可見光消偏振介質分光薄膜的研制

祖興宇　李琳　付秀華

摘 要：在現代光學測試和光學應用中，基于分束鏡的分光效率特點，研制出了一種高穩定性的介質消偏振分光膜。光消偏振介質分光薄膜采用了等效折射率和等效厚度的選材方式，并對高低折射率材料的匹配進行了優化處理，得到了高低折射率材料組合的優選結果。發現了中心波長對消偏振分束鏡的反射光與透射光影響的因素，探討了一種低誤差靈敏度的高穩定性介質分光膜設計方法，其特點是膜系結構簡單，易于批量生產，并研制出較為理想的寬波段與廣角度變化的中性介質分光膜。

關鍵詞：介質分光膜 消偏振 等效折射率 寬波段 分光效率

中圖分類號：O484 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0001-03

分光膜被廣泛應用在各類的光電儀器、激光、光電顯示設備和光存儲等領域，并在分束鏡應用中起到了至關重要的作用[1]。通常情況下分束鏡總是傾斜著使用，它能方便地把入射光分離成反射光和透射光兩部分。在可見光范圍內，透射和反射比為50/50的中性分束鏡最為常用[2]。當分光膜用于光線傾斜入射時，不可避免地會產生偏振效應，可以利用偏振效應來設計偏振分光膜[3]。

理想的消偏振分光膜，應該在一個較寬的波段范圍內，使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率，使入射角具有一個合理的范圍，而且沒有吸收[4]。Doak[5]和Costich[6]較早提出消偏振理論，但是可選擇的工作波長和薄膜材料受到限制，而且工作波長和入射角的范圍都非常有限，沒有達到理想的消偏振效果。該文利用Global Optimization和Needle合成法，設計并研制了在可見光范圍420～680nm波段與40°～50°角度變化的介質消偏振分光膜。

1 膜系設計與材料選擇

1.1 偏振理論

式中和分別為光在入射介質和膜層中的入射角，和分別為入射介質和膜層的折射率。由此容易看出，（1）式是一個恒大于1的量，因此一個單層膜必然有偏振分離，其中。對于一個確定的入射角而言入射介質折射率愈高，偏振分離也愈大，因而封閉在膠合棱鏡中的膜層的偏振效應更為顯著。當時，，在波長位置將沒有偏振分離。

1.2 高低折射率材料的選擇

在可見光波段常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2、Ti3O5、ZrO2，可選擇的低折射率材料有SiO2和MgF2，由于材料折射率的色散強度隨波長改變的特點，需要選擇合適的鍍膜材料，經過實驗測試得到幾種材料的折射率色散曲線如圖1所示。

由圖1可知，TiO2的折射率要高于Ta2O5的折射率，通過實驗發現Ta2O5材料的鍍制工藝沒有TiO2穩定，故選擇TiO2為高折射率材料。

這里為位相厚度，、分別為高低折射率材料的折射率，當為TiO2、為SiO2時當。當等效折射率0.7059，1.4166，即2.0068；當為TiO2、為MgF2時，等效折射率0.6797，1.4709，即2.6140。故SiO2與MgF2均能滿足要求，但是由于等效折射率比值可知，SiO2和TiO2的組合優于MgF2和TiO2的組合，并且SiO2抗腐蝕能力強，故最終采用SiO2為低折射率材料。

1.3 膜系的設計

由上述理論可知當時，，在波長位置將沒有偏振分離，因此應用TFCalc膜系設計軟件對初始膜系G|HLHL|A使用Global Optimization方法進行初步優化，得到的膜系基本符合要求，在此基礎上采用Needle合成法再次對膜層優化處理得到理想設計曲線如圖2所示。

其中L、H表示SiO2、TiO2材料在入射角為的厚度，設計的膜系為：G|0.33H 0.88L 0.47H 1.3467L 0.92H 1.46L 1.21H 0.82L|A，可選取的中心波長有 ，通過模擬三種中心波長均滿足1：1分光要求，但考慮到本實驗的消偏振要求，進一步進行偏振效應分析，偏振曲線如圖3所示。

由圖3可知中心波長在10nm左右變化時對分光效果的影響很小，而對偏振效果的影響較為明顯，如波長為580nm的P光與S光偏振分離較大，由上述測試結果判斷中心波長選取570nm更為合理。并對比了角度由40°～50°廣角度變化的分光膜曲線如圖4所示，圖5為45°入射分光膜的偏振曲線。

考慮到薄膜實際制備過程中存在的參數誤差，進一步采用蒙特卡羅方法對該設計的敏感度進行分析。圖6：a為薄膜物理厚度2%時的相對誤差，b為折射率參數2%的相對誤差，c為薄膜材料同時具有物理厚度和折射率參數2%的相對誤差時該設計的光譜性能變化。

可以看出，基于蒙特卡羅方法的敏感度分析以上3種誤差情況下引起的性能劣變還是比較小的。采用離子束輔助或濺射等IC/5控制膜層厚度，經工藝優化將薄膜厚度誤差控制在2%是可行的，工藝參數如表1所示。

2 結語

分光膜的制備工作是在700型真空鍍膜機上完成的，該鍍膜機配有惠州奧普康OpCo電子槍，此電子槍蒸發速率穩定，并且與晶控配合實現了自動鍍制光學薄膜。由于鍍制薄膜的薄膜材料的吸收對分光薄膜的分光效率有影響，故在基片背面加鍍一光學增透薄膜修正分光比為1：1。基片背面鍍制的增透薄膜曲線如圖7，入射角為45°時的分光薄膜曲線如圖8。

經過測試鍍制出來的420～680nm的單面增透膜的平均透過率為95.314%，分光膜滿足了40°～50°入射角變化并且平均反射率誤差<0.8%。并實現了介質分光膜的消偏振效果，由于采用的材料都是介質材料，吸收基本可忽略，則兩個分量的透射率特性也基本相同。而且反射或透射引起的兩個分量間的相位延遲也都滿足設計目標，并控制在較小的范圍。

發現波長在690nm處分光強度隨角度變化并不明顯，此波段可對690nm半導體激光器的應用產生促進作用。例如：高速計算機網、航空電子系統、衛生通訊網、高清晰度閉路電視網等。其他應用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示，及各種醫療應用等。

參考文獻

[1] Feng J，Zhou Z. Polarization beam splitter using a binary blazed grating coupler[J].Optics letters，2007，32（12）：1662-1664.

[2] 唐晉發，顧培夫.現代光學薄膜技術[M].浙江：浙江大學出版社，2006：20-36.

[3] 孔明東，李瑞潔.光學平板偏振分光鏡對稱膜系的優化設計[J].強激光與粒子束，2000，12（1）：61-64.

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[6] Costich VR.Reduction of polarization effects in interference coatings[J].Applied optics，1970，9（4）：866-870.

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