薄膜偏振分光镜的优化设计与实验

　　0 引 言

　　偏振光广泛应用于光电系统中。普通的偏振器件利用了晶体的双折射特性, 其优点是消光比和透射率高, 适用光谱范围大。但缺点是尺寸大、双折射天然晶体很少, 不容易制备大口径的晶体偏振器件, 而且价格高、工艺复杂。薄膜偏振分光镜是基于光的干涉作用研制而成的。其优点是孔径大, 损耗低, 成本低, 系统设计灵活。因此广泛应用于光学仪器、激光技术、光电显示和光学存储等领域。

　　规整膜系的薄膜偏振分光镜是按照 Mac Neille[1]方法设计的。由于可供选择的光学膜料有限, 因此, 选取合适折射率的膜料较困难。

　　非规整膜系的薄膜偏振分光镜可采用优化算法设计[2- 5]。顾培夫等设计了一种在 K9 玻璃内入射角为53°、420～680 nm 上的平均偏振度为 99%的棱镜偏振分光镜, 获得一个有 33 层的非规整膜系。其缺点是层数多, 制造难度大; 反射光和透射光不相互垂直, 设计的棱镜不再是直角棱镜,尺寸比直角棱镜大[6]。

　　文中采用矩阵法推导了膜系的等效导纳, 分析了P 偏振光的有效导纳与折射率的关系, 给出了膜层置换的设计方法。通过置换膜系的部分膜层, 实现等效导纳值的调节, 寻找高消光比、宽带的偏振膜系。模拟与实验结果表明, 该方案能制备出大带宽、高消光比的薄膜偏振分光镜。

　　1 薄膜偏振分光镜的设计原理

　　等效导纳是设计和分析膜系的一种有效方法[7-8]。对于 λ/4 规整膜系, 可以利用膜系的特征矩阵求出其中心波长的反射率。

　　设多层膜的层数为 2m+1(m=0,1,2,3, ),光学厚度为 λ/4, 则膜系与基底组合的特征矩阵为:

　　设 nisin φi=k, 根据折射定理: n0sin φ0=n1sin φ1= =nisin φi= =ngsin φg=k。

　　若 P 偏振光完全透过, 则 RP=0, 需满足:

　　P 偏振光的有效导纳与折射率的关系如图 1 所示 (图中 k=nisin φi)。由图可知, 当折射率 ni= √2k时, 等效导纳达到最小值 ηmin=2k; 膜料的高折射率值ni> √2k, 低折射率值 k i< √2k; 入射角φ0增大,k 值增大, 高、低折射率的取值范围增大; 有效导纳值相同时, 低折射率的绝对率值大于高折射率的绝对率值, 表明有效导纳对低折射率值的灵敏度高。

　　对于 S 偏振光, 有:

　　S 偏振光的有效导纳ηi随折射率 ni单调增加。由于, 且 有 RS>0, 其反射率取决于膜层数 2m+1, m 越大,RS也越大。当时, S 光的高反射带宽为[8]:

　　该式表明: S 偏振光的反射带宽仅同构成多层膜的膜料高、低折射率有关。折射率比值越大, 高反射带宽就越大。

　　文中薄膜偏振分光镜的设计原理具有如下优点:可采用规整膜系设计薄膜偏振分光镜; 公式(3)是一般形式, 具有普遍意义; 膜料的折射率可以比较自由地选取, 不受 Mac Neille 方法的限制; 制备宽带、高消光比的偏振分光膜可以采用通用的光电极值法监控。