内有高消光比(>1000)。该算法简便,设计灵活,能得到各种电场强度分布的膜系,而且所设计 膜系容易实现。

    1  理论分析

     单层光学薄膜的特征矩阵

其中δj= 2πλ-1njdjcosθj;ηj=njcosθj(S光),ηj=nj/cosθj(P光),nj是第j层膜折射率;θj是第j层膜内折射角;dj是 第j层膜物理厚度;λ是波长。因为L层对称膜系的特征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质,在数学上可以等效为单层膜[6]

其中ne为等效折射率;Γ为等效位相厚度。从(2)式可得

     由(3)、(4)式及薄膜特征矩阵知识可知,当 m11 >1时,ne和Γ均为虚数,等效折射率概念不存在,这些波数对应于对称膜系的反射带;当 m11 <1时,对应于透射带,只要求出ne和Γ就可得到它的全部光学特性。由(2)式L层对称膜系的反射率为

对于ne和Γ为实数的波数,反射率可以简化为

其中,η0、ηs分别为入射介质和基底的修正导纳。

    2  优化算法及实例