薄膜光学技术-2-6

1、1课堂论题十课堂论题十o 全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性o o 1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S o 2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/Ao 3）截止滤光片o 4）带通滤光片 o G/(HL)m2H(LH)m/Ao G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /Go A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/Ao 中心波长的意义；中心波长的意义； 间隔层厚度的意义；间隔层个间隔层厚度的意义；间隔层个数的意义；数的意义；膜层数的意义。膜层数的意义。 LLH2222SSHHL、m

2、L32H32L32 3 2-6 偏振和偏振薄膜偏振和偏振薄膜（1）. AR coating GHLA min Rmin/% RS/% RP/% 00550nm 0.99 0.99 0.99 300 520nm 0.999 0.81 1.19 450480nm 1.1 0.39 1.81 600440nm 2.28 0.08 4.48 1. 薄膜的偏振效应薄膜的偏振效应4（2）(LH)9 stack max RmaxRs-maxRp-max s p 00550nm0.99940.99940.9994480-650480-650 300530nm0.99920.99970.9987440-6304

3、60-620 500510nm0.99840.99990.9969430-620450-590 600500nm0.99300.99990.9864390-600430-5505利用光的偏振效应实现利用光的偏振效应实现5050中性分光。中性分光。原理原理： 当入射角满足布儒斯持角条件时，即当入射角满足布儒斯持角条件时，即 tg= nH/ nL ， 当膜层数增加到足够多时，当膜层数增加到足够多时， 依此，当自然光入射时，在依此，当自然光入射时，在一定的波长范围一定的波长范围内，得内，得到到50/50的透射和反射率比，的透射和反射率比， 既可以作为良好的中性分光镜，既可以作为良好的中性分光镜， 也

4、可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。pr0 2. 6.1 偏振分束膜偏振分束膜1. 立方棱镜的偏振分光膜立方棱镜的偏振分光膜布儒斯特角原理布儒斯特角原理 0, 0sprr1, 0sprr6偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制HL多层膜。多层膜。7 根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、光线入射角和棱镜材料。光线入射角和棱镜材料。HLHHLLGGH tgnn ,n sinn sin=n sinHLGG1 222HLn nn sinn +n实现偏振分光的条件： 棱镜偏振分光镜的设计：棱镜

5、偏振分光镜的设计：8立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：1. 1. 选定棱镜的折射率选定棱镜的折射率nsns，根据上式计算棱镜应有的角，根据上式计算棱镜应有的角度度ss; ;2.2.选定棱镜的角度选定棱镜的角度( (ss=45=45) )，然后计算棱镜应有的，然后计算棱镜应有的折射率。折射率。在给定在给定nH和和nL的情况下，就可以确定出膜层内的折射角的情况下，就可以确定出膜层内的折射角H和和L，1. 例如例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜，根据上式计算棱镜应有的角度应有的角度s=50.52.例如例如: :n nH H=

6、2.35,n=2.35,nL L=1.35 =1.35 ,s=45 ,则，ns=1.66。9中心波长处的反射率为：中心波长处的反射率为：211mLHs2HsmLHs2HsRm为膜层的层数，并假定为奇数。为膜层的层数，并假定为奇数。S-偏振光高反射区域的偏振光高反射区域的半宽度半宽度为：为：11gsLHsLHs1sin21011 在基于布儒斯特角入射的在基于布儒斯特角入射的棱镜棱镜偏振镜中，各介质偏振镜中，各介质的的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在界面，因而界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的结果偏振光有高的透射并不是干涉的结果(不产生干

7、涉不产生干涉) 平板平板偏振分光镜是基于薄膜材料的偏振分光镜是基于薄膜材料的P-偏振和偏振和S-偏偏振的有效折射率不相等这一条件设计的，振的有效折射率不相等这一条件设计的，P-偏振光偏振光的高透射率是通过干涉效应实现的高透射率是通过干涉效应实现的因此它们的工作的因此它们的工作波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵活性活性 这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片 G（0.5HL0.5H）SA。 当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。 2. 平板型偏振分

8、光膜平板型偏振分光膜1213o 原理：原理： 当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量 E垂直垂直于线栅的于线栅的偏振光透过线栅偏振光透过线栅，而电矢量，而电矢量 E平行于线栅平行于线栅的偏振光则被线栅反射。的偏振光则被线栅反射。 o 金属栅偏振器的主要优点是金属栅偏振器的主要优点是： 工作波段很宽；工作波段很宽； 全波段内偏振性好；全波段内偏振性好； 线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏振器振器 。

9、3. 金属栅偏振分光镜金属栅偏振分光镜1415p 显然：显然： 对独立的单层膜来说，对独立的单层膜来说，n永远大于永远大于1，单层膜不可能消偏振；，单层膜不可能消偏振；对确定的对确定的n0和和n，n随入射角随入射角0的减小而降低，即入射角越小，偏振的减小而降低，即入射角越小，偏振分离越小；分离越小；对于确定对于确定0和和n，n随入射介质随入射介质n0增大而增大，偏振分离也越大；增大而增大，偏振分离也越大；o 因此，消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现；因此，消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现； 封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重。封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重

10、。 202202sin11cos1coscosnnnnnsp 2.7 消偏振膜系消偏振膜系 在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。p 产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。定义定义s和和p偏振分量有效导纳的偏振分量有效导纳的偏振分离量偏振分离量为：为：162.7.1 单波长消偏振单波长消偏振o 由于由于多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离，多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离， 多层膜系的光学导纳是膜层厚度的

11、多层膜系的光学导纳是膜层厚度的复函数复函数， 多层膜系的多层膜系的光学导纳色散非常严重光学导纳色散非常严重，所以多层膜系，所以多层膜系 的光学导纳的偏振分离量很难用一个的光学导纳的偏振分离量很难用一个显函数显函数表达。表达。 也就很难在宽波段实现消偏振设计。也就很难在宽波段实现消偏振设计。o 目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明确用显函数表达的特殊波长进行的。确用显函数表达的特殊波长进行的。o 所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量Y=1。o 应当注意的是：应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对一个完整

12、的消偏振设计，既需要对膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。172.7.2 宽波段消偏振宽波段消偏振1.“金属金属-介质介质”组合膜系组合膜系例：例：G/H metal H/G 其中其中 metal AgRsRpG| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|AH:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K918 如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满足足 ，且光线以等于或大于全反射临界角入射，且光线以等于或大于全反射临界角入射时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受到抑制，得到没有偏振效应的各种透反比的分光效果。到抑制，得到没有偏振效